Энерго- и ресурсосбережение - чистая планета
Актуальность исследование проблемы непищевого использования крахмала обусловлено важнейшими требованиями к промышленному производству - максимальное энергосбережение, бережное использование природных ресурсов, упор на использование возобновляемых ресурсов, снижение вредных выбросов в атмосферу, нетоксичность, легкость деградации и вторичной переработки после использования, проблема переаботки промышленных отходов и стоков.
Огромный интерес представляет непищевое использование природного полисахарида- крахмала
Растения, являющиеся источниками крахмала, всегда были важной частью рациона питания человека, дающей 70-80% потребляемых калорий.
Благодаря широкой распространённости этих растений, а также из-за низкой стоимости, лёгкости модификации и возобновляемости источников неудивительно, что нашлось много способов непищевого применения крахмала.
В настоящее время крахмал используется в адгезивах, связующих, покрытиях, пенах, наполнителях, флокулянтах, пластиках, клеях и модификаторах вязкости.
Крупнейшим потребителем крахмалов является бумажная промышленность, получающая более 60% всего производимого крахмала. Ещё 15% использует пищевая промышленность и столько же - все остальные, вместе взятые, потребители. Адгезивы на основе крахмала составляют приблизительно 60% от общего количества натуральных адгезивов. В последние два десятка лет пластики на основе крахмала нашли применение в качестве упаковочных материалов, плёнок для мульчирования и составов для изготовления одноразовых изделий.
Крахмал (C6H10O5)n представляет собой смесь полисахаридов амилозы и амилопектина. Мономером для крахмала является альфа- глюкоза.
Крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала.
В состав крахмала входят:
· амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) — 10-20%;
· амилопектин (оболочка крахмального зерна) — 80-90%.
Амилоза
Амилоза растворима в воде и представляет собой линейный полимер, в котором остатки α–глюкозы связаны друг с другом через первый и четвертый атомы углерода (α-1,4-гликозидными связями).
Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков a-глюкозы (средняя мол. масса 160 000) .
Макромолекула амилозы представляет собой спираль, каждый виток которой состоит из 6 звеньев a-глюкозы.
Амилопектин
В отличие от амилозы, амилопектин не растворим в воде, и имеет разветвленное строение.
Подавляющее большинство глюкозных остатков в амилопектине связаны, как и в амилозе α-1,4-гликозидными связями. Однако в точках разветвлений цепи имеются α-1,6-гликозидные связи.
Молекулярная масса амилопектина достигает 1-6 млн Д.
Молекулы амилопектина также довольно компактны, так как имеют сферическую форму.
Синтез крахмала
Крахмал синтезируется растениями в хлоропластах под действием света в процессе фотосинтеза.
Крахмал синтезируется растениями в хлоропластах под действием света в процессе фотосинтеза.
Биосинтез крахмала:
Часть глюкозы, образующейся в зелёных растениях при фотосинтезе превращается в крахмал:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 (суммарная формула)
nC6H12O6(глюкоза) → (C6H10O5)n + nH2O
В общем виде это можно записать как 6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n+ 6nO2.
Физико-химические свойства крахмала:
Крахмал представляет собой аморфный порошок белого цвета, не имеющий яркого вкуса. В холодной воде нерастворим. При увеличении под микроскопом видны отдельные зерна. Если крахмал сжать, он можно услышать скрип, который возникает из-за трения частиц.
В горячей воде крахмал растворяется с образованием коллоидного раствора- клейстера. При добавлении кислот- гидролизуется вплоть до глюкозы. Также он гидролизуется при добавлении ферментов и при нагревании.
Качественные реакции на крахмал.
Крахмал взаимодействует с йодом (окрашивание в синий цвет), образуется соединение включения. (Эту реакцию открыли в 1814 году Жан-Жак Колен (Jean-Jacques Colin) и Анри-Франсуа Готье де Клобри (Henri-François Gaultier de Claubry)[3].
Крахмал, в отличие от глюкозы, не даёт реакции серебного зеркала;
Не восстанавливает гидроксид меди2 (как сахароза)
Классификация крахмалов
Крахмалы разного происхождения различаются по своим свойствам. Эти свойства зависят от строения и степени полимеризации макромолекул, прочности связей между ними, структуры и величины зерен.
Особенно значительны различия между крахмалом картофельным и злаковым — пшеничным, кукурузным и др.
