Крахмал является основной частью сырых материалов, используемых для получения спирта. По отношению к сухим веществам крахмал картофеля составляет примерно 65—75%, а крахмал зерна — 60—70%. Внутри растительных клеток крахмал находится в виде зерен, имеющих различную форму, характерную для каждой культуры (рис. 6). Зерна картофельного крахмала имеют овальную и яйцевидную форму, с явно выраженной слоистой структурой, а зерна овсяного и кукурузного крахмала — многогранную. Отсоединения нескольких простых зерен образуется сложный конгломерат зерен, как, например, у овса. Крахмальные зерна картофеля достигают величины 50—100 як, а злаковых культур — 10—50 мк. Крахмальные зерна имеют кристаллическое строение. Покрыты они оболочкой, обладающей большой сопротивляемостью внешним воздействиям. Удельный вес крахмала равен 1,5—1,6. В присутствии иода крахмал окрашивается в синий цвет.
При нагревании крахмала с водой происходит клейстеризация, причем крахмал из твердого состояния переходит в студень. Эта способность крахмала является наиболее важным его свойством. Процесс клейстеризации связан с поглощением воды крахмальными зернами, их набуханием и образованием пузырьков. Объем пузырьков в 60—100 раз больше объема зерен сухого крахмала. При нагревании водной суспензии крахмала вязкость ее сильно возрастает. Процесс клейстеризации происходит постепенно и зависит от величины зерен: крупные клейстеризуются быстрее, мелкие — медленнее. Большое значение при этом имеет система пузырь-чатых образований. Различают четыре стадии клейстеризации: набухание, разбухание крахмальных зерен, разбухание крахмальных пузырьков и распад крахмальных пузырьков. Первая стадия происходит при температуре 35—40°, вторая — при температуре — 45—65°, третья — при температуре 60—80° и четвертая — при температуре 80—100°.
Картофель содержит около 75% воды и 25% сухих веществ. Количество воды в нормальном картофеле вполне достаточно для растворения крахмала. Поэтому дополнительный расход воды при разваривании необходим лишь при переработке подвяленного или мерзлого картофеля, потерявшего часть естественной влаги от испарения или вымораживания. При запаривании картофеля имеется в виду лишь нагревание его до температуры 60—70°. Клубень картофеля состоит из рыхлой и сочной ткани, составленной из тонкостенных клеток большого размера. Снаружи он покрыт тонкой кожурой. Поэтому тепло легко проникает в середину клубня. Основной задачей запаривания является равномерное распределение пара и одинаковое подогревание всех клубней, находящихся в предразварнике.
Поскольку крахмальные зерна заключены в растительные клетки, из которых они могут быть освобождены лишь путем механического измельчения или разваривания, то физические свойства, обусловливающие прочность сырья, имеют большое значение для его переработки. Картофель, в силу большой влажности и мягкой структуры, в этом отношении является лучшим сырьем. В процессе разваривания клубни легко разрушаются и превращаются в однородную крахмалистую массу. Превращение же зерна в однородную массу осложняется твердостью и неоднородностью его строения. Наибольшей сопротивляемостью на разрыв обладают оболочки, а именно: ржи 225 кг/см2, пшеницы 316 кг/см2, а овса еще больше.
Если учесть свойства крахмала и то, что набухание и изменение структуры сырых материалов гораздо быстрее происходит при высокой температуре, то становится понятной необходимость подогревания их в предразвар-нике до возможно высокой температуры. Низкая температура запаривания (40—60°) нежелательна, так как она благоприятствует действию амилолитических ферментов, превращающих часть крахмала в сахар. В качестве примера можно указать, что в суспензии овсяной муки, выдержанной при 50° в течение часа, количество сахара увеличивается до 5,5%, против 4% в исходной муке. Из этих соображений картофель и, особенно, зерно нельзя долго выдерживать в предразварнике при 30—60°, а нужна возможно скорее нагреть до наивысшей температуры, которая для разных видов сырья неодинакова. Продолжительность и температура запаривания устанавливаются с таким расчетом, чтобы клубни картофеля и зерна к концу этого процесса остались целыми и сохранили свою форму.
