Теоретические сведения. Тростниковой сахар-сырец обладает рядом специфических особенностей, влияющих на процессы его очистки и кристаллизацииТростниковой сахар-сырец обладает рядом специфических особенностей, влияющих на процессы его очистки и кристаллизации. Состав несахаров тростникового сахара-сырца существенно отличается от несахаров сахарной свеклы. В сахаре-сырце присутствуют крахмал, воск, ряд высокополимеров, а также SiО2 и фосфаты, которые повышают вязкость растворов, затрудняют фильтрование и кристаллизацию. Содержание этих компонентов зависит от сорта тростника, климатических условий, применяемой технологической схемы и т. д. Средний качественный состав сахара-сырца может быть следующим:
В настоящее время установлено, что основные затруднения при переработке тростникового сахара-сырца вызывают присутствующие в нем крахмал, декстран, окись кремния и воск, кроме того, декстран и крахмал влияют на поляризацию сахара-сырца, так как удельное вращение у них примерно в три раза больше чем у сахарозы. Сахар-сырец состоит из двух компонентов – кристаллов и прилипшего к ним межкристального раствора. В состав кристаллов входят в основном сахароза, несахара и красящие вещества, которые во время роста кристалла были в него включены. Находящиеся внутри кристаллов сахара-сырца несахара попадают туда вместе с кристаллами сахара последнего продукта, применяемого для уваривания утфеля из сиропа. Несахара верхних наружных слоев кристаллов образуются из густого сиропа, из которого варится утфель. Второй компонент сахара-сырца – межкристальный раствор, покрывающий кристаллы тонким слоем – имеет более низкую чистоту, чем сами кристаллы, и содержит значительное количество несахаров и красящих веществ. При переработке тростникового сахара-сырца наиболее эффективными методами очистки являются аффинация и известково-углекислотная очистка. Назначение аффинации – произвести максимально возможное отделение кристаллов сахара от межкристального раствора, содержащего значительное количество несахаров. Полученные после аффинации кристаллы сахара должны быть чистыми и не содержать остатки сиропа. Аффинация позволяет часть красящих веществ и других несахаров, минуя дефекосатурацию, выводить с мелассой, что позволяет получать клеровку сахара-аффинада после известково-углекислотной очистки в 2, 0 - 2, 5 раза меньшей цветности и 2, 5 -5, 0 раз меньшим содержанием солей кальция. В исследованиях, проведенных И.Ф. Бугаенко, показано, что главную роль при аффинации сахара-сырца в мешалках играет процесс диффузии воды в пленку (т. е. ее «размягчение») с одной стороны, и переход несахаров из пленки в аффинирующий раствор – с другой. Перемешивание значительно ускоряет эти процессы. Основное количество редуцирующих веществ содержится в пленке межкристального раствора. Они состоят примерно на 98 % из глюкозы и фруктозы, причем на долю глюкозы приходится В процессе очистки на дефекации происходит щелочно-термическое разложение глюкозы и фруктозы с образованием сложной смеси более 120 соединений. Наибольший интерес представляют органические кислоты и красящие вещества. На дефекации образуются молочная, гликолевая, уксусная и др. кислоты, кальциевые соли которых хорошо растворимы и плохо адсорбируются карбонатом кальция. Красящие вещества образуют сложную смесь несахаров и состоят из азотсодержащих и не содержащих азота соединений. Первые образуются при взаимодействии моносахаридов с аминокислотами и относятся к меланоидинам, они интенсивно окрашены и обладают большей способностью к включению в кристаллы, чем безазотистые. Безазотистые красящие вещества образуются в результате конденсации промежуточных продуктов, возникающих при термическом разрушении моносахаридов. Эффект удаления карбонатом кальция красящих веществ, образующихся при щелочно-термическом разложении редуцирующих веществ, составляет около 50 %. В пленке межкристального раствора содержится основное количество катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Эффект удаления золы при аффинации сахара-сырца составляет Основная часть декстрана и крахмала находится внутри кристаллов сахара-сырца, и при аффинации удаляется около 30 % декстрана. Известью декстран удаляется незначительно, эффект известково-углекислотной очистки составляет 20 - 25 %. Активным