Sacharidy - jeden z hlavních energetických zdrojů naší planety
Sacharidy jsou vedle bílkovin a tuků jednou ze tří makroživin v lidské stravě. Patří mezi ně mono-, di- a oligosacharidy, jako jsou cukry, a polysacharidy, jako je celulóza nebo škrob.
Škrob je rostlinného původu a nachází se například v bramborách, rýži, obilovinách a manioku. Jeho oblast použití je především potravinářský a nápojový sektor. V potravinářském průmyslu se škrob používá především jako zahušťovadlo, želírující, emulgující nebo stabilizační činidlo. Často se přidává pouze v koncentracích small. Přesto může mít významný vliv na texturní a organoleptické (barva, vůně, vzhled, chuť atd.) vlastnosti potravin.
V roce 2022 činila odhadovaná celosvětová produkce škrobu přibližně 134 milionů tun, přičemž největším trhem se škrobem byla Čína, následovaná USA [1]. Nejoblíbenějším druhem škrobu, se kterým se celosvětově obchoduje, je maniokový (neboli tapiokový) škrob, na druhém místě je kukuřičný škrob [2].
Pokud se škrob používá ve své původní formě, je v seznamu složek uveden jako "škrob". Pokud je však látka chemicky upravena, stává se přídatnou látkou s číslem E (například E1404 pro oxidovaný škrob nebo E1420 pro acetylovaný škrob) a v seznamu složek se zobrazuje jako "modifikovaný škrob". Ve srovnání s nativním škrobem je modifikovaný škrob stabilnější vůči teplu, chladu nebo kyselému prostředí [3].
Z čeho se skládá škrob?
Škrob je polymer s dlouhým řetězcem, který se skládá z amylózy a amylopektinu v různém poměru v závislosti na typu a zdroji škrobu. Obsah amylózy se zpravidla pohybuje mezi 15 a 30 %, což vede k obsahu amylopektinu mezi 70 a 85 % hmotnosti [4]. Čistý škrob je bílý prášek bez chuti a zápachu, který je nerozpustný ve studené vodě nebo alkoholu [5].
Co se děje v přítomnosti vody?
Při zahřátí škrobu v kontaktu s dostatečným množstvím vody (například při vaření nebo pečení) dochází k želatinizaci. Voda při zahřívání proniká do granulí a molekuly uvnitř granulí se začnou přeskupovat. To vede k bobtnání, až se naruší vnější vrstvy granulí. Granule se začnou rozpadat. Amylóza a amylopektin částečně difundují do okolního prostředí a rozptylují se v roztoku [10]. Výsledkem je hustá a viskózní škrobová pasta nebo gel, který pomáhá udržet různé složky - např. složky pečiva - pohromadě.
Proces želatinizace lze sledovat pomocí DSC a vyvolává endotermický efekt. Důležitou roli však hraje množství vody. Při nízkém obsahu vody lze pozorovat pouze omezené bobtnání nebo neúplnou želatinizaci škrobových granulí a ani při vyšším obsahu vody (voda:škrob = 1,5:1 a více) endoterma DSC ne vždy reprezentuje celý proces [7].
Během ochlazování prochází škrob přechodem z neuspořádanosti do uspořádanosti. Želatinizovaný škrob opět krystalizuje, uvolňuje se voda a látka se stává pevnější. Tento proces se nazývá retrogradace. To je důvod, proč chléb po určité době ztvrdne, zejména při skladování za nižších teplot (nízké teploty tomuto procesu svědčí).
Jak se chová škrob při zahřívání a chlazení?
Za účelem studia tepelných vlastností byly různé druhy komerčně dostupných nativních škrobů (viz tabulka 1) dvakrát zahřívány v kombinaci s vodou (50 % hm. škrobu a 50 % hm. vody) v DSC v uzavřených hliníkových kelímcích (Concavus®) při rychlosti zahřívání 5 K/min na 140 °C a do RT v dusíkové atmosféře.
