Tehnologija Tehnologija šškrobakroba

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1995 2000 2005 2010 2015

Godina

Škr

ob

(m

iliju

ni t

on

a)

EUOstatak svijetaSADJapanUkupno

D. World Starch Usage.

A: Typical Composition of Starch Raw Materials

Struktura industrije škroba u EU

PROIZVODI INDUSTRIJE ŠKROBA

• Prirodni škrob- voda od močenja kukuruza- kukuruzno ulje- mekinje- gluten- sačma od kukuruznih klica

• Modificirani škrobovi

• Škrobni sirupi• Kristalna glukoza• Fruktozni sirupi

PROIZVODI INDUSTRIJE ŠKROBA

• Prirodni škrob- voda od močenja kukuruza- kukuruzno ulje- mekinje- gluten- sačma od kukuruznih klica

• Modificirani škrobovi

• Škrobni sirupi• Kristalna glukoza• Fruktozni sirupi

•• P r i r o d n i P r i r o d n i šš k r o b o v i dobivaju se k r o b o v i dobivaju se njihovom ekstrakcijom iz sirovina, sa njihovom ekstrakcijom iz sirovina, sa neizmijenjenim svojstvima.neizmijenjenim svojstvima.

•• M o d i f i c i r a n i M o d i f i c i r a n i šš k r o b o v i su razlik r o b o v i su različčiti iti proizvodi nastali modifikacijom prirodnog proizvodi nastali modifikacijom prirodnog šškroba djelovanjem npr. kiselina, zatim kroba djelovanjem npr. kiselina, zatim oksidirani oksidirani šškrobovi, fosfati krobovi, fosfati šškroba, kroba, acetatiacetatišškroba, kroba, umreumrežžaniani šškrob, krob, žželatiniziranielatinizirani šškrob i krob i dr.dr.

•• H i d r o l i z a t i H i d r o l i z a t i šš k r o b a su derivati koji k r o b a su derivati koji nastaju intenzivnijom nastaju intenzivnijom hidrolitihidrolitiččkomkomrazgradnjom molekula razgradnjom molekula šškroba. U ovu skupinu kroba. U ovu skupinu ubrajaju se prije svega razliubrajaju se prije svega različčite vrste ite vrste šškrobnih krobnih sirupa koji se međusobno razlikuju prema sirupa koji se međusobno razlikuju prema stupnju razgradnje stupnju razgradnje šškroba.kroba.

PROIZVODNJA KUKURUZNOG PROIZVODNJA KUKURUZNOG ŠŠKROBAKROBA

- kukuruz / primjena u ljudskoj prehrani/

- najveća produktivnost u USA

- kukuruz predstavlja ¼ svjetske proizvodnje žitarica

- najveći dio se još uvijek troši za stočnu hranu

MOKRA PRERADA KUKURUZAspecifičan je postupak kojim se pojedini dijelovi zrna mogu razdvojiti u oblike pogodne za daljnju preradu

• Škrob je glavni proizvod takve prerade kukuruza

• Međutim, sve se manje nativnog škroba pojavljuje na tržištu, sve se više škrob prerađuje u razne proizvode poznate pod nazivom derivati škroba

MOKRA PRERADA KUKURUZAspecifičan je postupak kojim se pojedini dijelovi zrna mogu razdvojiti u oblike pogodne za daljnju preradu

• Škrob je glavni proizvod takve prerade kukuruza

• Međutim, sve se manje nativnog škroba pojavljuje na tržištu, sve se više škrob prerađuje u razne proizvode poznate pod nazivom derivati škroba

Struktura zrelog zrna kukuruza

perikarp (ljuska); 5 %endosperm; 82 %klica; 11 %korijen zrna; 0,8 %

Udio pojedinih dijelova zrna i njihov sastav

Dio zrna

Udio suhe

tvari/ (%)/na

zrno

Kemijski sastav dijela zrna (%)/s.tv.

škrob Masti Proteini Pepeo Šećeri

Klica

Endosperm

Perikarp

Krojen zrna

(kapica)

11,5

82,3

5,3

0,8

8,3

86,6

7,3

5,3

34,4

0,86

0,98

3,8

18,5

8,6

3,5

9,7

10,3

0,31

0,67

1,7

11,0

0,61

0,34

1,50

Z R N O 100 72,4 4,7 9,6 1,43 1,94

•• K o r i j e n z r n aK o r i j e n z r n a

•• P e r i k a r p P e r i k a r p

•• EE nn dd oo ss pp ee rr mm se se sastojisastoji odod dvadvadijeladijela: : –– brabraššnastognastog iliili mekogmekog endospermaendosperma

((okooko 35%) i 35%) i rorožžastogastog ((vovošštanogtanog) ) iliilitvrdogtvrdog endospermaendosperma (65%)(65%)

–– brabraššnasinasi endosperm ima endosperm ima velikevelike stanicestanice, , krupnekrupne, , ovalneovalne granule granule šškrobakroba i i relativnorelativno tankutanku proteinskuproteinsku mremrežžuu

��u u rorožžastomastom ((vovošštanomtanom) ) podrupodruččjujuneoneoššteteććenaena proteinskaproteinska mremrežžaa je je debljadeblja, , nenepucapuca zaza vrijemevrijeme susuššenjaenja negonego vrvrššiiodređeniodređeni pritisakpritisak nana šškrobnekrobne granule granule zbogzbogččegaega one one imajuimaju zbijenuzbijenu strukturustrukturu

��ŠŠkrobkrob iziz brabraššnastognastog dijeladijela se se vrlovrlo lakolakoodvajaodvaja

��KlicaKlica kodkod obiobiččnognog kukuruzakukuruza predstavljapredstavljaokooko 11,5% 11,5% masemase zrnazrna. . KodKod nekihnekih sortisortikukuruzakukuruza kojikoji sadrsadržžee veveććuu kolikoliččinuinu uljaulja (13 (13 do 14%) do 14%) klicaklica momožžee predstavljatipredstavljati 22,3% 22,3% masemase zrnazrna

TablicaTablica. . ProsjeProsječčanan kemijskikemijski sastavsastav kukuruznogkukuruznogzrnazrna

