Желирующий агент

 

Изобретение относится к желирующему агенту, который может быть использован в пищевой, медицинской, парфюмерной промышленности, а также нефтедобыче. Желирующий агент представляет собой текстурированную смесь зерен крахмала с ненарушенной оболочкой, предварительно обработанного для удаления из него амилозы, окруженных второй оболочкой, состоящей из неорганополимерного комплексообразователя, в качестве которого используют активированную кремневую кислоту, олигомерного пластификатора, а также бактерицидной добавки, при этом соотношение компонентов смеси составляет соответственно, мас. %, 44,0 - 65,1; 4,3 - 22,0; 14,0 - 20,8 и 3,2 - 5,0. Желирующий агент обладает способностью создавать гели высокой прочности при низкой температуре активации и небольшой норме расхода в желируемой среде.

Изобретение относится к желирующему агенту, который может быть использован в пищевой, парфюмерной, медицинской промышленности, а также в нефтедобыче.

Уровень техники Полисахариды различного строения, с различной структурой элементарного звена хорошо изучены и применяются в качестве желирующих (склеивающих) реагентов.

Наиболее широко используют в промышленности пектины - полисахариды с неразветвленными цепями, состоящие из остатков D - галактуроновых кислот, соединенных а-1,4 - гликозидными связями. Кальциевые соли полигалактуроновых кислот используются для приготовления фруктовых желе /1/. Промышленное получение пектинов включает двухстадийную ферментацию растительного сырья с помощью микроорганизмов, содержащих пектинолитические ферменты - эстеразы и деполимеразы. В последующем раствор пектинов центрифугируют, пектины выделяют метанолом или этанолом и затем получают в виде сухого продукта. Процесс многостадиен, достаточно дорог, пожароопасен. Выпуск пектина регламентирован ГОСТом /2/.

Достаточно широко используют агар-агар, представляющий собой смесь агарозы и агаропектина. Главный полисахарид состоит из чередующихся остатков D - галактозы и 3.6- ангидрогалактозы, соединенных в линейную цепь в - 1.4 и 1.3 - связями. В состав агаропектина входят D - галактоза, 3,6 - ангидрогалактоза, соответствующие уроновые кислоты и сульфат. Процесс получения агар-агара в промышленных условиях включает в основном те же стадии, что и в случае пектина, однако еще более сложен и дорогостоящ /1/.

Выпуск агара регламентирован двумя ГОСТами /3, 4/.

Известно крупномасштабное производство ксантана - бактериального экзополисахарида /5/. Ксантан имеет высокоразветвленную блочную структуру, включающую целлобиозоподобный кор, к которому присоединяется боковая цепочка, состоящая из остатков маннозы, а также пировиноградной, глюкуроновой и уксусной кислот. Желирующие характеристики ксантанов проявляются в широком диапазоне температур и значений pH, однако сложность его производства и стоимость сопоставимы с производством и стоимостью агара.

Применение в пищевой промышленности нашли альгинаты, обладающие блочной структурой и включающие C1-C4 - линейный сополимер в-D- маннуроновой кислоты и ее 5 - эпимера а - L - гулуроновой кислоты. Как и агар, альгинаты в несколько стадий выделяют из водорослей /6/.

Более доступным направлением явилась переработка растительного сырья, содержащего крахмалы - картофеля, кукурузы, зерновых, тапиока и т.д. /7/. Растительные крахмалы состоят из двух глюканов - амилозы и амилопектина. Неразветвленные цепи амилозы содержат остатки D - глюкозы, соединенные а- 1,4- гликозидными связями. Амилопектин также представляет собой поли -а-1,4-D- глюкозу, однако имеет разветвления по связям 1,6.

Стереохимическая структура амилопектина обуславливает, строго говоря, отсутствие желирующих свойств у крахмала. Амилопектин способен образовывать лишь студни, т.е. наблюдается отчетливый эффект синерезиса.

Однако доступность крахмала как исходного сырья обусловила длительные и многочисленные работы в направлении создания модификаций крахмала, обладающих определенными целевыми свойствами и, в частности, желированием. Здесь целесообразно выделить два освоенных промышленностью крахмалопродукта.

Фосфатный крахмал /8/ представляет собой продукт разрушения оболочек зерен крахмала и частичного гидролиза амилопектина в присутствии солей ортофосфорной кислоты. В результате изменения стереохимической структуры амилопектина удалось в значительной степени (хотя и не полностью) подавить синерезис и добиться проявления гелеобразования. Однако гели обладают низкой прочностью, что нашло отражение в использовании фосфатного крахмала в пищевой промышленности - в приготовлении соусов, подварок, джемов.

