A keményítő mint megújuló nyersanyag - biológia
Erő, mindenekelőtt a burgonyakeményítő, a kukoricakeményítő és a búzakeményítő a vegyi-technikai iparban alkalmazott sokféle alkalmazásának köszönhetően az egyik legfontosabb megújuló nyersanyag a fa és a cukor mellett. A keményítő fő alkalmazási területei a papír és hullámkarton, mint papírkeményítő gyártása, és a fermentációs iparban fermentálható szubsztrátként különféle platform vegyszerek és bioetanol, mint bioüzemanyag előállításához.
Szerkezet és tulajdonságok
→ Fő cikk: Erő
Poliszacharidként a keményítő természetes biopolimer, amelyet a növények sejtjeiben keményítőszemcsék formájában tárolnak energiatároló anyagként. A-D-glükóz egységekből (monomerek) áll, amelyek glikozidos kötéseken keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Ennek eredményeként a (C6H10O5) n kémiai képletet kapjuk, ahol C jelentése a benne lévő szén, H a hidrogén és O az oxigén. A keményítőmolekula általában 10 4-10 106 glükózegységből áll, amelyeknek két különböző típusa van:
- A keményítő 20–30% -a amilózból áll, lineáris, spirális (csavaros) szerkezetű láncokból, amelyek csak α-1,4-glikozidszerűen kapcsolódnak
- 70–80% -a amilopektinből áll, erősen elágazó szerkezetekkel, α-1,6-glikozidos és α-1,4-glikozidos kötésekkel.
Az OH-csoportok és az egyes monomerek glikozidos kötése miatt a keményítő különböző módon kémiailag módosítható, és így különböző célokra használhatóvá tehető. Így különféle szubsztitúciók útján keményítőéterek (keményítő-OR) vagy keményítőészterek (keményítő-O-CO-R) nyerhetők, és különböző molekulák kapcsolhatók a keményítőpolimerhez (RO-keményítő-OR és/vagy R-OC-O-keményítő- O-CO-R). Oxidált keményítőket és megnövekedett COOH- vagy CHO-csoportú keményítőmolekulákat nyerhetünk az elsődleges OH-csoportok oxidálásával, míg a másodlagos OH-csoportok oxidációja megnövekedett CHO- és CO-csoportokat, valamint a C2 és C3 molekulák gyűrűképződését eredményezi. A termolízis és a pirolízis során a víz leválasztásával a laevoglükozán nyerhető, amelyet számos termék nyersanyagaként lehet felhasználni. [1]
Enzimek vagy savak segítségével végzett hidrolízissel a glikozidos kötések megszakadhatnak, így különféle módosított keményítők, dextrinek és keményítőalapú cukrok képződhetnek. Ez utóbbiak főként glükózt (dextrózt), maltodextrint, glükózszirupot, maltózt, fruktózt és szorbitot tartalmaznak.
Eredet és összetétel
→ Fő cikk: Keményítőüzem
| borsó | 40 |
| árpa | 75 |
| burgonya | 82 |
| Kukorica | 71. |
| manióka | 77 |
| rizs | 89 |
| rozs | 72 |
| Cirok | 74. |
| édesburgonya | 72 |
| Tritikálé | 74. |
| búza | 74. |
A technikai célú keményítőt különféle növényekből nyerik. A legfontosabb nemzetközi keményítőtermelő növények a burgonya, a kukorica és a búza; országosan nagyobb szerepet játszhatnak a keményítőnövények, mint például a manióka (tápióka, manióva is), a rizs és az édesburgonya. Ezek az üzemek adják a világtermelés nagy részét, mintegy 45 millió tonnát. Vannak más típusú gabonafélék (árpa, rozs, tritikálé), borsó, szágó pálmák (szágó) és jamok is, amelyeket elsősorban keményítő szállítóként használnak az élelmiszerek és takarmányok számára. Németországban 1,53 millió tonna keményítőt állítottak elő burgonyából, búzából és kukoricából 2007-ben [3] .
Az amilóz és az amilopektin keményítőtípusok aránya a keményítő növény típusától és fajtájától függően változik. Mivel az amilopektinre elsősorban ipari használatra van szükség, előnyösek a lehető legnagyobb amilopektintartalmú keményítőnövények. Az EU-ban például jelenleg az Amflora géntechnológiával módosított keményítőburgonyafajta folyik jóváhagyási folyamatot, amelynek keményítője szinte kizárólag amilopektinekből áll [4]. Az árpa egyéb típusai, amelyek keményítője 95% amilopektint tartalmaz, hagyományos tenyésztési módszereken alapul.
A különböző típusok és fajták nemcsak keményítőtartalmukban különböznek, hanem a keményítő összetételében és egyéb összetevők, például fehérjék, lipidek és ásványi anyagok tartalmában, valamint a kezeletlen keményítő nedvességtartalmában is. Ezek az összetevők általában körülbelül egy százalékot tesznek ki, a nedvesség a keményítő tömegének 10-20% -a. A szükséges nedvességtartalmat és összetevőket a nemzeti és nemzetközi szabványok határozzák meg.
