Крохмаль як відновлювана сировина - біологія

крохмаль

Сила, перш за все картопляний крохмаль, кукурудзяний та пшеничний крохмаль, завдяки своєму різноманітному застосуванню в хіміко-технічній промисловості, є однією з найважливіших відновлюваних сировинних матеріалів поряд з деревиною та цукром. Основними сферами застосування крохмалю є виробництво паперу та гофрованого картону як паперового крохмалю та ферментаційна промисловість як ферментований субстрат для виробництва різних хімічних речовин платформи та біоетанолу як біопалива.

Будова та властивості

Основна стаття: Сила

Як полісахарид, крохмаль є природним біополімером, який зберігається в клітинах рослин у вигляді зерен крохмалю як речовина, що зберігає енергію. Він складається з α-D-глюкозних одиниць (мономерів), які зв’язані між собою за допомогою глікозидних зв’язків. Це призводить до отримання хімічної формули (C6H10O5) n, де C означає вуглець, що міститься, H - водень і O - кисень. Молекула крохмалю зазвичай складається з 10 4 - 10 6 одиниць глюкози, з яких існує два різних типи:

  • 20–30% крохмалю складається з амілози, лінійних ланцюгів з гвинтовою (гвинтовою) структурою, які пов’язані лише α-1,4-глікозидно
  • На 70–80% складається з амілопектину, сильно розгалужених структур, з α-1,6-глікозидними та α-1,4-глікозидними ланками.

Завдяки групам OH та глікозидному зв’язку окремих мономерів, крохмаль може бути хімічно модифікований різними способами, що робить його придатним для різних цілей. Таким чином, за допомогою різних замін можуть бути отримані ефіри крохмалю (крохмаль-АБО) або складні ефіри (крохмаль-O-CO-R), а різні молекули можуть бути пов'язані з полімером крохмалю (RO-крохмаль-OR та/або R-OC-O-крохмаль- O-CO-R). Окислені крохмалі та молекули крохмалю з підвищеними групами СООН або СНО можуть бути отримані окисленням первинних груп ОН; окислення вторинних груп ОН призводить до збільшення СНО та СО груп, а також кільцевого утворення молекул С2 і С3. Під час термолізу та піролізу можна отримати лаевоглюкозан із відокремленням води, яка може використовуватися як сировина для ряду продуктів. [1]

Гідролізом за допомогою ферментів або кислот можуть розриватися глікозидні зв’язки, завдяки чому утворюються різні модифіковані крохмалі, декстрини та цукру на основі крохмалю. До останніх в основному належать глюкоза (декстроза), мальтодекстрин, сироп глюкози, мальтоза, фруктоза та сорбіт.

Походження та склад

Основна стаття: Рослина крохмалю

Вміст крохмалю в рослині сировини
(у% використовуваних частин рослини) [2]
гороху 40
ячмінь 75
картопля 82
Кукурудза 71
маніока 77
рис 89
жито 72
Сорго 74
Солодка картопля 72
Тритикале 74
пшениця 74

Крохмаль для технічного застосування отримують з різних культур. Найважливішими міжнародними рослинами, що виробляють крохмаль, є картопля, кукурудза та пшениця; на національному рівні такі рослини крохмалю, як маніока (тапіока, також маніока), рис та солодкий картопля можуть відігравати більшу роль. Ці заводи становлять основну частину світового виробництва близько 45 мільйонів тонн. Існують також інші види зерна (ячмінь, жито, тритикале), горох, пальми саго (саго) та ямс, які в основному використовуються як постачальники крохмалю для їжі та кормів. У Німеччині в 2007 році з картоплі, пшениці та кукурудзи було вироблено 1,53 млн. Тон крохмалю [3] .

Пропорції типів крохмалю амілози та амілопектину змінюються залежно від виду та сорту рослини крохмалю. Оскільки амілопектин в першу чергу необхідний для промислового використання, переважними є рослини крохмалю з максимально можливим вмістом амілопектину. Наприклад, в ЄС, в даний час у процесі затвердження знаходиться генетично модифікований крохмальний сорт картоплі Амфлора, крохмаль якого складається майже виключно з амілопектинів [4]. Інші види ячменю, крохмаль яких становить 95% амілопектину, засновані на звичайних методах розведення.

Різні типи та різновиди відрізняються не тільки вмістом крохмалю, але також складом крохмалю та вмістом інших інгредієнтів, таких як білки, ліпіди та мінерали, а також вмістом вологи в необробленому крохмалі. Ці інгредієнти зазвичай складають близько одного відсотка, вологість становить від 10 до 20% маси крохмалю. Необхідний вміст вологи та інгредієнти визначені національними та міжнародними стандартами.

