Škrob ako obnoviteľná surovina - biológia
Sila, predovšetkým zemiakový škrob, kukuričný škrob a pšeničný škrob je vďaka svojmu rozmanitému použitiu v chemicko-technickom priemysle popri dreve a cukre jednou z najdôležitejších obnoviteľných surovín. Hlavné oblasti použitia škrobu sú vo výrobe papiera a vlnitej lepenky ako papierového škrobu a vo fermentačnom priemysle ako fermentovateľný substrát na výrobu rôznych plošných chemikálií a bioetanolu ako biopaliva.
Štruktúra a vlastnosti
→ Hlavný článok: Sila
Ako polysacharid je škrob prírodný biopolymér, ktorý sa ukladá v bunkách rastlín vo forme škrobových zŕn ako látka na ukladanie energie. Skladá sa z α-D-glukózových jednotiek (monomérov), ktoré sú navzájom spojené glykozidickými väzbami. Výsledkom je chemický vzorec (C6H10O5) n, kde C predstavuje obsiahnutý uhlík, H predstavuje vodík a O predstavuje kyslík. Molekula škrobu zvyčajne pozostáva z 10 4 až 10 6 glukózových jednotiek, z ktorých existujú dva rôzne typy:
- 20 - 30% škrobu pozostáva z amylózy, lineárnych reťazcov so špirálovou (závitovkovou) štruktúrou, ktoré sú spojené iba α-1,4-glykozidicky
- 70–80% pozostáva z amylopektínu, vysoko rozvetvených štruktúr, s α-1,6-glykozidovou a α-1,4-glykozidovou väzbou.
Vďaka skupinám OH a glykozidovej väzbe jednotlivých monomérov môže byť škrob chemicky modifikovaný rôznymi spôsobmi, a je tak použiteľný na rôzne účely. Tak sa rôznymi substitúciami získajú étery škrobu (škrob-OR) alebo estery škrobu (škrob-O-CO-R) a na škrobový polymér sa môžu naviazať rôzne molekuly (RO-škrob-OR a/alebo R-OC-O-škrob) O-CO-R). Oxidované škroby a molekuly škrobu so zvýšeným obsahom COOH alebo CHO skupín je možné získať oxidáciou primárnych OH skupín; oxidácia sekundárnych OH skupín vedie k zvýšeniu CHO a CO skupín, ako aj k tvorbe molekúl C2 a C3. Počas termolýzy a pyrolýzy je možné získať laevoglukozán oddelením vody, ktorá sa môže použiť ako surovina pre množstvo výrobkov. [1]
Glykozidové väzby je možné štiepiť hydrolýzou pomocou enzýmov alebo kyselín, čím sa vytvárajú rôzne modifikované škroby, dextríny a cukry na báze škrobu. Posledne uvedené zahŕňajú hlavne glukózu (dextrózu), maltodextrín, glukózový sirup, maltózu, fruktózu a sorbitol.
Pôvod a zloženie
→ Hlavný článok: Škrobová rastlina
| hrach | 40 |
| jačmeň | 75 |
| zemiak | 82 |
| Kukurica | 71 |
| maniok | 77 |
| ryža | 89 |
| raž | 72 |
| Cirok | 74 |
| sladký zemiak | 72 |
| Triticale | 74 |
| pšenica | 74 |
Škrob pre technické použitie sa získava z rôznych plodín. Najdôležitejšími medzinárodnými závodmi na výrobu škrobu sú zemiaky, kukurica a pšenica; na vnútroštátnej úrovni môžu hrať väčšiu úlohu škrobárne ako maniok (tapioka, tiež maniok), ryža a sladké zemiaky. Tieto závody predstavujú väčšinu svetovej produkcie okolo 45 miliónov ton. Existujú aj iné druhy obilia (jačmeň, raž, triticale), hrášok, ságové palmy (ságo) a sladké zemiaky, ktoré sa používajú hlavne ako dodávatelia škrobu pre potraviny a krmivá. V Nemecku sa v roku 2007 vyrobilo 1,53 milióna ton škrobu zo zemiakov, pšenice a kukurice [3] .
