Розуміння функціональності крохмалю

Скотт Гегенбарт | 01 січня 1996 р

Січень 1996 - Історія обкладинки

Автор: Скотт Гегенбарт
Редактор *

* (Квітень 1991 - липень 1996)

Кукурудзяний крохмаль - основний крохмальний інгредієнт, який використовують американські харчові компанії. Але крохмалі з різних джерел, і навіть ті, що добуваються з менш поширених сортів кукурудзи, пропонують цілий ряд функціональних властивостей ще до модифікації. Вивчення унікальної функціональності різних нативних крохмалів представляє кілька потенційних переваг.

Розширений діапазон функціональних можливостей

Багато крохмалів мають властивості, які не так просто продублювати, модифікуючи інший крохмаль. Крім того, починаючи з сировини, ближчої до бажаних функціональних властивостей, навіть бажано модифікувати. Менш великі модифікаційні засоби.

Знижена вартість

Дизайнери постійно вимагають, щоб фактурні інгредієнти були більш високофункціональними, проте обмеження витрат все ще посилюються. У багатьох випадках, чим менше переробляється крохмалю, тим ефективніше це. На ринку вже є високофункціональний нативний крохмаль із кукурудзи, отриманий із спеціально розроблених гібридів кукурудзи. Вони можуть запропонувати більшу економію двома способами.

"У вас буде крохмаль, який не повинен проходити модифікації, що економить витрати", - говорить Ібрагім Аббас, доктор філософії, менеджер з розробки продуктів, American Maize-Products Co., Hammond, IN. "Коли вони модифікуються, в деяких випадках гібриди більш реагують на хімічні речовини; тому ми можемо використовувати менше. Це ефективніше, і ви можете заощадити гроші".

Маркування

Незважаючи на те, що це виявилося не великою проблемою, якою колись вважали, що модифікований крохмаль все ще повинен містити цифри Е в Європі. Більш функціональний нативний крохмаль не матиме номера Е і буде виглядати більш природним для європейських споживачів - проблема на постійно розростається світовому ринку.

Пов’язана структура та функції

Розмір і форма гранул

Гранули крохмалю бувають найрізноманітніших розмірів, від 3 мкм до понад 100 мкм. З деякими крохмалями розмір гранул є полімодальним, тобто гранули можуть бути згруповані в більш ніж один діапазон розмірів. Наприклад, пшеничний крохмаль має розподіл як великих, так і дрібних гранул. Форма гранул також може бути різноманітною. Гранульовані форми включають симетричні сфери, асиметричні сфери, симетричні диски та асиметричні диски. Деякі гранули демонструють свою форму плавно, а інші - багатогранники з гранованою поверхнею.

Співвідношення амілоза: амілопектин

Всі крохмалі складаються з різних пропорцій амілози та амілопектину. Це співвідношення варіюється не тільки серед різних видів крохмалю, але і серед багатьох сортів рослин у межах одного типу. Воскові крохмалі - це ті, які містять не більше 10% амілопектину.

Будова молекул амілози та амілопектину

Довжина молекул амілози в крохмалі - відома як ступінь полімеризації - може надзвичайно змінюватися. У амілопектину довжина і кількість гілок у молекулі так само мінливі.

"Довжина молекули амілози варіюється залежно від типу та сорту", - говорить Даніель Патнам, старший науковий співробітник, Grain Processing Corp., Muscatine, IA. "Я бачив від 200 до 2000 як ступінь полімеризації в межах крохмалю".

Інші варіації також існують для крохмалю

Їх не можна сформувати в єдину категорію, оскільки вони можуть бути унікальними для одного конкретного крохмалю. Загалом, однак, більшість таких варіацій полягають у присутності неграхмальних компонентів у гранулі.

Незліченні різновиди багатьох видів крохмалю неможливо вичерпно висвітлити в одній статті. Отже, ця особливість обговорить деякі загальні тенденції серед основних видів крохмалю, що використовуються у харчовій промисловості.