Sastojak Granice vrijedn. Srednja vrijednost

Voda

Škrob

Proteini

Masti

Pepeo

Vlakna

Šećeri

7-23

64-78

8-14

3,1-5,7

1,1-3,9

1,8-3,5

1,0-3,0

16,7

71,5

9,9

4,8

1,4

2,7

2,6

• Šećeri (1,0 do 3 %)

• Masti• β-karoten, lutein i zeaksantin • proteini; globulini, zein i glutelini

• mineralne tvari • u vodi topljivi vitamini

KUKURUZ 100 kg Nečistoće Ekstrakt Klica Mekinje Gluten Škrob

1-2 kg 6-7 kg 6-8 kg 9-12 kg 6-8 kg

66-68 kg

Osnovne faze u postupku proizvodnje škroba iz kukuruza:

• močenje zrna• separacija klice• odvajanje mekinja• odvajanje glutena• pranje škroba• sušenje škroba • pakiranje/skladištenje/prerada

K U K U R U Z

VODA OD MOČENJA koncentr. kukuruzni ekstrakt Sirovo kukuruzno ulje stočna hrana Š K R O B gluten

MOČENJE ZRNA

SEPARACIJA KLICA

MLJEVENJE KAŠE

ODVAJANJE MEKINJA

SEPARACIJA GLUTENA

PRANJE ŠKROBA

SUŠENJE ŠKROBA

KONCENTRIRANJE

SUŠENJE

kukuruzni ekstrakt u

prahu

SUŠENJE

FILTRIR. GLUTENA

SUŠENJE GLUTENA

PRANJE KLICA

OCJEĐIVANJE KLICA

PREŠANJE I EKSTRAKCIJA

KLICA

Error!

Čisti kukuruz

Močenje

Separacija klice

Fino mljevenje

Separacija mekinja

Primarna separacija

Rafinacija škroba

Uklanjanje vode

Sušenje škroba

Prosijavanje

Pakiranje

kukuruzni škrob

Škrobna suspenzija

Miješanje

Uparavanje

Pranje klice

Konc. gluten

Pranje mekinja

Uklanjanje vode

Uklanjane vode

Pakiranje

Mljevenje

Sušenje glutena

Gluten

Mljevenje

Sušenje

Pakiranje

Mekinje

MOMOČČENJEENJE

podrazumijeva odrpodrazumijeva održžavanje određenih odnosa avanje određenih odnosa vode, temperature, udjela SOvode, temperature, udjela SO22 , , laktatilaktati –– ne ne previpreviššee30 do 50 sati pri 48 do 52 30 do 50 sati pri 48 do 52 °°CCnakon provedenog postupka monakon provedenog postupka moččenja kukuruz enja kukuruz treba da ima sljedetreba da ima sljedećća svojstva:a svojstva:

da sadrda sadržži oko 45 % vodei oko 45 % vodeda je izgubio 6 do 6,5 % suhe tvari koja je preda je izgubio 6 do 6,5 % suhe tvari koja je preššla u la u ekstrakt (topljivi ekstrakt (topljivi ššeeććeri manje molekularne mase, eri manje molekularne mase, proteini, proteini, peptidipeptidi manje molekularne mase, manje molekularne mase, aminokiseline, vitamini, minerali)aminokiseline, vitamini, minerali)da je apsorbirao 0,2 do 0,4 % SOda je apsorbirao 0,2 do 0,4 % SO22/kg kukuruza/kg kukuruzada je zrno omekda je zrno omekššaloalo

• Močenje kukuruza obavlja se u tankovima od nehrđajućeg čelika (otporni na djelovanje medija – pH se kreće od 3-4) (tankovi kojiprime od 50 do 60 tona kukuruza).

• veliki problem je voda u procesu proizvodnje škroba

• nakon što voda dostigne sadržaj od 0,1 do 0,2% s. tv. priprema se tzv. SO2 voda kojasluži za močenje kukuruza.

•• mlijemliječčnnaa kiselinkiselinaa kojakoja pomapomažžee mekmekššanjeanje zrnazrnaa a osimosim toga toga vevežžee zaza sebesebe Ca i Mg soli Ca i Mg soli stvarajustvarajuććii laktatelaktate

Protustrujni sustav močenja kukuruza

• Svježa SO2 voda se uvodi u onu posudu koja se isključuje izprocesa (za nekoliko sati), tj. u onu u koju se nalazi skoronamočeni kukuruz.

• Nakon određenog vremena (ciklusa) voda se prebacuje u susjednu posudu u pravcu svježeg kukuruza.

• Voda iz protustrujnog sustava sadrži 6-8% s.tv., dok kodpojedinačnog ili šaržnog načina rada u procesu močenja sadrži do 5% s.tv.

• Ekstrakt se odvodi na koncentriranje, budući da nije postojan nitipogodan za uporabu.

• Koncentriranje se obavlja u uparnim stanicama (u više stupnjeva) na 35 do 50% s.tv. Koncentrirani kukuruzni ekstrakt se kao takavkoristi u farmaceutskoj industriji pri proizvodnji antibiotika ili u proizvodnji stočne hrane.

• Ekstrakt u obliku praha.

•• ODVAJANJE KLICAODVAJANJE KLICA�� grubo drobljenje namogrubo drobljenje namoččenog zrnaenog zrna�� drobljenje zrna na 4 do 6 dijelova da se drobljenje zrna na 4 do 6 dijelova da se

lagano odvoji klica i ostali dijelovi zrnalagano odvoji klica i ostali dijelovi zrna�� pri ovakvom usitnjavanju oslobodi se oko pri ovakvom usitnjavanju oslobodi se oko

