Szénhidrátok - az egyik legfontosabb energiaforrásunkSzervezetünk
A fehérje és a zsír mellett a szénhidrátok az emberi étrend három makrotápanyagának egyike. Ide tartoznak a mono-, di- és oligoszacharidok, például a cukrok, valamint a poliszacharidok, például a cellulóz vagy a keményítő.
A keményítő növényi eredetű, és olyan forrásokban található meg, mint a burgonya, a rizs, a gabonafélék és a maniókakeményítő. Alkalmazási területe elsősorban az élelmiszer- és italágazat. Az élelmiszeriparban a keményítőt elsősorban sűrítő, zselésítő, emulgeáló vagy stabilizáló szerként használják. Gyakran csak small koncentrációban adják hozzá. Mindazonáltal jelentős hatással lehet az élelmiszerek texturális és érzékszervi (szín, szag, megjelenés, íz stb.) tulajdonságaira.
A becslések szerint 2022-ben a világ keményítőtermelése kb. 134 millió tonna volt, a legnagyobb keményítőpiac Kína, majd az Egyesült Államok következik [1]. A legnépszerűbb keményítőtípus, amellyel világszerte kereskednek, a maniókakeményítő (vagy tápióka), a második helyen a kukoricakeményítő áll [2].
Ha a keményítőt natív formájában használják, akkor az összetevők listáján "keményítő" néven szerepel. Ha azonban az anyagot kémiailag megváltoztatják, akkor E számmal ellátott adalékanyaggá válik (például E1404 az oxidált keményítő esetében vagy E1420 az acetilezett keményítő esetében), és "módosított keményítő" néven jelenik meg az összetevők listáján. A natív keményítőhöz képest a módosított keményítő stabilabb a hővel, hideggel vagy savas környezettel szemben [3].
Miből áll a keményítő?
A keményítő hosszú láncú polimer, amely a keményítő típusától és forrásától függően változó arányban amilózból és amilopektinből áll. Az amilóztartalom általában 15-30% között van, ami 70-85 tömegszázalékos amilopektintartalmat eredményez [4]. A tiszta keményítő fehér, íztelen és szagtalan por, amely hideg vízben vagy alkoholban nem oldódik [5].
Mi történik a víz jelenlétében?
Ha a keményítőt megfelelő mennyiségű vízzel érintkezve melegítjük (például főzés vagy sütés során), zselésedés következik be. A melegítés során a víz behatol a szemcsékbe, és a szemcsékben lévő molekulák elkezdenek átrendeződni. Ez duzzadáshoz vezet, amíg a szemcsék külső rétegei meg nem szakadnak. A szemcsék elkezdenek lebomlani. Az amilóz és az amilopektin részben a környezetbe diffundál és szétoszlik az oldatban [10]. Az eredmény egy sűrű és viszkózus keményítőpaszta vagy gél, amely segít a különböző - pl. egy tészta összetevőinek - összetartásában.
A zselatinizációs folyamat DSC-vel nyomon követhető, és EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatást vált ki. A víz mennyisége azonban fontos szerepet játszik. Alacsony víztartalom esetén csak korlátozott duzzadás vagy a keményítőszemcsék nem teljes zselatinizációja figyelhető meg, és még magasabb víztartalom (víz:keményítő = 1,5:1 vagy magasabb) esetén sem mindig reprezentálja a DSC-endotermia a teljes folyamatot [7].
A hűtés során a keményítő rendezetlenség-rendezettség átmenetet megy át. A zselatinizált keményítő újra kikristályosodik, a víz felszabadul, és az anyag szilárdabbá válik. Ezt a folyamatot retrográdációnak nevezzük. Ez az oka annak, hogy a kenyér egy idő után állottá válik, különösen, ha alacsonyabb hőmérsékleten tárolják (a hűvös hőmérséklet kedvez ennek a folyamatnak).
Hogyan viselkedik a keményítő a fűtés és hűtés során?
A termikus tulajdonságok tanulmányozásához különböző kereskedelmi forgalomban kapható natív keményítőket (lásd az 1. táblázatot) vízzel kombinálva (50 tömegszázalék keményítő és 50 tömegszázalék víz) kétszer melegítettünk DSC-ben zárt alumíniumtégelyekben (Concavus®) 5 K/perc fűtési sebességgel 140°C-ig és RT-ig nitrogén atmoszférában.