Микропористое строение крахмальных зерен обусловливает их высокую сорбционную способность. Благодаря гидрофильным свойствам амилозы и амилопектина крахмальные зерна при тонкопористой структуре очень гигроскопичны, особенно высокая гигроскопичность определяется у картофельного крахмала.
Крахмал является основным резервом питания для растительной клетки и в этом качестве накапливается в клубнях, плодах, семенах растений.
Для производства промышленного крахмала используются чаще всего клубни картофеля (24%), а также кукуруза (70%), и зерновые - пшеница (64%), рис (75%)
Все эти растения обеспечивают 70-80% потребляемых человеком калорий. Однако широкая распространенность этих сельскохозяйственных культур, низкая стоимость и энергоемкость производства, а также легкость модификации этого биополимера, возобновляемость ресурса и отсутствие материальных и энергозатрат на утилизацию обуславливают непищевое использование крахмала.
В настоящее время крахмал используется в адгезивах, связующих средствах, покрытиях, пенах, наполнителях, флокулянтах, пластиках, клеях и модификаторах вязкости.
Возможности модификации крахмала
Непищевое применение крахмала. Обзор
В современных условиях только 15% производимого крахмала используется в пищевых целях. Крупнейшим потребителем крахмалов является бумажная промышленность, получающая более 60% всего производимого крахмала.
Также в последние два десятка лет пластики на основе крахмала нашли применение в качестве упаковочных материалов, плёнок для мульчирования и составов для изготовления одноразовых изделий, в замену пластиков на основе углеводородного сырья.
Крахмальное производство. Проблема побочных продуктов и их преобразование при производстве крахмала
Крахмал, полученный из кукурузы, пшеницы, картофеля, тапиоки и другого растительного сырья, является одним из важнейших возобновляемых ресурсов.
Мировое производство крахмала достигает 80 млн т, и более 10 млн т производится в ЕС.
При производстве крахмала образуются вторичные продукты, и они примерно 75 % от массы произведенного крахмала, т. е. в ЕС составляют около 6,6 млн тонн в год. Реализация побочных продуктов играет важную роль в рентабельности, экологичности и бережному отношению к ресурсам.
При производстве пшеничного крахмала вторичные продукты составляют почти 100 % от массы крахмала - ЕС это около 3,5 млн т,
причем 20 % от этого количества приходится на пшеничную клейковину.
Крахмал низкого качества (Б-крахмал) перерабатывается в биоэтанол, который являетя экологически безопасным топливом и промышленным сырьем.
Полученный после отделения крахмала продукт- барда концентрируется и высушивается для получения богатого белком кормового продукта.
Также барда может перерабатываться в экологически чистое биотопливо - метан.
С-крахмал вместе с отрубями перерабатывается в глюкозу, целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин и метан.
Самым большим потребителем крахмала, используемого на непищевые цели, является производство бумаги и гофрированного картона – 29 % от общего количества произведенного крахмала.
Таким образом производство крахмальное производство не только является безотходным, но и экологическим безопасным и не требует невозобновляемых источников энергии.
Модификации крахмалы и их применение.
Модифицированный крахмал — это крахмал с направленно измененными свойствами.
Модифицированные крахмалы составляют около 20 % от всего объема выработанного крахмала и производятся в основном из кукурузного крахмала и крахмала, полученного из кассавы.
Физическая модификация крахмала и продукция
Физическая модификая- это прежде всего обработка крахмала в сушилках, в экструдере и получение агломератов при прессовании.
Такие способы модификации крахмалов позволяют использовать их, как и нативные крахмалы, в продукции, созданной по принципу «clean label» («чистая этикетка»)
Применение
Создания химически инертной и неаллергенной оболочки с целью эффективной защиты чувствительных и нестабильных биологически активных соединений от неблагоприятных условий окружающей среды
Оболочка для лекарственных препаратов с контролируемым высвобождением в желудочно-кишечном тракте человека.
Термопластичный крахмал для использования в качестве сырья для производства полностью биоразлагаемых материалов, в частности упаковочных
Химическая модификация крахмала- этерификация
Непищевое использование крахмала как связующего агента для красок и лаков.
Крахмал модифицируется с образованием простых и сложных эфиров гидрофобизированного крахмала, таким образом, что они получают возможность образовывать пленку с адгезией к различным видам поверхностей.