70 % klice70 % klice�� finije usitnjavanje nije pofinije usitnjavanje nije požželjno zbog eljno zbog

mogumoguććnosti onosti oššteteććenja kliceenja klice�� odvajanje klice odvajanje klice pomopomoćću u hidrociklonahidrociklona�� bbaterije ciklona (najaterije ciklona (najččeeššćće 3 do 6 ciklona)e 3 do 6 ciklona)�� proizvod: kukuruzne klice i kaproizvod: kukuruzne klice i kašša koja a koja

sadrsadržži ostale sastojke kukuruznog zrnai ostale sastojke kukuruznog zrna

ODVAJANJE MEKINJAODVAJANJE MEKINJA

�� šškrob, krob, glugluttenen i mekinjei mekinje�� šškrob je uglavnom prekrob je uglavnom preššao u ao u šškrobno mlijekokrobno mlijeko�� jedan dio celuloznog omotajedan dio celuloznog omotačča je oslobođen a je oslobođen

dok je jedan dio jodok je jedan dio jošš uvijek vezanuvijek vezan�� da bi se odijelile komponente provodi se fino da bi se odijelile komponente provodi se fino

mljevenjemljevenje�� ocjeđivanje kaocjeđivanje kašše /e /sita određene perforacijesita određene perforacije//��mljevenje kamljevenje kašše /mlinovi s klinovima/e /mlinovi s klinovima/�� odvajanje i pranje mekinja /sita odvajanje i pranje mekinja /sita –– ispiranje i ispiranje i

pranje najpranje najččeeššćće e ššesterostruko: esterostruko: šškrobno krobno mlijeko i mekinje/mlijeko i mekinje/

��mekinje se odvode na premekinje se odvode na preššanje (udio vode se anje (udio vode se smanji sa 90 na oko 60 % vode i kao takve idu smanji sa 90 na oko 60 % vode i kao takve idu na suna suššenje)enje)

ODVAJANJE GLUTENA

škrobno mlijeko poslije prethodne faze sadrži škrob i gluten (5 do 8 %)smjesa globulina, zeina i glutelina– Centrifugalni separatori

ODVAJANJE GLUTENAODVAJANJE GLUTENA

šškrobno mlijeko poslije prethodne faze krobno mlijeko poslije prethodne faze sadrsadržži i šškrob i krob i glutengluten (5 do 8 %)(5 do 8 %)

smjesa globulina, smjesa globulina, zeinazeina i i glutelinaglutelina–– Centrifugalni Centrifugalni separatoriseparatori

PRANJE ŠKROBA• Proces se odvija u sustavu ciklona povezanih u

seriju• Broj jedinica u sustavu ovisi o provedenim

prethodnim operacijama, odnosno o čistoći škroba

• za proizvodnju alkohola, bilo bi dovoljno 5 do 6 tijela u sustavu.

• za proizvodnju sladila na bazi škroba potrebno je minimalno 10, a najčešće 14 stupnjeva pranja

• Rezultat jednog dobro provedenog postupka pranja je škrobna suspenzija s oko 40% suhe tvari sa sadržajem proteina ispod 0,15%

SUŠENJE ŠKROBA

ŠKROBNI HIDROLIZATI

• želatinizacija –„otapanje“ škrobnih granula u oblik viskozne suspenzije,

• likvefakcija (utečnjavanje)• saharifikacija

• DE predstavlja postotak hidroliziranih glikozidnih veza od ukupnog broja, a ne daje uvid u sastav hidrolizata

• Čista glukoza ima vrijednost DE 100, čista maltoza ima vrijednost DE oko 50 (ovisno o analitičkoj metodi koja se koristi), dok škrob ima DE vrijednost jednaku 0

Podjela glukoznih sirupa prema stupnju konverzije

STUPANJ KONVERZIJE DE

Niski 20-38 Srednji 38-58 Visoki 58-73 Vrlo visoki >73

Tri su osnovna procesa konverzije škroba:

1. kiselinska (DE 20-45), 2. kiselinsko-enzimska, i 3. enzimska konverzija.

Tablica Relativna slatkoća (u odnosu na saharozu) različitih sladila

SLADILO RELATIVNA SLATKOĆA

Saharoza 1,0 Glukoza 0,7 Fruktoza 1,3 Galaktoza 0,7 Maltoza 0,3 Laktoza 0,2 Rafinoza 0,2 Hidrolizirana saharoza 1,1 Hidrolizirana laktoza 0,7 Glukozni sirup (DE 11) <0,1 Glukozni sirup (DE 42) 0,3 Glukozni sirup (DE 97) 0,7 Maltozni sirup (DE 44) 0,3 Visokokonverzirani sirup (DE 65) 0,5 HFCS (42% fruktoze) 1,0 HFCS (55% fruktoze) 1,1 Aspartam 180

PROIZVODNJA ŠKROBNIH

HIDROLIZATA

� KISELINSKI � KISELINSKO-ENZIMSKI� ENZIMSKI

KISELINSKI POSTUPAK� hidroliza s kiselinama dovodi do cijepanja glikozidnih

veza uz nastanak lanaca s različitim brojem glukoznih ostataka

� cilj je dobivanje sirupa s točno određenim DE� HCl i H2SO4, ili organske mravlja i octena� reakcija je brža ako se koristi HCl� rojava se objašnjava nastankom soli sumporne kiseline

ŠKROB

PRIPREMA ŠKROBNE SUSPENZIJE (30-40% stv)

ZAGRIJAVANJE (140-160 °°°°C)

OŠEĆERENJE

NEUTRALIZACIJA (Na2CO3,Ph4-5,5)

FILTRIRANJE

2. ODBOJAVANJE

1. ODBOJAVANJE

FILTRIRANJE

PREDKONCENTRIRANJE

GLUKOZNI SIRUP

FILTRIRANJE

KONCENTRIRANJE

KISELINA

KONTINUIRANI POSTUPCI

Diskontinuirani postupci traju 14 do 16 sati, dokkontinuirani traju oko 4 sata.

KROYEROV POSTUPAK- ŠKROBNO MLIJEKO s 20 do 40% s.tv. se zakiseljava u pretposudi i prebacuje u cijevni izmjenjivač topline (reaktor) i provodi kroz njega. “Reaktor” se sastoji od tri koncentrične cijevi. Škrobno mlijeko se vodi kroz srednju cijev, a kroz unutarnju i vanjsku cijev škrobno mlijeko se vodenom parom naglo zagrijava na željenu temperaturu (130 do 150 °C).

• da bi se spriječilo laminarno strujanje i smanjila mjesta pregrijavanja unutarnja cijev je postavljena ekscentrično u odnosu na međuprostor za suspenziju.

