Pochopení funkčnosti škrobu
leden 1996 — Cover Story

By: Scott Hegenbart
Editor*

*(duben 1991 – červenec 1996)

Krmný škrob je hlavní škrobovou složkou používanou americkými potravinářskými společnostmi. Škroby z různých zdrojů, a dokonce i ty, které se získávají z méně obvyklých odrůd kukuřice, však nabízejí řadu funkčních vlastností ještě před úpravou. Zkoumání jedinečných funkčních vlastností různých nativních škrobů představuje několik potenciálních výhod.

Rozšířená škála funkčních vlastností

Mnoho škrobů má vlastnosti, které není tak snadné zopakovat modifikací jiného škrobu. navíc začít se surovinou bližší požadovaným funkčním vlastnostem je při modifikaci dokonce žádoucí. Méně rozsáhlá modifikace znamená…

Snížení nákladů

Designéři neustále požadují, aby texturní složky byly vysoce funkční, avšak cenová omezení se stále zpřísňují. V mnoha případech platí, že čím méně se škrob zpracovává, tím je nákladově efektivnější. Vysoce funkční nativní kukuřičné škroby získané ze speciálně vyvinutých kukuřičných hybridů jsou již na trhu. Ty mohou nabídnout větší hospodárnost ve dvou směrech.

“Získáte škrob, který nebude muset projít úpravami, což ušetří náklady,” říká doktor Ibrahim Abbas, manažer vývoje produktů společnosti American Maize-Products Co, Hammond, IN. “Při jejich úpravě jsou hybridy v některých případech reaktivnější na chemikálie, proto jich můžeme použít méně. Je to efektivnější a lze ušetřit peníze.”

Značení

Ačkoli se ukázalo, že to není tak velký problém, jak se kdysi myslelo, modifikované škroby musí být v Evropě stále označeny čísly E. Funkčnější nativní škrob číslo E nést nebude a bude se evropským spotřebitelům jevit jako přirozenější – což je na stále se rozšiřujícím globálním trhu problém.

Související struktura a funkce

Z chemického hlediska jsou škroby polysacharidy, které se skládají z opakujících se glukózových jednotek. Molekuly škrobu mají jednu ze dvou molekulárních struktur: lineární strukturu, známou jako amylóza, a rozvětvenou strukturu, známou jako amylopektin. Amylosa a amylopektin se spojují vodíkovou vazbou a uspořádávají se radiálně do vrstev a vytvářejí granule. Škroby z různých zdrojů se od sebe liší v následujících ohledech – každý z nich může ovlivnit výkonnost:

Velikost a tvar granulí

Skrobové granule mají širokou škálu velikostí od 3 mikronů až po více než 100 mikronů. U některých škrobů je velikost granulí polymodální, což znamená, že granule mohou být zařazeny do více velikostních skupin. Například pšeničný škrob má rozložení jak velkých, tak malých granulí. Tvar granulí může být také různorodý. Mezi tvary granulí patří symetrické koule, asymetrické koule, symetrické disky a asymetrické disky. Některé granule vykazují hladký tvar, zatímco jiné jsou mnohostěny s fasetovaným povrchem.

Poměr amylosy a amylopektinu

Všechny škroby se skládají z různého poměru amylosy a amylopektinu. Tento poměr se liší nejen mezi různými typy škrobů, ale i mezi mnoha odrůdami rostlin v rámci jednoho typu. Voskové škroby jsou ty, které neobsahují více než 10 % amylopektinu.

Struktura molekul amylosy a amylopektinu

Délka molekul amylosy ve škrobu – známá jako stupeň polymerace – se může velmi lišit. U amylopektinu jsou délka a počet větví na molekule stejně proměnlivé.

“Délka molekuly amylózy se liší podle typu a odrůdy,” říká Daniel Putnam, senior applications scientist, Grain Processing Corp., Muscatine, IA. “Viděl jsem 200 až 2000 jako stupeň polymerace v rámci jednoho typu škrobu.”

U škrobu existují i další varianty

Ty nelze zformovat do jedné kategorie, protože mohou být jedinečné pro jeden konkrétní škrob. Obecně však většina takových variant spočívá v přítomnosti neškrobových složek v granulích.