Также в промышленных масштабах выпускается крахмал желирующий /9/. Его отличительная особенность в том, что с помощью окислительной реагентной обработки проведено частичное разрушение оболочки зерна исходного крахмала и изменение стереохимической структуры амилопектина. Это обусловило новый комплекс свойств продукта - он способен образовывать гели, а не студни. Гели обладают повышенной прозрачностью. Ограничения возможностей использования продукта обусловлены его реагентной обработкой - окрашенность растворов и гелей, низкая прочность геля, что требует повышения расхода при использовании.

Сущность изобретения.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание вещества (смеси веществ), которое по крайней мере не уступало бы выбранному прототипу по основным свойствам (прежде всего по прочности геля), имело бы возможность варьирования свойств при решении конкретных задач, имело бы область применения, характерную для растительных веществ (в частности, диапазон значений pH), обладало бы доступной сырьевой базой.

Техническим результатом решения этой задачи становится существенное расширение области применения желирующих агентов.

Поставленная задача нашла решение в использовании многокомпонентной смеси. В качестве основного вещества взят амилопектин крахмала. Существенно, что зерна крахмала имеют ненарушенную оболочку. Удаление водорастворимой амилозы, являющейся нежелательным компонентом, может быть проведено предварительной отмывкой теплой водой /7/. Оболочка используется как элемент текстурирования смеси, когда химические реагенты, вызывающие проявление желирующих свойств композиции, пространственно расположены на ней в виде второй оболочки в непосредственной близости от амилопектина вплоть до того момента, когда амилопектин будет освобожден от первой оболочки активирующим нагревом. Расположение химических компонентов непосредственно на оболочке зерна позволило снизить температуру начала активации смеси до 58^oC. Время активации может составлять от нескольких десятков секунд до 15 минут в зависимости от происхождения крахмала.

Важную роль в процессе образования геля играет неорганополимерный комплексообразователь. Его комплексообразующая способность выполняет двойную функцию. Структура позволяет ему прочно сорбироваться на оболочке зерна крахмала в процессе приготовления (текстурирования) исходной смеси. В процессе термической активации оболочки разрываются, амилопектин высвобождается и вступает во взаимодействие с комплексообразователем, т.к. дает с ним более прочный комплекс, чем материал оболочки. Роль комплексообразователя играет активированная кремневая кислота, используемая в практике водоподготовки /10/.

Существенную роль играет пластификатор смеси. Величина содержания его в смеси оказывает влияние на механические свойства образуемого геля, но в еще большей степени - на оптические свойства: окраску, прозрачность. Наилучшие результаты по оптическим свойствам геля получены с использованием в качестве основного компонента пластификатора поливинилпирролидона со средним значением молекулярной массы 126002700 дальтон.

Применение поливинилпирролидона может быть оправдано, например, в парфюмерной, пищевой, медицинской промышленности.

Учитывая, что вышеназванные ингредиенты представляют собой хорошую питательную среду для микроорганизмов, в смесь вводят целевую бактерицидную добавку. Для пищевой промышленности характерно использование сорбиновой кислоты, пирокарбоната. При выпуске продукции парфюмерной и медицинской промышленности выбор добавки в большой степени зависит от других присутствующих компонентов.

Бактерицидная добавка позволяет обеспечить срок годности и хранения, регламентированный ГОСТом для склеивающих (желирующих) веществ - 12 месяцев. Кроме того, повышается безопасность использования желирующего агента в изделиях пищевой и парфюмерной промышленности.

Желирующий агент получают следующим образом. Предварительно готовят необходимое количество активированной кремневой кислоты путем нейтрализации раствора силиката натрия раствором соляной или серной кислоты. Нейтрализацию ведут в реакторе с мешалкой при активном перемешивании. Контроль за окончанием процесса осуществляют по величине pH. Раствор выдерживают при определенной температуре. Образовавшийся осадок промывают избытком воды до остаточной концентрации соли не более 2 г/л. Осадок хранят под слоем воды.

Крахмал для приготовления желирующего агента предварительно отмывают от амилозы избытком теплой воды при перемешивании.

Полученную кремневую кислоту переносят в реактор с мешалкой, добавляют пластификатор (для получения гелей с низкой оптической плотностью это поливинилпирролидон со средним значением молекулярной массы 12600 дальтон), бактерицидную добавку - сорбиновую кислоту или пирокарбонат (для пищевых применений агента) и перемешивают до получения однородной массы. Добавляют предварительно подготовленный крахмал с ненарушенной оболочкой зерен и отмытый от амилозы и продолжают перемешивание также до получения однородной массы.

Готовый желирующий агент получают после высушивания полученной смеси в сушилке и отсева крупных частиц.

С помощью изменения соотношения ингредиентов в желирующем агенте можно менять в широких пределах реологические, механические (прочностные) и оптические (прозрачность) свойства получаемого геля.