углем и ионитами декстран практически не удаляется, и лишь перекристаллизацией он удаляется на 80 %. Существенное влияние на процесс аффинации оказывает размер кристаллов и их равномерность. Чем крупнее и равномернее кристаллы, тем лучше протекает аффинация. Для определения аффинационной способности в разных странах приняты различные методы. Основными критериями оценки аффинирующей способности сахара-сырца могут быть такие, как выход сахара-аффинада, его гранулометрический состав, вид сахара-аффинада по шкале эталонов сахара-песка, содержание золы или цветность раствора сахара-аффинада. Поведение компонентов сахара-сырца при его аффинации В сахаре-сырце содержится до 2 % несахаров, из них 0, 2- Согласно исследованиям эффект удаления золы при аффинации сахара-сырца составляет 70-80 %, а кальция и магния – 50-70 %. Партии сахара-сырца сильно отличаются друг от друга по цветности. Количество красящих веществ в сахаре-сырце в среднем составляет 0, 025 %. В сырце содержатся три группы красящих веществ: меланоидины, продукты щелочного разложения моносахаров и продукты карамелизации. Основное количество красящих веществ сахара-сырца сосредоточено в плёнке маточного раствора, находящегося на поверхности кристаллов. При аффинации удаляется примерно 70 % красящих веществ сахара-сырца. Аффинация тростникового сахара-сырца позволяет повысить чистоту аффинада на 1, 5%, снизить цветность сырца на 50 %, снизить содержание сернокислой золы на 55 %, а редуцирующих веществ на 60 %. Применение аффинации при переработке тростникового сахара-сырца позволяет получить клеровку после очистки известью и углекислотой в 2-2, 5 раза меньшей цветности и в 2, 5-3, 0 раза меньшим содержанием солей кальция, чем очищенная клеровка сахара-сырца, снизить расход извести на очистку в 2-2, 5 раза, улучшить фильтрационные свойства осадка. Переработка тростникового сахара-сырца с повышенным содержанием крахмала как с аффинацией, так и без аффинации связана со значительными затруднениями при фильтровании очищенной дефекосатурационной клеровки, которые в этом случае связаны с влиянием крахмала на образование частиц осадка. Наличие крахмала в очищаемой клеровке резко повышает вязкость раствора, что способствует образованию мелкодисперсных частиц карбоната кальция. Последние, обволакиваясь продуктами расщепления крахмала, вызывают «заклеивание» пор фильтровальной ткани. Образование даже очень небольшой толщины слизистого осадка на фильтровальной ткани резко снижает скорость фильтрования. Применением фермента a-амилазы при производстве сахара-сырца можно снизить содержание крахмала в сырце в два раза. Разрушить крахмал при помощи a-амилазы можно непосредственно в клеровке сахара-сырца при температуре 8-95 оС, рН 5, 0-7, 0 в течение 30 мин.
Приборы, посуда, реактивы и материалы
Поляриметр, рефрактометр, сушильный шкаф Трубки поляриметрические длиной 200 мм – 3 шт. Бюксы – 4 шт., эксикатор, термометр Нейзильберовая чашка, колориметр КСМ рН-метр, водяная баня, центрифуга, набор сит Конические колбы вместимостью 300 см – 5шт. Мерные цилиндры вместимостью 20, 50 и 100 см3 Бюретка вместимостью 50 см3 Пипетки вместимостью 10, 20 и 50 см3 Мерные колбы вместимостью 100 см3 – 5 шт. Химические стаканы вместимостью 150 - 200 см3 и 400 - 600 см3 Воронки – 6 шт., фильтровальная бумага Сахар-сырец, сахар-песок Раствор уксусной кислоты концентрацией 5 моль/дм3 Разбавленная уксусная кислота (1: 1) Раствор йода концентрацией 1/30 моль/дм3 0, 5 %-ный раствор крахмала (индикатор) Раствор гипосульфита концентрацией 1/30 моль/дм3 Раствор нейтрального свинцового уксуса 10 %-ный раствор соды, реактив Мюллера Мешалка-кристаллизатор
Порядок выполнения работы
1. Определение аффинирующей способности сахара-сырца
Объектом исследования служит сахар-сырец хорошего и плохого качества. По 0, 5 кг сахара-сырца разного качества помещают в лабораторную мешалку-кристаллизатор (можно использовать обычный кухонный миксер), в нее с помощью бюретки в течение 4, 5 мин вводят 190 см3 чистого сахарного раствора с массовой долей 64 - 65 % и перемешивают в течение 15 мин. Затем аффинационную массу помещают в центрифугу, снабженную фильтрующим ситом с размером отверстий 0, 05 см. В течение 15 с доводят частоту вращения центрифуги в минуту до 2500 и центрифугируют в течение 2 мин. После чего сахар-аффинад вынимают и раскладывают слоем 0, 06 см на чистую поверхность. Затем определяют цветность и чистоту, гранулометрический состав и фильтруемость сахара-аффинада, аффинационного оттека и для сравнения – исходного сахара-сырца. Полученные результаты заносят в табл. 9. Таблица 9 Технологические показатели сахара-сырца, сахара-аффинада