Кукурудза

Існує чотири класи кукурудзяного крохмалю. У звичайному кукурудзяному крохмалі 25% амілози, тоді як воскова кукурудза майже повністю складається з амілопектину. Два залишені кукурудзяні крохмалі - це кукурудзяні крохмалі з високим вмістом амілози; в одному - від 55% до 55% амілози, а в другому - від 70% до 75%.

Джей-лін Джейн, доктор філософії, професор кафедри харчової науки та харчування людини в Університеті штату Айова, Еймс, досліджувала розмір гранул і форму багатьох видів крохмалю в рамках своїх постійних досліджень. Шляхом скануючої електронної мікроскопії Джейн та її дослідницька група виявили, що звичайний кукурудзяний крохмаль має неправильні гранули у формі багатогранника. Їх розмір коливається від 5 мкм до 20 мкм.

Воскоподібний кукурудзяний крохмаль також має гранули неправильної форми, подібні за розподілом за розміром до кукурудзи звичайної. Однак окремі обличчя не такі чіткі. Крохмали з високим вмістом амілози також мають неправильну форму, але мають тенденцію бути гладкими. Деякі з них навіть паличкоподібні. Крохмали з високим вмістом амілози мають вужчий діапазон розмірів: від 5 до 15 мікрон або навіть від 10 до 15 мікрон, залежно від сорту.

Картопля

Картопляний крохмаль містить близько 20% амілози. Як і з багатьох бульб, гранули картопляного крохмалю великі з гладкою круглою овальною формою. З крохмалів, що зазвичай використовуються в їжу, картопляний крохмаль є найбільшим; його гранули мають розмір від 15 до 75 мкм.

Рис

Звичайний рисовий крохмаль має співвідношення амілоза: амілопектин приблизно 20:80, тоді як восковий рисовий крохмаль має лише близько 2% амілози. Обидва сорти мають невеликі розміри гранул від 3 до 8 мкм. За словами Джейн, це багатокутники неправильної форми з восковим рисом, що демонструє деякі складні гранули.

Тапіока

Крохмаль тапіоки містить від 15% до 18% амілози. Гранули тапіоки - це гладкі, неправильні сфери з розмірами від 5 до 25 мкм.

Пшениця

Крохмаль пшеничний має вміст амілози близько 25%. Його гранули відносно товсті від 5 до 15 мкм з гладкою круглою формою в діаметрі від 22 до 36 мкм. Пшеничний крохмаль є бімодальним, оскільки він також має групу крохмальних гранул різного розміру. У цьому випадку ці інші гранули дуже малі, діаметром лише 2-3 мкм.

Укладання суперників крохмалю

Далі йде огляд того, що наразі відомо про те, як структура і склад впливають на експлуатаційні характеристики. Майте на увазі, що ця дискусія може породити більше запитань, ніж відповідей. Але спочатку короткий огляд того, що відбувається під час желатинизації крохмалю:

Коли крохмаль диспергується у воді та нагрівається, вода проникає в гранулу крохмалю ззовні всередину, доки гранула повністю не гідратується. Після гідратації водневий зв’язок між амілозою та амілопектином підтримує цілісність гранули, і вона починає набухати з хілуму (в центрі). Після того, як клейстеризовані, набряклі гранули можуть збільшити в'язкість дисперсії та/або асоціюватися, утворюючи гелі та плівки.

Розмір і структура гранул

Згідно з багатьма джерелами, розмір гранул сам по собі не має сильного впливу на продуктивність крохмалю. Однак вважається, що це є фактором, що сприяє тому, як швидко крохмаль желатинизується і температура його желатинизації. Наприклад, рисовий крохмаль і крохмаль тапіоки містять вміст амілози в однаковому діапазоні, але гранули крохмалю тапіоки набагато більші і, як результат, легше набухають.

"Чим більше гранул, тим менше у нас молекулярного зв'язку, щоб вони швидше набухали", - говорить Пол Сміт, президент компанії Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. "Але вони також швидше руйнуються".