Поставленная задача решена также и в плане получения геля со стабильными во времени свойствами (отсутствие синерезиса).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Предлагаемый желирующий агент (вещество) может быть использован при получении разнообразных продуктов: бурильных растворов в нефтедобывающей промышленности, технологических растворов с заданными реологическими свойствами в химической промышленности, получении желированных продуктов пищевой и парфюмерной промышленности, в микробиологии и медицине. Возможность с помощью изменения соотношения компонентов агента в широких пределах изменять свойства получаемой среды (геля или раствора) и таким образом адаптировать к решению конкретной задачи также расширяет область практического использования.

Пример 1. Получение геля с оптической плотностью не более 0,3 для нужд парфюмерной промышленности.

Используют агент, полученный высушиванием смеси со следующим соотношением компонентов: крахмал с ненарушенной оболочкой зерна, предварительно обработанный для удаления из него амилозы - 65,1%, комплексообразователь - активированная кремневая кислота - 10,9%, пластификатор поливинилпирролидон - 20,8%, бактерицидная добавка - 3,2%.

Количество агента, рассчитанное для получения необходимого объема геля, смешивают с водой, прошедшей водоподготовку, при температуре 20-30^oC в соотношении 1:10 - 1:30 (в зависимости от требуемой прочности геля). При активном перемешивании (однородная по объему взвесь) нагревают до 58-77^oC и выдерживают при этой температуре не более 12-15 минут. Для дальнейшего использования в технологии охлаждать гель не обязательно.

Пример 2. Получение геля с показателем прочности не менее 11,5 г/кв. см, что соответствует требованиям ГОСТа /2/ на пектин 1-го сорта для кондитерской промышленности (200 градусов по шкале Тарр - Бейкера).

Используют агент, полученный из смеси со следующим соотношением компонентов: крахмал с ненарушенной оболочкой зерна, предварительно обработанный для удаления из него амилозы - 57,5%, комплексообразователь - активированная кремневая кислота - 22,0%, пластификатор - мальтодекстрин -17,3%, бактерицидная добавка - сорбиновая кислота - 3,2%.

Количество агента, рассчитанное для получения необходимого объема геля, смешивают с водой, прошедшей водоподготовку, при температуре 20-30^oC в соотношении 1:12. При активном перемешивании (однородная по объему взвесь) нагревают до 58-120^oC (верхний предел для использования вместо воды технологических сахарных сиропов) и выдерживают в этих условиях не более 12-15 минут. Гель охлаждают.

Пример 3. Получение бурильного глинистого раствора с реологическими свойствами на уровне требований ОСТа (отсутствие расслоения раствора в течение не менее 6 часов).

Используют агент, полученный из смеси со следующим соотношением компонентов: крахмал с ненарушенной оболочкой зерна, предварительно обработанный для удаления из него амилозы - 52,2%, комплексообразователь - активированная кремневая кислота - 22,0%, пластификатор - монтмориллонит - 20,8%, бактерицидная добавка - азид натрия или комплексные соли хрома III - 5,0%.

Количество агента, рассчитанное для получения необходимого объема бурильного раствора с концентрацией по агенту 0,3%, смешивают с водой, нагретой до температуры не менее 58^oC, в соотношении 1:10 и активно перемешивают в течение 2 - 4 минут. Полученный гель смешивают с остальным количеством воды и компонентами глинистого раствора, перемешивают до получения однородного по объему раствора. Полученный раствор сохраняет седиментационную устойчивость в течение 6 часов.

Источники информации 1. Г.Шлегель. Общая микробиология. М.: Мир, 1987, стр. 413.

2. ГОСТ 29186-91. Пектин. Технические условия.

3. ГОСТ 16280 - 88. Агар пищевой. Технические условия.

4. ГОСТ 17206 - 84. Агар микробиологический. Технические условия.

5. Н. П. Елинов. Химическая микробиология. М.: Высшая школа, 1989, стр. 319.

6. Там же, стр. 318.

7. P. Моррисон, Р.Бойд. Органическая химия. М.: Мир, 1974, стр. 972.

8. ОСТ 10-018-94. Крахмал кукурузный фосфатный.

9. ТУ 9187-024-00008064-95. Крахмал окисленный пищевой (желирующий).

10. В. А.Клячко, И.Э.Апельцин. Водоподготовка природных вод. М.: Химия, 1973.

Формула изобретения

Желирующий агент, представляющий собой текстурированную смесь крахмала, предварительно обработанного для удаления из него амилозы, с ненарушенной оболочкой зерен, окруженных второй оболочкой, состоящей из неорганополимерного комплексообразователя, в качестве которого используют активированную кремневую кислоту, олигомерного пластификатора, а также бактерицидной добавки, при этом соотношение компонентов агента составляет, мас.%: Крахмал с ненарушенной оболочкой зерен, предварительно обработанный для удаления из него амилозы - 44,0 - 65,1 Активированная кремневая кислота - 4,3 - 22,0 Олигомерный пластификатор - 14,0 - 20,8 Бактерицидная добавка - 3,2 - 5,0е