2. Определение гранулометрического состава сахара-сырца
Гранулометрический состав сахара-сырца оказывает существенное влияние на его афинируемость. Размер кристаллов сахара-сырца устанавливают рассевом 200 г сахара-сырца с использованием стандартного набора сит. Продолжительность рассева 10 мин. Размер кристаллов сахара-сырца обычно определяют paссевом пробы на наборе сит вручную или механически. Кристалл нормального размера должен иметь поперечные размеры менее 1 мм, допускают пределы от 0, 6 до 1 мм с преобладанием кристаллов размером 0, 8 мм. Сахар-сырец считают удовлетворительного качества, если основная фракция составляет от 45 до 65 %. Пример результатов ситового анализа сахара-сырца приведен в табл. 10. Таблица 10 Результаты ситового анализа сахара-сырца
3. Определение фильтруемости сахара-сырца
В нашей стране характеристикой сахара-сырца является способность его растворов к фильтрованию – фильтруемость. Она является обобщенным показателем наличия в сахаре-сырце несахаров: высокомолекулярных веществ (ВМС) (крахмала, растительных жиров, декстрана, воска и др.), отдельных зольных элементов (Р2О5, SiО2 и других), нерастворимых веществ и тому подобное. Сильное влияние на фильтрационные свойства сахара-сырца оказывают крахмал, декстран, воск. Их содержание в сахаре-сырце значительное, а способы удаления, например аффинация, малоэффективны, так как крахмал, в частности, содержится не только в межкристальном растворе, но и внутри самого кристалла. При этом массовая доля крахмала достигает 0, 071 %. Для оценки фильтруемости сахара-сырца разработано несколько тестов, однако, при оплате этот показатель не учитывается. Практически каждая страна имеет свою методику оценки фильтруемости. Раствор сахара-сырца с СВ=20 % (к 20 г сахара-сырца прилить 80 см3 дистиллированной воды) и температурой 80 °С фильтруют через бумажный фильтр. Фильтруемость сахара-сырца определяют по количеству раствора в г, профильтрованного за 5 мин. Для сравнения определяют фильтруемость чистого раствора сахара, принимаемую за 100 %.
4. Определение содержания сухих веществ (СВ) в сахаре-сырце,
Для определения содержания СВ рефрактометром сахар-сырец разбавляют водой в соотношении 1: 1 в специальных сосудах, обеспечивающих полное его растворение и однородность раствора. На чашках технических весов уравновешивают внутренний и наружный сосуды. Если их вес разный, сосуды уравновешивают на весах специальной гирькой. Сосуды и гирьки должны иметь одинаковую нумерацию. Во внутренний сосуд помещают около 50 г продукта, устанавливают на чашку весов. В наружный сосуд добавляют дистиллированную воду до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. После этого снимают сосуды с чашек весов и гирьку для перемешивания опускают в наружный сосуд. Затем внутренний сосуд осторожно опускают в наружный, герметически завинчивают крышку. Прибор в собранном виде помещают в водяную баню, нагретую до 80 °С, и периодически встряхивают до полного растворения содержимого и получения однородного раствора. Прибор с раствором продукта охлаждают в воде, термостатируют в течение 20 мин при 20 °С, развинчивают крышку и определяют рефрактометром содержание СВ в растворе. При отсутствии сосудов содержание СВ в сахаре-сырце находят следующим образом. 20 г сахара-сырца взвешивают на технических весах в тарированный химический стакан емкостью 100 см3 со стеклянной палочкой, добавляют мерным цилиндром 20 см3 горячей воды для растворения кристаллов, охлаждают раствор в воде и термостатируют 20 мин при 20 °С. Затем сухой стакан с охлажденным раствором и стеклянной палочкой устанавливают на чашку весов; путем добавления дистиллированной воды из капельницы доводят вес раствора в стакане до 40 г; таким образом получают точно разбавленный раствор сахара-сырца (1: 1), в котором определяют рефрактометром содержание СВ. Удвоенное показание рефрактометра дает содержание видимых СВ в % к массе сахара-сырца.
