از آنجا که جزء خطی نشاسته یا همان آمیلوز خصوصیات ویژه‌ای را به نشاسته می‌دهد، لذا عامل مهمی در تعیین کیفیت نشاسته محسوب می‌شود.. میزان آمیلوز به عنوان یکی از عوامل مؤثر بر تغییر ساختمانی نشاسته در موقع بیاتی می‌باشد و نشاسته سیب‌زمینی در مقایسه با نشاسته گندم تمایل کمتری برای تغییر ساختمانی از خود نشان می‌دهد (نارپیندر و همکاران، ۲۰۰۳).

به طور کلی می‌توان گفت تفاوت در خصوصیات فیزیکوشیمیایی نشاسته‌ها به میزان آمیلوز و حضور مشتقات فسفر نسبت داده می‌شود. البته تفاوت در ساختار شیمیایی این نشاسته‌ها نظیر اندازه ملکولی آمیلوز و طول زنجیره شاخه‌های آمیلوپکتین نیز تأثیرگذار است. این که چگونه این تفاوت‌های ساختاری، ویژگی‌های خمیر حاصل از یک نشاسته را تحت تاثیر قرار می‌دهد، دقیقاً مشخص نیست. محققان بدنبال آن هستند که با بررسی‌های بیشتر در زمینه ارتباط بین این ساختار شیمیایی و خواص عملکردی، راه حلی از طریق مهندسی ژنتیک و مکانیسم‌های بیوسنتز نشاسته ارائه کنند تا بتوانند نشاسته‌هایی با خصوصیات مورد نظرشان تولید کنند. به لحاظ این که نشاسته‌های دارای خواص عملکردی خاص، مانند نشاسته سیب‌زمینی متقاضی زیادی در صنایع مختلف بخصوص در صنایع غذایی دارد، لذا این قبیل نشاسته‌ها می‌توانند جایگزین نشاسته‌های اصلاح شده به روش شیمیایی شوند که در حال حاضر در برخی محصولات بکار می‌روند. از آنجا که میزان نشاسته ارقام مختلف سیب‌زمینی با یکدیگر متفاوت می‌باشد لذا انتخاب ارقامی که بیشترین ماده خشک و درصد نشاسته را دارند، بهترین گزینه برای استفاده در این فرآوری می‌باشند(یقبانی و محمدزاده، ۱۳۸۷).
۲-۵- تکنولوژی فرآوری نشاسته سیب‌زمینی
اصلاح خواص فیزیکوشیمیایی نشاسته باعث می‌شود که با فرآوری آن انواع فرآورده‌ها تولید شود که هر یک از این فرآورده‌ها به عنوان ماده خام برای فرآوری‌های بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین تقاضا برای خرید نشاسته در بازار رو به افزایش است.
۲-۵-۱- کیفیت ماده خام
ناخالصی‌های سیب‌زمینی اعم از خاک، سنگ، شن و کاه قبل از ورود به کارخانه باید جدا گردد. غده‌های سیب‌زمینی نباید حاوی مواد قندی زیادی باشد، زیرا در طی عملیات شستشو همراه با آب از سیب‌زمینی خارج می‌شوند و تلفات آن افزایش می‌یابد. غده‌ها نباید به صورت یخ‌زده باشند، زیرا پس از انتقال به کارخانه در اثر حمل و نقل در معرض صدمات مکانیکی قرار می‌گیرند. سیب‌زمینی که برای تولید نشاسته مورد استفاده قرار می‌گیرد باید حاوی نشاسته زیادی باشد. سیب‌زمینی که میزان نشاسته آن از ۱۵درصد کمتر باشد نباید در تولید فرآوری نشاسته مورد استفاده قرار گیرد.
نشاسته‌ای که از سیب‌زمینی تولید می‌شود از لحاظ خواص دانه‌ای، ویسکوزیته خمیر و سفیدی رنگ اهمیّت زیادی دارد. دانه‌ای بودن نشاسته عامل کیفی مهمی برای فرآیندهای صنعتی در کارخانه‌های نشاسته سازی می‌باشد.
وجود چشم در سیب‌زمینی اهمیّت زیادی دارد. اگر چشم‌ها عمیق باشند ضایعات سیب‌زمینی زیاد می‌شود زیرا تمیز کردن قسمت‌های فرو رفته کاری مشکل خواهد بود. در نتیجه به دلیل عدم پاک شدن سیب‌زمینی در محصول نهایی به صورت ذرات و خال‌های تیره ظاهر می‌شود.