Táblázat: A minták tömege (csak keményítő) a különböző keményítőtípusok esetében
| Keményítő típusa | Keményítő tömege (mg) | Az1. csúcs hőmérséklete (°C) |
|---|---|---|
| Maniókakeményítő | 12.76 | 67.4 |
| Burgonya | 12.62 | 62.3 |
| Rizs | 12.93 | 67.0 |
A különböző keményítőtípusok első melegítése során több EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus DSC-hatás is megfigyelhető (lásd az 1. ábrát). Egyrészt a maniókakeményítőnél és a burgonyakeményítőnél egy első főcsúcs jelentkezik egy további (kissé hangsúlyos) válallal, ahol a burgonyakeményítőnél a hatás kissé alacsonyabb hőmérsékletre tolódik. Másrészt a rizskeményítő DSC-profilja három csúcsot mutat, amelyek közül az egyik sokkal magasabb hőmérsékleten van (107 °C-os csúcshőmérséklet), mint a többi.
A 60°C és 70°C körüli hőmérséklet-tartományban jelentkező hatások a zselésedési folyamatot tükrözik. A 107°C körüli EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatás (a rizskeményítőt illetően) feltehetően egy amiláz-lipid komplexnek felel meg, amelyet más rizses vizsgálatokban is 100°C felett határoztak meg [8, 9].
A szakirodalom (pl. összefoglalva [6]) szerint a melegítés során nemcsak zselatinizáció, hanem Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadás is bekövetkezik. Ezen elmélet szerint a melegítés során történő Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadás magasabb hőmérsékleten fellépő endoterm hatásnak felel meg, és alacsony vízkoncentrációra jellemző, míg a zselatinizáció többlet víz jelenlétében (a legtöbb keményítő esetében több mint 70%) következik be, és alacsonyabb hőmérsékletű endotermának felel meg a DSC-görbén. Közepes nedvességtartalom esetén mindkét folyamat megfigyelhető, ami jól illeszkedik a jelen esethez (2. ábra), és például a maniókakeményítő esetében 67 °C-os és 80 °C-os csúcshőmérsékleteket eredményez.
Az1. fűtést követő szabályozott hűtés során (10 K/perc sebességgel) ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus események láthatóak a kb. 75°C és 95°C közötti hőmérséklet-tartományban (3. ábra).
Úgy tűnik, hogy e hatások többsége irreverzibilis, mivel a megfelelő második fűtési lépésekben (4. ábra, 5 K/perc fűtési sebességgel) csak a rizskeményítő mutat ismét EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatást körülbelül 108°C-on (csúcshőmérséklet), ami hasonló a 2. ábrán látható EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatáshoz. Ugyanakkor a kb. 60°C és 80°C közötti hőmérséklet-tartományban további ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus hatások is megfigyelhetők small. Ez arra enged következtetni, hogy a hűtés során lezajlott szerkezeti átrendeződés még nem fejeződött be a második fűtés megkezdése előtt.
A szakirodalomban [10] olvashatjuk, hogy amikor a zselatinizált keményítőt lehűtik, a felszabaduló amilóz és amilopektin (kémiai szerkezetek az 1. ábrán) elkezd retrográd módon visszaalakulni, és a szétszórt amilózmolekulák újra asszociálódni kezdenek, ami háromdimenziós hálózat kialakulásához vezet. Ez úgy írható le, mint "a feloldatlan szemcsemaradványok összetett gélje, amely az összefonódott amilóz polimerláncok és az egymástól elválasztott, erősen elágazó amilopektinmolekulák folyamatos mátrixába ágyazódik".
Következtetés
Bár otthon gyakran használják, a keményítő meglehetősen összetett viselkedésű anyagnak bizonyul. Mind az alkalmazott hőmérsékleti rendszer, mind a keverékben lévő víz mennyisége hatással van a zselésedésére. A termikus analízis, és itt különösen a DSC, azonban már néhány mérés alapján is sok értékes információt képes kiszűrni erről a folyamatról.
A három felhasznált keményítőtípus (maniókakeményítő, burgonyakeményítő és rizskeményítő) az első melegítési fázisban egyértelműen megkülönböztethető egymástól (1. ábra). A DSC-görbék jelentősen eltérnek egymástól, és csak a rizskeményítő mutat további EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatást 100 °C felett.