Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
29.03.2015

Гелеобразователи на основе модифицированных крахмалов: конструирование, применение

Халиков Рауф Музагитович
кандидат химических наук, доцент кафедры инженерной физики и физики материалов Башкирский государственный университет г. Уфа, Российская Федерация
Гареев Владимир Фаритович
кандидат химических наук, доцент кафедры специальной химической технологии Уфимский государственный университет экономики и сервиса г. Уфа, Российская Федерация
Аннотация: Модифицированные крахмалы используются в пищевой индустрии в качестве гелеобразующих компонентов и проявляют улучшенные технологические характеристики. Формирование трехмерного геля на базе модификации макромолекул амилозы и амилопектина основано на агрегации амилозных полисахаридов за счет водородных связей.
Ключевые слова: консистенция пищи, гидроколлоиды, модифицированные крахмалы, гелеобразование, пищевые технологии
Электронная версия
Скачать (633.3 Kb)

Физико-химические и биохимические изменения, происходящие с макромолекулами крахмала в процессе технологической обработки исходных продуктов в ходе приготовления пищи, оказывают существенное влияние на качество и вкус готовых блюд [1]. Производство пищевых ингредиентов, которые обеспечивают организм человека физиологически полезными нутриентами, остается актуальной задачей.

Данная статья нацелена на анализ видоизменений структуры макромолекул крахмала при технологической переработки растительного сырья.

Принципиальная схема технология получения крахмала из сырья (картофеля, кукурузы и др.) включает основные стадии: измельчение (дробление), выделение крахмальных гранул, промывание. Нативный (природный) крахмал практически нерастворим в холодной воде и на этом основан метод его выделения из растительных источников. Однако вследствие гидрофильности крахмальные макромолекулы могут адсорбировать до 30 % влаги и частично расщепляться. Значит, уже в начале технологической переработки крахмалсодержащего сырья начинают происходить изменения (хотя и незначительные) в микроструктуре крахмальных зерен [2].

Нативные крахмалы в процессе тепловой обработки образуют слабые клейстеры (чувствительные к изменениям температуры и рН среды) и «резиноподобные» гели. Для клейстеров, образованных немодифицированными крахмалами, типичным является и синерезис – необратимый процесс изменения микроструктуры геля сжатием сетки и выделением из нее жидкой фазы. Различные способы обработки (физические, химические и биохимические) природных крахмалов позволяют существенно изменить их наноструктуру и гидроколлоидные характеристики, к которым в первую очередь относятся гидрофильность (в частности, способность растворяться в холодной воде), способность к гелеобразованию, устойчивость к нагреванию, воздействию кислот и т. п.

Реологические свойства пищи на основе крахмалсодержащих продуктов включает в себя основные свойства геля (лат. gelo – «застываю): отсутствие текучести и «механическая» прочность (текстура). Модификация текстуры и вязкости пищевых продуктов изменяют его органолептические свойства, и поэтому гидроколлоидные компоненты используются в качестве важнейших пищевых добавок. Гидроколлоиды относятся к категории разрешенных добавок во многих странах для достижения желаемой вязкости и ощущения в ротовой полости при изменении консистенции (повышение вязкости). Гидроколлоидные ингредиенты (агар-агар, желатин, пектин и др.) широко используются в разнообразных пищевых рецептурах для улучшения показателей качества и сроков годности в качестве гелеобразующих агентов.

Гидроколлоиды представляют собой макромолекулы удлиненных цепей полисахаридов и белков, характеризуемых свойством образовывать вязкие дисперсии и / или гели при растворении в воде. Наличие большого количества гидроксильных групп (–ОН) значительно повышает их сродство связывания молекул воды. Функциональная роль гидроколлоидов на базе крахмалов в разработке продуктов питания для сгущения и формирования геля рассматривается в качестве инновационного направления [3].