használat
A keményítő és termékei fő részét az élelmiszeriparban használják cukrászda, pékáruk, tejtermékek és különösen keményítőalapú cukrok (különösen glükózszirup, dextróz és izoglükóz) formájában. A 2008-as német keményítőipari szövetség adatai szerint ez az arány a Németországban rendelkezésre álló 1,82 millió tonna 56% -a volt [3]. A keményítő, mint módosítható polimer tulajdonságai és az erjeszthető cukoregységek összetétele miatt azonban a keményítő a vegyi-műszaki iparban megújuló nyersanyagként is széles körben használják; A szövetség szerint a keményítő és keményítőszármazékok fogyasztása a nem élelmiszeripari ágazatban 2008-ban meghaladta a 800 000 tonnát Németországban. 10% vagy 182 000 t a vegyipar és az erjesztő ipar számára fordult, 35% -ot vagy 637 000 t használtak fel papír- és hullámkartongyártásban. [3]
Erő a papíriparban
A legnagyobb keményítőfogyasztó Németországban jelenleg a papíripar, amelynek a teljes keményítőfelhasználás 35% -ával évi 637 000 tonna a kereslete. [3]
A keményítőt a papírgyártásban papírkeményítőként használják a papír felületének kezelésére, név szerint méretezésnek vagy impregnálásnak. A benne lévő glutén polimerizációja miatt lezárja a felületet, és ezáltal javítja a papír tulajdonságait, így vizes vagy alkoholos festékekkel rá lehet írni vagy rányomni. A hatás a papír víztaszító képességén alapul, amely normál állapotában hidrofil. Méret nélküli állapotban vízalapú és alacsony viszkozitású íróanyagok, például tinta vagy indiai tinta futnának, és a papír kapillaritása akadályozná a tiszta betűtípust, ahogyan ez a nem méretezett termékek, például WC-papír vagy konyhai papír esetében is. Hasonló hatások érhetők el módosított cellulóz (például karboxi-metil-cellulóz) vagy poli (vinil-alkohol) alkalmazásával is.
A hullámkarton gyártása során a keményítőt elsősorban keményítőpasztaként használják a papírrétegek összeragasztására. 2008-ban egyedül Németországban több mint 100 000 t keményítő-ragasztó keményítőt használtak fel ehhez. [3]
Keményítő mint fermentációs szubsztrát
A keményítő glükózpolimerként a növények természetes energiatárolóját jelenti, amelyet az anyagcsere során szinte minden organizmus lebonthat. A fermentációs iparban és a biotechnológiában a keményítő a legfontosabb szubsztrátum a szacharóz mellett a baktériumok vagy gombák által termelt különféle termékek előállításához. A spektrum a bioetanoltól a különféle aminosavakon, szerves savakon, például citromsavon és ecetsavon, enzimeken és antibiotikumokon át a biomonomerekig és polimerekig, például polihidroxi-alkanoátokig (PHA; beleértve a polihidroxi-vajsavat, PHB) vagy a tejsavig (PLA). Míg Brazíliában a bioetanolt elsősorban cukornád termesztéséből származó cukorból állítják elő, addig az USA-ban a kukorica a fő nyersanyag. A német bioetanol-ipar szerint Németországban a bioetanol majdnem kétharmadát keményítőtartalmú növényekből, különösen búzából nyerik. [5] .
A termelés általában független a szubsztrátumtól, így szinte minden fermentációs folyamatban keményítő és szacharóz, valamint különféle cukros termékek (általában szirup és melasz) használhatók. Mivel a cellulóz, mint a fa fő alkotóeleme, egyben cukorpolimer is, ezért a jövőbeni alkalmazások, különösen a cellulóz-etanol előállítása és a biofinomítókban történő felhasználás alternatív szubsztrátjaként is megvitatásra kerül.
Keményítőalapú műanyagok
A keményítő szerepet játszik a bioalapú műanyagok gyártásában. A legfontosabb keményítőalapú bioműanyagok az extrudált hőre lágyuló keményítők (TPS) és keményítő-keverékek, valamint a tejsav (PLA). Az összes többi bioműanyag, például a polihidroxi-alkanoátok (PHA) együttesen kevesebb mint 5% -ot tesznek ki.
Azok a műanyagok, amelyeket hagyományosan petrolkémiai úton állítanak elő, és amelyeknek ma már biogén alapú előállítási módszerei vannak, nemzetközileg is fontossá válnak. Ide tartoznak mindenekelőtt a polietilén (PE), a polietilén-tereftalát (PET), a polipropilén (PP), és a jövőben valószínűleg a polivinil-klorid (PVC) és a polimetil-metakrilát (PMMA) is.
Míg a hőre lágyuló keményítő, a keményítő keverékei és a keményítővel töltött poliolefinek a keményítő vagy módosított keményítők közvetlen felhasználását jelentik, a PHA-k és a PLA fermentációval keletkeznek. A fermentációs szubsztrátum - amint azt a fentiekben bemutattuk - különböző alapanyagokon alapulhat. Jelenleg a kukoricakeményítőt elsősorban a PLA (NatureWorks az USA-ban) előállítására használják.
A keményítő egyéb felhasználása
A bemutatott keményítő fő felhasználásai mellett számos más felhasználási lehetőség is létezik, különösen a vegyiparban, a kozmetikai termékek és ragasztók (keményítőmassza) gyártásában, valamint a textiliparban mosókeményítő formájában. Ezen alkalmazásokhoz a keményítőt csak viszonylag kis mennyiségben használják a fent leírt felhasználásokhoz képest.
A gyógyszeriparban a keményítőt tabletták gyártásához használják, ahol töltőanyagként, szétesést elősegítő anyagként, kötőanyagként és por alapként szolgálhat.
A cuccnyomásban többek között pamutfoltot, anilin színezékekkel festeni, papírral ragasztani és színeket sűríteni is használják. Ofszetnyomtatáskor gyakran kukoricából készült keményítőpor-levegő keveréket visznek fel a frissen nyomtatott felületre porgépekkel. A por távközként működik a halmozott papírlapok között, és elősegíti a nyomdafesték oxidatív száradását a zárt levegő miatt.