Koolhydraten - Een van de belangrijkste energiebronnen van onsLichaam
Naast eiwitten en vetten zijn koolhydraten een van de drie macronutriënten in een menselijke voeding. Ze omvatten mono-, di- en oligosachariden zoals suikers, maar ook polysachariden zoals cellulose of zetmeel.
Zetmeel is van plantaardige oorsprong en zit onder andere in aardappelen, rijst, granen en cassave (maniok). Het wordt voornamelijk toegepast in de voedingsmiddelen- en drankensector. In de voedingsindustrie wordt zetmeel voornamelijk gebruikt als verdikkings-, geleer-, emulgeer- of stabilisatiemiddel. Vaak wordt het alleen toegevoegd in small concentraties. Toch kan het een aanzienlijke invloed hebben op de texturale en organoleptische (kleur, geur, uiterlijk, smaak, enz.) eigenschappen van voedsel.
In 2022 bedroeg de geschatte wereldwijde zetmeelproductie ongeveer 134 miljoen ton, met China als de grootste zetmeelmarkt, gevolgd door de VS [1]. Het populairste type zetmeel dat wereldwijd wordt verhandeld is maniokzetmeel (of tapiocazetmeel), met maïszetmeel op de tweede plaats [2].
Als zetmeel in zijn oorspronkelijke vorm wordt gebruikt, staat het als "zetmeel" in de ingrediëntenlijst. Maar als de stof chemisch wordt veranderd, dan wordt het een additief met een E-nummer (bijvoorbeeld E1404 voor geoxideerd zetmeel of E1420 voor geacetyleerd zetmeel) en verschijnt het als "gemodificeerd zetmeel" in de ingrediëntenlijst. Vergeleken met natief zetmeel is gemodificeerd zetmeel stabieler tegen hitte, kou of een zure omgeving [3].
Waar bestaat zetmeel uit?
Zetmeel is een polymeer met lange ketens die bestaat uit amylose en amylopectine in verschillende verhoudingen, afhankelijk van het type zetmeel en de bron. In de regel ligt het amylosegehalte tussen 15% en 30%, wat resulteert in een amylopectinegehalte tussen 70% en 85% van het gewicht [4]. Zuiver zetmeel is een wit, smaakloos en geurloos poeder dat onoplosbaar is in koud water of alcohol [5].
Wat gebeurt er in de aanwezigheid van water?
Wanneer zetmeel wordt verhit in contact met voldoende water (bijvoorbeeld tijdens het koken of bakken), vindt gelatinering plaats. Tijdens de verhitting dringt water door in de korrels en beginnen de moleculen in de korrels zich te herschikken. Dit leidt tot zwelling totdat de buitenste lagen van de korrels worden verstoord. De korrels beginnen af te breken. Amylose en amylopectine diffunderen gedeeltelijk in de omgeving en dispergeren in de oplossing [10]. Het resultaat is een dikke en viskeuze zetmeelpasta of -gel die helpt om de verschillende componenten - bijvoorbeeld die van een gebakje - bij elkaar te houden.
Het gelatinisatieproces kan worden gevolgd door DSC en produceert een EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect. De hoeveelheid water speelt echter een belangrijke rol. Bij een laag watergehalte kan slechts een beperkte zwelling of onvolledige gelatinering van de zetmeelkorrels worden waargenomen, en zelfs bij hogere watergehaltes (water:zetmeel = 1,5:1 of hoger) geeft de DSC-EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm niet altijd het volledige proces weer [7].
Tijdens het afkoelen ondergaat zetmeel een overgang van wanorde naar orde. Het gegelatineerde zetmeel kristalliseert opnieuw, er komt water vrij en de stof wordt steviger. Dit proces wordt retrogradatie genoemd. Dit is de reden waarom brood na een tijdje muf wordt, vooral als het bij lagere temperaturen wordt bewaard (koele temperaturen bevorderen dit proces).
Hoe gedraagt zetmeel zich tijdens verwarmen en koelen?
Om de thermische eigenschappen te bestuderen, werden verschillende soorten in de handel verkrijgbaar natief zetmeel (zie tabel 1) tweemaal verwarmd in combinatie met water (50 wt% zetmeel en 50 wt% water) in een DSC in gesloten aluminium kroezen (Concavus®) met een verwarmingssnelheid van 5 K/min tot 140 °C en tot RT in een stikstofatmosfeer.
