amidonului

Scott Hegenbart | 01 ianuarie 1996

Ianuarie 1996 - Copertă

De: Scott Hegenbart
Editor *


* (Aprilie 1991 - iulie 1996)

Amidonul de porumb este ingredientul principal al amidonului utilizat de brevetul U.S. companii alimentare. Dar amidonul din diferite surse și chiar și cele extrase din soiuri de porumb mai puțin obișnuite oferă o serie de proprietăți funcționale chiar înainte de modificare. Explorarea funcționalității unice a diferitelor amidonuri native prezintă câteva avantaje potențiale.

Gama extinsă de funcționalități

Multe amidonuri au proprietăți care nu sunt atât de ușor de duplicat prin modificarea unui alt amidon. Modificare mai puțin extinsă înseamnă.

Cost redus

Proiectanții necesită în mod continuu ca ingredientele din textură să fie mai funcționale, însă constrângerile de costuri încă se strâng. În multe cazuri, cu cât un amidon primește mai puțină prelucrare, cu atât este mai rentabil. Amidonurile de porumb native foarte funcționale derivate din hibrizi de porumb special dezvoltate sunt deja pe piață. Acestea pot oferi o economie mai mare în două moduri.

"Veți avea un amidon care nu va trebui să treacă prin modificări, ceea ce economisește costurile", spune Ibrahim Abbas, Ph.D., manager de dezvoltare de produse, American Maize-Products Co., Hammond, IN. "Când acestea sunt modificate, în unele cazuri hibrizii sunt mai reactivi la substanțele chimice; prin urmare, putem folosi mai puțin. Este mai eficient și puteți economisi bani."

Etichetare

Deși aceasta nu s-a dovedit a fi marea problemă pe care se credea cândva, amidonul modificat trebuie să poarte numerele E în Europa. Un amidon nativ mai funcțional nu va purta numărul E și va părea mai natural consumatorilor europeni - o preocupare pe piața mondială în continuă expansiune.

Structura și funcția de legătură

Dimensiunea și forma granulelor

Granulele de amidon vin într-o mare varietate de dimensiuni variind de la 3 microni la peste 100 microni. Cu unele amidon, dimensiunea granulelor este polimodală, ceea ce înseamnă că granulele pot fi grupate în mai mult de o gamă de mărimi. Amidonul de grâu, de exemplu, are o distribuție atât a granulelor mari, cât și a celor mici. Forma granulei poate fi, de asemenea, diversă. Formele granulelor includ sfere simetrice, sfere asimetrice, discuri simetrice și discuri asimetrice. Unele granule își prezintă forma ușor, în timp ce altele sunt poliedre cu o suprafață fațetată.

Raportul amiloză: amilopectină

Toate amidonul este alcătuit din proporții variate de amiloză și amilopectină. Acest raport variază nu numai între diferitele tipuri de amidon, ci și între numeroasele soiuri de plante dintr-un tip. Amidonul ceros este cel care nu are mai mult de 10% amilopectină.

Structura moleculelor de amiloză și amilopectină

Lungimea moleculelor de amiloză dintr-un amidon - cunoscut sub numele de gradul său de polimerizare - poate varia enorm. În amilopectină, lungimea și numărul ramurilor de pe moleculă sunt la fel de variabile.

„Lungimea moleculei de amiloză variază în funcție de tip și de soi”, spune Daniel Putnam, cercetător principal în aplicații, Grain Processing Corp., Muscatine, IA. „Am văzut între 200 și 2.000 ca grad de polimerizare într-un tip de amidon.”

Există și alte variante pentru amidon

Acestea nu pot fi formate într-o singură categorie, deoarece pot fi unice pentru un anumit amidon. Cu toate acestea, în general, majoritatea acestor variații constau în prezența componentelor care nu sunt amidon în granulă.

Nenumăratele soiuri ale numeroaselor tipuri de amidon nu ar putea fi cuprinse într-un singur articol. În consecință, această caracteristică va discuta unele tendințe generale dintre principalele tipuri de amidon utilizate în industria alimentară.

Porumb

Există patru clase de amidon de porumb. Amidonul obișnuit de porumb are 25% amiloză, în timp ce porumbul ceros este format aproape total din amilopectină. Cele două amidonuri de porumb rămase sunt amidonuri cu porumb bogat în amiloză; unul are 55% până la 55% amiloză, în timp ce al doilea are 70% până la 75%.