5. Определение содержания сахарозы в сахаре-сырце,
Взвешивают в нейзильберовой чашке на технических весах 13 г продукта, добавляют горячей дистиллированной воды в чашку для растворения кристаллов, переводят раствор в мерную колбу емкостью 100 см3 и термостатируют в течение 20 мин. Затем раствор сахара-сырца в колбе осветляют 2 см3 раствора свинцового уксуса, доводят дистиллированной водой до метки, взбалтывают и после трехминутной паузы фильтруют в сухой химический стакан. На время фильтрования воронку накрывают покровным стеклом. Первые порции фильтрата удаляют. Как только отфильтруется достаточное количество фильтрата, его заливают в чистую сухую поляриметрическую трубку длиной 400 мм. По шкале поляриметра подсчитывают содержание сахара в процентах к массе сахара-сырца.
6. Определение редуцирующих веществ в сахаре-сырце,
Взвешивают 20 г продукта в нейзильберовой чашке на технических весах, растворяют горячей дистиллированной водой, переводят в мерную колбу емкостью 100 см3, охлаждают под краном и термостатируют в течение 20 мин. Осветляют 2 см3 нейтрального раствора уксуснокислого свинца (250 г в 1 дм3), доливают дистиллированной водой до метки, взбалтывают и после трехминутной паузы фильтруют в химический стакан емкостью около 150 - 200 см3. Отбирают пипеткой 50 см3 фильтрата в мерную колбу емкостью 100 см3, прибавляют 2-3 капли раствора фенолфталеина из капельницы и 10 %-ный раствор соды (Na2CO3) из бюретки до появления слабо-розовой окраски для удаления из раствора избытка ионов свинца. Доводят содержимое колбы до метки дистиллированной водой, взбалтывают и после пятиминутной паузы фильтруют в химический стакан емкостью около 150 - 200 см3 для отделения осадка углекислого свинца. Пипеткой отбирают 20 см3 фильтрата, соответствующие 2 г сахара-сырца, помещают в коническую колбу емкостью 300 см3 и нейтрализуют содержимое колбы 1 - 2 каплями разбавленной уксусной кислоты (1: 1) из капельницы до исчезновения слаборозовой окраски. Затем добавляют мерным цилиндром 80 см3 дистиллированной воды для получения общего объема жидкости в колбе 20 + 80 = 100 см3. Прибавляют в коническую колбу из бюретки 10 см3 реактива Мюллера, перемешивают и помещают колбу на 10 мин в заранее подготовленную кипящую водяную баню. При этом должны быть соблюдены следующие условия: - колбу ставят на фарфоровую подставку, расположенную на дне бани; - находящийся в погруженной колбе раствор должен быть на 2 - 3 см ниже уровня воды в бане; - кипение воды в бане не должно прекращаться при помещении в нее колбы; - раствор в колбе при нагревании в бане не должен перемешиваться. После десятиминутного нагревания колбу вынимают из бани и, не взбалтывая, быстро охлаждают под струей холодной воды до комнатной температуры. Раствор в колбе должен иметь голубоватый или зеленоватый оттенок над выпавшим осадком закиси меди. В противном случае анализ повторяют с половинным количеством фильтрата (т. е. с 10 см3, что соответствует 1 г сахара-сырца). К охлажденному раствору добавляют 5 см3 5 моль/дм3 раствора уксусной кислоты и 25 - 20 см3 1/30 моль/дм3 раствора йода из бюретки при перемешивании. После этого колбу закрывают часовым стеклом, помещают на 2 - 3 минуты в темное место и периодически перемешивают вращательным горизонтальным движением. Затем прибавляют к содержимому колбы 5 см3 0, 5 %-ного раствора крахмала и оттитровывают избыток йода, не вошедшего в реакцию, 1/30 моль/дм3 раствором гипосульфита