Материал: Разработка малобелковых продуктов для детского питания на основе крахмала

Зерна крахмала обладают следующими свойствами:

) способностью образовывать вязкие клейстеры при нагревании в воде;

) студнеобразующей и пленкообразующей способностью клейстеров;

) реакционной способностью молекул крахмала при взаимодействии с химическими реагентами.

Клейстеризация - является важнейшим свойством крахмала, при достаточных условиях влажности и температуры крахмальные зерна поглощают большое количество воды, увеличиваются в объеме в несколько раз, теряют кристаллическое строение, а следовательно - анизотропность (однородность кристаллической фракции в пространстве). Крахмальная суспензия превращается в клейстер. Процесс его образования называется клейстеризацией.

Рисунок 7. Стадии клейстеризации крахмальных зерен

Клейстеризацию крахмальных зерен крахмала можно разделить на 4 стадии (рис. 7):

) Набухание - считается первой стадией и происходит при температуре 35-40°С. При набухании в крахмальном зерне образуются мельчайшие трещины. Вода, поступающая внутрь зерен, растворяет некоторое количество полисахаридов. Часть из них (амилоза) переходит из зерен в раствор. Данная температура называется температурой кластеризации.

) Разбухание крахмальных зерен - имеет место при температуре 45-65°С и они превращаются в студенистые пузырьки. Суспензия переходит в клейстер - взвесть, состоящую из набухших крахмальных зерен и растворенных в воде полисахаридов (амилоза). Значительно возрастает вязкость системы.

) Разбухание крахмальных пузырьков - Происходит при температуре 60-80°С Происходит распад больших пузырьков на более мелкие. Слоистое строение структуры крахмала исчезает. Объем зерен резко возрастает до 100%, это является следствием разрыва связей между макромолекулами аполисахаридов, а также их гидратации. Часть полисахаридов растворяется и остается в подсети крахмального зерна, а часть (в основном амилоза) - диффундирует в окружающую среду. Вязкость клейстера значительно возрастает.

) Распад крахмальных пузырьков - начинается при температуре 80-100°С, происходит диспергирование (разрушение) крахмальногоапвещества до коллоидногоа состояния. Процесс идет тем интенсивнее, чем выше температура и длительнее нагрев. Считается, что вязкость клейстеров при нагревании объясняется не набуханием зерен крахмала, а свойствами извлекаемой из них водорастворимой фракции, образующей в растворе трехмерную сетку и удерживающую больше влаги, чем набухшие крахмальные зерна.

Молекулы крахмала состоят из двух компонентов - амилозы и амилопектина. Полисахариды амилозы имеют неразветвленную или слабо разветвленную цепь глюкозных остатков (рис. 8). Разное соотношение полисахаридов в крахмале влияет на его свойства (табл. 3). Ранее считали, что амилоза сосредоточена в центральных частях крахмальных зерен, тогда как амилопектин составляет их оболочку. В последние годы исследования методом меченых атомов показали, что это распределение различно для крахмалов разных растений. Молекулы амилопектина представляют собой многократно разветвленные цепи глюкозных остатков. В линейных цепях амилозы несколько тысяч остатков глюкозы соединены 1,4-связями, что позволяет им спирально свертываться и принимать более компактную форму.

Рисунок 8. Схема строения Амилозы и Амилопектина

Таблица 3

Сравнение крахмалов, содержащих большое количество амилозы и амилопектина

Кукурузный крахмал является примером крахмала с высоким содержанием амилозы, а крахмал восковой кукурузы имеет самое высокое содержание амилопектина (восковидный крахмал). Крахмалы из корней цикория и клубней картофеля и тапиоки, считаются крахмалами, содержащими среднее количество амилопектина, обладают свойствами между двумя этими крахмалами. Полисахаридам в крахмальных зернах сопутствуют ортофосфорная, кремниевая и жирные кислоты. Ортофосфорная кислота связана с обоими полисахаридами, при этом в картофельном крахмале ее больше в амилопектине, в пшеничном в амилозе [27]. Особенно следует обратить внимание на содержание в рационе детей ортофосфорной кислоты , поскольку исследования ее влияния на детский организм доказали, что избыток этой кислоты, становится причиной кариеса и размягчения костной ткани у детей [38].