Jay-lin Jane, Ph.D., profesor la Departamentul de Știința Alimentelor și Nutriția Umană de la Universitatea de Stat din Iowa, Ames, a investigat dimensiunea granulelor și forma multor tipuri de amidon ca parte a cercetărilor sale în curs. Prin microscopie electronică cu scanare, Jane și echipa sa de cercetare au descoperit că amidonul comun de porumb are granule neregulate în formă de poliedru. Mărimea lor variază între 5 microni și 20 microni.

Amidonul de porumb ceros are, de asemenea, granule de formă neregulată, asemănătoare ca distribuție a mărimii cu cele ale porumbului comun. Cu toate acestea, fețele individuale nu sunt la fel de distincte. Amidonele cu conținut ridicat de amiloză au, de asemenea, o formă neregulată, dar tind să fie netede. Unele dintre acestea sunt chiar în formă de tijă. Amidonul cu conținut ridicat de amiloză are un domeniu de dimensiuni mai restrâns: 5 până la 15 microni sau chiar 10 până la 15 microni, în funcție de soi.

Cartof

Amidonul de cartof are aproximativ 20% amiloză. La fel ca cele din mulți tuberculi, granulele de amidon de cartof sunt mari, cu o formă ovală rotundă netedă. Dintre amidonul utilizat în mod obișnuit pentru hrană, amidonul din cartofi este cel mai mare; granulele sale variază între 15 și 75 microni.

Orez

Amidonul obișnuit de orez are un raport amiloză: amilopectină de aproximativ 20:80, în timp ce amidonul de orez ceros are doar aproximativ 2% amiloză. Ambele soiuri au dimensiuni mici de granule variind de la 3 la 8 microni. Potrivit lui Jane, acestea sunt poligoane de formă neregulată, cu orezul ceros care prezintă unele granule compuse.

Tapioca

Amidonul de tapioca are 15% până la 18% amiloză. Granulele de tapioca sunt sfere netede, neregulate, cu dimensiuni cuprinse între 5 și 25 microni.

Grâu

Amidonul de grâu are un conținut de amiloză de aproximativ 25%. Granulele sale sunt relativ groase la 5 până la 15 microni cu o formă netedă, rotundă, variind de la 22 la 36 microni în diametru. Amidonul de grâu este bimodal prin faptul că are și un grup de granule de amidon de o dimensiune diferită. În acest caz, aceste alte granule sunt foarte mici, cu diametre de doar 2 până la 3 microni.

Stivuind rivalii cu amidon

Ceea ce urmează este o revizuire a ceea ce se știe în prezent despre modul în care structura și compoziția afectează performanța. Rețineți că această discuție poate genera mai multe întrebări decât răspunde. Dar mai întâi, iată o scurtă trecere în revistă a ceea ce se întâmplă în timpul gelatinizării amidonului:

Când amidonul este dispersat în apă și încălzit, apa pătrunde în granula de amidon din exterior spre interior până când granula este complet hidratată. Odată hidratat, legătura de hidrogen dintre amiloză și amilopectină menține integritatea granulei și începe să se umfle din hil (centru). Odată gelatinizate, granulele umflate pot crește vâscozitatea dispersiei și/sau se pot asocia pentru a forma geluri și filme.

Dimensiunea și structura granulelor

Conform multor surse, mărimea granulelor nu pare, de la sine, să aibă un efect puternic asupra performanței amidonului. Cu toate acestea, se crede că este un factor care contribuie la cât de rapid gelatinizează un amidon și la temperatura sa de gelatinizare. Amidonul de orez și amidonul de tapioca, de exemplu, ambele au conținut de amiloză în același interval, dar granulele de amidon de tapioca sunt mult mai mari și, ca urmare, se umflă mai ușor.

„Cu cât granulele sunt mai mari, cu atât avem mai puține legături moleculare, astfel încât acestea să se umfle mai repede”, spune Paul Smith, președinte, Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ. „Dar se descompun și mai repede”.

