References

vestiag

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия аграрных наук

Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Agrarian Series

1817-72041817-7239

The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"

10.29235/1817-7204-2019-57-1-110-121

vestiag-335

Research Article

ПЕРАПРАЦОЎКА І ЗАХАВАННЕ СЕЛЬСКАГАСПАДАРЧАЙ ПРАДУКЦЫІ

PROCESSING AND STORAGE OF AGRICULTURAL PRODUCTION

Научные основы технологии получения катионных крахмалов

Scientific basis of technology for production of cationic starch

Литвяк

В. В.

Litvyak

V. V.

Литвяк Владимир Владимирович - доктор технических наук, кандидат химических наук, доцент, главный научный сотрудник отдела технологий продукции из корнеклубнеплодов.

ул. Козлова, 29, 220037, Минск.

Litvyak Vladimir V. - D. Sc. (Engineering), Ph. D. (Chemistry), Associate Professor.

29 Kozlova Str., Minsk 220037.

info@belproduct.com

Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию.The Research and Practical Centre of the National Academy of Sciences of Belarus for Foodstuffs.

2019

15022019

571110121

2019

Литвяк В.В.

Litvyak V.V.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vestiagr.belnauka.by/jour/article/view/335

Производные крахмала, содержащие эфирные катионные группы (амино-, аммониевые, сульфони- евые, фосфониевые и др.), являются важным коммерческим продуктом. Наибольшее применение нашли катионные крахмалы c третичными амино- и четвертичными аммониевыми эфирными группами. Статья посвящена актуальной проблеме - глубокой переработке растительного крахмалосодержащего сырья, в частности, получению отечественных химически модифицированных (замещенных) катионных крахмалов. Проведены сравнительные исследования кинетики реакции получения катионных эфиров картофельного и кукурузного крахмала с применением №(3-хлоро-2-гидроксипропил)-Ы^^-триметиламмоний хлорида в зависимости от мольного соотношения реагентов, температуры, концентрации крахмальной суспензии и природы нативного крахмала. Изучено влияние процесса катионизации крахмала на морфологические особенности крахмальных гранул, а также степень кристалличности. Установлено влияние процесса катионизации крахмала на структурные характеристики гранулы (степень кристалличности-аморфности) при общем сохранении крахмальных гранул и физико-химические свойства (реологические, термогравиометрические). Разработан научно обоснованный высокоэффективный метод катионизации крахмала №(3-хлоро-2-гидроксипропил)-Ы^^-триметиламмоний хлоридом в щелочной среде с применением ингибиторов клейстеризации, позволяющий получать катионный крахмал со степенью замещения 0,01-0,06 моль/моль. Полученный катионный крахмал предназначен для использования в бумажной, текстильной и других отраслях промышленности. Разработанная технология производства химически модифицированных катионных крахмалов успешно внедрена на отечественных предприятиях.

Starch derivatives containing ether cationic groups (amino-, ammonium, sulfonium, phosphonium, etc.) are vital commercial product. Cationic starches with tertiary amino- and quaternary ammonium ether groups have found the greatest use. The paper is devoted to sore problem - deep processing of vegetable starch-containing raw materials and in particular production of domestic chemically modified (substituted) cationic starch. Comparative studies of the kinetics of the reaction of obtaining cationic ethers of potato and corn starch using N-(3-chloro-2-hydroxypropyl)-N,N,N-trimethylammonium © Литвяк В. В., 2019 chloride depending on the molar ratio of reagents, temperature, concentration of starch suspension and the nature of native starch. The effect of starch cationization process on the morphological peculiarities of starch granules, as well as degree of crystallinity, was studied. The effect of cationization of starch on the structural characteristics of granules (degree of crystallinity-and-amorphism) at the general preservation of starch granules and physical and chemical properties (rheological and thermogravimetric) has been determined. A scientifically based, highly efficient method for cationization of starch N-(3-chloro-2-hydroxypropyl)-N,N,N-trimethylammonium chloride in an alkaline medium with the use of gelatinization inhibitors was developed allowing to obtain cationic starch with substitution degree of 0.01-0.06 mol/mol. The obtained cationic starch can be used in the pulp and paper, textile and other industry. The developed technology for production of chemically modified cationic starch has been successfully implemented at local enterprises.

крахмал картофельныйкрахмал кукурузныйкрахмал катионныйкрахмалсодержащее сырьехимическая модификация крахмалакатионизациятехнологиякинетикастепень замещенияN-(3-хлоро2-гидроксипропил)-NNN-триметиламмоний хлоридреагенткристалличностьгранулатемпературавязкостьклейстер

potato starchcorn starchcationic starchstarch containing raw materialschemical modification of starchcationizationtechnologykineticsdegree of substitutionN-(3-chloro-2-hydroxypropyl)-NNN-trimethylammonium chlo¬ridereagentcrystallinitygranuletemperatureviscositypaste

References1

Андреев, Н. Р. Основы производства нативных крахмалов: научные аспекты / Н. Р. Андреев. - М. : Пищепромиздат, 2001. - 282 с.

