Реакция гидролиза крахмала может быть выражена схематично следующим химическим уравнением:
В растворимое состояние крахмал переходит сравнительно быстро, а гидролизуется значительно медленнее. Поскольку глюкозидные связи разрываются одновременно в различных частях молекул амилозы и амилопектина, образуются продукты с различной молекулярной массой.
В процессе гидролиза синяя окраска под действием йода, характерная для растворимого крахмала, сначала становится сине-фиолетовой, затем вишнево-красной, характерной соответственно для амило- и эритродекстринов. При образовании ахро- и мальтодекстринов цвет йодного раствора от добавления гидролизата уже не изменяется.
Течение процесса гидролиза крахмала в производственной
практике обычно контролируют по окраске, получаемой от прибавления йода.
Скорость кислотного гидролиза крахмала зависит в основном от температуры, вида
кислоты и ее концентрации.
Согласно современной теории электролитов соляная и серная кислоты полностью диссоциируют, но активность их водородных ионов из-за проявления межионного притяжения различна. Каталитическая активность кислот пропорциональна не общей концентрации водородных ионов, а только концентрации их активной части. У соляной кислоты она примерно в 2 раза выше, чем у серной.
На каждые 10°С повышения температуры в интервале 100—150°С происходит ускорение процесса гидролиза в 2,7 раза. Так как каталитическая активность кислот пропорциональна активности водородных ионов, то повышение концентрации кислоты приводит к ускорению процесса гидролиза.
Гидролиз крахмала серной кислотой. Гидролиз производится в деревянных гидролизных аппаратах при атмосферном давлении и температуре 102— 105°С. Гидролизный аппарат 1 (рис. 1) имеет форму усеченного конуса. В крышке имеется люк 2 для подачи воды, серной кислоты и крахмального молока. Крахмальное молоко равномерно распределяется по сечению аппарата с помощью зонта 3. По деревянной трубе 4 удаляется в атмосферу пар.
Внутри аппарата над самым его дном находится барботер 6 с отверстиями для нагрева открытым паром, обеспечивающим интенсивное перемешивание. Вокруг барботера расположена трубчатая поверхность нагрева 5 для подогрева глухим паром. Кроме того, имеется вторая поверхность нагрева 8, расположенная над барботером и состоящая из двух змеевиков. Гидролизат выводится в нейтрализатор через спуск 7.
Для гидролиза берут 0,8— 1,0% 100%-ной H2S04 (к массе безводного крахмала).
Рис. 1. Гидролизный аппарат.
Рис. 2. Автоклав (конвертор).
В гидролизном аппарате одновременно происходит два процесса — гидролиз крахмала до необходимого содержания редуцирующих веществ и уваривание продукта до концентрации 55—57°СА.
Гидролиз крахмала соляной кислотой. Гидролиз производится в автоклавах (конверторах), представляющих собой цилиндрический котел со сферическими крышкой и днищем (рис. 2). Изготовляют их из бронзы или красной меди.
В крышке автоклава имеется три штуцера. По штуцеру 1 из мерников поступают крахмальное молоко, подкисленная вода или промой. Штуцер 4 сообщает автоклав с ловушкой для крахмала 5, а через нее — с атмосферой. На третьем штуцере установлен предохранительный клапан 6. На крышке помещается также манометр 2.
В нижней части автоклава находится кольцевой барботер 7, служащий для подачи основного количества пара при заварке крахмала и для повышения давления при осахаривании. Кроме того, пар поступает по штуцеру 8 для предотвращения образования комочков клейстера ниже барботера. Через трубку 9 и расположенный на ней краник 10 отбирают пробы сиропа. По трубе 3 сироп выдувают в нейтрализатор.
Благодаря более высокой температуре процесс осахаривания в конверторе происходит в 9—10 раз быстрее, чем в гидролизном аппарате. Полный оборот автоклава вместимостью около 5 м3 длится 18—20 мин: затопление барботера подкисленной водой, доведение ее до кипения и заваривание крахмала — от 6 до 8 мин; повышение давления — 3 мин, осахаривание — 3 мин, выдувание готового сиропа в нейтрализатор— 6 мин.
Осахаривание крахмального молока в автоклавах проводят при избыточном давлении 0,28— 0,32 МПа. Концентрация крахмального молока в зависимости от типа вырабатываемой патоки 25—27°Са при производстве высокоосахаренной патоки и 40—44°СА при производстве карамельной патоки.
Соляной кислоты в пересчете на газ Сl расходуется 0,19—0,25% к массе безводного крахмала (концентрация в осахариваемой массе 0,05—0,08%).
Рис. 3. Схема непрерывного осахаривания крахмала
Обычно устанавливают не менее двух автоклавов на линии второго этажа завода. Общий объем конвертора от 2,5 до 13 м3, полезный объем — от 60 до 70% (по крахмальному молоку).
Осахаривание крахмала в заварном аппарате и в автоклаве имеет ряд крупных недостатков, которые устраняются при непрерывных методах осахаривания. Аппараты непрерывного действия имеют меньшие габариты, расходуют меньше пара и позволяют автоматизировать процесс гидролиза. В последние годы в Советском Союзе и за рубежом они постепенно стали вытеснять аппараты периодического действия.
На рис. 3 представлена схема непрерывного осахаривания крахмала, осуществленная на Бесланском крахмало-паточном комбинате. Крахмальное молоко, предварительно подкисленное в мернике, из сборника 1 насосом 2 нагнетается в подогреватели 3 и 4, представляющие собой пять соединенных последовательно трубчатых теплообменников. Из зоны подогрева продукт температурой 144—146°С подается в зону осахаривания 5. В этой зоне установлены вертикально расположенные медные трубы с подводом продукта снизу в каждую секцию.
За время прохождения молока по трубкам теплообменников крахмал осахаривается при температуре около 145°С. Кислый гидролизат поступает в сепаратор 4, где поддерживается давление, близкое к атмосферному. Вследствие перепада давления происходит усиленное испарение воды, и образующийся пар направляется на обогрев выпарных аппаратов, а гидролизат температурой 105—106°С стекает в нейтрализатор.