Granulele mari de amidon tind să construiască vâscozitate mai mare, dar vâscozitatea este delicată, deoarece dimensiunea fizică a granulei îl face mai sensibil la forfecare. În ciuda acestor diferențe, structura mai compactă a unei molecule mai mici nu înseamnă întotdeauna o diferență semnificativă în gelatinizare. Amidonul de grâu, de exemplu, are o distribuție bimodală atât a granulelor mici, cât și a celor mari. În afară de mărime, aceste granule au practic aceeași compoziție de amiloză și amilopectină și așa mai departe. Cu toate acestea, proprietățile de gelatinizare ale granulelor mari și mici nu prezintă diferențe semnificative de performanță.

„Un test a arătat că granulele mici au o temperatură de gelatinizare cu 3 ° mai mare decât cea mare, dar temperaturile de debut au fost similare”, spune Abbas. "Aș spune că în amidonul de grâu (dimensiunea granulelor) nu este un factor major."

Raportul amiloză: amilopectină

Porumbul ceros și amidonul de porumb comun au ambele aceeași dimensiune a granulelor, dar porumbul ceros se va umfla într-un grad mai mare și fiecare se va gelatiniza la temperaturi diferite. Acest lucru se datorează în mare măsură compoziției lor diferite de amiloză: amilopectină.

„Moleculele de amiloză, datorită liniarității lor, se aliniază mai ușor și au legături de hidrogen mai extinse”, spune Abbas. "În consecință, necesită mai multă energie pentru a rupe aceste legături și a gelatina amidonul."

În general, cu cât amiloza este mai mare, cu atât temperatura de gelatinizare este mai mare. Acest lucru se observă cel mai mult la cele două amidonuri cu porumb bogat în amiloză care necesită temperaturi atât de ridicate pentru gelatinizare încât trebuie preparate sub presiune. Raportul amiloză: amilopectină determină, de asemenea, tipul de textură pe care îl va construi amidonul gelatinizat.

„În general, amiloza vă conferă rezistența gelului, iar amilopectina vă oferă vâscozitate ridicată”, spune Abbas. "Deci, amidonul bogat în amiloză vă va oferi proprietăți de gelifiere, iar amidonul ceros vă va oferi o vâscozitate ridicată."

Structura liniară a amilozei contribuie, de asemenea, la rezistența gelului. În soluție, moleculele liniare de amiloză se pot alinia mai ușor între ele și se pot asocia prin legarea hidrogenului pentru a forma geluri. Moleculele de amilopectină ramificate nu se pot alinia la fel de ușor și, astfel, conferă o legătură mai slabă a hidrogenului și rezistență la gel.

Viscozitatea, pe de altă parte, este pur și simplu o funcție a greutății moleculare. Structura ramificată a amilopectinei cu toate lanțurile sale atașate produce o moleculă mult mai mare decât amiloza. În consecință, amilopectina este mai bună la vâscozitatea clădirii decât amiloză.

Deci, dacă un designer de produse dorește proprietăți de gelifiere, ar trebui selectat un amidon bogat în amiloză, în timp ce un amidon bogat în amilopectină (ceros) ar fi alegerea dacă este nevoie de vâscozitate, nu? Nu chiar. Rezistența pură a gelului și vâscozitatea sunt adesea utile, dar nu sunt întotdeauna ceea ce au nevoie designerii de produse. Un amidon prea bogat în amiloză poate face o budincă prea fermă. Unul care este prea bogat în amilopectină poate crea vâscozitatea corectă într-un shake de dietă, dar poate apărea la fel de firinos și „slab” atunci când este consumat. În consecință, raportul amiloză: amilopectină determină nu doar textura de bază, ci și natura texturii respective.

Utilizarea amidonului în produsele extrudate ilustrează cât de delicată poate fi echilibrarea acestui raport. Ca și în cazul formării gelului, formarea filmului este o funcție a asocierii moleculelor liniare de amiloză. Cu cât amiloza este mai mare, cu atât sunt mai bune proprietățile de formare a filmului. Într-o gustare extrudată, se doresc proprietăți de formare a filmului pentru a obține o textură clară în produsul finit. Dar claritatea singură nu face sau rupe o gustare.

„Natura strâns legată a polimerului de amiloză afectează claritatea”, spune Jim Zallie, director de tehnologie alimentară, National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ. „Dar este un material cu greutate moleculară mai mică, care nu poate prinde aerul care vine de la apa care se transformă în abur în timpul aerisirii. "

Utilizarea unui amidon cu niveluri crescute de amilopectină mărește expansiunea în consecință, în detrimentul clarității. Ca urmare, raportul amiloză: amilopectină trebuie selectat cu atenție. În unele cazuri, cerințele texturale ale produsului necesită combinarea amidonului din diferite surse.