Andreev N. R. Bases for the production of native starches: scientific aspects. Moscow, Pishchepromizdat Publ., 2001. 282 p. (in Russian).

Жушман, А. И. Модифицированные крахмалы / А. И. Жушман. - М. : Пищепромиздат, 2007. - 234 с.

Zhushman A. I. Modified starches. Moscow, Pishchepromizdat Publ., 2007. 234 p. (in Russian).

Углеводы в пищевых продуктах / М. О. Полумбрик [и др.] ; Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по продовольствию, Нац. ун-т пищевых технологий. - Минск : ИВЦ Минфина, 2016. - 591 с.

Polumbrik M. O., Litvyak V. V., Lovkis Z. V., Kovbasa V. N. Carbohydrates in food. Minsk, IVTs Minfina Publ., 2016. 591 p. (in Russian).

Винокуров, А. Ю. Влияние солей-антиклейстеризаторов на процесс получения катионного крахмала / А. Ю. Винокуров, Н. Д. Лукин, Е. К. Коптелова // Хранение и перераб. сельхозсырья. - 2015. - № 12. - С. 11-16.

Vinokurov A. Yu., Lukin N. D., Koptelova E. K. Effect of salts-antipasterisators on the process of producing cationic starch. Khranenie i pererabotka sel ’khozsyr’ya = Storage and Processing of Farm Products, 2015, no. 12, pp. 11-16 (in Russian).

Исследование кинетики сорбции красителя Кислотного Алого нанокомпозитом на основе катионного крах¬мала и монтмориллонита / Н. Е. Кочкина [и др.] // Хранение и перераб. сельхозсырья. - 2014. - № 12. - С. 23-27.

Kochkina N. E., Khokhlova Yu. V., Skobeleva O. A., Andreev N. R., Lukin N. D. Investigation of the Kislotny Aliy dye kinetics sorption by nanocomposites based on cationic starch and montmorillonites. Khranenie i pererabotka sel’khoz- syr’ya = Storage and Processing of Farm Products, 2014, no. 12, pp. 23-27 (in Russian).

Коптелова, Е. К. Получение и свойства катионного крахмала низкой вязкости / Е. К. Коптелова, Р. И. Векслер // Хранение и перераб. сельхозсырья. - 2012. - № 9. - С. 17-20.

Koptelova E. K., Veksler R. I. Production and properties of low-viscosity cationic starch. Khranenie i pererabotka sel’khozsyr’ya = Storage and Processing of Farm Products, 2012, no. 9, pp. 17-20 (in Russian).

Куценко, С. А. Пути улучшения показателей технологии катионного крахмала / С. А. Куценко, А. Ю. Ви-нокуров, Ю. А. Седов // Хранение и перераб. сельхозсырья. - 2010. - № 10. - С. 13-15.

Kutsenko S. A., Vinokurov A. Yu., Sedov Yu. A. Ways of improvement of indicators of technology of cationic starch. Khranenie i pererabotka sel’khozsyr’ya = Storage and Processing of Farm Products, 2010, no. 10, pp. 13-15 (in Russian).

Катионные крахмалы - перспективные модификаторы аминоальдегидных олигомеров / С. М. Тарасов [и др.] // Лес. вестн. - 2010. - № 5. - С. 152-156.

Tarasov S. M., Azarov V. I., Kononov G. N., Ivanova A. M. Cationic starches - prospective modifiers of amine-alde- hydic oligomers. Lesnoi vestnik = Forestry Bulletin, 2010, no. 5, pp. 152-156 (in Russian).

Тарасов, С. М. Влияние различных видов катионных крахмалов на свойства бумажно-картонных материалов из вторичного волокнистого сырья / С. М. Тарасов // Лес. вестн. - 2007. - № 4. - С. 120-122.

Tarasov S. M. Influence of various kinds of cationic starch on properties of paper and cardboard from secondary fibrous raw material. Lesnoi vestnik = Forestry Bulletin, 2007, no. 4, pp. 120-122 (in Russian).

Флокулирующие и связующие свойства высокозамещенных катионных крахмалов / С. Ю. Братская [и др.] // Журн. приклад. химии. - 2008. - Т. 81, № 5. - С. 825-829. https://doi.org/10.1134/s1070427208050273

Bratskaya S., Schwarz S., Liebert T., Heinze T. Flocculation and binding properties of highly substituted cationic starches. Russian Journal of Applied Chemistry, 2008, vol. 81, no. 5, pp. 862-866. https://doi.org/10.1134/s1070427208050273

Получение катионных крахмалов полусухим методом и их применение / С. М. Бутрим [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Сер. Химия и хим. технология. - 2013. - Т. 56, № 3. - С. 83-88.