Tabel 1: Monstermassa's (alleen zetmeel) voor de verschillende soorten zetmeel
| Type zetmeel | Zetmeelmassa (mg) | Temperatuur van de1e piek (°C) |
|---|---|---|
| Maniok | 12.76 | 67.4 |
| Aardappel | 12.62 | 62.3 |
| Rijst | 12.93 | 67.0 |
Tijdens de eerste verhitting van de verschillende zetmeelsoorten zijn verschillende endotherme DSC-effecten zichtbaar (zie figuur 1). Enerzijds treedt een eerste hoofdpiek met een extra (enigszins geprononceerde) schouder op bij maniok- en aardappelzetmeel, waarbij het effect bij aardappelzetmeel verschuift naar iets lagere temperaturen. Anderzijds vertoont het DSC-profiel voor rijstzetmeel drie pieken, waarvan één bij een veel hogere temperatuur (piektemperatuur bij 107°C) dan de andere.
De effecten in het temperatuurbereik rond 60°C tot 70°C weerspiegelen het gelatineringsproces. Het endotherme effect rond 107°C (met betrekking tot rijstzetmeel) komt waarschijnlijk overeen met een amylase-lipide complex dat ook boven 100°C werd bepaald in andere rijststudies [8, 9].
Literatuur (bijvoorbeeld samengevat in [6]) zegt dat tijdens verhitting niet alleen gelatinering maar ook Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten optreedt. Volgens deze theorie komt Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten tijdens verhitting overeen met een EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect bij hogere temperaturen en is het typisch voor lage waterconcentraties, terwijl gelatinering optreedt in de aanwezigheid van een overmaat aan water (meer dan 70% voor de meeste zetmelen) en overeenkomt met een lagere temperatuur EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm in de DSC-curve. Bij intermediaire vochtgehaltes kunnen beide processen worden waargenomen, wat goed past bij het onderhavige geval (figuur 2) en leidt tot piektemperaturen van 67°C en 80°C voor bijvoorbeeld het maniokzetmeel.
Tijdens gecontroleerd afkoelen (met 10 K/min) na de1e verhitting zijn exotherme gebeurtenissen zichtbaar in het temperatuurbereik tussen ongeveer 75°C en 95°C (figuur 3).
De meeste van deze effecten lijken onomkeerbaar te zijn, want in de corresponderende tweede verhittingsstappen (figuur 4, bij een verhittingssnelheid van 5 K/min) vertoont alleen rijstzetmeel weer een EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect bij ongeveer 108°C (piektemperatuur), wat vergelijkbaar is met het EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect in figuur 2. Er zijn echter enkele zeer bijkomende exotherme effecten zichtbaar in het temperatuurbereik tussen ongeveer 60°C en 80°C. Er zijn echter enkele zeer small aanvullende exotherme effecten zichtbaar in het temperatuurbereik tussen ongeveer 60°C en 80°C. Dit leidt tot de veronderstelling dat de structurele herschikking die plaatsvond tijdens het afkoelen nog niet klaar was voordat de tweede verhitting begon.
In de literatuur [10] kunnen we lezen dat wanneer een gegelatineerd zetmeel wordt afgekoeld, de vrijgekomen amylose en amylopectine (chemische structuren in figuur 1) beginnen te retrograderen en de verspreide amylose moleculen beginnen te reassociëren, wat leidt tot de vorming van een driedimensionaal netwerk. Het kan worden beschreven als "een samengestelde gel van onopgeloste korrelresten ingebed in een continue matrix van verstrengelde amylose polymeerketens en gescheiden, sterk vertakte amylopectinemoleculen".
Conclusie
Hoewel zetmeel vaak thuis wordt gebruikt, blijkt het een materiaal te zijn met een vrij complex gedrag. Zowel het toegepaste temperatuurregime als de hoeveelheid water in het mengsel hebben invloed op de gelatinering. Thermische analyse, en hier vooral DSC, is echter in staat om veel waardevolle informatie over dit proces te verzamelen op basis van slechts een paar metingen.
De drie gebruikte zetmeelsoorten (maniokzetmeel, aardappelzetmeel en rijstzetmeel) zijn duidelijk van elkaar te onderscheiden in de eerste verwarmingsfase (figuur 1). De DSC-curves verschillen aanzienlijk en alleen rijstzetmeel vertoont een extra EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect boven 100°C.