Nesčetné varianty mnoha typů škrobu by asi nebylo možné obsáhle popsat v jediném článku. Proto se tento článek bude zabývat některými obecnými trendy mezi hlavními typy škrobu používanými v potravinářském průmyslu.

Kukuřičný

Existují čtyři třídy kukuřičného škrobu. Běžný kukuřičný škrob obsahuje 25 % amylosy, zatímco voskový kukuřičný škrob je téměř zcela tvořen amylopektinem. Zbývající dva kukuřičné škroby jsou kukuřičné škroby s vysokým obsahem amylózy; jeden z nich má 55 % až 55 % amylózy, zatímco druhý 70 % až 75 %.

Doktorka Jay-lin Jane, profesorka na katedře potravinářských věd a lidské výživy na Státní univerzitě v Iowě v Ames, v rámci svého probíhajícího výzkumu zkoumala velikost a tvar granulí mnoha typů škrobu. Pomocí skenovací elektronové mikroskopie Jane a její výzkumný tým zjistili, že běžný kukuřičný škrob má granule nepravidelného polyedrického tvaru. Jejich velikost se pohybuje mezi 5 a 20 mikrony.

Voskový kukuřičný škrob má také granule nepravidelného tvaru s podobným rozdělením velikosti jako kukuřičný škrob. Jednotlivé plochy však nejsou tak zřetelné. Škroby s vysokým obsahem amylosy mají také nepravidelný tvar, ale bývají hladké. Některé z nich mají dokonce tvar tyčinek. Škroby s vysokým obsahem amylózy mají užší rozsah velikostí:

Bramborový

Bramborový škrob obsahuje asi 20 % amylosy. Stejně jako granule z mnoha jiných hlíz jsou i granule bramborového škrobu velké a mají hladký kulatý oválný tvar. Z běžně používaných potravinářských škrobů je bramborový škrob největší; jeho granule mají velikost od 15 do 75 mikrometrů.

Rýžový

Běžný rýžový škrob má poměr amylózy a amylopektinu přibližně 20:80, zatímco voskový rýžový škrob má pouze asi 2 % amylózy. Obě odrůdy mají malou velikost granulí od 3 do 8 mikronů. Podle Janeho se jedná o polygony nepravidelného tvaru, přičemž vosková rýže vykazuje některé složené granule.

Škrob z tapioky

Škrob z tapioky má 15 až 18 % amylosy. Tapiokové granule jsou hladké, nepravidelné kuličky o velikosti od 5 do 25 mikrometrů.

Pšeničný

Pšeničný škrob má obsah amylosy přibližně 25 %. Jeho granule jsou poměrně tlusté 5 až 15 mikronů s hladkým, kulatým tvarem o průměru od 22 do 36 mikronů. Pšeničný škrob je bimodální v tom smyslu, že má také skupinu škrobových granulí různé velikosti. V tomto případě jsou tato jiná zrnka velmi malá, s průměrem pouze 2 až 3 mikrony.

Skládání škrobových soupeřů

Představa o tom, jak se škroby liší, by při diskusi o tom, jak se tytéž škroby chovají, měla snadno prozradit, jak různé prvky struktury škrobu ovlivňují výkonnost, že? Zdaleka tomu tak není. Škroboví chemici se všeobecně shodují, že struktura a složení škrobu ovlivňují výkonnost. Přímá souvislost však není vždy zřejmá a změny v jednom znaku se nemusí nutně projevit v pokynech.

Následuje přehled toho, co je v současné době známo o tom, jak struktura a složení ovlivňují výkonnost. Mějte na paměti, že tato diskuse může vyvolat více otázek než odpovědí. Nejprve však uvádíme stručný přehled toho, co se děje během želatinizace škrobu:

Když je škrob rozptýlen ve vodě a zahříván, voda proniká do granule škrobu zvenčí dovnitř, dokud není granule plně hydratovaná. Po hydrataci udržuje vodíková vazba mezi amylosou a amylopektinem integritu granule a ta začne bobtnat od hilu (středu). Po želatinizaci mohou nabobtnalé granule zvyšovat viskozitu disperze a/nebo se spojovat za vzniku gelů a filmů.