تا جایی که امکان داشته باشد مواد نامحلول و فیبری (سلولز، همی‌سلولز و سایر مواد) باید از سیب‌زمینی جدا شوند. این مواد نامحلول درآب مقدار قابل توجهی از پالپ را تشکیل می‌دهند که این مقدار حدود ۴۰-۲۰ درصد نشاسته است. در کارخانه‌های نشاسته‌سازی، این قسمت نشاسته در قسمت ضایعات محصول قرار می‌گیرد. تلفات نشاسته به میزان مواد نامحلول و فیبری آن بستگی دارد.
سیب‌زمینی بدون پوست با اکسیژن محیط به سرعت تغییر رنگ پیدا می‌کند که به تیروزین، اسیدکلروژنیک و سایر فنل‌ها و همچنین پلی فنل اکسیداز در غده‌های سیب‌زمینی مربوط است. لذا برخی اوقات نشاسته تولید شده به جای این که رنگ آن سفید باشد تیره و خاکستری می‌شود. با اضافه کردن دی اکسید گوگرد از فعالیت این آنزیم جلوگیری می‌شود. در هر حال سیب‌زمینی که برای این منظور استفاده می‌شود باید در مقابل تیره شدن آنزیمی حساسیت کمتری داشته باشد.
در حین فرآوری صنعتی، مایع باقی مانده (آب میوه)^[۲۹] کف پایداری را تشکیل می‌دهد که این کف مربوط به سولانین، ترکیبات ازته محلول و سایر اجزاء موجود در آب میوه که کشش سطحی را کاهش می‌دهند مربوط است. کف زیاد در فرآیندهای صنعتی اختلال ایجاد می‌کند (فلاحی، ۱۳۷۶).
۲-۵-۲- تخلیه و شستشوی ماده خام
اولین مرحله فرآوری سیب‌زمینی تخلیه ماده خام است. برای تخلیه سیب‌زمینی در کارخانه‌های تولید نشاسته به یکی از دو روش خشک و مرطوب می‌توان عمل نمود. قبل از تخلیه، وقتی سیب‌زمینی هنوز در کامیون است نمونه برداری می شود تا میزان نشاسته و ناخالصی آن تعیین شود.
تخلیه مرطوب با دستگاه ویژه صورت می‌گیرد. سیب‌زمینی از کامیون به وسیله جت آب (با فشار ۲ آتمسفر) خارج می‌شود.
در تخلیه به روش خشک از طریق واگون، غده‌های سیب‌زمینی تخلیه و بر روی یک نقاله حمل می‌شوند. سپس سیب‌زمینی‌ها داخل یک مخزن که نیمی از آن در زمین است تخلیه می‌شوند. برخی از کارخانه‌های نشاسته‌سازی به مخازن بزرگ که ظرفیت زیادی دارد مجهز هستند در نتیجه تا آخر فصل کارخانه‌ها می‌توانند سیب‌‌زمینی کافی داشته باشند. در حین نگهداری هوا به داخل مخازن از طریق دستگاه تهویه دمیده می‌شود. این گونه سرمایه گذاری برای کارخانه‌های کوچک مقرون به صرفه نیست. کف محفظه‌های مخزنی شیبی حدود ۱۵ درصد دارد. در قسمت مرکز یک کانال وجود دارد که شیب آن حدود ۱درصد است و با این شیب سرعت آب به ۵/۱- ۱ متربرثانیه می‌رسد. سیب‌زمینی‌ها از طریق کانال به قسمت پمپ منتقل می‌شوند. پس از شستشو سیب‌زمینی توسط یک بالابر به قسمت ترازوهای پیوسته یا ناپیوسته هدایت و از آن‌جا به وسیله نقاله به داخل مخزن‌هایی که بالای دستگاه رنده قرار دارد برده می‌شود.
۲-۵-۳- خردکردن سیب‌زمینی
دانه‌های نشاسته به صورت غیریکنواخت داخل سلول‌های غده‌های سیب‌زمینی پراکنده هستند. برای استخراج آنها سلول‌ها شکسته می‌شوند. این عمل در خلال خرد کردن سیب‌زمینی صورت می‌گیرد. البته شکستن تمامی سلول‌های غده سیب‌زمینی میسّر نیست. خردکردن بیش از اندازه منجر به صدمه مکانیکی دانه‌های نشاسته می‌شود.
در کارخانه‌های نشاسته‌سازی برای خردکردن سیب‌زمینی از دستگاه خردکننده‌ای که به شکل استوانه است و در پیرامون آن تیغه‌های ارّه‌ای شکل وجود دارد استفاده می‌شود. مقدار خردکردن سیب‌زمینی توسط دستگاه بسته به سرعت دور روتور که تا ۹۶۰ تا ۳۰۰۰ دور در هر دقیقه می رسد دارد. ظرفیت روزانه به نوع دستگاه بستگی دارد.
