Сахар из крахмала

К. Я. Парменов

В 1811 г. проф. С.-Петербургской Академии наук Константин Кирхгоф (1764 — 1833) произвёл открытие, которое быстро стало известным за границей и произвело на учёный и торгово-промышленный мир того времени очень сильное впечатление. Кирхгоф нашёл, что сахар, этот столь же питательный, как и приятный продукт, можно получать не из сока сахарного тростника и даже не из сока сахарной свёклы, а из крахмала, сырьём для которого служит... обыкновенный картофель! Было отчего прийти в столь сильное возбуждение, если принять во внимание ещё и ту политическую и экономическую обстановку, в которой родилось открытие Кирхгофа.

Это была эпоха господства в Западной Европе Наполеона Бонапарта. В интересах французской промышленности Наполеон I проводит так называемую континентальную блокаду, заключавшуюся в полном запрещении европейским странам торговых сношений с Англией. А монополия на сахар в, то время была в руках Англии. Значит, открытие Кирхгофа давало возможность европейским странам сбросить с себя «сахарное иго» Англии и даже при сохранении континентальной блокады иметь в изобилии собственный сахар.

Это тем более легко было сделать, что Кирхгоф описал способ получения крахмального сахара из крахмала различных растений настолько хорошо и подробно, что какой-либо особой нужды в дополнительных исследованиях не было, и оставалось лишь строить заводы по методу изобретателя. И промышленники не замедлили использовать это открытие: уже в следующем, 1812 г. начали работать по методу Кирхгофа заводы в Германии и Франции и несколько позже в США.

Кирхгоф открыл явление осахаривания крахмала не случайно. Он вёл систематические исследования крахмала, стараясь получить из него при воздействии "кислот декстрин — клеющее вещество, сходное с гумми-арабиком и хорошо всем известное, так как оно в большом количестве употребляется для приклейки почтовых марок и заклейки конвертов. Избранный Кирхгофом путь и привёл его к получению глюкозы или виноградного сахара.

Вот как сам Кирхгоф описывает свои опыты в записках Петербургской академии наук:

«В хорошо вылуженном медном котле помещалось 250 фунтов воды, приливалось 1¹/₂ фунта крепкой серной кислоты и раствор нагревался дровами до кипения. В кипящий раствор, при постоянном перемешивании деревянной лопаточкой, постепенно вносился порциями, приблизительно в 8 фунтов, взмученный в: воде в жидкую кашицу крахмал (на 150 фунтов воды 100 фунтов крахмала); порции вносились по мере растворения крахмала и закипания раствора. Перемешивание производилось до тех пор, пока не исчезала опасность переброса кипящего раствора через край котла. После этого котёл закрывался лужёной крышкой и оставлялся стоять г. и тихом кипении в течение 24 — 25 часов.

Испаряющаяся при кипении в количестве 20 — 25 фунтов вода время от времени заменялась вливанием в котёл порций кипяченой воды. По истечении указанного времени в котёл вносился порошок древесного угля, и раствор оставляли стоять без нагревания в продолжение двух часов, время от времени взмучивая лопаточкой оседающий на дно котла угольный порошок. Количество вносимого угольного порошка находится в зависимости от интенсивности окраски раствора. Обычно достаточно 6—10 фунтов порошка для получения после фильтрования бесцветного раствора. Затем для удаления серной кислоты в осахаренный раствор вносится 3 фунта порошкообразного мела небольшими порциями при постоянном перемешивании, чтобы избежать вспучивания жидкости от выделяющейся углекислоты».

В дальнейшем Кирхгоф описывает способы фильтрации сока от образовавшегося гипса через льняной конический фильтр и способы выпаривания фильтрата.

Для проверки правильности сделанных Кирхгофом наблюдений в Петербурге была создана особая комиссия, которая признала открытие Кирхгофа имеющим серьёзное научное значение и представляющим большой практический интерес.

На Западе новое русское открытие впервые получило практическое применение благодаря поддержке знаменитого поэта-естествоиспытателя Вольфганга Гёте и известного профессора-химика Дёберейнера, который уже через год после открытия Кирхгофа построил в окрестностях Веймара картофельно-паточный завод.