Podiel typov škrobu amylózy a amylopektínu sa líši v závislosti od typu a odrody rastliny škrobu. Pretože amylopektín je primárne potrebný na priemyselné použitie, sú výhodné škrobárne s najvyšším možným obsahom amylopektínu. V EÚ je v súčasnosti v procese schvaľovania geneticky modifikovaná škrobová odroda zemiakov Amflora, ktorej škrob pozostáva takmer výlučne z amylopektínov [4]. Ostatné druhy jačmeňa, ktorých škrob obsahuje 95% amylopektínu, sú založené na konvenčných metódach šľachtenia.
Rôzne druhy a odrody sa líšia nielen obsahom škrobu, ale aj zložením škrobu a obsahom ďalších zložiek, ako sú bielkoviny, lipidy a minerály, ako aj obsahom vlhkosti neošetreného škrobu. Tieto zložky zvyčajne tvoria asi jedno percento, vlhkosť je medzi 10 a 20% škrobovej hmoty. Požadovaný obsah vlhkosti a prísady sú stanovené v národných a medzinárodných normách.
použitie
Hlavná časť škrobu a jeho výrobkov sa používa v potravinárskom priemysle pri výrobe cukroviniek, pekárskych výrobkov, mliečnych výrobkov a najmä nápojov vo forme škrobových cukrov (najmä glukózového sirupu, dextrózy a izoglukózy). Podľa Nemeckej asociácie škrobárskeho priemyslu eV bol tento podiel 56% z 1,82 milióna ton dostupných v Nemecku v roku 2008. Kvôli vlastnostiam škrobu ako modifikovateľného polyméru a jeho zloženiu fermentovateľných cukrových jednotiek je však škrob tiež široko používaný ako obnoviteľná surovina v chemicko-technickom priemysle; Podľa združenia bola spotreba škrobu a škrobových derivátov v nepotravinárskom sektore v roku 2008 v Nemecku vyššia ako 800 000 t. 10% alebo 182 000 t išlo do chemického a fermentačného priemyslu, 35% alebo 637 000 t sa použilo na výrobu papiera a vlnitej lepenky. [3]
Sila v papierenskom priemysle
Najväčším technickým spotrebiteľom škrobu v Nemecku je v súčasnosti papierenský priemysel, ktorý má pri 35% celkového použitia škrobu dopyt okolo 637 000 t ročne. [3]
Škrob sa pri výrobe papiera používa ako papierový škrob na ošetrenie povrchu papiera, ktorý sa označuje ako glejenie alebo impregnácia. Vďaka polymerizácii gluténu, ktorý obsahuje, utesní povrch a tým zlepší vlastnosti papiera tak, aby sa na neho dalo písať alebo tlačiť vodnými alebo alkoholovými farbami. Účinok je založený na vodoodpudivosti papiera, ktorý je v normálnom stave hydrofilný. V nezmenenom stave by bežali vodné a nízkoviskózne písacie materiály, ako napríklad atrament alebo indický atrament, a kapilarita papiera by bránila čistému typu písma, ako je to v prípade výrobkov bez veľkosti, ako je toaletný papier alebo kuchynský papier. Podobné účinky je možné dosiahnuť aj použitím modifikovanej celulózy (napríklad karboxymetylcelulózy) alebo polyvinylalkoholu.
