الكربوهيدرات - أحد المصادر الرئيسية للطاقة فيالجسم
إلى جانب البروتين والدهون، تُعد الكربوهيدرات أحد المغذيات الكبيرة الثلاثة في النظام الغذائي للإنسان. وهي تشمل السكريات الأحادية والثنائية وقليلة السكريات مثل السكريات وكذلك السكريات المتعددة مثل السليلوز أو النشا.
النشا من أصل نباتي ويوجد في مصادر مثل البطاطس والأرز والحبوب والكسافا (المنيهوت). مجال استخدامه هو في المقام الأول قطاع الأغذية والمشروبات. في صناعة الأغذية، يُستخدم النشا بشكل أساسي كعامل سماكة أو تبلور أو استحلاب أو استقرار. وغالبًا ما يتم إضافته فقط بتركيزات small. ومع ذلك، يمكن أن يكون للنشا تأثير كبير على الخصائص التركيبية والحسية (اللون والرائحة والمظهر والمذاق وما إلى ذلك) للأغذية.
في عام 2022، قدر إنتاج النشا في جميع أنحاء العالم بحوالي 134 مليون طن تقريبًا، حيث كانت الصين أكبر سوق للنشا، تليها الولايات المتحدة [1]. وأشهر أنواع النشا التي يتم تداولها عالميًا هو نشا المنيهوت (أو التابيوكا)، ويأتي نشا الذرة في المرتبة الثانية [2].
إذا تم استخدام النشا في شكله الأصلي، فإنه يظهر على أنه "نشا" في قائمة المكونات. ولكن إذا كانت المادة معدلة كيميائيًا، فإنها تصبح مادة مضافة برقم E (على سبيل المثال، E1404 للنشا المؤكسد أو E1420 للنشا المؤكسد) وتظهر على أنها "نشا معدل" في قائمة المكونات. بالمقارنة مع النشا الأصلي، فإن النشا المعدل أكثر ثباتًا ضد الحرارة أو البرودة أو البيئة الحمضية [3].
مم يتكون النشا؟
النشا هو عبارة عن بوليمر طويل السلسلة يتكون من الأميلوز والأميلوبكتين بنسب متفاوتة حسب نوع النشا ومصدره. وكقاعدة عامة، يتراوح محتوى الأميلوز ما بين 15% و30%، مما ينتج عنه محتوى الأميلوبكتين ما بين 70% و85% من الوزن [4]. النشا النقي هو مسحوق أبيض عديم الطعم والرائحة وغير قابل للذوبان في الماء البارد أو الكحول [5].
ماذا يحدث في وجود الماء؟
عندما يتم تسخين النشا عند ملامسته لكمية كافية من الماء (على سبيل المثال، أثناء الطهي أو الخبز)، يحدث التهلجن. أثناء التسخين، يتغلغل الماء في الحبيبات وتبدأ الجزيئات داخل الحبيبات في إعادة تنظيمها. وهذا يؤدي إلى التورم حتى تتمزق الطبقات الخارجية للحبيبات. وتبدأ الحبيبات في التفكك. ينتشر الأميلوز والأميلوبكتين جزئيًا في البيئة المحيطة ويتفرقان في المحلول [10]. والنتيجة هي عجينة أو هلام نشا سميك ولزج يساعد في الحفاظ على المكونات المختلفة - على سبيل المثال، مكونات المعجنات - معًا.
يمكن مراقبة عملية التجلط بواسطة DSC وتنتج تأثيرًا حراريًا داخليًا. ومع ذلك، تلعب كمية الماء دورًا مهمًا. ففي المحتوى المائي المنخفض، لا يمكن ملاحظة سوى انتفاخ محدود أو جلتنة غير كاملة لحبيبات النشا، وحتى في المحتويات المائية الأعلى (الماء: النشا = 1.5:1 أو أعلى)، لا يمثل الماصة الحرارية الداخلية للتبريد بالتبريد بالتذبذب الحراري الموضعي دائمًا العملية بأكملها [7].
أثناء التبريد، يخضع النشا لعملية انتقال من الاضطراب إلى النظام. يتبلور النشا الجيلاتيني مرة أخرى، ويتحرر الماء، وتصبح المادة أكثر صلابة. وتسمى هذه العملية بالتحلل الرجعي. هذا هو السبب في أن الخبز يصبح قديمًا بعد فترة، خاصةً عند تخزينه في درجات حرارة منخفضة (درجات الحرارة الباردة تساعد في هذه العملية).
كيف يتصرف النشا أثناء التدفئة والتبريد؟
لدراسة خواصها الحرارية، تم تسخين أنواع مختلفة من النشا الأصلي المتاح تجاريًا (انظر الجدول 1) مرتين مع الماء (50٪ نشا بالوزن و50٪ بالوزن من الماء) في DSC في بوتقات الألومنيوم المغلقة (Concavus®) بمعدل تسخين 5 كلفن/الدقيقة حتى 140 درجة مئوية وصولاً إلى RT في جو من النيتروجين.