Рисунок 9. Химическая структура молекулы амилозы

Рисунок 10. Химическая структура молекулы амилопектина

В отличие от амилозы амилопектин имеет сильно разветвленную структуру (рис. 8). В линейных участках ее молекулярной цепи глюкозные остатки связаны между собой α-1,4 глюкозидной связью, а в точках ветвлений - α-1,6 глюкозидной связью (рис. 10) [12]. В амилопектине точки ветвления находятся приблизительно через 10-12 глюкозных остатков, а внешние ветвления состоят из 8-15 глюкопиранозных единиц (рис.10). Амилоза представляет собой линейную или слабо разветвленную цепь глюкозных остатков, соединенных α-1,4 глюкозидной связью (рис.9). Конечный остаток глюкозы имеет у первого углеродного атома свободный полуацетальный гидроксил с высокой реакционной способностью и окисляющийся двухвалентной медью. Цепь молекулы амилозы может содержать от 1000 до 6000 глюкопиранозных остатков, что соответствует молекулярной массе от 300000 до 1000000. Молекула амилопектина содержит в диапазоне от 6000 до 40000 глюкозных остатков и его молекулярная масса может достигать 106-109 г/моль. Крахмал различных видов различается как по составу, так и по содержанию амилопектина и амилозы. В нативном крахмале оно обычно составляет: ветвистого полимера - 75-85, а линейного - 25-15%. В природе также встречаются растения, в крахмальных зернах которых доля амилопектина достигает 100% (крахмал восковидной кукурузы), амилозы - до 75%.

Таблица 4

Свойства фракций полисахаридов

Свойства фракций этих полисахаридов приведены в табл. 4. Крахмал используют как в натуральном виде (нативный крахмал), так и в виде продуктов его различной обработки или переработки.

.2 Физические свойства крахмала

Влажность нативных крахмалов является одной из характеристик, определяющих их сыпучесть и свойства формовочной смеси. При сушке крахмала пользуются понятием "равновесная влажность". При которой парциальное давление водяного пара над поверхностью зерен крахмала приближается к парциальному давлению пара в воздухе, пропорциональному относительной влажности воздуха. Поскольку крахмал является капиллярно-пористым телом, то масса общей влаги в нем складывается из поверхностной, капиллярной и химически связанной.

Равновесная влажность крахмала зависит не только от условий внешней среды, но и от типа кристаллической структуры зерен (рис. 11). Так, при температуре 17-20°С и повышенной относительной влажности воздуха влажность кукурузного крахмала составляет 14% (тип кристаллической структуры А), а картофельного-соответственно 21% (тип кристаллической структуры Б). Это обусловлено тем, что элементарная ячейка кристаллической структуры А содержит 8, а структуры В - 36-40 молекул воды, половина которых соединена с биополимером водородными связями, а оставшиеся молекулы связаны одна с другой [6].

Рисунок 11. Трехмерная структура кристаллитов крахмала типа А и Б

Крахмал, высушенный при 100 - 110°С, обладает высокими гигроскопичными свойствами. При относительной влажности окружающего воздуха 75% и температуре 17-20°С зерна картофельного крахмала поглощают из воздуха 10,33% воды, а при относительной влажности воздуха 100% - 20,92% воды[6].

Крахмал, высушенный при 100-110°С, обладает высокими гигроскопичными свойствами. При относительной влажности окружающего воздуха 75% и температуре 17-20°С зерна картофельного крахмала поглощают из воздуха 10,33% воды, а при относительной влажности воздуха 100% - 20,92% воды. Товарный сухой картофельный крахмал выпускают влажностью 20%, а кукурузный и пшеничный - 13%

Плотность воздушно-сухого картофельного крахмала колеблется в пределах 1500-1503, кукурузного 1520-1530 кг/м³, а для абсолютно сухого картофельного крахмала ее принимают в диапазоне 1630-1650 и кукурузного; 1590-1610 кг/ м³ [9].

Крахмальные зерна нерастворимы в холодной воде, спирте, эфире, сероуглероде, хлороформе, бензоле, но растворяются в щелочах и растворах солей Zn, Mg и некоторых других. Наиболее важным свойством крахмала является способность его зерен при повышении температуры набухать в воде с образованием вязкого коллоидного раствора клейстера, что характеризует его как гидрофильный высокополимер. Крупные зерна всех видов крахмала набухают быстрее и клейстеризуются легче, чем мелкие.

В табл. 5 приведены данные начальных температур набухания и клейстеризации кукурузного, пшеничного и ржаного крахмалов.