در حین خرد کردن پالپ سیب‌زمینی حاوی هوای زیادی می‌شود. بر اثر این پدیده واکنش آنزیمی باعث سیاه کردن عصاره می‌شوند که حتی با افزودن _۲ SOاز آن نمی‌توان جلوگیری به عمل آورد. بر اثر این فعل و انفعال کیفیت رنگ سیب‌زمینی کاهش پیدا می‌کند. برای جلوگیری از این تغییر نامطلوب باید در اطراف دستگاه پالپر فشاری کمتر از فشارجو(خلاء) فراهم کرد.
در یک روش دیگر به جای پالپ کردن از هموژنایزر که فشار ۱۵۰ اتمسفر معادل ۱۵ مگاپاسکال دارد می‌توان استفاده کرد. سیب‌زمینی آسیاب شده به داخل هموژنایزر رانده می‌شود. با این دستگاه می‌توان میزان هوادهی تا ۵۰ درصد کاهش می‌یابد و در این روش میزان نشاسته موجود در پالپ ۲۰تا ۳۰ درصد کاهش می‌یابد(فلاجی، ۱۳۷۶).
۲-۵-۴- جدا نمودن شیره خام نشاسته و استخراج نشاسته
سیب‌زمینی خردشده موجود در مخزن پائین دستگاه خرد کننده با دی اکسید گوگرد که با آب مخلوط شده، همزده می‌شود. مقدار اسید سولفورو آنقدر اضافه می‌شود تا PH آن به ۸/۵-۶/۵ برسد. سیب‌زمینی خرد شده با مقداری آب (حدود ۱۰درصد) به داخل روتور دوار از طریق یک محور توخالی در قسمت انتهای مخروط وارد می‌گردد. نیروی سانتریفوژی که در اثر دوران زیاد روتور (rpm 4000-3000) حاصل می‌شود سبب جدا شدن پالپ از شیره نشاسته می‌گردد.
نشاسته ممکن است به وسیله اکستراکتورهای یک مرحله‌ای یا دو مرحله‌ای استخراج شود. یک استخراج کننده یک مرحله‌ای مشابه یک الک مخروطی است که با ۵۰۰ دور در دقیقه دوران می‌کند. داخل الک یک اسپری کننده دورانی است که به نازل‌هایی که جهت آنها به سمت بالای مخروط است مجهز شده است. اسپری‌کننده و الک در یک جهت دوران می‌کند اما سرعت‌های آنها متفاوت است. الک دوران کننده با نایلون پوشیده می‌شود. پالپ رقیق شده به داخل الک وارد شده و تحت نیروی گریز از مرکز قرار می‌گیرد. آب پس از خروج از نازل‌ها در مسیر مارپیچ می‌افتد و به سیب‌زمینی خرد شده با نیرویی معادل ۲ اتمسفر (۲/۰ مگاپاسکال) برخورد می‌کند. نشاسته سیب‌زمینی بر اثر نیروی گریز از مرکز به سمت قاعده پهن‌تر مخروط حرکت می‌کند. آب با جهت زاویه دار حرکت پالپ را کند می‌کند. دانه‌های نشاسته از داخل پارچه نایلونی الک عبور می‌کند و به شکل شیره نشاسته به داخل مخزن منتقل می‌گردد. اجسام فیبری از داخل پارچه نایلونی جدا شده و وارد مخزن دیگر می‌شوند. این اکستراکتورها در دو مرحله ولی در یک دستگاه عمل می‌کنند (فلاحی، ۱۳۷۶).
ساختمان هر دو اکستراکتور همانند یکدیگر است اما اکستراکتور دو مرحله ای دارای دو الک دوار مخروطی است (یکی در داخل دیگری قرار دارد). الک خارجی سیب‌زمینی خرد شده را دریافت و الک داخلی پس از مرحله اول پالپ را عبور می‌دهد. الک‌ها در یک جهت دوران می‌کنند اما سرعت آنها کمی تفاوت دارد. میزان دوران آنها در هر دقیقه ممکن است بین ۷۰۰-۵۸۰ دور در دقیقه تفاوت کند. پالپ به الک داخل همراه با اسپری آب ۳/۰-۲۵/۰ مگاپاسکال (معادل ۳-۵/۲ آتمسفر) وارد می‌شود. آب از الک داخل همراه با نشاسته آزاد خارج می‌شود. شیره نشاسته که از هر دو الک خارج می‌شود به داخل مخزن هدایت می‌شود. پالپ سیب‌زمینی از الک خارجی (مرحله۱) به مرحله دوم استخراج انتقال یافته و سپس به مخزن پالپ سیب‌زمینی ریخته می‌شود. پالپ‌های باقی مانده تخلیه می‌شوند و یا پرس می‌شوند و پالپ‌های حاصله یا به طور مستقیم و بدون خشک کردن برای تغذیه حیوانات مصرف می‌شود و یا توسط خشک‌کن‌های تشعشعی (تابشی)خشک می‌شوند. این پالپ‌ها در غذاهای حیوانی فرموله شده (پودرهای غذای حیوانی) مورد استفاده قرار می‌گیرند، چون که هم حاوی مقداری از پروتئین و هم نشاسته استخراج نشده از سیب‌زمینی می‌باشد.
