Нишестето като възобновяема суровина - биология

Сила, преди всичко картофено нишесте, царевично нишесте и пшенично нишесте, поради разнообразното си приложение в химико-техническата индустрия, е едно от най-важните възобновяеми суровини заедно с дървото и захарта. Основните области на приложение на нишестето са в производството на хартия и велпапе като хартиено нишесте и във ферментационната индустрия като ферментиращ субстрат за производството на различни платформени химикали и биоетанол като биогориво.

Структура и свойства

→ Основна статия: Сила

Като полизахарид, нишестето е естествен биополимер, който се съхранява в клетките на растенията под формата на нишестени зърна като вещество за съхранение на енергия. Състои се от α-D-глюкозни единици (мономери), които са свързани помежду си чрез гликозидни връзки. Това води до химическата формула (C6H10O5) n, където C означава въглеродът, съдържащ се H, водородът и O кислородът. Нишестената молекула обикновено се състои от 10 4 до 10 6 глюкозни единици, от които има два различни типа:

20–30% от нишестето се състои от амилоза, линейни вериги с винтова (винтова) структура, които са свързани само α-1,4-гликозидно
70–80% се състои от амилопектин, силно разклонени структури, с α-1,6-гликозидни и α-1,4-гликозидни връзки.

Поради OH групите и гликозидната връзка на отделните мономери, нишестето може да бъде химически модифицирано по различни начини и по този начин да стане използваемо за различни цели. По този начин чрез различни замествания се получават нишестени етери (нишесте-OR) или нишестени естери (нишесте-O-CO-R) и различни молекули могат да бъдат свързани с нишестения полимер (RO-нишесте-OR и/или R-OC-O-нишесте- O-CO-R). Окислени нишестета и нишестени молекули с повишени COOH или CHO групи могат да бъдат получени чрез окисляване на първичните OH групи; окислението на вторичните OH групи води до повишени CHO и CO групи и образуване на пръстени на молекулите C2 и C3. По време на термолизата и пиролизата може да се получи лаевоглюкозан с отделяне на вода, която може да се използва като суровина за редица продукти. [1]

Чрез хидролиза с помощта на ензими или киселини гликозидните връзки могат да се разкъсат, при което се образуват различни модифицирани нишестета, декстрини и нишестени захари. Последните включват главно глюкоза (декстроза), малтодекстрин, глюкозен сироп, малтоза, фруктоза и сорбитол.

Произход и състав

→ Основна статия: Растение нишесте

Съдържание на нишесте в растителни суровини
(в% от използваните растителни части) [2]

грахово зърно	40
ечемик	75
картофи	82
Царевица	71
маниока	77
ориз	89
ръж	72
Сорго	74
сладък картоф	72
Тритикале	74
пшеница	74

Нишесте за технически приложения се получава от различни култури. Най-важните международни растения, произвеждащи нишесте, са картофите, царевицата и пшеницата; в национален мащаб нишестените растения като маниока (тапиока, също и маниока), ориз и сладки картофи могат да играят по-голяма роля. Тези растения представляват основната част от световното производство от около 45 милиона тона. Съществуват и други видове зърно (ечемик, ръж, тритикале), грах, саго палми (саго) и ямс, които се използват главно като доставчици на нишесте за храни и фуражи. През 2007 г. от картофи, пшеница и царевица са произведени 1,53 милиона тона нишесте [3] .

Пропорциите на нишестените видове амилоза и амилопектин варират в зависимост от вида и сорта на растението нишесте. Тъй като амилопектинът е необходим предимно за промишлена употреба, предпочитат се растения с нишесте с възможно най-високо съдържание на амилопектин. В ЕС, например, в момента процесът на одобрение е генетично модифицираният сорт нишесте Amflora, чието нишесте се състои почти изключително от амилопектини [4]. Други видове ечемик, чието нишесте се състои от 95% амилопектин, се основават на конвенционални методи за развъждане.

Различните видове и сортове се различават не само по съдържанието на нишесте, но и по състава на нишестето и съдържанието на други съставки като протеини, липиди и минерали, както и съдържанието на влага в необработеното нишесте. Тези съставки обикновено съставляват около един процент, влагата е между 10 и 20% от нишестената маса. Необходимото съдържание на влага и съставките са определени в национални и международни стандарти.

