Изменения крахмала

Крахмал — один из продуктов фотосинтеза, протекающего в зеленых листьях растений. Он откладывается в растительных тканях, в форме своеобразных зерен, имеющих слоистое строе­ние и размеры от долей до 100 мкм и более.

Различают клубневое крахмалсодержащее сырье (клубни кар­тофеля, батата, маниока и др.) и зерновое (зерно кукурузы, пше­ницы, риса, сорго, ячменя и др.) и в соответствии с этим клубневый и зерновой крахмалы.

Строение крахмального зерна. Крахмальное зерно — это биологическое образование с хорошо организованными формой и структурой. В центральной части его имеется ядро, на­зываемое зародышем, или точкой роста, вокруг которого видны ряды концентрических слоев — колец роста. Толщина слоев крахмальных зерен составляет примерно 0,1 мкм.

Полисахариды, составляющие крахмал, подразделяются на две фракции — амилозу и амилопектин.

Рис. 7.3. Схема строения крахмального зерна

Рис. 7.4. Крахмальные зерна в поляризационном микроскопе

(картофельный крахмал)

В амилозную фракцию входят молекулы с линейной структу­рой; различаются молекулы по длине.

Амилопектиновая фракция включает полисахариды с моле­кулярной массой порядка 5•10⁸, структура которых мало изучена. В настоящее время не существует общего мнения об истин­ном строении амилопектина. Некоторые ученые выдвигают предположение о волокнистой структуре и отрицают широко распространенную «древовидную» модель Майяра. Кроме того, полагают, что в структуре амилопектина определенная роль при­надлежит липидному компоненту.

В нативных крахмальных зернах полиглюкозидные цепи ами­лозы и амилопектина образуют спирали с 6... 10 глюкозными ос­татками на каждом витке спирали. Длина цепей полисахаридов может достигать 0,7 мкм.

Молекулярная масса амилозы роставляет 10⁵... 10⁶ в зависимо­сти от вида растений. Амилопектин — один из самых крупных полимеров, имеет большую молекулярную массу, чем амилоза.

Расположение молекул амилозы и амилопектина в слое крахмального зерна представлено на рис. 7.3.

Полисахариды в. крахмальном зерне связаны между собой главным образом водородными связями. Молекулы полисахари­дов расположены в зерне радиально. Схема строения крахмаль­ного зерна, предложенная Мюлеталером, показана на рис. 7.4. Как видно из схемы, форма цепей полисахаридов крахмала складчатая, причем амилопектин в отличие от амилозы представляет собой слабо разветвленные структуры. Считают, что больше всего амилозы концентрируется в центральной части зерна.

Если рассматривать крахмальные зерна в поляризационном микроскопе, обнаруживаются светлые и темные поля в виде «мальтийского креста», что указывает на определенную упорядо­ченность (кристалличность) структуры.

Качественное и количественное содержание в составе поли­сахаридов амилозы и амилопектина в определенной степени влияет на физико-химические свойства крахмала, а, следователь­но, и на качество готовой продукции.

Крахмал, богатый амилопектином, называют амилопектиновым, а наполовину или более состоящий из амилозы, — высоко-амилозным. Крахмал, свойства которого условно считаются ана­логичными свойствам крахмала, содержащегося в органах расте­ний, называют нативным.

При кулинарной обработке крахмалсодержащих продуктов крахмал проявляет способность к адсорбции влаги, набуханию и клейстеризации, в нем могут протекать процессы деструкции и агрегации молекул.

Интенсивность всех этих процессов зависит от происхожде­ния и свойств самого крахмала, а также от технологических фак­торов — температуры и продолжительности нагревания, соотно­шения крахмала и воды, вида и активности ферментов и др.

Растворимость. Нативный крахмал практически нераст­ворим в холодной воде. На этом свойстве основан метод его вы­деления из растительных продуктов. Однако вследствие гидрофильности он может адсорбировать влагу в количестве до 30 % собственной массы. Низкомолекулярные полисахариды, в част­ности амилоза, содержащая до 70 глюкозных остатков, раствори­мы в холодной воде. При дальнейшем увеличении длины моле­кулы полисахариды могут растворяться только в горячей воде. Процесс растворения крахмальных полисахаридов протекает медленно из-за относительно большого размера молекул. Изве­стно, что линейные полимеры перед растворением сильно набу­хают, поглощая большое количество растворителя, и при этом резко увеличиваются в объеме. Растворению крахмальных поли­меров в воде также предшествует набухание.

