Węglowodany - jedno z głównych źródeł energii dla naszego organizmuCiało
Obok białka i tłuszczu, węglowodany są jednym z trzech makroskładników w diecie człowieka. Obejmują one mono, di i oligosacharydy, takie jak cukry, a także polisacharydy, takie jak celuloza lub skrobia.
Skrobia jest pochodzenia roślinnego i występuje w takich źródłach jak ziemniaki, ryż, zboża i maniok (maniok). Obszarem jej zastosowania jest przede wszystkim sektor żywności i napojów. W przemyśle spożywczym skrobia jest stosowana głównie jako środek zagęszczający, żelujący, emulgujący lub stabilizujący. Często jest dodawana tylko w small stężeniach. Niemniej jednak może mieć znaczący wpływ na teksturę i właściwości organoleptyczne (kolor, zapach, wygląd, smak itp.) żywności.
Szacuje się, że w 2022 r. światowa produkcja skrobi wyniosła około 134 mln ton, z Chinami jako największym rynkiem skrobi, a następnie USA [1]. Najpopularniejszym rodzajem skrobi, która jest sprzedawana na całym świecie, jest skrobia z manioku (lub tapioki), a na drugim miejscu znajduje się skrobia kukurydziana [2].
Jeśli skrobia jest używana w swojej natywnej formie, jest ona wyświetlana jako "skrobia" na liście składników. Ale jeśli substancja jest chemicznie zmieniona, staje się dodatkiem z numerem E (na przykład E1404 dla skrobi utlenionej lub E1420 dla skrobi acetylowanej) i pojawia się jako "skrobia modyfikowana" na liście składników. W porównaniu do skrobi natywnej, skrobia modyfikowana jest bardziej stabilna na ciepło, zimno lub kwaśne środowisko [3].
Z czego składa się skrobia?
Skrobia jest długołańcuchowym polimerem składającym się z amylozy i amylopektyny w różnych proporcjach, w zależności od rodzaju i źródła skrobi. Z reguły zawartość amylozy wynosi od 15% do 30%, co daje zawartość amylopektyny od 70% do 85% wagowo [4]. Czysta skrobia jest białym, bezsmakowym i bezwonnym proszkiem, nierozpuszczalnym w zimnej wodzie lub alkoholu [5].
Co się dzieje w obecności wody?
Gdy skrobia jest podgrzewana w kontakcie z wystarczającą ilością wody (na przykład podczas gotowania lub pieczenia), następuje żelatynizacja. Podczas podgrzewania woda przenika do granulek, a cząsteczki w granulkach zaczynają się ponownie układać. Prowadzi to do pęcznienia, aż do przerwania zewnętrznych warstw granulek. Granulki zaczynają się rozpadać. Amyloza i amylopektyna częściowo dyfundują do otaczającego środowiska i rozpraszają się w roztworze [10]. Rezultatem jest gęsta i lepka pasta skrobiowa lub żel, który pomaga utrzymać różne składniki - np. składniki ciasta - razem.
Proces żelatynizacji może być monitorowany przez DSC i wywołuje efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny. Jednakże, ilość wody odgrywa ważną rolę. Przy niskiej zawartości wody można zaobserwować jedynie ograniczone pęcznienie lub niepełną żelatynizację granulek skrobi, a nawet przy wyższych zawartościach wody (woda:skrobia = 1,5:1 lub więcej), endoterma DSC nie zawsze reprezentuje cały proces [7].
Podczas chłodzenia skrobia przechodzi przemianę z nieuporządkowanej na uporządkowaną. Żelatynizowana skrobia ponownie krystalizuje, woda jest uwalniana, a substancja staje się twardsza. Proces ten nazywany jest retrogradacją. Jest to powód, dla którego chleb staje się czerstwy po pewnym czasie, zwłaszcza gdy jest przechowywany w niższych temperaturach (niskie temperatury sprzyjają temu procesowi).
Jak zachowuje się skrobia podczas ogrzewania i chłodzenia?
W celu zbadania właściwości termicznych, różne rodzaje dostępnych na rynku skrobi natywnych (patrz tabela 1) ogrzewano dwukrotnie w połączeniu z wodą (50% wag. skrobi i 50% wag. wody) w DSC w zamkniętych tyglach aluminiowych (Concavus®) przy szybkości ogrzewania 5 K/min do 140°C i do RT w atmosferze azotu.