до появления зеленой окраски. Количество йодного раствора, вступившего в реакцию, определяют путем вычитания из добавленного количества раствора йода (20 - 25 см3) затраченного количества гипосульфита и двух поправок: на восстановительную способность сахарозы из расчета 0, 2 см3 на 1 г ее, на восстановительную способность 10 см3 реактива Мюллера - 0, 2 см3. Содержание редуцирующих веществ определяют в процентах к массе сахара-сырца из расчета, что 1 см3 1/30 моль/дм3 йодного раствора соответствует 1 мг редуцирующих веществ в эквиваленте инвертного сахара. Пример. Для нагревания с реактивом Мюллера взято 20 см3 фильтрата, что соответствует 2 г сахара-сырца. Прибавлено 25 см йодного раствора, израсходовано 7 см3 раствора гипосульфита. Поправка на восстановительную способность сахарозы: ((2, 0 × 95)/100) × 0, 2 = 0, 38 см3, где 95 - процентное содержание сахарозы в сахаре-сырце (по анализу). Поправка на восстановительную способность реактива Мюллера 0, 2 см3. Окончательный расход йодного раствора: 25 - (7 + 0, 38 + 0, 2) = 17, 42 см3. Содержание редуцирующих веществ: (17, 42× 100)/(2× 1000) = 0, 87 % к массе сахара-сырца.
7. Определение цветности сахара-сырца, сахара-аффинада Определение проводят в соответствии с ГОСТ Р 52305-2005 фотометрическим методом, сущность которого заключается в измерении оптической плотности исследуемого раствора сахара-сырца относительно эталонного, оптическая плотность которого принимается за нуль. В качестве эталонного раствора применяют дистиллированную воду. Пробу продукта массой 50 г взвешивают с погрешностью ± 0, 1 г и помещают в коническую колбу вместимостью 200 см3, наливают 100 см3 дистиллированной воды и взбалтывают. Колбу помещают на водяную баню температурой около 50 оС, растворяют сахар-сырец в течение не более 30 мин. Раствор охлаждают, доводят его рН до 7±0, 2 путём добавления 0, 1 моль/дм3 раствора NaOH или HCl, фильтруют раствор под вакуумом через мембранный или стеклянный фильтр с диаметром пор 0, 45 мкм. Первые порции фильтрата отбрасывают. Допускается фильтрование раствора через бумажный фильтр. При этом в раствор сахар-сырца добавляют кизельгур или перлит из расчета 1 % к массе сухих веществ раствора. В профильтрованном растворе рефрактометром определяют массовую долю сухих веществ и по табл. приложения 2 находят плотность раствора. Используют кювету длиной 0, 5-2 см. Кювету сравнения заполняют дистиллированной водой. Оптическую плотность измеряют на фотоэлектроколориметре, применяя светофильтр с длиной волны света 420 и 560 нм. Перед измерением кювету три раза ополаскивают исследуемым раствором, после чего заливают раствор в кювету и фотоэлектроколориметром измеряют его оптическую плотность. Измерения проводят три раза и рассчитывают среднее арифметическое значение. Цветность Ц, ед. оптич. плотности, вычисляют по формуле
где D – оптическая плотность раствора (показание фотоэлектроколориметра); СВ – массовая доля сухих веществ раствора, %; r – плотность раствора, г/см3; l – длина кюветы, см.
Вопросы для самоподготовки
1. Что такое аффинация сахара-сырца и какова ее цель? 2. Какие несахара удаляются при аффинации, а какие нет? 3. Как определяется аффинационная способность сахара-сырца? 4. Чем обусловлена цветность продуктов переработки сахара-сырца? 5. В чем заключается методика определения содержания редуцирующих веществ в сахаре-сырце? 6. Как определяется цветность и сухие вещества сахара-сырца?
|
, (11)