Pri výrobe vlnitej lepenky sa škrob používa hlavne ako škrobová pasta na vzájomné lepenie vrstiev papiera. V roku 2008 sa len v Nemecku použilo viac ako 100 000 t škrobu vo forme škrobového lepidla. [3]
Škrob ako fermentačný substrát
Škrob ako glukózový polymér predstavuje prirodzený zásobník energie pre rastliny, ktorý je schopný metabolizmu rozkladať takmer všetky organizmy. Vo fermentačnom priemysle a biotechnológiách je škrob najdôležitejším substrátom spolu so sacharózou na výrobu rôznych produktov, ktoré sú produkované baktériami alebo hubami. Spektrum sa pohybuje od bioetanolu cez rôzne aminokyseliny, organické kyseliny, ako je kyselina citrónová a kyselina octová, enzýmy a antibiotiká, až po biomonoméry a polyméry, ako sú polyhydroxyalkanoáty (PHA; vrátane kyseliny polyhydroxybutánovej, PHB) alebo kyselina polymliečna (PLA). Zatiaľ čo bioetanol v Brazílii sa vyrába hlavne z cukru pochádzajúceho z pestovania cukrovej trstiny, kukurica je hlavnou surovinou v USA. Podľa nemeckého odvetvia bioetanolu sa takmer dve tretiny bioetanolu v Nemecku získavajú zo škrobovitých rastlín, najmä z pšenice. [5] .
Výroba je zvyčajne nezávislá od substrátu, takže takmer vo všetkých fermentačných procesoch je možné použiť škrob aj sacharózu, ako aj rôzne sladké výrobky (zvyčajne sirup a melasa). Pretože celulóza ako hlavná zložka dreva je tiež cukrovým polymérom, je predmetom diskusie aj ako alternatívny substrát pre budúce použitie, najmä pre výrobu celulózového etanolu a pre použitie v biorafinériách.
Plasty na báze škrobu
Škrob hrá úlohu pri výrobe plastov na biologickom základe. Najdôležitejšie bioplasty na báze škrobu sú extrudované termoplastické škroby (TPS) a škrobové zmesi, ako aj kyselina polymliečna (PLA). Všetky ostatné bioplasty, ako sú polyhydroxyalkanoáty (PHA), tvoria spolu menej ako 5%.
Plasty, ktoré sa tradične vyrábajú pomocou petrochemikálií a pre ktoré v súčasnosti existujú spôsoby výroby na biogénnom základe, tiež nadobúdajú medzinárodný význam. Patria sem predovšetkým polyetylén (PE), polyetyléntereftalát (PET), polypropylén (PP) a v budúcnosti pravdepodobne aj polyvinylchlorid (PVC) a polymetylmetakrylát (PMMA).
Zatiaľ čo termoplastický škrob, škrobové zmesi a škrobom plnené polyolefíny predstavujú priame použitie škrobu alebo modifikovaných škrobov, PHA a PLA sa vyrábajú fermentáciou. Fermentačný substrát môže byť, ako je uvedené vyššie, na báze rôznych surovín. V súčasnosti sa kukuričný škrob používa hlavne na výrobu PLA (NatureWorks v USA).
Iné použitie škrobu
Okrem uvedených hlavných použití škrobu existuje celá rada ďalších použití, najmä v chemickom priemysle, pri výrobe kozmetických výrobkov a lepidiel (škrobová pasta) a v textilnom priemysle vo forme bielizňového škrobu. Pre tieto aplikácie sa škrob používa iba v pomerne malom množstve v porovnaní s vyššie opísanými spôsobmi použitia.
Vo farmaceutickom priemysle sa škrob používa na výrobu tabliet, kde môže slúžiť ako plnivo, rozvoľňovadlo, spojivo a práškový základ.
Používa sa okrem iného aj na farbenie bavlny, farbenie anilínovými farbami, lepiaci papier a zahusťovanie farieb v tlačiarni. Pri ofsetovej tlači sa na práškový stroj nanáša na čerstvo potlačený povrch zmes škrobu a vzduchu, ktorá sa často vyrába z kukurice. Prášok funguje ako rozpera medzi stohovanými listami papiera a podporuje oxidačné sušenie tlačiarenskej farby vďaka uzavretému vzduchu.