Hiilihydraatit - yksi tärkeimmistä energialähteistä meidänKehon
Hiilihydraatit ovat proteiinin ja rasvan ohella yksi ihmisen ruokavalion kolmesta makroravintoaineesta. Niihin kuuluvat mono-, di- ja oligosakkaridit, kuten sokerit, sekä polysakkaridit, kuten selluloosa tai tärkkelys.
Tärkkelys on kasviperäistä, ja sitä esiintyy esimerkiksi perunassa, riisissä, viljoissa ja manioka- eli maniokkiviljassa. Tärkkelystä käytetään pääasiassa elintarvike- ja juoma-alalla. Elintarviketeollisuudessa tärkkelystä käytetään pääasiassa sakeuttamis-, hyytelöinti-, emulgointi- tai stabilointiaineena. Usein sitä lisätään vain small pitoisuuksina. Sillä voi kuitenkin olla merkittävä vaikutus elintarvikkeiden rakenne- ja aistinvaraisiin (väri, haju, ulkonäkö, maku jne.) ominaisuuksiin.
Vuonna 2022 tärkkelyksen maailmanlaajuinen tuotanto oli arviolta noin 134 miljoonaa tonnia, ja Kiina on tärkkelyksen suurin markkina-alue, jota seuraa Yhdysvallat [1]. Suosituin tärkkelystyyppi, jolla käydään kauppaa maailmanlaajuisesti, on maniokki- (tai tapioka-) tärkkelys, ja maissitärkkelys on toisella sijalla [2].
Jos tärkkelystä käytetään sellaisenaan, se mainitaan ainesosaluettelossa "tärkkelyksenä". Jos tärkkelystä kuitenkin muutetaan kemiallisesti, siitä tulee lisäaine, jolla on E-numero (esimerkiksi E1404 hapetetulle tärkkelykselle tai E1420 asetyloidulle tärkkelykselle), ja se merkitään ainesosaluetteloon "muunnettu tärkkelys". Alkuperäiseen tärkkelykseen verrattuna muunnettu tärkkelys on vakaampi lämpöä, kylmää tai hapanta ympäristöä vastaan [3].
Mistä tärkkelys koostuu?
Tärkkelys on pitkäketjuinen polymeeri, joka koostuu amyloosista ja amylopektiineistä vaihtelevassa suhteessa tärkkelystyypin ja -lähteen mukaan. Yleensä amyloosipitoisuus on 15-30 prosenttia ja amylopektiinipitoisuus 70-85 painoprosenttia [4]. Puhdas tärkkelys on valkoista, mautonta ja hajutonta jauhetta, joka ei liukene kylmään veteen tai alkoholiin [5].
Mitä tapahtuu veden läsnä ollessa?
Kun tärkkelystä kuumennetaan riittävän vesimäärän kanssa (esimerkiksi ruoanlaiton tai leivonnan aikana), se hyytelöityy. Kuumennettaessa vesi tunkeutuu rakeisiin ja rakeiden sisällä olevat molekyylit alkavat järjestäytyä uudelleen. Tämä johtaa paisumiseen, kunnes rakeiden uloimmat kerrokset rikkoutuvat. Rakeet alkavat hajota. Amyloosi ja amylopektiini diffundoituvat osittain ympäröivään ympäristöön ja hajoavat liuokseen [10]. Tuloksena on paksu ja viskoosi tärkkelyspasta tai -geeli, joka auttaa pitämään eri komponentit - esimerkiksi leivonnaisen osat - yhdessä.
Gelatinoitumisprosessia voidaan seurata DSC:llä, ja se aiheuttaa endotermisen vaikutuksen. Veden määrällä on kuitenkin tärkeä merkitys. Pienellä vesipitoisuudella voidaan havaita vain rajallinen turvotus tai tärkkelysrakeiden epätäydellinen gelatinoituminen, ja jopa suuremmilla vesipitoisuuksilla (vesi:tärkkelys = 1,5:1 tai suurempi) DSC-endotermi ei aina edusta koko prosessia [7].
Jäähdytyksen aikana tärkkelyksessä tapahtuu siirtymä epäjärjestyksestä järjestykseen. Gelatinoitunut tärkkelys kiteytyy uudelleen, vettä vapautuu ja aine muuttuu kiinteämmäksi. Tätä prosessia kutsutaan retrogradoitumiseksi. Tämä on syy siihen, miksi leipä muuttuu jonkin ajan kuluttua tunkkaiseksi, erityisesti kun sitä säilytetään alhaisissa lämpötiloissa (viileät lämpötilat suosivat tätä prosessia).
Miten tärkkelys käyttäytyy lämmityksen ja jäähdytyksen aikana?
Lämpöominaisuuksien tutkimiseksi erilaisia kaupallisesti saatavilla olevia natiiveja tärkkelyksiä (ks. taulukko 1) kuumennettiin kahdesti yhdessä veden kanssa (50 painoprosenttia tärkkelystä ja 50 painoprosenttia vettä) DSC-laitteessa suljetuissa alumiinisäiliöissä (Concavus®) lämmitysnopeudella 5 K/min 140 °C:een ja lämpötilaan typpi-ilmakehässä.