• vrijeme zadržavanja u zoni strujanja je oko 1 min

• ošećerenje škroba postiže se u reakcijskoj zoni (cijevni sustav dug više desetaka metara), tlak oko 20 bara, vrijeme zadržavanja oko 5 do 10min

Rafinacija hidrolizata (glukoznog sirupa)

• nakon hidrolize dobiven je tzv. sirovi sok koji je mutan i žućkaste boje i s niskim pH (zbog sadržaja kiseline)

• neutralizacija s Na2CO3 do pH vrijednosti 4,8 do 5. Ova pH vrijednost je optimalno područje flokulacije koje omogućava dobro odvajanje proteina i masti pri kasnijoj filtraciji, a osim toga sprječava daljnju hidrolizu

• neutralizacija se obavlja kontinuirano preko neutralizatora na kraju reakcione zone. 2HCl + Na2CO3 ----- 2NaCl + H2O + CO2

• nastala kuhinjska sol je otopljena u hidrolizatuzbog čega on ima blago slankast okus.

• odbojavanje uz pomoć aktivnog ugljena• protustrujno korištenje aktivnog ugljena radi

uštede. Svježi aktivni ugljen se dodaje skoro izbistrenom soku

• količina aktivnog ugljena koja se dodaje u protustrujnom pročišćavanju je u slučaju kukuruznog škroba od 0,5 do 1,0%

• vrijeme za koje sirup treba biti u kontaktu s aktivnim ugljenom je oko 30 minuta pri temperaturi 70 do 80 °C

• obrada na ionoizmjenjivačima

•• koncentriranje rijetkog soka. koncentriranje rijetkog soka.

•• sok sadrsok sadržži naji najččeeššćće između e između 30 i 45% 30 i 45% stvstv. (ovisi . (ovisi o primijenjenom postupku hidrolize i postupku o primijenjenom postupku hidrolize i postupku rafinacije). Koncentriranje se provodi na 80 do rafinacije). Koncentriranje se provodi na 80 do 87 87 °°BxBx

•• koncentriranje se provodi najkoncentriranje se provodi najččeeššćće u 2 stupnja e u 2 stupnja u svrhu sprjeu svrhu sprječčavanja stvaranja nepoavanja stvaranja nepožželjne bojeeljne boje

•• I stupanj (I stupanj (preduparavanjepreduparavanje) do sadr) do sadržžaja suhe aja suhe tvari od 55 do 60 tvari od 55 do 60 °°BxBx uparavanjemuparavanjem u u viviššestepenojestepenoj uparnojuparnoj stanici (stanici (uparivauparivaččii s s padajupadajuććim filmom).im filmom).

•• obezbojavanjeobezbojavanje gustog soka primjenom gustog soka primjenom aktivnog ugljenaaktivnog ugljena

•• zavrzavrššno koncentriranje u vakuum no koncentriranje u vakuum uređajima ili uređajima ili uparivauparivačč s padajus padajuććim im filmomfilmom-- u tom uređaju koncentriranje se u tom uređaju koncentriranje se postipostižže za vrlo kratko vrijeme (1 do 10 e za vrlo kratko vrijeme (1 do 10 secsec. /oko 83% . /oko 83% stvstv, , temptemp. 60 . 60 °°C)C)

Nedostaci kiselinske hidrolize

• glavni nedostatak kiselinske hidrolize je nastanak velikog broja nusproizvoda koji su rezultat nedovoljne specifičnosti kemijskih katalizatora

• rezultat toga su nedovoljno iskorištenje i komplicirana rafinacija

• svi nedostaci mogu se riješiti korištenjem enzima• enzimi koji kataliziraju hidrolizu škroba (probavni

trakt životinja i u većini stanica biljaka, životinja i mikroorganizmima)

KISELINSKO-ENZIMSKA HIDROLIZA

⊗ hidroliza u dva stupnja⊗ kiseline, šaržni ili kontinuirani postupak⊗ razgradnja škroba do određenog DE, ovisno o

krajnjem proizvodu⊗ konačan DE postiže se djelovanjem enzima⊗ obično se koriste alfa- i beta-amilaza za dobivanje

glukoznog sirupa te glukoamilaza u slučaju dobivanja čiste glukoze

⊗ hidroliza kiselinom, neutralizacija, bistrenje, prebacivanje u tank za hidrolizu enzimom (hidroliza do određenog stupnja), zagrijavanje (inaktivacija enzima)…

ENZIMSKO-ENZIMSKA KONVERZIJA

Prednosti:� manja potrošnja energije� manji problemi korozije� ne dolazi do dehidratizacije glukoze uz stvaranje 5-

hidoksimetilfurfurala i sličnih proizvoda� Neznatno stvaranje obojenih tvari� manji sadržaj soli

CIKLODEKSTRIN MALTOOLIGOSAHARIDI

MALTOTRIOZAGLUKOZA

IZOMALTOOLIGOSAHARIDI

IZOMERNIŠEĆER

ŠKROB

LIKVEFICIRANIŠKROB

MALTOZA

termostabilnaα-amilaza

ciklodekstringlukanotransferaza

transglukozidaza(α-glukozidaza)

glukozaizomeraza

glukoamilaza,pululanaza

α-amilaza ("maltotriozna"),pululanaza

pululanaza,β-amilaza

FRUKTOZA

TREHALOZA

MTSase, MTHase,izoamilaza, CGTase

maltotriohidrolaza;maltotertahidrolaza;maltoheksahidrolaza

a m ilo za

a m ilo p e k t in

fu n g a ln a αααα -a m ila z a

d e b r a n c h in g e n z im i

g lu k o a m i la z a +

d e b r a n c h in g e n z im i

αααα-amilaza• u svim živim stanicama• djeluju na škrob nasumice vršeći

konverziju škroba do reducirajućih šećera• djelovanja ovise o podrijetlu enzima• iz ječmenog slada, iz Aspergillus oryzae,

pljuvačke i Bacillus subtilis• djelovanje alfa-amilaze na amiloznu

frakciju škroba odvija se u dvije faze • najprije se odvija brza razgradnja amiloze

do maltoze, maltotrioze i ostataka dužih oligosaharida

αααα-amilaza• u svim živim stanicama• djeluju na škrob nasumice vršeći

konverziju škroba do reducirajućih šećera• djelovanja ovise o podrijetlu enzima• iz ječmenog slada, iz Aspergillus oryzae,

pljuvačke i Bacillus subtilis• djelovanje alfa-amilaze na amiloznu

frakciju škroba odvija se u dvije faze • najprije se odvija brza razgradnja amiloze

do maltoze, maltotrioze i ostataka dužih oligosaharida

• proizvod ovog djelovanja ima manju viskoznost i mijenja se svojstvo obojavanja s jodom

