Kolhydrater - en av de viktigaste energikällorna i vårKropp
Vid sidan av protein och fett är kolhydrater en av de tre makronäringsämnena i människans kost. De omfattar mono-, di- och oligosackarider, t.ex. sockerarter, samt polysackarider, t.ex. cellulosa eller stärkelse.
Stärkelse är av vegetabiliskt ursprung och finns bland annat i potatis, ris, spannmål och kassava (maniok). Dess användningsområde är främst inom livsmedels- och dryckessektorn. Inom livsmedelsindustrin används stärkelse huvudsakligen som förtjocknings-, gelerings-, emulgerings- eller stabiliseringsmedel. Ofta tillsätts det endast i small koncentrationer. Trots detta kan stärkelse ha en betydande inverkan på livsmedlens texturella och organoleptiska (färg, lukt, utseende, smak etc.) egenskaper.
År 2022 uppskattades den globala stärkelseproduktionen uppgå till ca 134 miljoner ton, med Kina som den största stärkelsemarknaden, följt av USA [1]. Den mest populära typen av stärkelse som handlas globalt är maniok- (eller tapioka-) stärkelse, med majsstärkelse på andra plats [2].
Om stärkelse används i sin ursprungliga form anges det som "stärkelse" i ingrediensförteckningen. Men om ämnet förändras kemiskt blir det en tillsats med ett E-nummer (t.ex. E1404 för oxiderad stärkelse eller E1420 för acetylerad stärkelse) och visas som "modifierad stärkelse" i ingrediensförteckningen. Jämfört med nativ stärkelse är modifierad stärkelse mer stabil mot värme, kyla eller en sur miljö [3].
Vad består stärkelse av?
Stärkelse är en långkedjig polymer som består av amylos och amylopektin i varierande proportioner beroende på stärkelsetyp och källa. I regel ligger amyloshalten mellan 15% och 30%, vilket resulterar i en amylopektinhalt på mellan 70% och 85% av vikten [4]. Ren stärkelse är ett vitt, smaklöst och luktfritt pulver som är olösligt i kallt vatten eller alkohol [5].
Vad händer när vatten är närvarande?
När stärkelse värms upp i kontakt med en tillräcklig mängd vatten (t.ex. under matlagning eller bakning) sker gelatinisering. Under uppvärmningen tränger vatten in i granulerna och molekylerna i granulerna börjar rikta in sig. Detta leder till svullnad tills de yttre lagren av granulerna störs. Granulerna börjar brytas ned. Amylos och amylopektin diffunderar delvis ut i den omgivande miljön och sprids i lösningen [10]. Resultatet blir en tjock och viskös stärkelsepasta eller gel som hjälper till att hålla ihop de olika komponenterna, t.ex. i ett bakverk.
Gelatiniseringsprocessen kan övervakas med DSC och ger en endotermisk effekt. Vattenmängden spelar dock en viktig roll. Vid låg vattenhalt kan endast begränsad svällning eller ofullständig gelatinisering av stärkelsegranulaten observeras, och även vid högre vattenhalter (vatten:stärkelse = 1,5:1 eller högre) representerar DSC-endotermen inte alltid hela processen [7].
Under kylningen genomgår stärkelsen en övergång från oordning till ordning. Den gelatiniserade stärkelsen kristalliserar igen, vatten frigörs och ämnet blir fastare. Denna process kallas retrogradation. Detta är anledningen till att bröd blir gammalt efter ett tag, särskilt när det förvaras vid lägre temperaturer (svala temperaturer gynnar denna process).
Hur beter sig stärkelse under uppvärmning och nedkylning?
För att studera dess termiska egenskaper upphettades olika typer av kommersiellt tillgängliga nativa stärkelser (se tabell 1) två gånger i kombination med vatten (50 vikt% stärkelse och 50 vikt% vatten) i en DSC i slutna aluminiumdeglar (Concavus®) med en uppvärmningshastighet på 5 K/min upp till 140°C och ner till RT i en kväveatmosfär.