После падения Наполеона и отмены континентальной блокады интерес к картофельному сахару ослабел, так как тростниковый сахар из запасов, накопившихся во время блокады, стал в огромных количествах поступать из Англии на европейские рынки. Усовершенствование к тому времени производства свекловичного сахара ещё более способствовало ослаблению внимания к сахару из крахмала, так как сладость последнего на 40% меньше, чем сахара тростникового.

Но открытие Кирхгофа не заглохло. Скоро интерес к крахмальному сахару и особенно к патоке снова возрос, и, как это ни странно, этому способствовало всё большее и большее распространение свекловичного сахара. Дело в том, что раньше при очистке тростникового сахара получалась как отброс тростниковая патока, а теперь, в связи с вытеснением с рынка тростникового сахара, её не стало. Потребность же в патоке и в пищевой промышленности, и в технике стала уже значительной. Крахмальная патока вполне могла заменить тростниковую; а так как процесс её производства к тому времени уже улучшился, то и качество патоки стало значительно лучше. Постепенно крахмальная патока завоевала себе прочное место среди пищевых продуктов и в арсенале важных в техническом отношении веществ.

Главное применение патока находит в кондитерском производстве.

При фабрикации многих сладких товаров (карамели, халвы, мармелада, желе и др.) к свекловичному сахару необходимо прибавлять патоку: она смягчает слишком большую сладость свекловичного сахара, придаёт изделиям приятный тающий вкус. Вспомните, например, какое приятное вкусовое ощущение дают различного рода помадки и хорошие сорта пряников. Пряники хороших сортов остаются долго мягкими, так как патока предохраняет их от черствения. Ни хороших конфет, ни хорошего варенья, плодовых консервов, мармелада и т. п. нельзя получить без патоки. Кондитерские изделия, приготовленные на чистом свекловичном сахаре, имеют приторно-сладкий вкус и без патоки быстро теряют свою прозрачность, засахариваются, иногда даже просто рассыпаются.

Большое количество патоки употребляется для производства так называемых «кулеров» — дешёвых и совершенно безвредных окрашивающих веществ, применяемых при производстве пива, наливок, настоек, различных соусов и т. п.

Не следует думать, что патока в кондитерской промышленности применяется с целью фальсификации продуктов, что она является каким-то суррогатом более дорогого сахара. Помимо того, что патока повышает качество кондитерских изделий, она сама является прекрасным вкусовым и питательным веществом, очень легко и нацело усваиваемым организмом.

Много идёт патоки и в технике: она нужна для отделки тканей, для проклейки бумаги, особенно высшего сорта, в кожевенном производстве. Рафинированная кристаллическая глюкоза применяется как укрепляющее средство при лечении многих болезней.

Cущность химических процессов, которые происходят при превращении крахмала в патоку

Крахмал при кипячении с кислотой превращается в виноградный сахар (глюкозу). Зная состав исходного и получаемого веществ, запишем это превращение так:

(С₆ Н₁₂ О₅) _n → n C₆H₁₂O₆
крахмал → виноградный сахар

Нетрудно сообразить, что правая часть этой записи отличается от левой по своему составу на п молекул Н20. Значит, при этой реакции происходит присоединение к молекулам крахмала молекул воды и распад сложной молекулы крахмала на более простые молекулы виноградного сахара (глюкозы). Таким образом, мы имеем здесь дело с типичной реакцией гидролиза

(С₆Н₁₂О₅)_n + nН₂О = nС₆Н₁₂О₆

Кислота же, очевидно, играет в этом процессе роль катализатора.

Распад крахмала происходит не сразу, а по некоторым ступеням. Между крахмалом и сахаром образуется ряд промежуточных продуктов, известных под названием декстринов. (Свое название декстрины получили от латинского слова dexter (правый), так как растворы декстринов отклоняют луч поляризованного света вправо.) Доказать существование этих промежуточных продуктов очень легко, проделав несколько простых опытов.

