Въглехидратите - един от основните източници на енергия за насТялото
Заедно с белтъчините и мазнините, въглехидратите са един от трите макронутриента в човешката диета. Те включват моно-, ди- и олигозахариди като захари, както и полизахариди като целулоза или нишесте.
Нишестето е от растителен произход и се съдържа в такива източници като картофи, ориз, зърнени култури и маниока (маниока). Областта на приложение на нишестето е предимно в сектора на храните и напитките. В хранително-вкусовата промишленост нишестето се използва главно като сгъстяващ, желиращ, емулгиращ или стабилизиращ агент. Често то се добавя само в концентрация small. Въпреки това то може да окаже значително влияние върху текстурните и органолептичните (цвят, мирис, външен вид, вкус и др.) свойства на храните.
През 2022 г. очакваното световно производство на нишесте възлиза на около 134 млн. тона, като най-големият пазар на нишесте е Китай, следван от САЩ [1]. Най-популярният вид нишесте, който се търгува в световен мащаб, е нишестето от маниока (или тапиока), а на второ място е царевичното нишесте [2].
Ако нишестето се използва в естествената си форма, то се посочва като "нишесте" в списъка на съставките. Но ако веществото е химически променено, то се превръща в добавка с номер Е (например Е1404 за окислено нишесте или Е1420 за ацетилирано нишесте) и се появява като "модифицирано нишесте" в списъка на съставките. В сравнение с нативното нишесте модифицираното нишесте е по-устойчиво на топлина, студ или киселинна среда [3].
От какво се състои нишестето?
Нишестето е дълговерижен полимер, състоящ се от амилоза и амилопектин в различно съотношение в зависимост от вида и източника на нишестето. По правило съдържанието на амилоза е между 15 и 30 %, което води до съдържание на амилопектин между 70 и 85 % от теглото [4]. Чистото нишесте представлява бял прах без вкус и мирис, който е неразтворим в студена вода или алкохол [5].
Какво се случва в присъствието на вода?
При нагряване на нишестето в контакт с достатъчно количество вода (например по време на готвене или печене) се извършва желатинизация. При нагряването водата прониква в гранулите и молекулите в тях започват да се подреждат. Това води до набъбване, докато външните слоеве на гранулите се разрушат. Гранулите започват да се разпадат. Амилозата и амилопектинът частично дифундират в заобикалящата среда и се разпръскват в разтвора [10]. Резултатът е гъста и вискозна нишестена паста или гел, който помага да се запазят различните компоненти - например тези на сладкиша - заедно.
Процесът на желатинизация може да бъде наблюдаван чрез DSC и предизвиква ендотермичен ефект. Количеството на водата обаче играе важна роля. При ниско съдържание на вода може да се наблюдава само ограничено набъбване или непълна желатинизация на гранулите на нишестето, а дори при по-високо съдържание на вода (вода:нишесте = 1,5:1 или повече) ендотермата на DSC не винаги представя целия процес [7].
По време на охлаждането нишестето претърпява преход от безпорядък към порядък. Желатинизираното нишесте отново кристализира, водата се освобождава и веществото става по-твърдо. Този процес се нарича ретроградация. Това е причината, поради която хлябът след известно време става застоял, особено когато се съхранява при по-ниски температури (ниските температури благоприятстват този процес).
Как се държи нишестето при нагряване и охлаждане?
За да се изследват топлинните му свойства, различни видове налични в търговската мрежа нативни нишестета (вж. таблица 1) се нагряват два пъти в комбинация с вода (50 тегловни процента нишесте и 50 тегловни процента вода) в DSC в затворени алуминиеви тигли (Concavus®) при скорост на нагряване 5 K/min до 140°C и до RT в азотна атмосфера.
Таблица 1: Маси на пробите (само нишесте) за различните видове нишесте
| Вид нишесте | Маса на нишестето (mg) | Температура напървия пик (°C) |
|---|---|---|
| Маниока | 12.76 | 67.4 |
| Картофи | 12.62 | 62.3 |
| Ориз | 12.93 | 67.0 |
По време на първото нагряване на различните видове нишесте се наблюдават няколко ендотермични DSC ефекта (вж. фигура 1). От една страна, първият основен пик с допълнително (донякъде изразено) рамо се появява при маниоковото и картофеното нишесте, като ефектът при картофеното нишесте е изместен към малко по-ниски температури. От друга страна, DSC профилът за оризово нишесте показва три пика, един от които е с много по-висока температура (пикова температура 107 °C) от останалите.
Ефектите в температурния диапазон около 60°C до 70°C отразяват процеса на желатинизация. Ендотермичният ефект около 107°C (по отношение на оризовото нишесте) вероятно съответства на амилазно-липиден комплекс, който е определен и над 100°C в други изследвания на ориза [8, 9].
В литературата (напр. обобщена в [6]) се казва, че по време на нагряване се наблюдава не само желатинизация, но и топене. Според тази теория топенето по време на нагряване съответства на ендотермичен ефект при по-високи температури и е характерно за ниски концентрации на вода, докато желатинизацията се случва при наличие на излишък от вода (над 70% за повечето нишестета) и съответства на по-ниска температурна ендотерма в DSC кривата. При междинно съдържание на влага се наблюдават и двата процеса, което съответства добре на настоящия случай (фигура 2) и води до пикови температури от 67°C и 80°C за нишестето от маниока, например.
По време на контролираното охлаждане (при 10 K/min) следпървото нагряване се наблюдават екзотермични събития в температурния диапазон между приблизително 75°C и 95°C (фигура 3).
Повечето от тези ефекти изглежда са необратими, тъй като в съответните втори стъпки на нагряване (фигура 4, при скорост на нагряване 5 K/min) само оризовото нишесте отново показва ендотермичен ефект при около 108 °C (максимална температура), който е сравним с ендотермичния ефект, показан на фигура 2. Въпреки това в температурния диапазон между приблизително 60°C и 80°C се наблюдават някои много small, допълнителни екзотермични ефекти. Това води до предположението, че структурното пренареждане, което е станало по време на охлаждането, все още не е било завършено преди началото на второто нагряване.
В литературата [10] се посочва, че когато желатинизираното нишесте се охлади, освободените амилоза и амилопектин (химични структури на фигура 1) започват да се връщат обратно и разпръснатите молекули амилоза започват да се реасоциират, което води до образуването на триизмерна мрежа. Тя може да се опише като "композитен гел от неразтворени остатъци от гранули, вградени в непрекъсната матрица от заплетени полимерни вериги на амилозата и отделени, силно разклонени молекули на амилопектина".
Заключение
Въпреки че често се използва в домашни условия, нишестето се оказва материал с доста сложно поведение. Както температурният режим, така и количеството вода в сместа оказват влияние върху желатинирането му. Въпреки това термичният анализ, и в този случай особено DSC, е в състояние да извлече много ценна информация за този процес въз основа само на няколко измервания.
Трите вида използвани нишестета (маниоково, картофено и оризово) могат ясно да се разграничат едно от друго в първата фаза на нагряване (фигура 1). Кривите на DSC се различават значително и само оризовото нишесте показва допълнителен ендотермичен ефект над 100 °C.