• drugi stupanj je sporiji i obuhvaća razgradnju oligosaharida do glukoze i maltoze

• razgradnja amilopektina djelovanjem αααα-amilaze rezultira nastankom glukoze, maltoze i niza αααα-graničnih dekstrina kao i oligosaharida s 4 i više gluzkoznihostataka koji obvezatno sadrže 1,4-glikozidne veze

• αααα-amilaze koje se danas koriste u industriji škroba mikrobiološkog su podrijetla

�� najvanajvažžniji izvori su niji izvori su BacillusBacillus subtilissubtilis (odlikuje (odlikuje se dobrom toplotnom stabilnose dobrom toplotnom stabilnoššćću)u) i i AspergillusAspergillus oryzaeoryzae (slabija (slabija temptemp. otpornost). otpornost)

�� iz iz BacillusBacillus licheniformislicheniformis je otporna i pri je otporna i pri temperaturi do 110 temperaturi do 110 °°CC

��m. masa je od 50 000 do 100 000m. masa je od 50 000 do 100 000�� optimalna radna temperatura je 65 do 70 optimalna radna temperatura je 65 do 70 °°CC�� pHpH vrijednost između vrijednost između 5 i 7 5 i 7 ��Sve Sve αααααααα--amilazeamilaze su kalcijevi su kalcijevi metaloenzimimetaloenzimi. U . U

svojoj molekuli sadrsvojoj molekuli sadržže 1 e 1 -- 10 atoma kalcija 10 atoma kalcija koji su koji su ččvrsto vezani na molekulu. Za vrsto vezani na molekulu. Za enzimsku aktivnost i stabilnost enzimsku aktivnost i stabilnost konformacijekonformacije, , potreban je najmanje 1 potreban je najmanje 1 CaCa atom po atom po molekuli molekuli

ββββββββ--amilazeamilaze

samo kod visamo kod višših biljaka (slatki krumpir, ih biljaka (slatki krumpir, ppššenica,soja i slenica,soja i sl.) a .) a u posljednje vrijeme nađena u posljednje vrijeme nađena je i kao je i kao ekstracelularniekstracelularni enzim kod enzim kod mikroorganizama mikroorganizama BacillusBacillus cereuscereus, , BacillusBacilluspoymyxapoymyxa i drugimi drugimiz polisaharida moiz polisaharida možže odvajati samo jedan e odvajati samo jedan proizvod, proizvod, ββββββββ--maltozumaltozu (ime)(ime)katalizira hidrolizu katalizira hidrolizu αααααααα--1,4 1,4 glikozidneglikozidne veze u veze u šškrobu krobu i glikogenui glikogenudjelovanje podjelovanje poččinje od inje od nereducirajunereducirajuććegeg kraja kraja molekulemolekulebudubudućći da djeluje na svaku drugu vezu, ako i da djeluje na svaku drugu vezu, ako imamo linearni polisaharid s parnim brojem imamo linearni polisaharid s parnim brojem glukoznih ostataka iskljuglukoznih ostataka isključčivi ivi prizvodprizvod djelovanja djelovanja ovog enzima je ovog enzima je maltozamaltoza

� ako je neparan broj ostataka kao krajnji proizvod javlja se i nešto glukoze i maltotrioze

� ne katalizira razgradnju α-1,6-glikozidnih veza, a nema ni sposobnost zaobilaženja navedenih veza

� rezultat je nastajanje graničnih dekstrina velike molekularne mase

� optimalna pH vrijednost djelovanja ovisi o izvoru enzima. Kod biljnih vrsta to je područje niže i iznosi pH 5-6

Izvor enzima

Optimalni pH

Krumpir 4,0 - 5 Slad ječma 5,2 Soja 6,0

Glukoamilaza

• najčešće se izolira iz vrsta Aspergillus i Rhizopus

�Aspergillus niger proizvodi dva izoenzimaglukoamiloze, koji se malo razlikuju u svojstvima (npr. elektroforetska mobilnost), ali na škrob djeluju na isti način i oba se koriste kao komercijalni preparati

�Nađena je i kod nekih kvasaca te kod bakterija(Flavobacterium spp.). Za ovaj enzim često se koriste i druga imena kao amiloglukozidaza ili g-amilaza

�Katalizira odvajanje glukoznih jedinica počev od nereducirajućeg kraja molekule

� Pored a-1,4 veza katalizira i hidrolizu alfa-1,6 veza, a u nekim slučajevima i alfa-1.3 vezu

� Brzina cijepanja alfa-1,4 veze je 15 do 30 puta veća od brzine cijepanja ostalih veza

� uz veliku koncentraciju glukoze (visoka početna koncentracija škroba) i visok udio enzima, glukoamilaza katalizira polimerizaciju glukoze što rezultira nakupljanjem neželjenih a-1,6-oligosaharida(izomaltoze i izomaltotrioze)

� Zbog toga se u industrijskoj praksi koncentracija škroba drži ispod 40% (30-35%) uz dodatak glukoamilaza u količini potrebnoj za maksimalnu konverziju unutar 48-96 sati

�� iako katalizira hidrolizu iako katalizira hidrolizu αα--1,6 1,6 glikozidnihglikozidnih veza ipak nije veza ipak nije u stanju provesti potpunu hidrolizu u stanju provesti potpunu hidrolizu šškrobakroba

�� zapreka bi mogao biti raspored nekih 1,6 vezazapreka bi mogao biti raspored nekih 1,6 veza

�� optimalna optimalna pHpH vrijednost djelovanja ovog enzima je 4 vrijednost djelovanja ovog enzima je 4 do 5,do 5, dok je optimalna temperatura između dok je optimalna temperatura između 50 i 60 50 i 60 °°CC

�� prisutnost Caprisutnost Ca2+2+ iona inhibira iona inhibira glukoamilazuglukoamilazu i dovodi i dovodi do njene do njene denaturacijedenaturacije