використання

Основна частина крохмалю та його продуктів використовується у харчовій промисловості при виробництві кондитерських виробів, хлібобулочних виробів, молочних продуктів та особливо напоїв у формі цукрів на основі крохмалю (особливо глюкозного сиропу, декстрози та ізоглюкози). За даними Німецької асоціації крохмальної промисловості eV у 2008 р., Ця частка становила 56% від кількості 1,82 млн. Тонн, доступної в Німеччині [3] також широко використовується як відновлювана сировина в хіміко-технічній промисловості; За даними асоціації, споживання крохмалю та похідних крохмалю у непродовольчому секторі у 2008 р. Становило понад 800 000 т у Німеччині. 10% або 182 000 т пішло на хімічну та ферментаційну промисловість, 35% або 637 000 т було використано у виробництві паперу та гофрованого картону. [3]

Міцність у паперовій промисловості

Найбільшим технічним споживачем крохмалю в Німеччині в даний час є паперова промисловість, яка, маючи 35% загального використання крохмалю, потребує близько 637 000 т на рік. [3]

Крохмаль використовується у виробництві паперу як паперовий крохмаль для обробки поверхні паперу, відомий як проклеювання або просочення. Завдяки полімеризації глютену, який він містить, він ущільнює поверхню і тим самим покращує властивості паперу, завдяки чому на ньому можна писати або друкувати водними або спиртовими фарбами. Ефект заснований на водовідштовхувальній здатності паперу, який у своєму нормальному стані є гідрофільним. У незміненому стані працюють матеріали на водній основі та матеріали з низькою в’язкістю, такі як чорнило або індійські фарби, а капілярність паперу заважає чистим друкарським шрифтам, як це трапляється з неякісними виробами, такими як туалетний папір або кухонний папір. Подібних ефектів також можна досягти, використовуючи модифіковану целюлозу (наприклад, карбоксиметилцелюлозу) або полівініловий спирт.

При виготовленні гофрованого картону крохмаль в основному використовується як крохмальна паста для склеювання шарів паперу. У 2008 році лише в Німеччині в Німеччині було використано понад 100 000 т крохмалю у формі крохмального клею. [3]

Крохмаль як ферментаційний субстрат

Як полімер глюкози крохмаль представляє природний запас енергії для рослин, який може розщеплюватися майже всіма організмами в процесі обміну речовин. У ферментаційній промисловості та біотехнологіях крохмаль є найважливішим субстратом поряд із сахарозою для виробництва різних продуктів, що виробляються бактеріями або грибами. Спектр варіюється від біоетанолу через різні амінокислоти, органічні кислоти, такі як лимонна кислота та оцтова кислота, ферменти та антибіотики, до біомономерів та полімерів, таких як полігідроксиалканоати (PHA; включаючи полігідроксимасляну кислоту, PHB) або полімолочну кислоту (PLA). Хоча біоетанол у Бразилії в основному виробляють із цукру при вирощуванні цукрової тростини, кукурудза є основною сировиною в США.За даними німецької біоетанольної галузі, майже дві третини біоетанолу в Німеччині отримують із крохмалистих рослин, особливо пшениці [5] .

Виробництво, як правило, не залежить від субстрату, тому майже у всіх процесах бродіння можна використовувати як крохмаль, так і сахарозу, а також різні цукристі продукти (зазвичай сироп і патоку). Оскільки целюлоза, як основний компонент деревини, також є цукровим полімером, вона також обговорюється як альтернативний субстрат для подальшого застосування, особливо для виробництва целюлозного етанолу та використання на біопереробних заводах.

Пластмаси на основі крохмалю

Крохмаль відіграє важливу роль у виробництві пластмас на біологічній основі. Найважливішими біопластиками на основі крохмалю є екструдований термопластичний крохмаль (TPS) та крохмальні суміші, а також полімолочна кислота (PLA). Усі інші біопласти, такі як полігідроксиалканоати (PHA), складають разом менше 5%.

Пластики, які традиційно виробляються з використанням нафтохімічних речовин і для яких зараз існують методи виробництва на біогенній основі, також стають важливими на міжнародному рівні. Сюди належать перш за все поліетилен (ПЕ), поліетилентерефталат (ПЕТ), поліпропілен (РР), а в майбутньому, ймовірно, також полівінілхлорид (ПВХ) та поліметилметакрилат (ПММА).

У той час як термопластичний крохмаль, крохмальні суміші та наповнені крохмалем поліолефіни представляють безпосереднє використання крохмалю або модифікованих крохмалів, PHA та PLA отримують шляхом ферментації. Як показано вище, ферментаційний субстрат може базуватися на різній сировині. На даний момент кукурудзяний крохмаль в основному використовується для виробництва НОАК (NatureWorks в США).

Інші способи використання крохмалю

На додаток до основних видів використання крохмалю, існує ряд інших застосувань, особливо у хімічній промисловості, у виробництві косметичних продуктів та клеїв (крохмальна паста) та у текстильній промисловості у вигляді крохмалю для прання. Для цих застосувань крохмаль використовується лише у порівняно невеликих кількостях порівняно із застосуванням, описаним вище.

У фармацевтичній промисловості крохмаль використовується у виробництві таблеток, де він може служити наповнювачем, дезінтегрантом, сполучною речовиною та порошковою основою.

Він також використовується, серед іншого, для фарбування бавовни, фарбування його аніліновими барвниками, склеювання паперу та згущення кольорів у друкарні. При офсетному друці крохмальна порошкоподібна суміш, часто виготовлена ​​з кукурудзи, наноситься на свіжодруковану поверхню за допомогою порошкових машин. Порошок діє як розпірка між укладеними аркушами паперу і сприяє окисному висиханню друкарської фарби через повітря, що закривається.