Tabulka 1: Hmotnosti vzorků (pouze škrob) pro různé typy škrobu
| Typ škrobu | Hmotnost škrobu (mg) | Teplota1. píku (°C) |
|---|---|---|
| Maniok | 12.76 | 67.4 |
| Brambory | 12.62 | 62.3 |
| Rýže | 12.93 | 67.0 |
Během prvního zahřívání různých typů škrobu je patrných několik endotermických efektů DSC (viz obrázek 1). Na jedné straně se u maniokového a bramborového škrobu objevuje první hlavní pík s dalším (poněkud výraznějším) ramenem, přičemž efekt u bramborového škrobu je posunut do mírně nižších teplot. Na druhé straně DSC profil rýžového škrobu vykazuje tři píky, z nichž jeden je při mnohem vyšší teplotě (teplota píku při 107 °C) než ostatní.
Efekty v teplotním rozmezí kolem 60 °C až 70 °C odrážejí proces želatinizace. Endotermický efekt kolem 107 °C (týkající se rýžového škrobu) pravděpodobně odpovídá amylázovo-lipidovému komplexu, který byl v jiných studiích rýže stanoven i nad 100 °C [8, 9].
Literatura (např. shrnutá v [6]) uvádí, že při zahřívání dochází nejen k želatinizaci, ale také k tavení. Podle této teorie tání při zahřívání odpovídá endotermnímu efektu při vyšších teplotách a je typické pro nízké koncentrace vody, zatímco želatinizace probíhá v přítomnosti přebytku vody (více než 70 % u většiny škrobů) a odpovídá nižší teplotní endotermě na DSC křivce. Při středním obsahu vlhkosti lze pozorovat oba procesy, což dobře odpovídá současnému případu (obr. 2) a vede k teplotním vrcholům 67 °C a 80 °C například u maniokového škrobu.
Během řízeného ochlazování (rychlostí 10 K/min) poprvním ohřevu jsou patrné exotermické jevy v teplotním rozmezí přibližně 75 °C až 95 °C (obr. 3).
Zdá se, že většina těchto účinků je nevratná, protože v odpovídajících druhých krocích ohřevu (obrázek 4, při rychlosti ohřevu 5 K/min) vykazuje endotermický účinek opět pouze rýžový škrob při teplotě přibližně 108 °C (maximální teplota), což je srovnatelné s endotermickým účinkem, který se objevuje na obrázku 2. V teplotním rozsahu mezi cca 60 °C a 80 °C jsou však patrné další exotermické efekty, které jsou velmi small. To vede k domněnce, že strukturní přestavba, která proběhla během chlazení, ještě nebyla dokončena před zahájením druhého ohřevu.
V literatuře [10] se můžeme dočíst, že když se želatinizovaný škrob ochladí, uvolněná amylóza a amylopektin (chemické struktury na obrázku 1) se začnou zpětně přesouvat a rozptýlené molekuly amylózy se začnou znovu spojovat, což vede k vytvoření trojrozměrné sítě. Lze ji popsat jako "kompozitní gel z nerozpuštěných zbytků granulí vložených do souvislé matrice zapletených polymerních řetězců amylosy a oddělených, vysoce rozvětvených molekul amylopektinu".
Závěr
Ačkoli se škrob často používá v domácnosti, ukazuje se, že jde o materiál, který vykazuje poměrně složité chování. Na jeho želatinizaci má vliv jak použitý teplotní režim, tak množství vody ve směsi. Nicméně termická analýza, a zde zejména DSC, je schopna získat mnoho cenných informací o tomto procesu na základě pouhých několika měření.
Tři použité typy škrobu (maniokový, bramborový a rýžový) lze v první fázi zahřívání od sebe jasně odlišit (obrázek 1). DSC křivky se výrazně liší a pouze rýžový škrob vykazuje nad 100 °C další endotermický efekt.