Набухание и клейстеризация. Набухание — одно из важнейших свойств крахмала, которое влияет на консистенцию, форму, объем и выход готовых изделий из крахмалсодержащих продуктов. Степень набухания зависит от температуры среды и соотношения воды и крахмала. Так, при нагревании водной сус­пензии крахмальных зерен до 55 °С они медленно поглощают во­ду (до 50 %) и частично набухают, но вязкость не увеличивается. При дальнейшем нагревании суспензии (в интервале температур 60... 100 °С) набухание крахмальных зерен ускоряется, причем объем их увеличивается в несколько раз.

В центре крахмального зерна образуется полость (пузырек), а на его поверхности появляются складки, бороздки, углубления. Свой­ство крахмальных зерен расширяться под действием термической обработки с образованием внутренней полости связывают с тем, что внутри крахмального зерна (в точке роста) происходят разрыв и ослабление некоторых водородных связей между крахмальными цепями, которые в результате этого раздвигаются, что приводит не только к увеличению размеров крахмального зерна, но и к разру­шению его кристаллической структуры. При просмотре набухших зерен под поляризационным микроскопом «мальтийский крест» не обнаруживается. В процессе набухания крахмальных зерен часть полисахаридов растворяется и остается в полости крахмального зерна, а часть — диффундирует в окружающую среду.

Растворение полисахаридов при нагревании крахмала в воде подтверждается данными хроматографического анализа центрифугата крахмальной суспензии на колонках из окиси алюминия (рис. 7.5). Известно, что при пропускании раствора крахмальных полисахаридов через колонку амилопектин адсорбируется в верхней ее части, амилоза — в нижней. При последующем про­пускании через колонки раствора йода амилопектин окрашива­ется в фиолетовый цвет, амилоза — в синий.

При нагревании крахмальной суспензии до 50 °С полисахари­ды практически не растворяются, а при 55 "С на колонке появля­ется зона амилозы, хотя и незначительной высоты, что указывает на растворение этого полисахарида и переход его из крахмальных зерен в окружающую среду. С повышением температуры нагрева­ния суспензии количество растворенной амилозы возрастает, что подтверждается увеличением высоты зоны, окрашенной в синий и темно-синий цвета. Нагревание крахмальной суспензии при 80 "С вызывает растворение как амилозы, так и амилопектина.

Дисперсия, состоящая из набухших крахмальных зерен и рас­творенных в воде полисахаридов, называется крахмальным клей­стером, а процесс его образования — клейстеризацией. Таким об­разом, клейстеризация — это изменение структуры крахмального зерна при нагревании в воде, сопровождающееся набуханием.

Рис. 7.5. Схемы хроматограмм полисахаридов пшеничного крахмала:

/—без нагрева; II- сухой нагрев до 120 °С; ///— сухой нагрев до 150 °С

Процесс клейстеризации крахмала происходит в определен­ном интервале температур, обычно от 55 до 80 °С. Один из при­знаков клейстеризации — значительное увеличение вязкости крахмальной суспензии. Вязкость клейстера обусловлена не столько присутствием набухших крахмальных зерен, сколько способностью растворенных в воде полисахаридов образовывать трехмерную сетку, удерживающую большее количество воды, чем крахмальные зерна. Этой способностью в наибольшей сте­пени обладает амилоза, так как ее молекулы находятся в растворе в виде изогнутых нитей, отличающихся по конформации от спиралей. Хотя амидоза составляет меньшую часть крахмально­го зерна, но именно она определяет его основные свойства — способность к набуханию и вязкость клейстеров.

В табл. 7.1 приведены данные о примерном содержании ами­лозы в крахмале различного происхождения, температуре его клейстеризации и степени набухания в горячей воде (90 °С), опре­деляемой объемным методом, а также рассчитанные по вязкости коэффициенты замены одного вида крахмала другим при изго­товлении клейстеров. При этом за единицу принимается вязкость клейстера картофельного крахмала 2%-ной концентрации.

Отдельные виды крахмала содержат неодинаковое количест­во амилозы, имеют разные температуру клейстеризации и спо­собность к набуханию. Коэффициент замены крахмала показы­вает, каким количеством крахмала других видов можно заменить картофельный для получения клейстеров одинаковой вязкости.

Из различных видов крахмала в основном образуются два типа клейстеров: из клубневых — прозрачный бесцветный желе­образной консистенции, из зерновых —непрозрачный молочно-белый пастообразной консистенции. Клейстер кукурузного ами-лопектинового крахмала по своим свойствам ближе к клейстеру картофельного. Физико-химические свойства необходимо учи­тывать при замене одного вида крахмала другим.

Таб.7.1. Физико-химические свойства крахмала,