Υδατάνθρακες - Μία από τις κύριες πηγές ενέργειας του οργανισμού μαςΣώματος
Μαζί με τις πρωτεΐνες και τα λιπαρά, οι υδατάνθρακες είναι ένα από τα τρία μακροθρεπτικά συστατικά της ανθρώπινης διατροφής. Περιλαμβάνουν μονο-, δι- και ολιγοσακχαρίτες όπως τα σάκχαρα καθώς και πολυσακχαρίτες όπως η κυτταρίνη ή το άμυλο.
Το άμυλο είναι φυτικής προέλευσης και βρίσκεται σε πηγές όπως οι πατάτες, το ρύζι, τα δημητριακά και η μανιόκα. Το πεδίο εφαρμογής του είναι κυρίως ο τομέας των τροφίμων και των ποτών. Στη βιομηχανία τροφίμων, το άμυλο χρησιμοποιείται κυρίως ως μέσο πύκνωσης, πηκτωματοποίησης, γαλακτωματοποίησης ή σταθεροποίησης. Συχνά, προστίθεται μόνο σε συγκεντρώσεις small. Παρ' όλα αυτά, μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στις υφολογικές και οργανοληπτικές (χρώμα, οσμή, εμφάνιση, γεύση κ.λπ.) ιδιότητες των τροφίμων.
Το 2022, η εκτιμώμενη παγκόσμια παραγωγή αμύλου ανήλθε σε περίπου 134 εκατομμύρια τόνους, με την Κίνα να αποτελεί τη μεγαλύτερη αγορά αμύλου, ακολουθούμενη από τις ΗΠΑ [1]. Ο πιο δημοφιλής τύπος αμύλου που διακινείται παγκοσμίως είναι το άμυλο μανιόκας (ή ταπιόκας), με το άμυλο καλαμποκιού να βρίσκεται στη δεύτερη θέση [2].
Εάν το άμυλο χρησιμοποιείται στη φυσική του μορφή, εμφανίζεται ως "άμυλο" στον κατάλογο των συστατικών. Εάν όμως η ουσία τροποποιηθεί χημικά, τότε γίνεται πρόσθετο με αριθμό Ε (για παράδειγμα, Ε1404 για οξειδωμένο άμυλο ή Ε1420 για ακετυλιωμένο άμυλο) και εμφανίζεται ως "τροποποιημένο άμυλο" στον κατάλογο των συστατικών. Σε σύγκριση με το εγγενές άμυλο, το τροποποιημένο άμυλο είναι πιο σταθερό έναντι της θερμότητας, του ψύχους ή του όξινου περιβάλλοντος [3].
Από τι αποτελείται το άμυλο
Το άμυλο είναι ένα πολυμερές μακράς αλυσίδας που αποτελείται από αμυλόζη και αμυλοπηκτίνη σε διαφορετικές αναλογίες, ανάλογα με τον τύπο και την πηγή του αμύλου. Κατά κανόνα, η περιεκτικότητα σε αμυλόζη κυμαίνεται μεταξύ 15% και 30%, με αποτέλεσμα η περιεκτικότητα σε αμυλοπηκτίνη να κυμαίνεται μεταξύ 70% και 85% κατά βάρος [4]. Το καθαρό άμυλο είναι μια λευκή, άγευστη και άοσμη σκόνη που είναι αδιάλυτη σε κρύο νερό ή αλκοόλη [5].
Τι συμβαίνει παρουσία νερού
Όταν το άμυλο θερμαίνεται σε επαφή με επαρκή ποσότητα νερού (για παράδειγμα, κατά το μαγείρεμα ή το ψήσιμο), λαμβάνει χώρα ζελατινοποίηση. Ενώ θερμαίνεται, το νερό διεισδύει στους κόκκους και τα μόρια μέσα στους κόκκους αρχίζουν να ευθυγραμμίζονται εκ νέου. Αυτό οδηγεί σε διόγκωση μέχρι να διασπαστούν τα εξωτερικά στρώματα των κόκκων. Οι κόκκοι αρχίζουν να διασπώνται. Η αμυλόζη και η αμυλοπηκτίνη διαχέονται εν μέρει στο περιβάλλον και διασκορπίζονται στο διάλυμα [10]. Το αποτέλεσμα είναι μια παχύρρευστη και παχύρρευστη πάστα ή γέλη αμύλου, η οποία συμβάλλει στη συγκράτηση των διαφόρων συστατικών - π.χ. αυτών ενός γλυκίσματος - μεταξύ τους.