Крахмальные полисахариды в пищевой индустрии применяются в качестве стабилизатора, загустителя и наполнителя и способствуют получению определенной консистенции (степени густоты, вязкости) пищи, которая сохраняется даже после тепловой обработки. Способность к клейстеризации в горячей воде является одним из важнейших технологических свойств крахмалосодержащего сырья, так как это определяет консистенцию, объём и выход пищевых изделий. Для разрушения цитоструктуры крахмалсодержащего сырья с целью извлечения крахмала используют химические, тепловые и механические способы воздействия на него, но при этом крахмальные гранулы не должны разрушаться и клейстеризоваться.

Соотношение амилозы и амилопектина, а также их наноструктура определяет способность крахмальных гранул при нагревании формировать вязкие клейстеры. Хотя амилоза и составляет ≈1/4 часть крахмального зерна, но именно она определяет первоначальные реологические свойства – способность гранул к набуханию и вязкость клейстера.

В соответствии с ГОСТ Р 51953-2002 «Крахмал и крахмалопродукты» [4], модифицированными называют крахмалы, свойства которых изменены в результате физической, химической, биохимической или комбинированной обработки. Следует отметить, что модифицированные крахмалы не являются аналогами пищевых продуктов из генетически модифицированных организмов (ГМО).

Экструзионная технология совмещает термо-, гидро- и механическую обработку крахмалсодержащего сырья, что позволяют получить инновационные крахмалпродукты, например, набухающие в холодной воде крахмалы. Крахмалы, растворимые в холодной воде (инстант-крахмалы), получают нагреванием крахмальной суспензии в условиях, обеспечивающих быструю клейстеризацию и последующее высушивание клейстера. Такие условия можно получить в вальцовой сушилке или методом экструзии, а также высушиванием крахмальной суспензии в распылительной сушилке. Особенность этой группы модифицированных крахмалов – способность набухать и даже растворяться в холодной воде и поэтому инстант-крахмалы используются, например, в пудингах быстрого приготовления.

Основой для технологического получения растворимых и набухающих крахмалов могут служить как нативные, так и модифицированные полисахариды. В последнем случае полученные набухающие крахмалы сохраняют свои свойства, достигнутые при химической модификации, например, устойчивость в кислой среде и при замораживании и оттаивании. Способность крахмалов набухать в холодной воде без дополнительного нагревания используют в технологии различных десертов, желейного мармелада, сдобного теста, содержащего ягоды, которые при отсутствии стабилизатора начинать оседать до начала выпечки.

При более глубоких трансформациях макромолекул амилозы и амилопектина можно конструировать и модифицированные крахмалы с сильно изменёнными характеристиками: замещенные, сшитые и другие. Существуют различные физико-биохимические способы модифицировать (нем. modifizieren – видоизменять) крахмалсодержащее сырье (рис. 1):

Рис. 1. Схема некоторых модификаций макромолекул крахмала
Рис. 1. Схема некоторых модификаций макромолекул крахмала

При охлаждении крахмалосодержащих изделий на базе нативных крахмалов происходит ретроградация – агрегация и уплотнение спиралей амилозных макромолекул. При концентрации примерно 5% или выше крахмал злаков образует твердые гели, жесткость которых увеличивается при хранении. Ретроградация обратима при нагревании, однако чтобы снять ее полностью, необходимо нагревание крахмалсодержащего продукта в автоклаве при 125°С.

Набухшие и частично растворённые макромолекулы амилопектина в горячей воде (что довольно затруднительно из-за высокой степени полимеризации и разветвленности наноструктуры), в отличие от амилоз, более устойчивы и не ретроградируют. Стабилизация модифицированной амилозы предотвращает ретроградацию и поэтому увеличивает срок годности пищи в цикле замораживание ↔ оттаивание.

При ферментативном гидролизе [5] крахмала можно получить модификации с прогнозируемыми реологическими характеристиками. Сшивание крахмальных макромолекул заключается в замене водородных связей постоянными ковалентными связями и тем самым увеличивает устойчивость надмакромолекулярной наноструктуры при замораживании.