Taulukko 1: Näytteiden massat (pelkkä tärkkelys) eri tärkkelystyypeille
| Tärkkelystyyppi | Tärkkelyksen massa (mg) | Ensimmäisen piikin lämpötila (°C) |
|---|---|---|
| Maniokki | 12.76 | 67.4 |
| Peruna | 12.62 | 62.3 |
| Riisi | 12.93 | 67.0 |
Eri tärkkelystyyppien ensimmäisen kuumentamisen aikana on havaittavissa useita endotermisiä DSC-ilmiöitä (ks. kuva 1). Yhtäältä maniokki- ja perunatärkkelyksellä esiintyy ensimmäinen pääpiikki, jossa on lisäksi (hieman korostunut) olkapää, jolloin perunatärkkelyksen vaikutus siirtyy hieman alhaisempiin lämpötiloihin. Toisaalta riisitärkkelyksen DSC-profiilissa on kolme piikkiä, joista yksi on paljon korkeammassa lämpötilassa (huippulämpötila 107 °C) kuin muut.
Noin 60-70 °C:n lämpötila-alueella esiintyvät vaikutukset heijastavat gelatinoitumisprosessia. Riisitärkkelystä koskeva EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus noin 107 °C:n lämpötilassa vastaa oletettavasti amylaasi-lipidikompleksia, joka on määritetty yli 100 °C:n lämpötilassa myös muissa riisitutkimuksissa [8, 9].
Kirjallisuudessa (esim. yhteenveto [6]) sanotaan, että kuumentamisen aikana tapahtuu gelatinoitumisen lisäksi myös sulamista. Tämän teorian mukaan Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulaminen kuumennuksen aikana vastaa endotermistä vaikutusta korkeammissa lämpötiloissa ja on tyypillistä alhaisille vesipitoisuuksille, kun taas gelatinoituminen tapahtuu liiallisen veden läsnä ollessa (yli 70 % useimmilla tärkkelyksillä) ja vastaa matalamman lämpötilan endotermiä DSC-käyrässä. Keskimääräisillä kosteuspitoisuuksilla voidaan havaita molempia prosesseja, mikä sopii hyvin tähän tapaukseen (kuva 2) ja johtaa esimerkiksi maniokkitärkkelyksen huippulämpötiloihin 67 °C:ssa ja 80 °C:ssa.
Ensimmäisen lämmityksen jälkeisen hallitun jäähdytyksen aikana (nopeudella 10 K/min) eksotermiset tapahtumat ovat näkyvissä noin 75-95 °C:n lämpötila-alueella (kuva 3).
Useimmat näistä vaikutuksista näyttävät olevan peruuttamattomia, koska vastaavissa toisissa lämmitysvaiheissa (kuva 4, lämmitysnopeus 5 K/min) vain riisitärkkelyksellä on jälleen EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus noin 108 °C:ssa (huippulämpötila), joka on verrattavissa kuvassa 2 esiintyvään endotermiseen vaikutukseen. Joitakin hyvin small, eksotermisiä lisävaikutuksia on kuitenkin havaittavissa noin 60-80 °C:n lämpötila-alueella. Tämän perusteella voidaan olettaa, että jäähdytyksen aikana tapahtunut rakenteellinen uudelleenjärjestely ei ollut vielä päättynyt ennen toisen lämmityksen aloittamista.
Kirjallisuudesta [10] voidaan lukea, että kun hyytelöityä tärkkelystä jäähdytetään, vapautuneet amyloosi ja amylopektiini (kemialliset rakenteet kuvassa 1) alkavat taantua ja hajallaan olevat amyloosimolekyylit alkavat uudelleen assosioitua, mikä johtaa kolmiulotteisen verkon muodostumiseen. Sitä voidaan kuvata "komposiittigeeliksi, joka koostuu liukenemattomista rakeiden jäänteistä, jotka on upotettu jatkuvaan matriisiin, joka koostuu kietoutuneista amyloosipolymeeriketjuista ja erillisistä, voimakkaasti haaroittuneista amylopektiinimolekyyleistä".
Päätelmä
Vaikka tärkkelystä käytetäänkin usein kotona, se osoittautuu materiaaliksi, jonka käyttäytyminen on varsin monimutkaista. Sekä sovellettu lämpötilajärjestelmä että veden määrä seoksessa vaikuttavat sen hyytelöitymiseen. Lämpöanalyysillä, ja tässä tapauksessa erityisesti DSC:llä, voidaan kuitenkin saada paljon arvokasta tietoa tästä prosessista jo muutaman mittauksen perusteella.
Kolme käytettyä tärkkelystyyppiä (maniokkitärkkelys, peruna- ja riisitärkkelys) voidaan selvästi erottaa toisistaan ensimmäisessä kuumennusvaiheessa (kuva 1). DSC-käyrät eroavat merkittävästi toisistaan, ja ainoastaan riisitärkkelyksellä on ylimääräinen EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus yli 100 °C:n lämpötilassa.