�� ovo svojstvo je bitno znati buduovo svojstvo je bitno znati budućći da se u industrijskoj i da se u industrijskoj praksi za razgradnju praksi za razgradnju šškroba kroba ččesto upotrebljava esto upotrebljava αα--amilazaamilaza koju stabiliziraju koju stabiliziraju CaCa ioni, nakon koje se ioni, nakon koje se provodi tretman sa provodi tretman sa glukoamilazomglukoamilazom ččije djelovanje ije djelovanje prisutnost istih iona inhibira. Zbog toga se prije prisutnost istih iona inhibira. Zbog toga se prije korikorišštenja tenja glukoamilazeglukoamilaze kod supstrata moraju kod supstrata moraju istaloistaložžiti prisutni kalcijevi ioni iti prisutni kalcijevi ioni

PULLULANAZAEC 3.2.1.41

SLUŽBENO IME: pululanaza DRUGA IMENA: amilopektin 6-glucanohidrolaza; bakterijski debranching enzim; α-dekstrin

endo-1,6-α-glucozidaza; R-enzim SISTEMSKO IME: pululan α-1,6-glucanohidrolaza

REAKCIJE: Hidrolizira 1,6-α-D-glukozidne veze u pululanu (linearni polimer maltotrioznih jedinica vezanih α-1,6-vezama), amilopektinu i glikogenu, te u α- i β-limitiranim dekstrinima amilopektina i glikogena

OPASKA: - razlikuje se od limitne dekstrinaze (EC 3.2.1.142) po djelovanju na glikogenu i u brzini hidrolize limitiranih dekstrina,

- amilopektin hidrolizira u potpunosti, - maltoza je najmanja jedinica šećera koju može osloboditi cijepanjem

α-1,6-veze, - otkriven je 1961. (Bender i Wallenfels)

• pullulanaza - hidroliza (1→6) veza polisaharida pullulanana, škroba, amilopektina i graničnih dekstrina dajući ravnolančaneprodukte maltozu i maltotrioze

• kod dejelovanja pullulanaze postoji zahtjev da u α-D-glukan lancu postoje (1→4) glikozidne veze

• Pullulanaza ima djelovanje pri sličnim uvjetima kao i β-amilaza. Postoji isti optimum pH i temperature. Iz tih razloga se pullulanazačesto koristi zajedno sa β-amilazom u proizvodnji visokomaltoznih sirupa iz škroba

αααα- D- GLUKOZIDAZA ( EC 3.2.1.20 )

• αααα-D-glukozidaza prestavlja krajnji enzim u metabolizmu škroba do D-glukoze

• Može biti intracelularni (stanično vezan) ili ekstracelularan koji se pojavljuje kod mnogih gljiva (Aspergillus niger), kvasaca (Saccharomyces cerevisiae) ili bakterija (Bacillusspp.)

• α-D-glukozidaza je egzo enzim i djeluje na krajnje ( 1→4), (1→6) i (1→2) veze disaharida i oligosaharida uz oslobađanje α-D-glukoze.

• Najpodesniji supstrat za taj enzim je maltoza. Oligosaharide hidrolizira znatno sporije, dok polisaharide vrlo polagano ili ih uopće ne hidrolizira.

Dobivanje glukoznog sirupa enzimskim putem

� likvefakcija i djelomična hidroliza škrobne suspenzije pomoću jednog od načina likvefakcije

� hlađenje otopine na oko 60 C i podešavanje pH između 4 i 5

� dodatak enzima amiloglukozidaze (termamil 60 L ili 120 L) u reaktoru s mješalicom

� reakcija traje dok se ne postigne željeni stupanj hidrolize, odnosno 48 do 96 sati

� filtriranje, uklanjanje boje i topljivih proteina dodatkom aktivnog ugljena i filtriranjem

� filtritana otopina se dodatno pročišćava uklanjanjem pepela sustavom ionske izmjene

� koncentriranje, skladištenje i otprema

� Ovim postupkom se može dobiti sirup s velikim udjelom D-glukoze koji se može upotrijebiti za proizvodnju kristalne glukoze ili za izomerizaciju u fruktozni sirup

� Proces saharifikacije može se provesti i pomoću glukoamilaza izoliranih iz Aspergillus niger i Rhizopus

sp.

� Uvjeti za prvi su pH 4,5 i temperatura 60 C, a kod drugog enzima pH 5 i temperatura 55 C

� Dobiveni proizvodi su gotovo identični

Kristalna sladila koja sadrže glukozu mogu sadržavati jedan ili više od tri kristalna oblika D-glukoze: αααα -D-glukopiranoza monohidrat, anhidro αααα -D-glukopiranozu i anhidro ββββ -D-glukopiranozu. Od navedenih, najvažniji oblik u komercijalnom smislu je αααα -D-glukopiranoza monohidrat koji se u prometu često označava kao dekstroza monohidrat ili samo dekstroza. Tablica 1. Fizikalna svojstva D-glukoze Anhidro αααα -D-

glukoza αααα -D-glukoza monohidrat

Anhidro ββββ -D-glukoza

Točka taljenja (°C) Topljivost (tež % pri 25 °C [α]

20D

Toplina otapanja (cal/g)

146 62 112

-14,2

83 30,2 112,2 -25,3

150 72

18,7 -6,2

PROIZVODNJA KRISTALNE GLUKOZE

UGLJIKOHIDRAT REL. SLATKOĆA

SAHAROZA 1,0 LAKTOZA 0,4 D-GLUKOZA 0,7 FRUKTOZA 1,3 MALTOZA 0,6 INVERTNI ŠEĆER 0,8-0,9 NATRIJEV CIKLAMAT 30 SAHARIN 200-700 MANITOL 0,7 SORBITOL 0,5 KSILITOL 1,0 GLUKOZNI SIRUP 25 DE 0,2 GLUKOZNI SIRUP 37 DE 0,3 GLUKOZNI SIRUP 42 DE 0,4 GLUKOZNI SIRUP 64 DE 0,6 42% HFCS 1,0 55% HFCS 1,1

- hidroliza škroba do glukoze- pročišćavanje i koncentriranje - kristalizacija i rafinacija glukoze

Proizvodnja glukoze kiselinskom hidolizom

• 1920. god. prva uspješna proizvodnja glukoze iz škroba

• primjenjivan do 1960• Suspenzija (oko 20% stv) uz dodatak kiseline,

zagrijavanje na 140 do 160 °C direktnom parom. Konverter je pod tlakom 2,7 do 3,4 bara. Nakon neutralizacije do pH 4-5 primjenjuje se postupak kao kod dobivanja sirupa.