Tabell 1: Provmassor (endast stärkelse) för de olika stärkelsetyperna
| Typ av stärkelse | Stärkelsemassa (mg) | Temperatur för denförsta toppen (°C) |
|---|---|---|
| Maniok | 12.76 | 67.4 |
| Potatis | 12.62 | 62.3 |
| Ris | 12.93 | 67.0 |
Under den första uppvärmningen av de olika stärkelsetyperna syns flera endotermiska DSC-effekter (se figur 1). Å ena sidan uppstår en första huvudtopp med en ytterligare (något uttalad) axel med maniok- och potatisstärkelse, varvid effekten med potatisstärkelse förskjuts till något lägre temperaturer. Å andra sidan visar DSC-profilen för risstärkelse tre toppar, en av dem vid en mycket högre temperatur (topptemperatur vid 107°C) än de andra.
Effekterna i temperaturintervallet runt 60°C till 70°C återspeglar gelatiniseringsprocessen. Den endotermiska effekten vid 107°C (avseende risstärkelse) motsvarar förmodligen ett amylas-lipidkomplex som också har påvisats vid temperaturer över 100°C i andra studier av ris [8, 9].
I litteraturen (t.ex. sammanfattad i [6]) sägs att under uppvärmning sker inte bara gelatinisering utan även Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning. Enligt denna teori motsvarar Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning under uppvärmning en endotermisk effekt vid högre temperaturer och är typisk för låga vattenkoncentrationer, medan gelatinisering sker i närvaro av överskott av vatten (mer än 70% för de flesta stärkelser) och motsvarar en EndotermEn provövergång eller en reaktion är endoterm om det behövs värme för omvandlingen.endoterm vid lägre temperatur i DSC-kurvan. Vid medelhöga fukthalter kan båda processerna observeras, vilket stämmer väl överens med det aktuella fallet (figur 2) och leder till topptemperaturer på 67°C och 80°C för t.ex. maniokstärkelse.
Under kontrollerad kylning (med 10 K/min) efter denförsta uppvärmningen syns exoterma händelser i temperaturområdet mellan ca 75°C och 95°C (figur 3).
De flesta av dessa effekter verkar vara irreversibla eftersom det i motsvarande andra uppvärmningssteg (figur 4, med en uppvärmningshastighet på 5 K/min) endast är risstärkelse som återigen uppvisar en endotermisk effekt vid ca 108°C (topptemperatur), vilket är jämförbart med den endotermiska effekt som visas i figur 2. Det finns dock några mycket small, ytterligare exotermiska effekter som är synliga i temperaturområdet mellan ca 60°C och 80°C. Detta leder till antagandet att den strukturella omläggning som ägde rum under kylningen ännu inte var avslutad innan den andra uppvärmningen startade.
I litteraturen [10] kan vi läsa att när en gelatiniserad stärkelse kyls, börjar den frigjorda amylosen och amylopektinet (kemiska strukturer i figur 1) att retrograderas och de dispergerade amylosmolekylerna börjar återassociera, vilket leder till bildandet av ett tredimensionellt nätverk. Det kan beskrivas som "en sammansatt gel av olösta granulatrester inbäddade i en kontinuerlig matris av sammanflätade amylospolymerkedjor och separerade, mycket grenade amylopektinmolekyler".
Slutsats
Även om stärkelse ofta används hemma visar det sig vara ett material som uppvisar ett ganska komplext beteende. Både den tillämpade temperaturregimen och mängden vatten i blandningen påverkar dess gelatinisering. Termisk analys, och här särskilt DSC, kan dock ge mycket värdefull information om denna process baserat på bara några få mätningar.
De tre stärkelsetyper som används (maniokstärkelse, potatisstärkelse och risstärkelse) kan tydligt särskiljas från varandra under den första uppvärmningsfasen (figur 1). DSC-kurvorna skiljer sig avsevärt åt och endast risstärkelse uppvisar en ytterligare endotermisk effekt över 100°C.