Butrim S. M., Bil’dyukevich T. D., Butrim N. S., Yurkshtovich T. L. Obtaining cationic starches by semi-dry method and their application. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Seriya: Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya = Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology, 2013, vol. 56, no 3, pp. 83-88 (in Russian).

Получение и флокуляционные свойства высокозамещенных катионных крахмалов различного ботаническо¬го происхождения / С. М. Бутрим [и др.] // Коллоид. журн. - 2016. - Т. 78, № 3. - С. 298-302. https://doi.org/ 10.7868/ S0023291216030022

Butrim S., Bil’dyukevich T., Butrim N., Yurkshtovich T. Preparation and flocculating properties of highly substitu¬ted cationic starches of different vegetable origin. Colloid Journal, 2016, vol. 78, no. 3, pp. 310-314. https://doi.org/10.1134/ S1061933X16030029

Синтез и изучение физико-химических свойств катионных крахмалов / С. М. Бутрим [и др.] // Химия природ. соединений. - 2011. - № 2. - С. 172-175. https://doi.org/10.1007/s10600-011-9877-5

Butrim S. M., Bil’dyukevich T. D., Butrim N. S., Yurkshtovich T. L. Synthesis and physic-chemical properties of ca-tionic starches. Chemistry of Natural Compounds, 2011, vol. 47, no. 2, pp. 185-189. https://doi.org/10.1007/s10600-011-9877-5

Получение новых флокулянтов на основе высокозамещенных катионных крахмалов / С. М. Бутрим [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Сер. Химия и хим. технология. - 2018. - Т. 61, № 1. - С. 89-95. https://doi.org/10.6060/ tcct.20186101.5538

Butrim S. M., Bil’dyukevich T. D., Butrim N. S., Yurkshtovich T. L., Kaputskii F. N. Obtaining new flocculants based on high-substituted cationic starches. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Seriya: Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya = Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology, 2018, vol. 61, no 1, pp. 89-95 (in Russian). https://doi.org/10.6060/ tcct.20186101.5538

Куценко, С. А. Оптимизация технологических параметров производства катионного крахмала / С. А. Куценко, А. Ю. Винокуров, Ю. А. Седов // Фундам. и приклад. проблемы техники и технологии. - 2010. - № 5 (283). - С. 20-24.

Kutsenko S. A., Vinokurov A. Yu., Sedov Yu. A. Optimization of technological parameters of the cationic starch pro-duction. Fundamental ’nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii = Fundamental and Applied Problems of Technics and Technology, 2010, no. 5 (283), pp. 20-24 (in Russian).

Коптелова, Е. К. Сухой способ катионирования крахмала / Е. К. Коптелова, С. М. Ахаева, Н. Д. Лукин // Хранение и перераб. сельхозсырья. - 2015. - № 12. - С. 23-26.

Koptelova E. K., Akhaeva S. M., Lukin N. D. Dry method of starch cationization. Khranenie ipererabotka sel ’khoz- syr’ya = Storage and Processing of Farm Products, 2015, no. 12, pp. 23-26 (in Russian).

Коптелова, Е. К. Совершенствование сухого способа катионирования крахмала / Е. К. Коптелова, Н. Д. Лукин, С. М. Ахаева // Хранение и перераб. сельхозсырья. - 2018. - № 2. - С. 48-52.

Koptelova E. K., Lukin N. D., Akhaeva S. M. Perfection of dry cationing of starch. Khranenie ipererabotka sel ’khoz- syr’ya = Storage and Processing of Farm Products, 2018, no. 2, pp. 48-52 (in Russian).

Морфологические, структурные и реологические свойства катионированного в водной суспензии крахмала / А. Ю. Винокуров [и др.] // Вестн. технол. ун-та. - 2015. - Т. 18, № 19. - С. 135-140.

Vinokurov A. Yu., Koptelova E. K., Lukin N. D., Kanarskii A. V., Vodyashkin A. A., Zabolotskii A. I. Morphological, structural and rheological properties of starch cationized in aqueous suspension. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the University of Technology], 2015, vol. 18, no. 19, pp. 135-140 (in Russian).

Chang, S.-Y. Effect of trisodium citrate on swelling property and structure of cationic starch thin film / S.-Y. Chang, H.-M. Lai // Food Hydrocolloids. - 2016. - Vol. 56. - P. 254-265.https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2015.12.029

Chang S.-Y., Lai H.-M. Effect of trisodium citrate on swelling property and structure of cationic starch thin film. Food Hydrocolloids, 2016, vol. 56, pp. 254-265. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2015.12.029

Solarek, D. B. Cationic starches / D. B. Solarek // Modified starches: properties and uses / ed. O. B. Wurzburg. - Boca Raton, 1986. - P. 113-129.