Великі гранули крохмалю, як правило, підвищують в'язкість, але в'язкість є делікатною, оскільки фізичний розмір гранули робить її більш чутливою до зсуву. Незважаючи на такі відмінності, більш компактна структура меншої молекули не завжди означає значну різницю в желатинізації. Наприклад, пшеничний крохмаль має бімодальний розподіл як дрібних, так і великих гранул. Крім розміру, ці гранули мають практично однаковий склад амілози та амілопектину тощо. Однак властивості желатинізації великих та малих гранул не демонструють значних відмінностей у експлуатаційних властивостях.

"Один тест показав, що у дрібних гранул температура клейстеризації на 3 ° вища, ніж у великих, але температура на початку була схожою", - говорить Аббас. "Я б сказав, що у пшеничному крохмалі (розмір гранул) не є головним фактором".

Співвідношення амілоза: амілопектин

Воскова кукурудза та звичайний кукурудзяний крохмаль мають однаковий розмір гранул, але воскова кукурудза набухає більшою мірою, і кожна з них буде желатинизуватися при різних температурах. Це багато в чому пов’язано з різним складом амілоза: амілопектин.

"Молекули амілози, завдяки своїй лінійності, вибудовуються легше і мають більш широкі водневі зв'язки", - говорить Аббас. "Отже, для розриву цих зв’язків і желатинизації крохмалю потрібно більше енергії".

Як правило, чим вище амілоза, тим вище температура клейстеризації. Це найбільш помітно в двох кукурудзяних крохмалях з високим вмістом амілози, які вимагають таких високих температур для желатинизації, що їх потрібно готувати під тиском. Співвідношення амілоза: амілопектин також визначає тип текстури, яку буде формувати желатинизований крохмаль.

"Взагалі кажучи, амілоза надає вам сили гелю, а амілопектин - високу в'язкість", - говорить Аббас. "Отже, високоамілозні крохмалі нададуть вам желюючих властивостей, а воскові крохмалі - високої в’язкості".

Лінійна структура амілози також сприяє зміцненню гелю. У розчині лінійні молекули амілози можуть легше вирівнюватись між собою та зв’язуватися за допомогою водневого зв’язку, утворюючи гелі. Молекули амілопектину, що розгалужені, не можуть так легко вирівнятися і, таким чином, дають слабкіший водневий зв'язок і міцність гелю.

В’язкість, навпаки, є суто функцією молекулярної маси. Розгалужена структура амілопектину з усіма приєднаними ланцюгами дає набагато більшу молекулу, ніж амілоза. Отже, амілопектин краще будує в’язкість, ніж амілоза.

Отже, якщо дизайнер продукту хоче гелеутворюючих властивостей, слід відбирати крохмаль з високим вмістом амілози, тоді як крохмаль з високим вмістом амілопектину (воску) буде вибором, якщо потрібна в’язкість, чи не так? Не зовсім. Міцність і в’язкість чистого гелю часто корисні, але вони не завжди потрібні дизайнерам продуктів. Крохмаль, у якому занадто багато амілози, може зробити пудинг занадто твердим. Занадто високий вміст амілопектину може створити правильну в’язкість під час дієтичного коктейлю, але при споживанні він може виявитись жилавим та «слизовим». Отже, співвідношення амілоза: амілопектин визначає не тільки основну текстуру, але і природу цієї текстури, а також.

Використання крохмалю в екструдованих продуктах ілюструє, наскільки делікатним може бути збалансування цього співвідношення. Як і при утворенні гелю, утворення плівки є функцією асоціації лінійних молекул амілози. Чим вище амілоза, тим кращі плівкоутворюючі властивості. У екструдованій закусці бажані плівкоутворюючі властивості, щоб отримати чітку текстуру готового продукту. Але хрусткість сама по собі не робить і не перекушує.

"Тісно пов'язаний характер амілозного полімеру впливає на хрусткість", - говорить Джим Заллі, директор з харчових технологій, National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ. "Але це матеріал з меншою молекулярною масою, який не може захопити повітря, що надходить від води, що перетворюється на пару під час вентиляції ".