Η διαδικασία ζελατινοποίησης μπορεί να παρακολουθείται με DSC και παράγει ένα ενδοθερμικό αποτέλεσμα. Ωστόσο, η ποσότητα του νερού παίζει σημαντικό ρόλο. Σε χαμηλή περιεκτικότητα σε νερό, μπορεί να παρατηρηθεί μόνο περιορισμένη διόγκωση ή ατελής ζελατινοποίηση των κόκκων αμύλου, και ακόμη και σε υψηλότερες περιεκτικότητες σε νερό (νερό:άμυλο = 1,5:1 ή υψηλότερη), η ενδόθερμη DSC δεν αντιπροσωπεύει πάντα ολόκληρη τη διαδικασία [7].
Κατά τη διάρκεια της ψύξης, το άμυλο υφίσταται μια μετάβαση από την αταξία στην τάξη. Το ζελατινοποιημένο άμυλο κρυσταλλώνεται ξανά, το νερό απελευθερώνεται και η ουσία γίνεται πιο σταθερή. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται αναβαθμισμός. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το ψωμί γίνεται μπαγιάτικο μετά από λίγο καιρό, ειδικά όταν αποθηκεύεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (οι χαμηλές θερμοκρασίες ευνοούν αυτή τη διαδικασία).
Πώς συμπεριφέρεται το άμυλο κατά τη θέρμανση και την ψύξη
Για τη μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων τους, διάφορα είδη εμπορικά διαθέσιμων εγγενών αμύλων (βλέπε πίνακα 1) θερμάνθηκαν δύο φορές σε συνδυασμό με νερό (50 % κ.β. άμυλο και 50 % κ.β. νερό) σε DSC σε κλειστά χωνευτήρια αλουμινίου (Concavus®) με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min μέχρι τους 140°C και μέχρι την RT σε ατμόσφαιρα αζώτου.
Πίνακας 1: Μάζες δειγμάτων (μόνο άμυλο) για τους διάφορους τύπους αμύλου
| Τύπος αμύλου | Μάζα αμύλου (mg) | Θερμοκρασία της1ης κορυφής (°C) |
|---|---|---|
| Μανιόκα | 12.76 | 67.4 |
| Πατάτα | 12.62 | 62.3 |
| Ρύζι | 12.93 | 67.0 |
Κατά την πρώτη θέρμανση των διαφόρων τύπων αμύλου, είναι ορατά διάφορα ενδοθερμικά αποτελέσματα DSC (βλέπε σχήμα 1). Αφενός, μια πρώτη κύρια κορυφή με έναν πρόσθετο (κάπως έντονο) ώμο εμφανίζεται με το άμυλο μανιόκας και το άμυλο πατάτας, ενώ το φαινόμενο με το άμυλο πατάτας μετατοπίζεται σε ελαφρώς χαμηλότερες θερμοκρασίες. Από την άλλη πλευρά, το προφίλ DSC για το άμυλο ρυζιού παρουσιάζει τρεις κορυφές, η μία από τις οποίες βρίσκεται σε πολύ υψηλότερη θερμοκρασία (θερμοκρασία κορυφής στους 107°C) από τις άλλες.
Οι επιδράσεις στην περιοχή θερμοκρασιών γύρω στους 60°C έως 70°C αντικατοπτρίζουν τη διαδικασία ζελατινοποίησης. Το ενδοθερμικό φαινόμενο γύρω από τους 107°C (όσον αφορά το άμυλο ρυζιού) αντιστοιχεί πιθανώς σε ένα σύμπλοκο αμυλάσης-λιπιδίων, το οποίο προσδιορίστηκε επίσης πάνω από τους 100°C σε άλλες μελέτες για το ρύζι [8, 9].