تمامی فرایند استخراج در حدود یک دقیقه انجام می‌شود. در این استخراج کننده‌ها، جریان قوی آب عامل اصلی تفکیک نشاسته است و نیروی گریز از مرکز الک عامل اصلی استخراج آن است.
۲-۵-۵- تفکیک آب میوه از نشاسته
نشاسته حاصل از اکستراکتور به مخزن حاوی شیره نشاسته ریخته می‌شود. در این قسمت نشاسته با آب حاوی الیاف ریز و اجسام محلول مربوط به سیب‌زمینی خرد شده در طی استخراج نشاسته مخلوط می‌شود. شیره نشاسته تنها سانتریفوژ می‌شود تا نشاسته از آب میوه جدا شده و غلظت نشاسته افزایش یابد. تفکیک نشاسته از آب میوه براساس انواع گوناگون سانتریفوژ طراحی می‌شود.
۲-۵-۶- تصفیه
نشاسته جدا شده از آب میوه به اجسام فیبری، ترکیبات معدنی، قند و ترکیبات ازته آلوده است. بیشترین علت کاهش کیفیت نشاسته ناشی از وجود مواد ازته است. حتی مقدار جزئی ترکیبات ازته موجب کاهش ویسکوزیته خمیر نشاسته می‌شود. به این دلیل، کلیه ناخالصی‌ها باید جدا شوند. برای انجام این کار نشاسته را چندین بار با آب شستشو می‌دهند که نتیجه این عمل رقیق شدن شیر نشاسته است.
دستگاه‌های تصفیه که در صنعت نشاسته سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند، شامل سانتریفوژ، الک‌های دوار تصفیه کننده، هیدروسیکلون‌ها و الک‌های زانویی هستند. متداولترین دستگاهی که برای تصفیه‌ی نشاسته استفاده می‌شود موسوم به هیدروسیکلون است. سانتریفوژها به طور سری قرار دارند و موجب جداسازی مواد آلاینده می‌شوند. اجسام فیبری از شیره نشاسته به وسیله زانویی‌های الکی تصفیه‌کننده جدا می‌شوند. شیره خام نشاسته تصفیه شده تقریباً دارای ۴۰-۳۵ درصد ترکیبات خشک می باشد(فلاحی، ۱۳۷۶).
۲-۵-۷- آبگیری و خشک‌کردن
پس از تصفیه نشاسته نیز حاوی مقادیر جزیی قند و پروتئین است که موجب رشد میکروب‌ها می‌شوند. حتی اگر تخمیر خیلی جزیی صورت گیرد، pH تغییر کرده و سایر خواص نشاسته همراه با آن تغییر می‌کنند. برای جلوگیری از این تغییرات رطوبت نشاسته باید تا زیر ۱۵ درصد تقلیل یابد.
در رطوبت نسبی ۷۰ درصد میزان رطوبت نشاسته پس از خشک‌کردن حتی در دمای انبار تغییر نمی‌کند. خشک‌سازی نشاسته تا رطوبت ۱۵ درصد امکان پذیر است به شرط این که از قبل آبگیری مکانیکی شده باشد. شیره نشاسته غلیظ شده در مرحله آخر تصفیه‌ در هیدروسیکلون‌ها یا سانتریفوژها به بخش آبگیری منتقل می‌شود تا آب از آن جدا شود. بیشتر اوقات با فیلترهای تحت خلاء دوار آب نشاسته را جدا می‌کنند که موجب می‌شود میزان آب نشاسته به ۳۸-۳۶ درصد برسد.