Використання крохмалю з підвищенням рівня амілопектину збільшує розширення відповідно за рахунок хрусткості. Як результат, співвідношення амілоза: амілопектин повинно бути ретельно підібране. У деяких випадках текстурні вимоги продукту вимагають поєднання крохмалів з різних джерел.

"Деякі люди використовують комбінації різних базових крохмалів, щоб отримати або коротшу, або довшу структуру", - говорить Майк Августин, менеджер з питань харчових інгредієнтів, A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. "Ми розглядали можливість збирання сумішей для отримання певної текстури або якості готової продукції".

На додаток до будівельної текстури, крохмалі використовуються для забезпечення стабільності харчових продуктів. Це часто має форму затримання води. Як зазначалося раніше, желатинизовані молекули крохмалю мають тенденцію до повторної асоціації. Ця повторна асоціація змушує воду виходити з молекули, в результаті чого крохмаль перекристалізується. Тенденція крохмалю до перекристалізації або ретроградування таким чином визначає його придатність для довготривалої стабільності.

"Розгалужений амілопектин створює стеричну перешкоду", - говорить Путнам. "Це не дозволяє молекулам повторно асоціюватися, тому воно не має тенденції до ретрограду настільки легко".

Молекулярна структура амілози та амілопектину

Більш довгі молекули амілози, як правило, роблять текстуру продукту жорсткою через спосіб їх асоціації. Молекулярна маса амілози також впливає на еластичність гелю. Більш довгі молекули, як правило, сильніше асоціюються і виробляють сильніші, більш крихкі гелі, але цьому ефекту існує межа.

"І тапіока, і картопляний крохмаль мають амілозу, але вони утворюють злипну масу, а не гель, як кукурудзяний крохмаль", - говорить Петро Трзаско, старший науковий співробітник National Starch and Chemical Co. "Теорія, яка лежить в основі цього, базується на молекулярній вазі. Картопля та тапіока мають молекулярну масу набагато вищу, ніж кукурудза, що насправді ускладнює зв’язок молекул ".

Молекулярна вага не завжди забезпечує пряму кореляцію показників. У 1992 році Джейн, штат Айова, повідомила про дослідження впливу молекулярних розмірів амілози та довжини ланцюга амілопектину на властивості склеювання крохмалю. Джейн виявила, що молекули амілопектину з більш довгими гілками не тільки прагнуть до гелеутворення, але й міцність гелю зростала із збільшенням довжини гілок. Однак в'язкість амілоз різної довжини також не корелювала. Насправді найкраща в'язкість була отримана з амілозою середньої довжини, тоді як найбільша і найменша молекули амілози давали однаково низьку в'язкість.

Більш чіткий зв’язок може бути встановлений між розмірами молекул та стабільністю. Більш довга молекула амілози на певний момент матиме більшу міцність гелю завдяки підвищеній здатності асоціюватися через водневий зв'язок. Ця підвищена здатність асоціюватися збільшує схильність молекули до ретрограду. Менші молекули амілози виявляють слабшу асоціацію і, отже, більш стійкі до ретроградації. Недавня інформація вказує на те, що молекули амілопектину з довшими гілками також більш сприйнятливі до ретроградації. Це особливо турбує дослідників, які намагаються подовжити молекули амілози шляхом схрещування.

"Коли ви вставляєте ген амілозного розширювача, ви в кінцевому підсумку подовжуєте галузеві ланцюги амілопектину", - говорить Памела Дж. Уайт, к.т.н., виконуюча обов'язки директора кафедри харчової науки та харчування людини, Університет штату Айова.

Фосфор

Крохмали містять фосфор у тій чи іншій формі. Природа фосфору впливає на продуктивність крохмалю. У більшості зернових крохмалів фосфор в основному міститься у вигляді лізофосфоліпідів, які, як правило, комплексують з амілозою крохмалю та зменшують його водозв’язуючу здатність. Ці комплекси також сприяють помутнінню крохмальної пасти.

Фосфор у бульбах крохмалю, таких як картопля, знаходиться у формі моноефірів фосфату, які утворюються на молекулі крохмалю як негативно заряджені групи. Іонне відштовхування, яке генерується цими групами, послаблює зв'язок між молекулами і збільшує водозв'язуючу здатність, потужність набухання та чіткість пасти.