Η βιβλιογραφία (π.χ., συνοπτικά στο [6]) αναφέρει ότι κατά τη θέρμανση δεν συμβαίνει μόνο ζελατινοποίηση αλλά και τήξη. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, η τήξη κατά τη θέρμανση αντιστοιχεί σε ένα ενδοθερμικό φαινόμενο σε υψηλότερες θερμοκρασίες και είναι χαρακτηριστικό για χαμηλές συγκεντρώσεις νερού, ενώ η ζελατινοποίηση συμβαίνει παρουσία περίσσειας νερού (πάνω από 70% για τα περισσότερα άμυλα) και αντιστοιχεί σε μια χαμηλότερη θερμοκρασία ενδοθερμίας στην καμπύλη DSC. Σε ενδιάμεσες περιεκτικότητες υγρασίας μπορούν να παρατηρηθούν και οι δύο διεργασίες, γεγονός που ταιριάζει καλά με την παρούσα περίπτωση (σχήμα 2) και οδηγεί σε θερμοκρασίες κορυφής 67°C και 80°C για το άμυλο μανιόκας, για παράδειγμα.
Κατά την ελεγχόμενη ψύξη (με 10 K/min) μετάτην 1η θέρμανση, είναι ορατά εξώθερμα γεγονότα στην περιοχή θερμοκρασιών μεταξύ περίπου 75°C και 95°C (σχήμα 3).
Οι περισσότερες από αυτές τις επιδράσεις φαίνεται να είναι μη αναστρέψιμες, διότι στα αντίστοιχα δεύτερα στάδια θέρμανσης (σχήμα 4, με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min), μόνο το άμυλο ρυζιού εμφανίζει και πάλι ενδοθερμικό φαινόμενο στους 108°C περίπου (μέγιστη θερμοκρασία), το οποίο είναι συγκρίσιμο με το ενδοθερμικό φαινόμενο που εμφανίζεται στο σχήμα 2. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα πολύ small, πρόσθετα εξώθερμα φαινόμενα που είναι ορατά στην περιοχή θερμοκρασιών μεταξύ περίπου 60°C και 80°C. Αυτό οδηγεί στην υπόθεση ότι η δομική αναδιάταξη που έλαβε χώρα κατά την ψύξη δεν είχε ακόμη ολοκληρωθεί πριν από την έναρξη της δεύτερης θέρμανσης.
Στη βιβλιογραφία [10], διαβάζουμε ότι όταν ένα ζελατινοποιημένο άμυλο ψύχεται, η απελευθερωμένη αμυλόζη και η αμυλοπηκτίνη (χημικές δομές στο σχήμα 1) αρχίζουν να αναδρομολογούνται και τα διασκορπισμένα μόρια αμυλόζης αρχίζουν να επανασυνδέονται, οδηγώντας στο σχηματισμό ενός τρισδιάστατου δικτύου. Μπορεί να περιγραφεί ως "ένα σύνθετο πήκτωμα από αδιάλυτα υπολείμματα κόκκων ενσωματωμένα σε μια συνεχή μήτρα περιπλεγμένων πολυμερικών αλυσίδων αμυλόζης και διαχωρισμένων, εξαιρετικά διακλαδισμένων μορίων αμυλοπηκτίνης".
Συμπέρασμα
Αν και χρησιμοποιείται συχνά στο σπίτι, το άμυλο αποδεικνύεται ένα υλικό με αρκετά σύνθετη συμπεριφορά. Τόσο το εφαρμοζόμενο καθεστώς θερμοκρασίας όσο και η ποσότητα νερού στο μείγμα επηρεάζουν την ζελατινοποίησή του. Ωστόσο, η θερμική ανάλυση, και εδώ ειδικά η DSC, είναι ικανή να αντλήσει πολλές πολύτιμες πληροφορίες για τη διαδικασία αυτή με βάση λίγες μόνο μετρήσεις.
Οι τρεις τύποι αμύλου που χρησιμοποιήθηκαν (άμυλο μανιόκας, άμυλο πατάτας και άμυλο ρυζιού) μπορούν να διακριθούν σαφώς μεταξύ τους στην πρώτη φάση θέρμανσης (σχήμα 1). Οι καμπύλες DSC διαφέρουν σημαντικά και μόνο το άμυλο ρυζιού εμφανίζει πρόσθετο ενδοθερμικό φαινόμενο πάνω από τους 100°C.