В первый период разваривания заканчивается поглощение воды и набухание. Эти процессы при температуре 120—135° протекают в течение 15—25 минут, в зависимости от способа подготовки сырья в предразварниках. Одновременно с этим растворяется крахмал и некоторая часть пентозанов, гемицеллюлоз, белков и др. веществ. По мере дальнейшего повышения температуры до 140—150°, и обусловленного этим усиления гидролитического расщепления и растворения веществ, происходит частичный разрыв клеток, что дает возможность крахмалу выделиться в окружающую среду. Разрыв клеток происходит сначала в наружных слоях, внутри же клубня или зерна они остаются пока целыми. Этот период характеризуется медленным развариванием внутренних слоев тканей и длится для зерна 40—50 минут, а для картофеля 15—30 минут.
Под влиянием воды, температуры и находящихся в сырых материалах кислот при разваривании под давлением происходят многообразные химические процессы, в результате которых составные части сырья претерпевают те или иные изменения. Клетчатка, именуемая также целлюлозой, является основой растительной ткани и главным материалом клеток. Наряду с целлюлозой в клеточную ткань входят гемицеллюлозы, состоящие в значительной части из пен-тозанов. Наружные оболочки состоят из этих же веществ в соединении с лигнином, минеральными солями и пр.
В сырых материалах содержатся сбраживаемые сахары: сахароза, глюкоза, фруктоза и др. В картофеле имеется в среднем 1,0—1,5% сахара, а в зерновых злаках 2—4%. В клубнях картофеля, хранившихся при низкой температуре, количество сахара увеличивается до 5% и выше. Сахар картофеля состоит из глюкозы и фруктозы и очень малого количества сахарозы. Сахар же зерновых продуктов преимущественно состоит из сахарозы. Во влажном и самосогревающемся зерне значительная часть сахарозы гидролизуется в глюкозу и фруктозу, причем часть сахара расходуется на биохимические процессы, связанные с прорастанием зародыша и жизнедеятельностью микроорганизмов.
При нагревании до 120—130° под давлением крахмальный клейстер переходит в растворимое состояние. Этого температурного воздействия было бы вполне достаточно для последующего осахаривания крахмала. Однако для разрушения тканей, окружающих и удерживающих крахмал, приходится повысить температуру до 145—158° и выдержать при этих условиях около 40—50 минут, И действительно, практикой подтверждено, что разваривание цельного зерна при температуре 120—130° в течение длительного срока дает в части полноты извлечения крахмала худшие результаты, чем разваривание при 145—158°. Кроме того, с увеличением давления резко сокращается продолжительность разваривания. Однако применение высокого давления имеет и свои отрицательные стороны, обусловленные потерей сахара и крахмала.
Нормально сохранившееся зерно и картофель имеют слабокислую реакцию, соответствующую рН = 6,0 - 6,2. Кислая реакция их обусловлена фосфорно-органическими соединениями, белками кислого характера, жирными кислотами и небольшим количеством органических кислот (яблочной, щавелевой и др.). При нагревании и выдерживании сырья под давлением количество кислых соединений увеличивается, поэтому разваренная масса имеет всегда более кислую реакцию, чем исходное сырье. Объясняется это превращением ряда веществ сырья при высокой температуре. Фосфорная кислота освобождается из ее неорганических и органических соединений (фитина, лецитина и нуклеина). Происходит до некоторой степени гидролитический распад жиров, белков и углеводов. Освободившиеся жирные кислоты, растворяющиеся в небольшом количестве в воде, нейтрализуют щелочные фосфаты (КгНРО4) и переводят их в кислые фосфаты (КН2РО4). При гидролизе белков выделяются аминокислоты.
При обработке водой муки или картофельной кашки в раствор переходят так называемые воднорастворимые белковые вещества, которые при нагревании до 80—100° коагулируют в виде хлопьев. Вследствие этого в первой стадии разваривания количество растворимых азотистых веществ уменьшается. Во второй стадии разваривания, когда температура повышается от 100 до 158°, количество переходящего в раствор азота заметно увеличивается. По данным ВНИИСП'а, при обычном режиме разваривания в раствор переходит от 20 до 50% азота, содержащегося в зерне. Часть азотистых веществ под действием кислот и температуры гидролизуется до амидов, которые являются хорошим питательным материалом для дрожжей.