Einleitung
Stärke ist ein Polysaccharid, das aus Amylose und Amylopektin besteht, und in vielen essbaren Pflanzen wie Kartoffeln, Weizen, Reis usw. vorkommt. In der pharmazeutischen Industrie wird sie als Bindemittel beim Pressen von Tabletten und als Sprengmittel, wenn die Tablette Feuchtigkeit ausgesetzt wird, verwendet. Stärke spielt auch eine wichtige Rolle in der Lebensmittelindustrie, wo sie als Verdickungsmittel und Stabilisator in Soßen und Puddings Anwendung findet. Ähnlich wie in der Lebensmittelindustrie kann sie in der Papierund Holzverarbeitung als umweltfreundlicher Kleber eingesetzt werden. Stärkehaltige Kleber reagieren auf Feuchtigkeit und Temperatur, was in der Verpackungsindustrie nützlich ist. Zudem wird modifizierte Stärke in Farben, Lacken und Kosmetikprodukten als Verdickungsmittel genutzt. Die Viskositätsmessung durch die RVA-Kurve kann helfen, die Fließeigenschaften für industrielle Anwendungen zu optimieren.
Beim Erhitzen in einer Flüssigkeit quellen die Stärkekörner auf und gehen von einem teilkristallinen in einen gelartigen Zustand über. Dieser als Verkleisterung bezeichnete Prozess geht mit Änderungen der Struktur und der Fließeigenschaften der Stärke einher. Er kann durch die Untersuchung des rheologischen Verhaltens von Stärke unter kontrollierten Temperaturbedingungen simuliert werden. Aber auch die Produktqualität lässt sich anhand der relevanten rheologischen Parameter bewerten.
Messbedingungen und Probenhalter – speziell für die Stärkeprüfung
Im Folgenden wird der Einfluss der Verkleisterung auf die Scherviskosität von Reisstärke mit dem Rotationsrheometer Kinexus untersucht. Dazu wird eine spezielle Geometrie für Stärke verwendet. Sie besteht aus einem Becherglas und einem zwei-flügeligen Mischpaddel (Abbildung 1).
Eine Probe, bestehend aus 25 g Wasser und 5 g Stärke, wurde untersucht. Die Messbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Das gewählte Temperaturprogramm ist typisch für die Untersuchung und die Bewertung der Adhäsionseigenschaften von Stärke. Die resultierende Scherviskositätskurve wird als RVA-Kurve (engl. Rapid Visco-Analyzer Curve) bezeichnet.
Tabelle 1: Messbedingungen
| Stufe | Temperatur [°C] | Scherrate [s-1] | Zeit [s] |
|---|---|---|---|
| Vorscherung | 50 | 200 | 30 |
| 1 | 50 | 54 | 60 |
| 2 | 50 - 95, 6 K/min | 54 | - |
| 3 | 95 | 54 | 150 |
| 4 | 95 - 50, 6 K/min | 54 | - |
| 5 | 60 | 54 | 60 |
Messergebnisse
Abbildung 2 zeigt eine Verkleisterungskurve von Reisstärke, die nach dem oben beschriebenen Prüfverfahren ermittelt wurde. Zu Beginn des Versuchs wird die Temperatur schrittweise erhöht. Vor Erreichen der Verkleisterungstemperatur befindet sich die Stärke in einem geordneten kristallinen Zustand und kann weder Wasser aufnehmen noch quellen. Die Viskositätskurve ändert sich nicht und die Viskosität bleibt konstant.
Bei weiterer Temperaturerhöhung nimmt die Viskosität zu. Die Stärkekörner beginnen zu gelieren, die Kristalle brechen auf und die usprüngliche geordnete Struktur geht verloren. Der entsprechende Punkt in der Temperaturkurve, die so genannte Verkleisterungstemperatur (engl. pasting temperature), hängt im Allgemeinen vom Verhältnis von Amylose zu Amylopektin ab.
Bei weiterer Aufheizung steigt auch die Viskosität weiter an. Bei einer bestimmten Temperatur erreicht die Viskosität ihr Maximum (peak viscosity), die sogenannte Spitzenviskosität. Hier nehmen die Stärketeilchen Wasser auf, quellen auf und dehnen sich maximal aus.
Eine niedrige Peakviskosität deutet auf eine geringe Quellfähigkeit der Stärke hin, die das Verkleistern oder Kochen erschwert.
Nach Überschreiten der Peak-Viskosität kann die Stärke aufgrund der vollständigen Wasseraufnahme und Quellung kein Wasser mehr aufnehmen. Daher wird die Struktur der Stärkepaste unter starkem Rühren mit der Zeit immer weiter zerstört, so dass die Molekülketten aufbrechen. Dadurch sinkt die Viskosität bis zu einem bestimmten Mindestwert, der auch als Halteviskosität (Trough Viscosity) oder Heißklebeviskosität (Hot Paste Viscosity) bezeichnet wird. Sie tritt normalerweise am Ende der isothermen Periode oder zu Beginn der Abkühlung auf. Die Zerstörung der Struktur hängt von der Zusammensetzung der Stärke ab.
Die Differenz zwischen maximaler und minimaler Viskosität wird als Zerfallswert (engl. breakdown) bezeichnet, der zur quantitativen Beurteilung der Schädigung der Stärkestruktur herangezogen werden kann. Der Zerfall der Stärkekörner hängt vom Amylose/Amylopektin-Verhältnis und vielen anderen Faktoren, wie beispielsweise der Oberflächenbehandlung der Stärkekörner, ab.
Sinkt die Temperatur wieder auf die Ausgangstemperatur, erreicht die Viskosität erneut ein höheres Niveau, was auf die Rekristallisation der linearen Stärke während der Abkühlung, die sogenannte Retrogradation, zurückzuführen ist. Diese Viskosität wird als Endviskosität oder Kaltpastenviskosität (engl. cold paste viscosity) bezeichnet und kann als Indikator zur Beurteilung der Konsistenz, des Geschmacks oder der Alterungsgeschwindigkeit verwendet werden.
Der Unterschied zwischen der niedrigsten Viskosität und der Endviskosität wird als Retrogradationswert bezeichnet (engl. setback).
Er hängt mit der Rekombination der linearen Stärke während der Abkühlung zusammen und ist abhängig vom Gehalt an linearer Stärke, dem Quellgrad und dem Zerfall der Stärketeilchen. Je niedriger der Retrogradationswert ist, desto weicher ist die Textur des aus dieser Stärke hergestellten Produkts und desto langsamer sind Alterungs- und Aushärterate.
Fazit
Eine RVA-Kurve wurde mit dem Kinexus-Rotationsrheometer gemessen, um die Adhäsions- und Retrogradationseigenschaften von Reisstärke zu bewerten. Diese Art der Messung ist mit dem Kinexus besonders einfach durchzuführen, da die Mess- und Auswertesoftware rSpace eine speziell für die Stärkeprüfung angepasste Methode beinhaltet.
Die Interpretation und Analyse der resultierenden Kurve dient zur Vorhersage und Anpassung der Produktqualität. Die Software ermöglicht auch die Quantifizierung der subjektiven menschlichen Wahrnehmung. Beispielsweise deutet eine höhere Spitzenviskosität bei einem weichen Gebäck auf ein starkes Aufquellen hin, die das Produkt weicher und weniger zäh macht. Ein höherer Viskositätsabfall deutet auf eine Struktur mit geringer Wärme- und Scherstabilität. Eine hohe Endviskosität weist auf eine stärkere Retrogradation (Reassoziation von Amylose) hin, die ein festeres und besser kaubares Gebäck zur Folge haben kann.