използване

Основната част от нишестето и продуктите от него се използва в хранителната промишленост при производството на сладкарски изделия, хлебни изделия, млечни продукти и особено напитки под формата на захари на базата на нишесте (особено глюкозен сироп, декстроза и изоглюкоза). Според Германската асоциация на нишестената индустрия eV този дял е бил 56% от 1,82 милиона тона, налични в Германия през 2008 г. Поради свойствата на нишестето като модифицируем полимер и неговия състав на ферментиращи захарни единици, обаче, нишестето е широко използван също като възобновяема суровина в химико-техническата индустрия; Според асоциацията потреблението на нишесте и производни на нишесте в нехранителния сектор през 2008 г. в Германия е над 800 000 t. 10% или 182 000 т отиват за химическата и ферментационната промишленост, 35% или 637 000 тона са използвани за производство на хартия и велпапе. [3]

Сила в хартиената индустрия

В момента най-големият технически потребител на нишесте в Германия е хартиената промишленост, която с 35% от общото потребление на нишесте има търсене от около 637 000 t годишно. [3]

Нишестето се използва в производството на хартия като нишесте за обработка на хартиената повърхност, известно като оразмеряване или импрегниране. Поради полимеризацията на съдържащия се глутен, той запечатва повърхността и по този начин подобрява свойствата на хартията, така че да може да се пише или отпечатва с водни или алкохолни мастила. Ефектът се основава на водоотблъскването на хартията, която е хидрофилна в нормалното си състояние. В неоразмерено състояние ще се движат материали на водна основа и ниско вискозитетни материали като мастило или индийско мастило, а капилярността на хартията ще възпрепятства изчистването на шрифта, какъвто е случаят с неоразмерените продукти като тоалетна хартия или кухненска хартия. Подобни ефекти могат да бъдат постигнати и чрез използване на модифицирана целулоза (например карбоксиметил целулоза) или поливинилов алкохол.

При производството на велпапе, нишестето се използва главно като скорбялна паста за залепване на слоевете хартия. През 2008 г. само за това в Германия са използвани над 100 000 t нишесте под формата на нишестено лепило. [3]

Нишесте като ферментационен субстрат

Като глюкозен полимер, нишестето представлява естествен запас от енергия за растенията, който може да бъде разграден в метаболизма на почти всички организми. Във ферментационната индустрия и биотехнологиите нишестето е най-важният субстрат заедно със захарозата за производството на различни продукти, произведени от бактерии или гъбички. Спектърът варира от биоетанол през различни аминокиселини, органични киселини като лимонена киселина и оцетна киселина, ензими и антибиотици до биомономери и полимери като полихидроксиалканоати (PHA; включително полихидроксимаслена киселина, PHB) или полимлечна киселина (PLA). Докато биоетанолът в Бразилия се произвежда главно от захар от отглеждането на захарна тръстика, царевицата е основната суровина в САЩ.Според германската биоетанолова индустрия почти две трети от биоетанола в Германия се добива от нишестени растения, особено пшеница [5] .

Производството обикновено е независимо от субстрата, така че в почти всички ферментационни процеси могат да се използват както нишесте, така и захароза, както и различни захарни продукти (обикновено сироп и меласа). Тъй като целулозата, като основен компонент на дървесината, е и захарен полимер, тя е особено подходяща за бъдещи приложения производството на целулозен етанол и използването му в биорафинерии, също като алтернативен субстрат за дискусия.

Пластмаси на основата на нишесте

Нишестето играе роля в производството на пластмаси на биологична основа. Най-важните биопластици на основата на нишесте са екструдираните термопластични нишестета (TPS) и нишестените смеси, както и полимлечната киселина (PLA). Всички други биопластики като полихидроксиалканоати (PHA) заедно съставляват по-малко от 5%.

Пластмасите, които традиционно се произвеждат с използване на нефтохимикали и за които сега съществуват методи за производство на биогенна основа, също стават важни в международен план. Те включват преди всичко полиетилен (PE), полиетилен терефталат (PET), полипропилен (PP) и в бъдеще вероятно също поливинилхлорид (PVC) и полиметилметакрилат (PMMA).

Докато термопластичното нишесте, нишестените смеси и пълнените с нишесте полиолефини представляват директна употреба на нишесте или модифицирани нишестета, PHA и PLA се получават чрез ферментация. Както е показано по-горе, ферментационният субстрат може да се основава на различни суровини. В момента царевичното нишесте се използва главно за производството на PLA (NatureWorks в САЩ).

Други приложения на нишестето

В допълнение към основните приложения на показаното нишесте има и редица други приложения, особено в химическата промишленост, при производството на козметични продукти и лепила (нишестена паста) и в текстилната промишленост под формата на нишесте за пране. За тези приложения нишестето се използва само в сравнително малки количества в сравнение с описаните по-горе приложения.

Във фармацевтичната индустрия нишестето се използва при производството на таблетки, където може да служи като пълнител, дезинтегрант, свързващо вещество и прахообразна основа.

Освен това се използва, наред с други неща, за ецване на памук, боядисване с анилинови багрила, залепване на хартия и сгъстяване на цветовете в печатния цех. При офсетов печат върху прясно отпечатаната повърхност се нанася нишестена прахово-въздушна смес, често направена от царевица, с помощта на прахообразни машини. Прахът действа като дистанционер между подредените листове хартия и насърчава окислителното изсушаване на печатарското мастило поради затворения въздух.