Углеводы - один из основных источников энергии для нашего организмаТело
Наряду с белками и жирами углеводы являются одним из трех макронутриентов в рационе человека. К ним относятся моно-, ди- и олигосахариды, такие как сахара, а также полисахариды, например целлюлоза или крахмал.
Крахмал имеет растительное происхождение и содержится в таких источниках, как картофель, рис, зерновые культуры и маниок (маниока). Область его применения - это, прежде всего, пищевая промышленность и производство напитков. В пищевой промышленности крахмал в основном используется в качестве загустителя, желирующего, эмульгирующего или стабилизирующего агента. Часто его добавляют только в концентрациях small. Тем не менее, он может оказывать значительное влияние на текстурные и органолептические (цвет, запах, внешний вид, вкус и т.д.) свойства продуктов питания.
По оценкам, в 2022 году мировое производство крахмала составит около 134 миллионов тонн, крупнейшим рынком крахмала будет Китай, за которым последуют США [1]. Самым популярным видом крахмала, который продается по всему миру, является маниоковый (или тапиоковый) крахмал, на втором месте - кукурузный крахмал [2].
Если крахмал используется в своем естественном виде, то в списке ингредиентов он указывается как "крахмал". Если же вещество подвергается химическому изменению, то оно становится добавкой с номером E (например, E1404 для окисленного крахмала или E1420 для ацетилированного крахмала) и в списке ингредиентов фигурирует как "модифицированный крахмал". По сравнению с нативным крахмалом, модифицированный крахмал более устойчив к воздействию тепла, холода или кислой среды [3].
Из чего состоит крахмал?
Крахмал представляет собой длинноцепочечный полимер, состоящий из амилозы и амилопектина в различных пропорциях, в зависимости от типа и источника крахмала. Как правило, содержание амилозы составляет от 15 до 30 %, а содержание амилопектина - от 70 до 85 % по массе [4]. Чистый крахмал представляет собой белый порошок без вкуса и запаха, нерастворимый в холодной воде или спирте [5].
Что происходит в присутствии воды?
При нагревании крахмала в контакте с достаточным количеством воды (например, во время варки или выпечки) происходит желатинизация. При нагревании вода проникает в гранулы, и молекулы внутри гранул начинают перестраиваться. Это приводит к набуханию, пока не нарушаются внешние слои гранул. Гранулы начинают разрушаться. Амилоза и амилопектин частично диффундируют в окружающую среду и рассеиваются в растворе [10]. В результате образуется густая и вязкая крахмальная паста или гель, который помогает удерживать различные компоненты, например, кондитерские изделия, вместе.
Процесс желатинизации можно наблюдать с помощью ДСК, и он производит эндотермический эффект. Однако количество воды играет важную роль. При низком содержании воды наблюдается лишь ограниченное набухание или неполная желатинизация гранул крахмала, и даже при более высоком содержании воды (вода:крахмал = 1,5:1 или выше) эндотерма ДСК не всегда отражает весь процесс [7].
При охлаждении крахмал претерпевает переход от беспорядка к порядку. Желатинизированный крахмал снова кристаллизуется, вода высвобождается, и вещество становится более твердым. Этот процесс называется ретроградацией. Именно по этой причине хлеб через некоторое время становится черствым, особенно при хранении при низких температурах (прохладная температура способствует этому процессу).
Как ведет себя крахмал при нагревании и охлаждении?
Для изучения термических свойств различные виды коммерчески доступных нативных крахмалов (см. таблицу 1) дважды нагревали в сочетании с водой (50 масс. % крахмала и 50 масс. % воды) в ДСК в закрытых алюминиевых тиглях (Concavus®) при скорости нагрева 5 К/мин до 140°C и до RT в атмосфере азота.
Таблица 1: Масса образцов (только крахмал) для различных типов крахмала
| Тип крахмала | Масса крахмала (мг) | Температура1-го пика (°C) |
|---|---|---|
| Маниок | 12.76 | 67.4 |
| Картофель | 12.62 | 62.3 |
| Рис | 12.93 | 67.0 |
При первом нагревании различных видов крахмала проявляется несколько эндотермических эффектов ДСК (см. рис. 1). С одной стороны, первый основной пик с дополнительным (несколько выраженным) плечом наблюдается у маниока и картофельного крахмала, при этом эффект у картофельного крахмала смещен к немного более низким температурам. С другой стороны, профиль ДСК для рисового крахмала демонстрирует три пика, один из которых находится при гораздо более высокой температуре (температура пика 107°C), чем остальные.
Эффекты в диапазоне температур от 60°C до 70°C отражают процесс желатинизации. Эндотермический эффект около 107°C (относительно рисового крахмала) предположительно соответствует амилазно-липидному комплексу, который также определялся выше 100°C в других исследованиях риса [8, 9].
В литературе (например, обобщенной в [6]) говорится, что при нагревании происходит не только желатинизация, но и плавление. Согласно этой теории, плавление при нагревании соответствует эндотермическому эффекту при более высоких температурах и характерно для низких концентраций воды, тогда как желатинизация происходит в присутствии избытка воды (более 70% для большинства крахмалов) и соответствует более низкотемпературной эндотерме на кривой ДСК. При промежуточном содержании влаги можно наблюдать оба процесса, что хорошо согласуется с настоящим случаем (рис. 2) и приводит к пиковым температурам 67°C и 80°C, например, для маниокового крахмала.
При контролируемом охлаждении (со скоростью 10 К/мин) послепервого нагрева в диапазоне температур от 75 до 95 °C наблюдаются экзотермические явления (рис. 3).
Большинство этих эффектов, по-видимому, необратимы, поскольку на соответствующих вторых этапах нагревания (рис. 4, при скорости нагревания 5 К/мин) только рисовый крахмал снова демонстрирует эндотермический эффект при температуре около 108 °C (пиковая температура), что сравнимо с эндотермическим эффектом, показанным на рис. 2. Однако в диапазоне температур от 60 до 80 °C наблюдаются очень small дополнительные экзотермические эффекты. Это позволяет предположить, что структурная перестройка, произошедшая во время охлаждения, еще не завершилась до начала второго нагрева.
В литературе [10] можно прочитать, что при охлаждении желатинизированного крахмала высвобожденные амилоза и амилопектин (химические структуры на рисунке 1) начинают ретроградировать, а диспергированные молекулы амилозы - реассоциировать, что приводит к образованию трехмерной сети. Ее можно описать как "композитный гель из нерастворенных остатков гранул, встроенных в непрерывную матрицу из запутанных полимерных цепей амилозы и разделенных, сильно разветвленных молекул амилопектина".
Заключение
Несмотря на то, что крахмал часто используется в быту, он оказывается материалом с довольно сложным поведением. На его желатинизацию влияют как температурный режим, так и количество воды в смеси. Однако термический анализ, и в первую очередь ДСК, позволяет получить много ценной информации об этом процессе на основе всего нескольких измерений.
Три используемых типа крахмала (маниоковый, картофельный и рисовый) можно четко отличить друг от друга на первом этапе нагревания (рис. 1). Кривые ДСК значительно отличаются друг от друга, и только рисовый крахмал демонстрирует дополнительный эндотермический эффект при температуре выше 100°C.