Розгадування таємниць

Як зазначалося раніше, вивчення взаємозв’язків структури/функції крохмалю породжує більше запитань, ніж дає відповіді. Як результат, у дослідників, які працюють у цій галузі, є багато, щоб зайняти їх. Університет штату Айова - це одне місце, де проводяться постійні дослідження крохмалю.

З 1987 року дослідники ISU Уайт та Джейн шукали крохмалі з унікальними функціональними властивостями для використання у розробці нових гібридів кукурудзи. З ними працює Лінда Поллак, доктор філософії, дослідник-генетик Департаменту сільського господарства та сільського господарства США, який працює з Департаментом агрономії ISU.

Використовуючи доступ Поллака до північноамериканської бібліотеки мутантних генотипів кукурудзи, команда проводила скринінг екзотичних видів кукурудзи, щоб визначити природу варіацій функціональних властивостей.

"Пряме структурне дослідження важко і вимагає багато часу", - каже Уайт. "Отже, наш підхід полягав у тому, щоб почати з швидкого скринінгу крохмалю, витягнувши його в лабораторію з лише одним ядром".

Цей початковий скринінг проводиться за допомогою диференціальної скануючої калориметрії (ДСК). Зразок крохмалю наклеюють, а потім сканують на ДСК. Після зберігання наклеєного зразка протягом семи днів при 4 ° C (оптимальна температура для ретроградації крохмалю) зразок повторно сканують.

"Сканування, яке ми отримуємо на свіжому та збереженому зразку, повідомляє нам, чи може крохмаль мати унікальні функціональні властивості", - говорить Уайт. "Як тільки ми виявляємо щось незвичне, ми перевіряємо, що це справді дає нам інший DSC інший раз".

Інша інформація, отримана в результаті цього аналізу DSC, включає температуру клейстеризації та діапазон желатинізації. Низька температура клейстеризації може забезпечити економію енергії під час великих виробничих операцій. Вузький діапазон желатинізації також зробить виробництво більш ефективним, зробивши желатинізацію більш швидким.

"Це ключові речі, на які ми починаємо дивитись", - каже Вайт. "Коли ми бачимо речі, які сильно відрізняються від норми при вимірюванні за допомогою DSC, ми проводимо структурний аналіз, щоб визначити, чому вони це роблять, і співвідносимо структуру з функцією".

Перший крок для цього вимагає вирощування мутантної кукурудзи у більших кількостях для подальшого аналізу. Тести включають визначення відсотка амілози за допомогою йодного потенціометричного титрування та/або гельпроникаючої хроматографії; розподіл молекулярної маси за допомогою гель-проникаючої хроматографії; і довжину розгалуженого ланцюга амілопектину, розраховану на основі значення відновлення, визначеного за допомогою вологої хімії, або за допомогою гель-проникаючої хроматографії.

За наявності достатньої кількості крохмалю проводяться також такі функціональні випробування, як випробування на в’язкість та міцність гелю.

"Ще одна річ, яку ми часто робимо, - це вимірювання розміру гранул за допомогою електронної мікроскопії", - говорить Уайт. "Маленький зернистий крохмаль виявився корисним для рівного відчуття рота, що є корисною властивістю замінників жиру уникати зернистої текстури"

Врешті-решт встановлюється зв’язок між бажаними функціональними властивостями та структурою крохмалю. Потім генетики рослин беруть на себе і намагаються виростити бажані якості у сорту, який можна вирощувати.

Розширення розуміння функціональності нативного крохмалю корисно як для дизайнерів продуктів, так і для творців нових інгредієнтів крохмалю. Однак часом здається, що кожен крок у подорожі до цього розуміння лише додає відстані до дороги. Тим не менше, ці зусилля повинні продовжуватися, оскільки - хоча подорож може ніколи не закінчитися - кожен крок ближче приносить нові досягнення, які допомагають вдосконалювати харчові продукти.