Tabela 1: Masy próbek (tylko skrobia) dla różnych rodzajów skrobi
| Rodzaj skrobi | Masa skrobi (mg) | Temperaturapierwszego piku (°C) |
|---|---|---|
| Maniok | 12.76 | 67.4 |
| Ziemniak | 12.62 | 62.3 |
| Ryż | 12.93 | 67.0 |
Podczas pierwszego ogrzewania różnych rodzajów skrobi widocznych jest kilka efektów endotermicznych DSC (patrz rysunek 1). Z jednej strony, pierwszy główny pik z dodatkowym (nieco wyraźnym) ramieniem występuje w przypadku manioku i skrobi ziemniaczanej, przy czym efekt w przypadku skrobi ziemniaczanej jest przesunięty do nieco niższych temperatur. Z drugiej strony, profil DSC dla skrobi ryżowej pokazuje trzy piki, jeden z nich w znacznie wyższej temperaturze (temperatura piku 107°C) niż pozostałe.
Efekty w zakresie temperatur od około 60°C do 70°C odzwierciedlają proces żelatynizacji. Efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny około 107°C (dotyczący skrobi ryżowej) przypuszczalnie odpowiada kompleksowi amylaza-lipid, który został również określony powyżej 100°C w innych badaniach ryżu [8, 9].
Literatura (np. podsumowana w [6]) mówi, że podczas ogrzewania zachodzi nie tylko żelatynizacja, ale także Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo). topnienie. Zgodnie z tą teorią, Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo). topnienie podczas ogrzewania odpowiada efektowi endotermicznemu w wyższych temperaturach i jest typowe dla niskich stężeń wody, podczas gdy żelatynizacja zachodzi w obecności nadmiaru wody (ponad 70% dla większości skrobi) i odpowiada niższej temperaturze endotermicznej na krzywej DSC. Przy pośrednich zawartościach wilgoci można zaobserwować oba procesy, co dobrze pasuje do obecnego przypadku (rysunek 2) i prowadzi do szczytowych temperatur 67°C i 80°C, na przykład dla skrobi z manioku.
Podczas kontrolowanego chłodzenia (z prędkością 10 K/min) popierwszym nagrzewaniu, zjawiska egzotermiczne są widoczne w zakresie temperatur od ok. 75°C do 95°C (rysunek 3).
Większość tych efektów wydaje się być nieodwracalna, ponieważ w odpowiednich drugich etapach ogrzewania (rysunek 4, przy szybkości ogrzewania 5 K/min), tylko skrobia ryżowa ponownie wykazuje efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny przy około 108°C (temperatura szczytowa), który jest porównywalny z efektem endotermicznym pojawiającym się na rysunku 2. Istnieją jednak pewne bardzo small, dodatkowe efekty egzotermiczne widoczne w zakresie temperatur od około 60°C do 80°C. Prowadzi to do założenia, że przegrupowanie strukturalne, które miało miejsce podczas chłodzenia, nie zostało jeszcze zakończone przed rozpoczęciem drugiego ogrzewania.
W literaturze [10] można przeczytać, że gdy żelatynizowana skrobia jest chłodzona, uwolniona amyloza i amylopektyna (struktury chemiczne na rysunku 1) zaczynają się cofać, a rozproszone cząsteczki amylozy zaczynają ponownie asocjować, co prowadzi do powstania trójwymiarowej sieci. Można ją opisać jako "złożony żel nierozpuszczonych resztek granulek osadzonych w ciągłej matrycy splątanych łańcuchów polimerowych amylozy i oddzielonych, silnie rozgałęzionych cząsteczek amylopektyny".
Wnioski
Chociaż skrobia jest często używana w domu, okazuje się być materiałem wykazującym dość złożone zachowanie. Zarówno zastosowany reżim temperaturowy, jak i ilość wody w mieszaninie mają wpływ na jej żelatynizację. Jednak analiza termiczna, a w szczególności DSC, jest w stanie zebrać wiele cennych informacji na temat tego procesu na podstawie zaledwie kilku pomiarów.
Trzy zastosowane rodzaje skrobi (skrobia z manioku, skrobia ziemniaczana i skrobia ryżowa) można wyraźnie odróżnić od siebie w pierwszej fazie ogrzewania (rysunek 1). Krzywe DSC różnią się znacząco i tylko skrobia ryżowa wykazuje dodatkowy efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny powyżej 100°C.