Таблица 5

Данные о набухании и клейстеризации различных видов крахмала

Картофельный крахмал клейстеризуется в интервале температур 55-65°С. Ржаной крахмал имеет наименьшее значение начальной температуры набухания зерен крахмала 50°С, поэтому предельная температура среды технологической операции не должна превышать 48°С. При температуре 120°С и выше происходит растворение амилопектина и некоторая деструкция молекул крахмала.

Набухание крахмальных зерен можно вызвать не только нагреванием суспензии, но и действием на нее растворов щелочей и солей некоторых металлов при комнатной температуре. Крахмальные зерна, подвергавшиеся обработке кислотами, не способны к набуханию. При последующей обработке горячей водой такие зерна распадаются и крахмал переходит в раствор. В процессе растворения макромолекулы крахмала распадаются на фрагменты меньшего размера, уже не способные образовывать структурные решетки, характерные для набухших крахмальных зерен [9].

При длительном стоянии крахмальные растворы подвергаются ретроградации - постепенному разрушению с выделением нерастворимого осадка, например амилозы. В процессе ретроградации постепенно происходит агрегатирование части крахмала, сопровождающееся образованием нерастворимого микрокристаллического осадка. Агрегация крахмала делает его недоступным для воздействия ферментов, даже если агрегаты остаются растворенными (неосажденными).

Замораживание водных растворов крахмала способствует ускорению процесса ретроградации. Подобным методом можно вызвать ретроградацию даже стабильных крахмальных зерен. Вместе с тем процесс ретроградации может быть задержан удалением части влаги или с помощью реагентов, вызывающих набухание крахмальных зерен. Удельное вращение клейстеризованного картофельного крахмала равно +204,3°, кукурузного +201,5°.

.3 Химические свойства крахмала

Крахмал по химическому составу и строению относится к нередуцирующим углеводам. Химическая формула крахмала - (С6Н10О5)n - свидетельствует о том, что его основой является глюкозный остаток С6Н10О5.

Основной химической реакцией является гидролиз крахмала. Он протекает при каталитическом действии кислот до конечного продукта - глюкозы

(C6Hl0O5)n + n Н2О = n С6Н12О6.

Схема постепенного гидролиза крахмала в присутствии кислот, являющихся катализаторами, или при его ферментативном гидролизе имеет вид

(СH10О5)n ------ (С6H10O5)х -------- C12H22O11 ------ C6H12O6 .

крахмал ряд декстринов мальтоза глюкоза

Быстрое нагревание обычного крахмала вызывает расщепление его молекулы до декстринов, которые имеют меньшую молекулярную массу, но тот же химический состав. В зависимости от размера молекул их называют амилодекстринами, эритродекстринами или ахродекстринами [13].

Добавление в крахмальный клейстер даже незначительного количества раствора йода приводит к интенсивному синему окрашиванию, исчезающему при нагревании и вновь появляющемуся при охлаждении. По изменению окраски йодного раствора судят о глубине осахаривания крахмала при производстве крахмальной патоки. Йодная реакция настолько чувствительна, что появляется в растворе крахмала в разведении 1:500 000. Реакция воздействия йода протекает в две стадии. Первая стадия характеризуется комплексообразованием, что обусловлено началом воздействия йода на полисахариды. На второй стадии происходит процесс адсорбции йода. Эта стадия непродолжительна.

По мере уменьшения молекулярной массы, получаемые декстрины изменяют цвет окрашивания с йодом в следующей последовательности: сине-фиолетовое, красно-фиолетовое, красно-оранжевое, оранжевое и желтое.

.4 Характеристика крахмала из различных видов сырья

Картофельный крахмал

Сыпучий порошок белого или слегка желтого цвета. Хорошо усваивается организмом. Картофель содержит много калия, который помогает выводить лишнюю воду из организма, что особенно важно, например, для больных с заболеваниями почек. При растворении крахмала в воде образуется вязкий прозрачный клейстер. Картофельный крахмал используют при выработке фруктово-ягодных киселей для загущения супов, соусов, подливок, в производстве некоторых видов колбасных изделий, сосисок и сарделек, для стабилизации кондитерских кремов, изготовления клеящих веществ, выработки искусственного саго. Кроме этого картофельный крахмал широко применяется в текстильной, бумажной, полиграфической и ряде других отраслей промышленности.