بعد از آبگیری، نشاسته به بخش خشک‌سازی منتقل می‌شود تا باقی‌مانده رطوبت از نشاسته تبخیر گردد. پس از آبگیری رطوبت نشاسته در خشک کن به حدود ۱۵ درصد می‌رسد. خشک کردن محصول توسط خشک‌کن‌های پاششی انجام می‌گیرد. به دلیل گرمای زیاد، آب از نشاسته تبخیر می‌شود. فرایند خشک شدن نشاسته از ابتدا تا انتها بیش از ۵-۲ ثانیه به طول نمی‌انجامد. سیکلون در انتهای خشک‌کن قرار دارد و نشاسته در این قسمت از هوای مرطوب جدا می‌شود. اصول کار سیکلون همانند هیدروسیکلون است اما در این‌جا هوا حامل نشاسته است. هوا از طریق کانال سیکلون و به وسیله یک فیلتر و دودکش گرفته می‌شود. پس از خشک شدن، نشاسته مخلوط می‌شود تا رطوبت یکنواختی پیدا کند. نشاسته با رطوبت یکنواخت پس از سردشدن الک می‌شود تا قسمت‌هایی که در حین خشک شدن کلوخه شده است جدا گردند. غربال کردن نهایی بر روی غربال‌های متفاوت صورت می‌گیرد. پس از غربال کردن، نشاسته به سیلو منتقل می‌گردد و در آنجا نگهداری می‌شود. پس از سیلوسازی به ترازوی اتوماتیک منتقل و پس از توزین بسته بندی می‌شود. بسته ها یا نگهداری می‌شوند و یا برای فروش به بازار عرضه می‌شوند (فلاحی، ۱۳۷۶).
موتور پمپ: MP
شکل ۲-۶: نقشه جریان مواد تولید نشاسته سیب‌زمینی
فصل سوم
بیو‌پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر و خوراکی
۳-۱- مقدمه
استفاده از بیوپلیمرهای‌ زیست‌تخریب‌پذیر^[۳۰] (زیست فروپاشنده) برای بسته‌بندی یا پوشش‌دادن مواد غذایی سالیان طولانی است که مورد توجه محققین بوده است. تولید و کاربرد این بیوپلیمر‌ها در صنایع بسته‌بندی می‌تواند مزایای زیر را داشته باشد:
۱) چون بخش عمده‌ای از بیوپلیمرها منشأ کشاورزی دارند و به طور معمول از محصولات گیاهی و حیوانی به دست می‌آیند، می‌توان با تولید و استخراج آنها ارزش افزوده محصولات کشاورزی را بالا برد.
۲) این بیوپلیمرها از منابع تجدید‌پذیر^[۳۱] به دست می‌آیند (برخلاف پلیمرهای سنتزی که بیشتر منشا نفتی دارند) بنابراین تولید آنها می‌تواند موجب حفظ منابع تجدیدناپذیر برای نسل‌های آینده گردد.
۳) بیوپلیمرهای حاصل از فراورده‌های کشاورزی قابلیت برگشت به طبیعت را دارند و توسط میکروارگانیسم‌ها در طی فرایند کمپوست^[۳۲] به محصولات طبیعی مانند دی‌اکسیدکربن، آب، متان و توده‌زیستی (بیومس)^[۳۳] تبدیل می‌شوند. بنابراین این بیوپلیمرها زیست فروپاشنده هستند و موجب آلودگی محیط زیست نمی‌گردند.
بررسی‌ها نشان داده است که بیش از نیمی از زباله‌های شهروندان در کشورهای صنعتی را مواد بسته‌بندی تشکیل می‌دهند. برای مثال در کشور ایالات متحده آمریکا سالانه تقریباً ۵۰ میلیون تن ضایعات حاصل از بسته‌بندی تولید می‌شود که بخش عمده‌ای از آن را مواد پلاستیکی حاصل از مشتقات نفتی تشکیل می‌دهد(گیلبرت، ۱۹۸۶).
در حال حاضر از روش‌های مختلفی برای حل مشکل ضایعات بسته‌بندی استفاده می‌شود. در زیر به چند روش رایج و معایب آنها اشاره شده است:
۱) روش دفن زباله‌ها^[۳۴]: در این روش زمین زیادی مورد نیاز است و موجب آلودگی آبهای زیرزمینی می‌شود.
۲) روش سوزاندن زباله‌ها^[۳۵]: این روش موجب افزایش آلودگی هوا و ایجاد باران‌های اسیدی می‌شود. همچنین شناسایی محل‌های مناسب برای سوزاندن مشکل است.
۳) روش بازیافت زباله‌ها^[۳۶]: مواد حاصل از بازیافت را نمی‌توان برای مواد غذایی و پزشکی مورد استفاده قرار داد. همچنین هزینه جمع‌ آوری و حمل و نقل آن بالاست و نیز به علت اینکه معمولاً بسته‌بندی‌های مواد غذایی از چند لایه متفاوت تشکیل می‌شود بازیافت آنها مشکل است.