Эффект загущения основан на физико-химических процессах гелеобразования макромолекул амилозы. Загустителии гелеобразователиэто компоненты пищи, при добавлении которых в жидкую пищевую систему происходит связывание воды и повышение вязкости пищевого продукта. Создание (конструирование) гелевых пищевых систем осуществляется при помощи обширной группы пищевых ингредиентов – гидроколлоидов, добавляемые в жидкие или твердые продукты питания в процессе их изготовления для придания желаемой вязкости или консистенции.

Крахмал и его модификации (E1401-1451) в различных формах является одним из наиболее распространенных загустителей консистенции пищевых продуктов. Роль гидроколлоидов в пище не сводится только к выполнению технологических функций: они одновременно являются физиологически функциональными ингредиентами. Гидроколлоиды на базе модифицированных крахмалпродуктов используются в пищевых технологиях в качестве загустителей, стабилизаторов и желирующих компонентов (четко разграничить функции в многокомпонентной структуре пищи сложно). В эту группу пищевых добавок входят разнообразные (выборочно) модификации растительных крахмалов (табл. 1):

Таблица 1.Отдельные типы модифицированных крахмалов

Тип модификации

Основные подгруппы

Функции в продукте питания

Области применения

Крахмал, обработанный термически (Е1400)

Расщепленные декстрины

Загуститель консистенции, стабилизатор

Производство йогурта и других кисло-молочных продуктов (не более 1,0%)

Крахмал, обработанный кислотой (Е1401)

Гидролизованные

Загуститель и стабилизатор консистенции

Гелеобразователь в жевательных конфетах и т.п.

Окисленный крахмал (Е1404)

Расщепленные

Загуститель, эмульгатор

При производстве мармеладов, лукума

Крахмал, обработанный ферментными препаратами (Е1405)

Гидролизованные

Загуститель консистенции

Для получения кондитерских изделий: пастилы, жевательных резинок

Монокрахмал фосфат (Е1410)

Этерифицированые

Загуститель, стабилизатор

Добавляют в томатные пасты, кетчупы

Дикрахмалфосфат ацетилированный «сшитый» E1414

Сшитые

Загуститель консистенции

Консервирование овощей

Ацетатный крахмал, этерифицированный уксусным ангидридом (Е1420)

Стабилизирован-ные крахмалы

Стабилизатор консистенции

При производстве майонеза, кетчупа и соусов

Дикрахмал-адипат ацетилированный (Е1422)

Стабилизирован-ные крахмалы

Загуститель, стабилизатор

Часто применяются для загущения кетчупов

Дикрахмалфосфат оксипропилированный «сшитый» (Е1442)

Сшитые

Стабилизатор, загуститель

При производстве сладких сырков и др.

Оксипропилированный дикрахмалглицерин (Е1443)

Сшитые

Загуститель, текстуратор

Консервирование овощей, рыб

Эфир крахмала и натриевой соли октенилянтарной кислоты (Е1450)

Стабилизирован-ные расщепленные крахмалы

Стабилизатор, загуститель консистенции

Производство низкокалорийных продуктов питания

Ацетилированный окисленный крахмал (Е1451)

Стабилизирован-ные крахмалы

Загуститель, стабилизатор

Для приготовления прозрачных супов

Образование геля на базе модифицированных крахмалов включает ассоциацию спотанно диспергированных полимерных сегментов благодаря силам когезии между гидрофильными макромолекулами в дисперсной системе и формирования трехмерной сети, которая связывает растворитель (молекулы воды). Соединительные зоны могут быть образованы двумя или более макромолекулярных цепей за счет водородных связей межу гидроксильными группами.