В качестве сырья используется картофельный крахмал.
Как этерифицирующие агенты использовались ангидриды карбоновых кислот и виниловый эфир карбоновой кислоты
Исследования показали, что синтезированные эфиры крахмала обладают способностью образовывать пленки для нанесения лакокрасочных покрытий
Эти эфиры крахмала смогут в будущем служить альтернативой полимерам из нефти в качестве связующего для красок и лаков. (Christina Gabriel, 2016)
Крахмальный клей.
Клей на основе крахмала чаще всего применяется для склеивания бумаги со следующими материалами: как стекло, минеральная вата и глина.
Крахмал служит связующим средством для небумажных материалов: уголь и угольные брикеты, минеральная вата в потолочных керамических элементах перед обжигом.
Наиболее часто для приготовления клея используют кукурузный, картофельный и тапиоковый крахмалы.
Пшеничный крахмал используется в виде густой пасты в качестве клеящей основы для расклейки плакатов, обоев и в производстве бумажных мешков.
Популярный тип клея для нанесения этикеток на бутылки, т.н. "желеобразный", изготавливают главным образом из так называемых когезивных крахмалов (клубневых или восковой кукурузы), клейстеризованных в гидроксиде натрия.
Крахмал в бумажной промышленности
Различные виды крахмала используются на разных стадиях производства бумаги:
Добавление крахмал, как гидрофильного агента при размоле целлюлозы увеличивает набухание волокон, их гибкость и эластичность, способствует образованию дополнительных межволоконных связей в готовой бумаге, увеличивает в конечном итоге устойчивости бумаги к истиранию и излому ( используются ионные крахмалы, как катионные, так и анионные)
Нанесение крахмала на частично высушенное полотно бумаги или картона- проклейка. Используется для улучшения внешнего вида и типографских свойств бумаги, увеличения прочности, придания гидрофобности ( используют окисленный или карбоксилированный крахмал).
Как составляющая часть покрытий и адгезив в случае мелования
Производство картона- проклейка толстых слоев и склеивание листов.
Крахмал в текстильной промышленности
В текстильной промышленности крахмалы используются для шлихтования, аппретирования и приготовления загущающих составов (загусток).
Сущность процесса шлихтования заключается в пропускании нитей основы через клеящий состав (шлихту), создающий после высушивания на нити гладкую, эластичную плёнку, которая предохраняет нить от разрыва при ткачестве. В процессе шлихтования сначала идет проклеивание волокон и отжим излишней шлихты, а затем сушка при которой шлихта фиксируется на волокне
Для производства шлихты можно используют следующие виды нативных крахмалов: картофельный, тапиоковый, кукурузный, пшеничный. Крахмал используют для обработки как натуральных- шерстяных, льняных и хлопоковых, так и для синтетических и полусинтетиических волокон. Применяют модифицированные крахмалы. При аппертировании ткани обретают разные уникальные свойства, в частности при обработке крахмалом хлопчатобумажных и льняных тканей повышается из внешний вид, износостойкость, гибкость, что позволяет повысить долговечность ткани и сберегает ресурсы. Загущающие материалы на основе крахмала используются для нанесения рисунка на ткань. Такие ткани являются гипоаллергенными, могут использоваться для детей.
Также использование крахмалов для обработки тканей увеличивает экологическую безопасность техпроцессов.
Применение крахмалов в качестве флоккулянтов
Флокулянты - это вещества, используемые самостоятельно или в сочетании с коагулянтами для формирования крупных, быстро оседающих хлопьев и коагулированных взвешенных веществ. Применяются для очистки воды и промышленных стоков.
Модифицированные крахмалы могут быть успешно использованы при обработке наиболее «трудного) типа вод — вод, богатых органическими загрязнениями. Применение крахмала оказалось эффективным в сочетании с железо- и алюминий содержащими коагулянтами при низких температурах воды.
Заключение.
Требования сегодняшнего дня включают в себя не только окое качество конечного продукта в любой производственной отрасли, но и высокие требования к сырью, материалу, обработке продукции и конечной переработке отходов. Природный полисахарид крахмал, благодаря своим свойствам- возобновляемость, безопасность, экологичность, доступность, легкость модификации отвечает высоким современным стандартам энерго- и ресурсосбережения и должен находит все больше применение в хозяйственной деятельности человека