Solarek D. B. Cationic starches. Wurzburg O. B. (ed.). Modified starches: properties and uses. Boca Raton, 1986, pp. 113-129.

Nachtergaele, W. The benefits of cationic starches for the paper industry / W. Nachtergaele // Starch/Starke. - 1989. - Vol. 41, N 1. - P. 27-31. https://doi.org/10.1002/star.19890410108

Nachtergaele W. The benefits of cationic starches for the paper industry. Starch/Starke, 1989, vol. 41, no. 1, pp. 27-31. https://doi.org/10.1002/star.19890410108

Реактор-смеситель периодического действия для проведения процессов в гетерогенных средах / В. В. Литвяк [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Пищевая технология. - 2015. - № 5-6. - С. 87-90.

Litvyak V. V., Roslyakov Yu. F., Goman D. I., Alekseenko M. S. Reactor-amalgamator of periodic action for carrying out processes in heterogeneous environments. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Pishchevaya tekhnologiya = News of Institutes of Higher Education. Food Technology, 2015, no. 5-6, pp. 87-90 (in Russian).

Литвяк, В. В. Механизм химической модификации крахмала / В. В. Литвяк, Ю. Ф. Росляков // Изв. высш. учеб. заведений. Пищевая технология. - 2013. - № 2-3. - С. 31-35.

Litvyak V. V., Roslyakov Yu. F. Starch chemical modification mechanism. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Pishchevaya tekhnologiya = News of Institutes of Higher Education. Food Technology, 2013, no. 2-3, pp. 31-35 (in Russian).

Реактор-смеситель для производства химически модифицированного крахмала сухим способом / С. И. Кор- зан [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Пищевая технология. - 2017. - № 4. - С. 80-84.

Korzan S. I., Litvyak V. V., Roslyakov Yu. F., Kochetov V. K. Reactor-amalgamator for the production of chemical¬ly modified starch by dry method. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Pishchevaya tekhnologiya = News of Institutes of Higher Education. Food Technology, 2017, no. 4, pp. 80-84 (in Russian).

Литвяк, В. В. Особенности катионизации a-D-глюкопиранозы крахмала в положении 3С-атома №(3-хлоро- 2-гидрокипропил)-^^№триметиламмоний хлоридом / В. В. Литвяк, А. В. Канарский // Пласт. массы. - 2016. - № 7-8. - С. 27-31.

Litvyak V. V., Kanarskii A. V. Features of cationization of a-D-glucopyranose of starch in the position of 3C-atom N-(3-chloro-2-hydroxypropyl)-N,N,N-ammonium chloride. Plasticheskie massy [Plastics], 2016, no. 7-8, pp. 27-31 (in Russian).

Properties of low-substituted cationic starch derivatives prepared by different derivatisation processes / S. Radosta [et al.] // Starch/Starke. - 2004. - Vol. 56, N 7. - P. 277-287. https://doi.org/10.1002/star.200300210

Radosta S., Vorwerg W., Ebert A., Begli A. H., Grulc D., Wastyn M. Properties of low-substituted cationic starch derivatives prepared by different derivatisation processes. Starch/Starke, 2004, vol. 56, no. 7, pp. 277-287. https://doi. org/10.1002/star.200300210

Starch modification using reactive extrusion / F. Xie [et al.] // Starch/Starke. - 2006. - Vol. 58, N 3-4. - P. 131-139. https://doi.org/10.1002/star.200500407

Xie F., Yu L., Liu H., Chen L. Starch modification using reactive extrusion. Starch/Starke, 2006, vol. 58, no. 3-4, pp. 131-139. https://doi.org/10.1002/star.200500407

Hellwing, G. Production of cationic starch ethers using an improved dry process / G. Hellwing, D. Bischoff, A. Rubo // Starch/Starke. - 1992. - Vol. 44, N 2. - P. 69-74. https://doi.org/10.1002/star.19920440210

Hellwing G., Bischoff D., Rubo A. Production of cationic starch ethers using an improved dry process. Starch/Starke, 1992, vol. 44, no. 2, pp. 69-74. https://doi.org/10.1002/star.19920440210

Rutenberg, M. W. Starch derivatives: production and uses / M. W. Rutenberg, D. Solarek // Starch: chemistry and technology / ed.: R. L. Whistler, J. N. BeMiller, E. F. Paschall. - 2nd ed. - Orlando, 1984. - P. 311-388. https://doi.org/10.1016/ B978-0-12-746270-7.50016-1

Rutenberg M. W., Solarek D. Starch derivatives: production and uses. Whistler R. L., BeMiller J. N., Paschall E. F. (eds.). Starch: chemistry and technology 2nd ed. Orlando, 1984, pp. 311-388. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-746270-7.50016-1

The authors declare that there are no conflicts of interest present.