„Unii oameni folosesc combinații de diferite amidonuri de bază pentru a obține o textură mai scurtă sau mai lungă”, spune Mike Augustine, manager, aplicații pentru ingrediente alimentare, A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. "Ne-am uitat la asamblarea amestecurilor pentru a obține o textură specifică sau o calitate a produsului finit."

În plus față de textura clădirii, amidonul este folosit pentru a contribui la stabilitatea produselor alimentare. Aceasta ia adesea forma reținerii apei. După cum sa menționat anterior, moleculele de amidon gelatinizate tind să se reasocieze una cu alta. Această reasociere forțează apa să iasă din moleculă, provocând recristalizarea amidonului. Tendința unui amidon de recristalizare sau retrograd, în acest mod, determină adecvarea sa pentru stabilitate pe termen lung.

„Amilopectina ramificată dă piedică sterică”, spune Putnam. Acest lucru nu permite moleculelor să se reasocieze, deci nu are tendința de a retrograda la fel de ușor.

Structura moleculară a amilozei și amilopectinei

Moleculele mai lungi de amiloză tind să facă textura unui produs strânsă din cauza modului în care se asociază. Greutatea moleculară a amilozei afectează, de asemenea, elasticitatea unui gel. Moleculele mai lungi tind să se asocieze mai puternic și să producă geluri mai puternice și mai fragile, dar există o limită în acest sens.

„Tapioca și amidonul de cartofi au amiloză, dar produc mai degrabă o masă coezivă decât un gel cum ar fi amidonul de porumb”, spune Peter Trzasko, cercetător asociat senior la National Starch and Chemical Co. "Teoria din spatele acestui fapt se bazează pe greutatea moleculară. Cartoful și tapioca au o greutate moleculară mult mai mare decât cea a porumbului, încât de fapt îngreunează asocierea moleculelor."

Greutatea moleculară nu oferă întotdeauna o corelație directă a performanței. În 1992, Jane din statul Iowa a raportat despre cercetarea efectului dimensiunii moleculare a amilozei și a lungimii lanțului ramurilor de amilopectină asupra proprietăților de lipire a amidonului. Jane a descoperit că moleculele de amilopectină cu ramuri mai lungi nu numai că tindeau să se gelifice, dar că puterea gelului crește odată cu lungimea ramurii. Cu toate acestea, vâscozitatea amilozelor de diferite lungimi nu s-a corelat la fel de bine. De fapt, cea mai bună vâscozitate a fost obținută cu amiloza de lungime intermediară, în timp ce cele mai mari și mai mici molecule de amiloză au produs ambele vâscozități în mod similar.

Se poate face o legătură mai clară între dimensiunea moleculară și stabilitate. O moleculă mai lungă de amiloză va avea, până la un punct, o rezistență mai mare a gelului datorită capacității sale crescute de asociere prin legarea hidrogenului. Această capacitate crescută de asociere crește tendința moleculei de a retrograda. Moleculele mai mici de amiloză prezintă o asociere mai slabă și, prin urmare, sunt mai rezistente la retrogradare. Informații recente indică faptul că moleculele de amilopectină cu ramuri mai lungi sunt, de asemenea, mai susceptibile la retrogradare. Aceasta este o preocupare specială pentru cercetătorii care încearcă să prelungească moleculele de amiloză prin încrucișare.

„Când introduceți o genă de extindere a amilozei, ajungeți să prelungiți și lanțurile ramificate ale amilopectinei”, spune Pamela J. White, Ph.D., director interimar, Departamentul de Știința Alimentelor și Nutriția Umană, Universitatea de Stat din Iowa.

Fosfor

Amidonul conține fosfor într-o formă sau alta. Natura fosforului afectează performanța amidonului. În majoritatea amidonului din cereale, fosforul se găsește în principal sub formă de lizofosfolipide, care vor tinde să se complexeze cu amiloza amidonului și să-i reducă capacitatea de legare a apei. Aceste complexe contribuie, de asemenea, cu opacitate la pasta de amidon.