Как известно, крахмал (а следовательно, и крахмальный клейстер) окрашивается йодом в синий цвет. Будем кипятить некоторое время клейстер со слабой кислотой и постепенно отбирать пробы, испытывая их после охлаждения йодом. Mы будем получать сначала красно-бурый цвет, потом бурый, жёлтый и, наконец, раствор перестанет окрашиваться йодом. Разнообразный цвет при реакции раствора с йодом свидетельствует о наличии в этом растворе переходных веществ. Таким образом, декстрины являются продуктами неполного гидролиза крахмала. Эти вещества имеют также важное техническое значение: они употребляется при отделке кож, тканей и бумаги, в спичечной промысла прости при изготовлении массы для головок спичек и намазки коробок, в качестве клея и т. п.

Техника производства патоки сводится к следующим основным операциям.

При получении патоки непосредственно из картофеля последний предварительно разваривают в особых аппаратах, называемых запарниками. На рисунке 1 изображён предназначенный для этой цели запарник, предложенный немецким инженером Генце и называемый его именем. Аппарат представляет собой склепанный или сваренный из котельного железа цилиндр, суживающийся книзу в конус: объём напарника около 5000 л, высота — 5 м, диаметр в широкой части — 1,5 м.

Рис.1. Запарник

Цель запаривания — подготовка крахмальных материалов для осахаривания. При воздействии пара при давлении в 3 атм клетки крахмальных зёрен разрушаются, и крахмал превращается в клейстер. Пар поступает в аппарат через специальный вентиль в нижней части конуса. После запаривания вентиль внизу закрывается, и пар через штуцер в верхней крышке подаётся в обратном направлении, вытесняя при этом густой раствор клейстера через нижний спусковой вентиль в заторный аппарат, гдс и происходит осахаривание крахмала.

На каждые 100 кг крахмала берут около 70 кг воды и около 1 кг серной кислоты. В раствор кислоты в воде всьшают крахмал и размешивают его. Получается так называемое крахмальное молочко. Затем наливают в большой чан двойной обьём, по сравнению со взятым в начале, воды и кислоты, с помощью пара доводят до кипения и начинают постепенно вливать крахмальное молоко с таким расчётом, чтобы кипение не прекращалось. Кипятят раствор до тех пор, пока взятая проба после охлаждения не будет давать с йодом окрашивания.

Полученный раствор освобождают от серной кислоты, осаждая её мелом: в осадке получается гипс. После отстаивания и фильтрования через мелочные фильтры или фильтрпрессы жидкий сироп сгущается в вакуум-аппаратах, в которых жидкость кипит благодаря уменьшенному давлению при температуре 60-65 градусов. Густой сироп в дальнейшем пропускают через костяной уголь, помещаемый в железные цилиндры 0,5 — 1 м диаметром и 3 — 4 м высотой. Уголь адсорбирует из сиропа окрашивающие вещества, и сироп становится совершенно чистым. Его снова уваривают и после охлаждения разливают в деревянные (сосновые) бочки.

Для получения твёрдого крахмального сахара, т. е. технической или пищевой глюкозы при осахаривании, берут больше кислоты, дольше варят и тщательнее очищают сироп. Уваренный си оп разливают в ящики и подвергают кристаллизации. Для этой цели часто приходится вносить в сироп в качестве «заправок» несколько кристалликов готовой глюкозы.

Рис.2. Запарники с заторным аппаратом.

Для получения патоки можно употреблять крахмал и других растений, а не только картофельный, например, из зёрен кукурузы, которые содержат от 60 до 74% крахмала.

Накануне Великой Отечественной войны 1941 — 1945 гг. Советский Cоюз занимал первое место в Европе по выпуску крахмало-продуктои. Ныне ведётся строительство крахмала-паточных предприятий и проведены значительные работы по внедрению более передовой техники, новых схем производства чистой глюкозы из кукурузного крахмала, организовано производство новых ценных продуктов, в частности нескольких видов растворимого крахмала и декстрина.

Источник: «Книга для чтения по химии, ч.2». Изд-во министерства просвещения РСФСР, 1956., стр. 420-426