Характеристики крахмального геля: расположение фрактальных кластеров в зонах сочленения определяются различными параметрами (температура, наличие ионов и наноструктуры гидроколлоида). Гелеобразование может включать в себя иерархию гидроколлоидных структур, наиболее распространенным из которых является агрегация макромолекул амилозы в "зонах сочленения", которые составляют и основу для трехмерной сети. Крахмальные клейстеры (вязкий и текучий золь) ≈ 6-8% концентрации при охлаждении переходят в гелеобразные студни (рис. 2):
Рис. 2. Взаимные превращения золевых и гелевых состояний гидроколлоидных макромолекул модифицированных крахмалов
Рис. 2. Взаимные превращения золевых и гелевых состояний гидроколлоидных макромолекул модифицированных крахмалов

Гелеобразование обусловлено возникновением трехмерного «каркаса» биополимеров, макромолекулярная наноструктура которого адекватно интерпретируется в рамках фрактальной теории. Крахмальные гели представляют собой амилозные супрамолекулярные наноструктуры, в которые «вкраплены» набухшие микрочастицы, состоящие в основном из амилопектиновых макромолекул и нутриентных компонентов пищи. Отсюда следует разнообразие требований к функциональным свойствам гидроколлоидов в качестве гелеобразователей, используемых для получения пищевых блюд.

Важным свойством крахмальных гелей (студней) является их прозрачность, определяемая макромолекулами амилопектина. Гелевые студни на базе модифицированных крахмалов проявляют комплекс структурно-механических (реологических) свойств: прочность, упругость, эластичность и др. [6].

Клейстеризация крахмала и технологические характеристики крахмальных гелей зависят не только от температуры, вида крахмала, но и количества других компонентов пищи (белков, жиров и т.п.). Прибавление амилолитических ферментных препаратов и др. стимулирует глюкозо- и газообразование в тесте, а стабилизация третичной наноструктуры макромолекул амилаз при участии ионов кальция является инновационным подходом в пищевых технологиях.

Для многих продуктов питания, особенно для пшеничного теста, доминирующее значение имеет взаимодействие «клейковинные белки ∙∙∙ + ∙∙∙ модифицированный крахмал» в хлебопечении при формировании свойств теста [7]: образование клейковины во время замеса теста, клейстеризация крахмала. Черствение хлеба при хранении вызвано в основном тем, что клейстеризованные в процессе выпечки макромолекулы крахмала с течением времени выделяет поглощенную им влагу и переходит в аморфно-кристаллическое состояние.

Таким образом, технологическая модификация крахмала позволяет управлять свойствами: гидрофильностью, параметрами клейстеризации и гелеобразования, реологическими характеристики пищи, что открывает широкие возможности для молекулярного дизайна востребованной продукции общественного питания.

Список литературы:

  1. Технология продукции общественного питания. Т.1. Физико-химические процессы, протекающие в пищевых продуктах при их кулинарной обработке / под ред. А.С.Ратушного. – М: Мир, 2003. – 351 с.
  2. Халиков Р. М., Нигаматуллина Г. Б. Трансформации макромолекул амилозы и амилопектина при технологической переработке крахмальных гранул растительного сырья в пищевой индустрии // Nauka-rastudent.ru. – 2015. – No. 01 (013-2015) / [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://nauka-rastudent.ru/13/2315/
  3. Saha D., Bhattacharya S. Hydrocolloids as thickening and gelling agents in food: a critical review // J. Food Sci. Technol. - 2010. - V. 47. - N.6. - P.587-597.
  4. ГОСТ Р 51953-2002 Крахмал и крахмалопродукты. Термины и определения. – М.: Госстандарт России, 2002.
  5. Лукин Н.Д., Бородина З.М., Папахин А.А. и др. Исследование действия амилолитических ферментов на нативный крахмал различных видов в гетерогенной среде // Достижения науки и техники АПК. - 2013. - №10. - С.62-64.
  6. Деркач С.Р., Зотова К.В. Реология пищевых эмульсий // Вестник МГТУ. - 2012. - Т.15. - №1. - С.84-95.
  7. Матвеева И., Нестеренко В. Модифицированные крахмалы для формирования качества хлебобулочных и макаронных изделий // Хлебопродукты. - 2011. - №3. - С.43-45.