Fosforul din amidonul de tuberculi, cum ar fi cartoful, se prezintă sub formă de monoesteri de fosfat care apar pe molecula de amidon ca grupuri încărcate negativ. Repulsia ionică generată de aceste grupuri slăbește asocierea dintre molecule și crește capacitatea de legare a apei, puterea de umflare și claritatea pastei.

Dezvăluind misterele

După cum sa menționat anterior, studiul relațiilor structură/funcție a amidonului generează mai multe întrebări decât răspunde. Ca rezultat, cercetătorii care lucrează în acest domeniu au o mulțime de a-i menține ocupați. Universitatea de Stat din Iowa este o locație în care are loc un studiu în curs de desfășurare a amidonului.

Din 1987, cercetătorii ISU White și Jane au căutat amidonuri cu proprietăți funcționale unice pe care să le folosească la dezvoltarea de noi hibrizi de porumb. Lucrează cu ei Linda Pollak, doctorat și S.U.A. Departamentul of Agriculture-Agriculture Research Service geneticist de cercetare care lucrează cu ISU Dept. de Agronomie.

Folosind accesul lui Pollak la biblioteca nord-americană de genotipuri mutante de porumb, echipa a verificat tipurile exotice de porumb pentru a determina natura variațiilor proprietății funcționale.

„Este dificil și consumator de timp să faci un studiu structural direct”, spune White. „Așadar, abordarea noastră a fost să începem cu o screening rapidă a amidonului, extragându-l în laborator cu doar un miez.”

Acest screening inițial se face folosind calorimetrie de scanare diferențială (DSC). Un eșantion de amidon este lipit, apoi scanat pe DSC. După depozitarea probei lipite timp de șapte zile la 4 ° C (temperatura optimă pentru retrogradarea amidonului) proba este scanată din nou.

„Scanarea pe care o obținem pe un eșantion proaspăt și stocat ne spune dacă amidonul poate avea proprietăți funcționale unice”, spune White. „Odată ce găsim ceva neobișnuit, verificăm că acest lucru ne oferă într-adevăr un DSC diferit de altă dată”.

Alte informații obținute prin această analiză DSC includ temperatura de gelatinizare și gama de gelatinizare. O temperatură scăzută de gelatinizare poate asigura economii de energie într-o operațiune de fabricație mare. O gamă îngustă de gelatinizare va face, de asemenea, producția mai eficientă, făcând gelatinizarea mai rapidă.

„Acestea sunt lucrurile cheie la care începem să ne uităm”, spune White. "Când vedem lucruri care diferă foarte mult de normă atunci când sunt măsurate de DSC, facem apoi o analiză structurală pentru a determina de ce fac asta și pentru a lega structura de funcție."

Primul pas în acest sens necesită creșterea porumbului mutant în cantități mai mari pentru o analiză ulterioară. Testele includ determinarea procentului de amiloză prin titrare potențiometrică de iod și/sau cromatografie cu permeație pe gel; distribuția greutății moleculare utilizând cromatografia cu permeație pe gel; și lungimea lanțului ramificat al amilopectinei calculată din valoarea reducătoare determinată prin chimie umedă sau utilizând cromatografie cu permeație pe gel.

Dacă este disponibilă o cantitate suficientă de amidon, se efectuează și teste funcționale precum cele pentru vâscozitate și rezistența gelului.

„Un alt lucru pe care îl facem adesea este măsurarea dimensiunii granulelor prin microscopie electronică”, spune White. "Amidonul cu granule mici s-a dovedit a fi bun pentru o senzație de gură netedă, care este o proprietate utilă pentru înlocuitorii de grăsime pentru a evita textura granuloasă."

În cele din urmă, se face legătura dintre proprietățile funcționale dorite și structura amidonului. Apoi, geneticienii plantelor preiau controlul și încearcă să creeze calitățile dorite într-o varietate care poate fi cultivată.

Extinderea înțelegerii funcționalității amidonului nativ este utilă atât pentru proiectanții de produse, cât și pentru creatorii de noi ingrediente de amidon. Uneori, însă, se pare că fiecare pas în călătoria către această înțelegere adaugă doar distanță drumului. Cu toate acestea, aceste eforturi trebuie să continue deoarece - deși călătoria s-ar putea să nu se termine niciodată - fiecare pas mai aproape aduce noi progrese care ajută la îmbunătățirea produselor alimentare.