• Proizvodnja dekstroze monohidrata danas počinje sa hidrolizatom visokog stupnja konverzije koji se proizvode uz primjenu enzima

• Enzimski katalizirana hidroliza ima brojne prednosti koje se ogledaju u višem stupnju konverzije, proces se odvija pri znatno nižim temperaturama pa time nastaju i manje količine nusproizvoda, a pri pHvrijednosti pri kojoj se odvija proces reducirajući šećeri su najstabilniji

• čišćenje sirupa• organske i anorganske primjese mijenjaju topljivost

glukoze u vodi. Topljivost glukoze raste s porastom udjela nečistoća, odnosno s padom vrijednosti koeficijenta čistoće čime se povećava njen udio u hidrolu, odnosno smanjuje iskorištenje

Faza čišćenja (filtriranje, obrada aktivnim ugljenom…), deionizacija primjenom ionske izmjene u svrhu dobivanja sirupa za kristalizaciju bez pepela i niskog obojenja. koncentriranje do željenog udjela suhe tvari (70 do 78%), hlađenje i transport do kristalizatora (veliki cilindrični tank snabdjeven sustavom za hlađenje i sporo-rotirajućom mješalicom)Kristalizacija dekstroze započinje unošenjem centara kristalizacije u sustav (ostavljanjem oko 20% iskristalizirane mase iz ranije kristalizacije, a na početku postupka proizvodnje dodavanjem pravilnih kristala dekstroza monohidrata)Tijekom procesa kristalizacije nužno je održavati prezasićenje na određenom stupnju da bi D-glukoza konstantno kristalizirala dajući kristale određene veličine.

• Stupanj prezasićenja u procesu proizvodnje dekstroze održava se u rasponu od 1,02 do 1,2

• Prezasićenost se definira kao omjer promatrane koncentracije D-glukoze u kristalizatoru, zanemarujući udio prisutnih ne-D-glukoznih tvari, i ravnotežne koncentracije D-glukoze u vodi pri istoj temperaturi

• Prezasićenost se održava kontrolom temperature mase.

• Stalna kontrola sadržaja suhe tvari u tekućini za kristalizaciju kako bi se izbjeglo tzv. «shock cijepljenje» uz istovremeno nastajanje malih kristala koji se teško odvajaju

• Kristalizacija D-glukoze je egzotermnareakcija (toplina kristalizacije je oko 8,5 puta veća nego u slučaju kristalizacije saharoze)

• Masa u kristalizatoru se lagano hladi uz konstantno miješanje tijekom 3-4 dana do ~20-30 ºC. Na kraju kristalizacije, iskristalizira oko 55-60% suhe tvari iz početne tekućine u obliku α-D-glukoze monohidrata. Masa krute faze u odnosu na ukupnu masu u kristalizatoru iznosi oko 50% (ukupno iskorištenje glukoze u kiselinskom postupku iznosi 80%, a enzimskom 5% više)

• Nakon procesa kristalizacije smjesa kristala α-D-glukoze i sirupa odvodi se na centrifuge

• Afiniranje vodom• Vlažni dekstrozni «kolač» poslije

centrifugiranja sadrži oko 14% vode uključujući vodu kristalizacije.

• Proizvod se potom suši (ispod 50 °C) do udjela vod nešto manjeg od teorijskog 9,1% za dekstroza monohidrat, uobičajeno do ~8,5%.

• Dobiveni kristali se poslije sušenja sortiraju na osnovi veličine i pakiraju.

Pri temperaturama ispod 50 °C (a iznad 0 °C) postoji ravnotežno stanje zasićene otopine glukoze i krute faze koju čine kristali glukoza monohidrata. U temperaturnom području iznad 50 °C zasićena otopina glukoze je u ravnoteži s krutom fazom koju čini anhidro dekstroza, dok pri temperaturama iznad 90 °C nastaju kristali β-D-glukoze.

Anhidro αααα-D-glukozaKomercijalna proizvodnja anhidro α-dekstroze je bitno manja

nego dekstroze monohidrata� Jedan od načina proizvodnje anhidro α-dekstroze je

kristalizacija iz pročišćenog škrobnog hidrolizata, istog onakvog kakav se koristi za proizvodnju dekstrozemonohidrata

� Sirup s najmanje 93% glukoze koncentrira se u vakuumu do 80-90% suhe tvari (prezasićena otopina), prebacuje se do kristalizatora te se obavlja «cijepljenje» sirupa s kristalima

� Kristalizacija traje oko 5 sati i za to vrijeme oko 50% glukoze iskristalizira u anhidro obliku

� Kristali se odvajaju od matičnog sirupa na centrifugama gdje se i peru s vodom temperature 50 do 60 °C. Nakon toga provodi se sušenje (77 do 79 °C) do udjela vode do 0,1%. Matični sirup dobiven pri proizvodnji anhidro α-D-glukoze može se upotrijebiti u procesu proizvodnje dekstrozamonohidrata.

� MALTOZNI SIRUPI

• Nizak udio glukoze, visok maltoze; nehigroskopan, ne kristalizira…

� dobivaju se djelovanjem enzima koji oslobađaju maltozne jedinice iz polisaharidnog lanca

� provode se različiti postupci a udjeli maltoze kreću se od 50 do 95%

� Maltozne sirupe dijelimo na� obični maltozni sirup ili maltozni sirup (oko 50% maltoze)� visoko maltozni sirup (preko 72% maltoze)� visoko čistu maltozu (između 90 i 95% maltoze)

� Za ovu svrhu koriste se fungalne alfa-amilaze, alfa-amilaze slada i beta amilaze, same ili u kombinaciji.

� Zajedničko djelovanje alfa i beta amilaze daje maltozni sirup slijedećeg sastava:

� 72% maltoze, 18% glukoze i 10% izomaltoze.

MALTOZA VISOKE ČISTOĆE

� likvefakcija škroba uz pomoć alfa-amilaze

�druga faza je djelovanje enzimima koji će cijepati 1,6-glikozidne veze uz stvaranje ravnih lanaca (pullulanaza ili izoamilaza). Na takav supstrat djeluje se beta-amilazom koja će cijepajući lanac s nereducirajućeg kraja dati maltoznejedinice.