الجدول 1: كتل العينة (النشا فقط) لأنواع مختلفة من النشا
| نوع النشا | كتلة النشا (مجم) | درجة حرارة القمةالأولى (درجة مئوية) |
|---|---|---|
| المنيهوت | 12.76 | 67.4 |
| بطاطا | 12.62 | 62.3 |
| أرز | 12.93 | 67.0 |
أثناء التسخين الأول لأنواع النشا المختلفة، تظهر العديد من تأثيرات DSC الحرارية الداخلية (انظر الشكل 1). فمن ناحية، تظهر قمة رئيسية أولى مع كتف إضافية (واضحة إلى حد ما) مع نشا المنيهوت ونشا البطاطس، حيث ينتقل التأثير مع نشا البطاطس إلى درجات حرارة أقل قليلًا. من ناحية أخرى، يُظهر ملف تعريف DSC لنشا الأرز ثلاث قمم، إحداها عند درجة حرارة أعلى بكثير (درجة حرارة الذروة عند 107 درجة مئوية) من القمم الأخرى.
وتعكس التأثيرات في نطاق درجات الحرارة حول 60 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية عملية التجلط. يُفترض أن التأثير الحراري الداخلي حول 107 درجة مئوية (فيما يتعلق بنشا الأرز) يتوافق مع مركب الأميليز-الدهون الذي تم تحديده أيضًا فوق 100 درجة مئوية في دراسات أخرى عن الأرز [8، 9].
تشير الأدبيات (على سبيل المثال، ملخصة في [6]) إلى أنه أثناء التسخين، لا يحدث التبلور فقط بل يحدث الذوبان أيضًا. ووفقًا لهذه النظرية، فإن الذوبان أثناء التسخين يتوافق مع تأثير الحرارة الداخلية عند درجات حرارة أعلى وهو أمر نموذجي لتركيزات الماء المنخفضة في حين يحدث التهلن في وجود الماء الزائد (أكثر من 70% لمعظم النشويات) ويتوافق مع درجة حرارة منخفضة في منحنى DSC. وعند وجود محتويات رطوبة متوسطة، يمكن ملاحظة كلتا العمليتين، وهو ما يتناسب بشكل جيد مع الحالة الحالية (الشكل 2) ويؤدي إلى درجات حرارة قصوى تبلغ 67 درجة مئوية و80 درجة مئوية لنشا المنيهوت، على سبيل المثال.
أثناء التبريد المتحكم فيه (عند 10 كلفن/الدقيقة) بعد التسخينالأول، تظهر أحداث طاردة للحرارة في نطاق درجة الحرارة بين 75 درجة مئوية و95 درجة مئوية تقريبًا (الشكل 3).
يبدو أن معظم هذه التأثيرات لا رجعة فيها لأنه في خطوات التسخين الثانية المقابلة (الشكل 4، بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة)، يظهر نشا الأرز فقط مرة أخرى تأثير ماص للحرارة عند حوالي 108 درجة مئوية (درجة حرارة الذروة) وهو ما يمكن مقارنته بالتأثير الماص للحرارة الذي يظهر في الشكل 2. ومع ذلك، هناك بعض التأثيرات الحرارية الخارجية الإضافية small ، التي تظهر في نطاق درجة الحرارة بين 60 درجة مئوية و80 درجة مئوية تقريبًا. وهذا يقودنا إلى افتراض أن إعادة الترتيب الهيكلي الذي حدث أثناء التبريد لم يكن قد انتهى بعد قبل بدء التسخين الثاني.
في الأدبيات [10]، يمكننا أن نقرأ أنه عندما يتم تبريد النشا الجيلاتيني، يبدأ الأميلوز والأميلوبكتين المنطلقين (البنى الكيميائية في الشكل 1) في التراجع وتبدأ جزيئات الأميلوز المشتتة في إعادة الترابط، مما يؤدي إلى تكوين شبكة ثلاثية الأبعاد. ويمكن وصفها بأنها "هلام مركب من بقايا الحبيبات غير المنحلة المدمجة في مصفوفة مستمرة من سلاسل بوليمر الأميلوز المتشابكة وجزيئات الأميلوبكتين المتفرعة للغاية".
الخاتمة
على الرغم من استخدامه في كثير من الأحيان في المنزل، إلا أن النشا يثبت أنه مادة تظهر سلوكًا معقدًا للغاية. ويؤثر كل من نظام درجة الحرارة المطبقة وكمية الماء في الخليط على عملية التجلط. ومع ذلك، فإن التحليل الحراري، وخاصةً هنا DSC، قادر على استخلاص الكثير من المعلومات القيمة حول هذه العملية استنادًا إلى قياسات قليلة فقط.
يمكن التمييز بوضوح بين أنواع النشا الثلاثة المستخدمة (نشا المنيهوت ونشا البطاطس ونشا الأرز) في مرحلة التسخين الأولى (الشكل 1). تختلف منحنيات DSC اختلافًا كبيرًا ويظهر نشا الأرز فقط تأثيرًا حراريًا إضافيًا فوق 100 درجة مئوية.