�Rafinacija i koncentriranje�Danas se koriste brojni patentirani

postupci dobivanja maltoze visoke čistoće primjenom ionoizmjenjivača.

Primjena škrobnih hidrolizata

� Najznačajniji potrošač je prehrambena industrija� Konditorska industrija, pekarstvo, pivovare,

konzervna industrija� Kemijska i farmaceutska industrija

KONDITORSKA INDUSTRIJA

� bombonski sirup (DE 40 d0 42); glukoze i maltoze po 15 do 20 %, visoki udio oligosaharida i dekstrina

� sprječavanje kristalizacije saharoze u bombonskoj masi

� poboljšanje konzistencije i okusa proizvoda

� Proizvodnja kruha i peciva (fermentirajući šećeri; utjecaj na okus proizvoda – slatkoća; boja – reducirajući šećeri i aminospojevi)

� Proizvodnja sladoleda i sličnih mliječnih proizvoda (utječu na topljivost sladoleda, poboljšavaju konzistenciju i utječu na slatkoću)

� Prerada voća (zamjena dijela saharoze škrobnim sirupima; saharoza u velikoj mjeri maskira okus voća, a dobiveni proizvodi su slatki… sprječavanje kristalizacije saharoze…

� Pri konzerviranju mesa; u salamuru se mogu dodavati reducirajući šećeri koji mogu utjecati na boju mesa

� Industrija piva; razlike među pojedinim zemljama; Bavarska (propis o čistoći sirovina); u Engleskoj sladovina sadrži oko 80% ječmenog slada, 10% drugih žitarica i 10% škrobnih sirupa ili šećera

� U SAD neslađene žitarice (obično kukuruzni griz) sudjeluju sa 40% u strukturi sladovine

FRUKTOZNI SIRUP• Izomerizacija• Šećer se koristi u velikim količinama

– Sedamdesetih godina uslijed nedostatka šećera na svjetskom tržištu (špekulacije, fluktuacije cijena)

– Škrobni hidrolizati – slatkoća?– Izomerizacija glukoze u fruktozu– Pri normalnim okolnostima smjesa glukoze i fruktoze na

60 °C sadrži oko 52 % fruktoze; u komercijalne svrhe postiže se 42 do 45 % fruktoze

• Nekoliko tipova fruktoznih sirupa (razlika u udjelu fruktoze i konzistenciji)

• Izomeraza (prvi put izoliran u Japanu)• Danas se proizvodi kao imobilizirani enzim u krutom stanju

(može se koristiti preko 20 puta bez gubitka aktiviteta)• Fruktozni sirup se dobiva izomerizacijom glukoznog sirupa s

velikim udjelom glukoze (mora biti visoke čistoće)

� reakcija se odvija pri anaerobnim uvjetima� nekad su korišteni šaržni reaktori, danas su to

uglavnom vertikalni cilindrični kontinuirani reaktori� imobiliziran enzim; supstrat u padajućem filmu prelazi

preko enzima� reaktori složeni u serije� hidroliziran sirup s oko 30% stv podvrgava se čišćenju (filteri ili centrifugalni separatori)

� Koncentriranje na oko 40% stv (uparivači s padajućim filmom)

� Čišćenje uz dodatak aktivnog ugljena i demineralizacija preko ionskih izmjenjivača

� Podešavanje pH vrijednosti na 8 do 8,2� Odzračivanje (stvaranje anaerobih uvjeta)

�Dodatak Mg-sulfata kao prekursora enzimske reakcije

�Zagrijavanje do 61 do 65 C i filtriranje�Izomerizacija i rafiniranje sirupa�Ugušćivanje�Čuvanje sirupa pri povišenoj temperaturi

(obojenje minimalno, spriječena kristalizacija)�Higijena cisterni kojima se prevozi sirup zbog

djelovanja mikroorganizama

Topljivost fruktoznog sirupa slična topljivosti invertnog šećera, znatno veća od topljivosti dekstroze i nešto veća od topljivosti saharoze (omogućava primjenu većih udjela bez da dođe do kristalizacije)SlatkoćaMogu zamijeniti invertni šećer i saharozu u proizvodnji hraneProizvodnja gaziranih pićaPekarski proizvodi koji zahtijevaju fermentirajućešećereKonditorska industrija

Alkalna izomerizacija�NaOH i KOH�Rijetko se koristi

�Izomerizacija (33 do 35%)�Cijepanje heksoza i pentoza do trioza

(“triozno cijepanje”)�Nastajanje saharinskih kiselina (2%)

ugljenom

ugljenom

HIDROGENIRANI SIRUPI� Hidrogenirani monosaharidi

� sorbitol, manitol, ksilitol

� Disaharidi� Izomalt, maltitol, laktitol

� Hidrogenirani glukozni sirupi� Hidrogeniranje se obavlja pomoću vodika uz nikl kao

katalizator (Ni na aluminijsko-silikatnom nosaču)� Reakcija se provodi u reaktorima pri 100 do 200 C i

pri tlaku od 40 do 150 bara� Pročišćavanje dobivenog sirupa uz pomoć ionskih

izmjenjivača� Svojstva sirupa se mijenjaju hidrogeniranjem tako da

dolazi do proširenja primjene sirupa

� Dobiveni sirupi nemaju reducirajuće skupine te ne podliježu Maillardovim reakcijama, gotovo ne kristaliziraju, imaju povećan afinitet prema vodi, imaju veću kemijsku stabilnost te bolja fiziološka i tehnološka svojstva

� Slatkoća (manja od saharoze izuzev ksilitola) te negativna toplina otapanja

� U USA su ovi proizvodi definirani kao šećerni alkoholiu kojima su keto ili aldehidne skupine zamijenjenehidroksilnim skupinama

� Osim izomalta i laktitola ostali polioli mogu se dobitiiz škroba (glukoza-sorbitol, fruktoza-smjesa manitolai sorbitola i maltoza-maltitol,).

� Manja energetska vrijednost (oko 50% u odnosu na saharozu); za proizvodnju tzv light proizvoda

� Ne fermentiraju pod utjecajem mikroflore usne šupljine