Velikost a struktura granulí

Podle mnoha zdrojů se zdá, že velikost granulí sama o sobě nemá silný vliv na vlastnosti škrobu. Předpokládá se však, že přispívá k tomu, jak rychle škrob želatinuje a jaká je jeho želatinizační teplota. Například rýžový a tapiokový škrob mají oba obsah amylózy ve stejném rozmezí, ale granule tapiokového škrobu jsou mnohem větší a v důsledku toho snadněji bobtnají.

“Čím větší je granule, tím méně molekulárních vazeb máme, takže bobtnají rychleji,” říká Paul Smith, prezident společnosti Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Ale také se rychleji rozpadají.”

Velké granule škrobu mají tendenci vytvářet vyšší viskozitu, ale viskozita je jemná, protože fyzická velikost granule ji činí citlivější na smyk. Navzdory těmto rozdílům neznamená kompaktnější struktura menší molekuly vždy významný rozdíl v želatinizaci. Například pšeničný škrob má bimodální rozložení malých i velkých granulí. Kromě velikosti mají tyto granule prakticky stejné složení amylosy a amylopektinu atd. Želatinizační vlastnosti velkých a malých granulí však nevykazují významné výkonnostní rozdíly.

“Jeden test ukázal, že malé granule mají o 3° vyšší želatinizační teplotu než velké, ale teploty nástupu byly podobné,” říká Abbas. ” Řekl bych, že u pšeničného škrobu (velikost granulí) není hlavním faktorem.”

Poměr amylózy a amylopektinu

Kukurzový voskový škrob a běžný kukuřičný škrob mají stejnou velikost granulí, ale voskový kukuřičný nabobtná ve větší míře a každý z nich želatinuje při jiné teplotě. To je do značné míry způsobeno jejich rozdílným složením amylózy a amylopektinu.

“Molekuly amylózy se díky své linearitě snáze řadí a mají rozsáhlejší vodíkové vazby,” říká Abbas. “V důsledku toho je k přerušení těchto vazeb a želatinizaci škrobu zapotřebí více energie.”

Všeobecně platí, že čím vyšší je obsah amylózy, tím vyšší je teplota želatinizace. To je nejvíce patrné u dvou kukuřičných škrobů s vysokým obsahem amylózy, které pro želatinizaci vyžadují tak vysoké teploty, že se musí vařit pod tlakem. Poměr amylózy a amylopektinu také určuje, jakou strukturu želatinizovaný škrob vytvoří.

“Obecně platí, že amylóza vám dává pevnost gelu a amylopektin vám dává vysokou viskozitu,” říká Abbas. “Takže škroby s vysokým obsahem amylózy vám poskytnou želírovací vlastnosti a voskové škroby vám poskytnou vysokou viskozitu.”

Lineární struktura amylózy také přispívá k pevnosti gelu. V roztoku se lineární molekuly amylózy mohou snadněji vzájemně zarovnávat a spojovat pomocí vodíkové vazby za vzniku gelů. Rozvětvené molekuly amylopektinu se nemohou tak snadno uspořádat, a proto poskytují slabší vodíkovou vazbu a pevnost gelu.

Viskozita je naopak čistě funkcí molekulové hmotnosti. Rozvětvená struktura amylopektinu se všemi připojenými řetězci dává mnohem větší molekulu než amylosa. V důsledku toho amylopektin lépe vytváří viskozitu než amylosa.

Pokud tedy tvůrce výrobku požaduje želírující vlastnosti, měl by zvolit škrob s vysokým obsahem amylosy, zatímco v případě potřeby viskozity by měl zvolit škrob s vysokým obsahem amylopektinu (vosku), je to tak? Ne tak docela. Čistá gelovitost a viskozita jsou často užitečné, ale ne vždy jsou tím, co konstruktéři výrobků potřebují. Škrob s příliš vysokým obsahem amylózy může způsobit, že pudink bude příliš tuhý. Ten, který má příliš vysoký obsah amylopektinu, může v dietním koktejlu vytvořit správnou viskozitu, ale při konzumaci se může jevit jako vláknitý a “slizký”. Z toho vyplývá, že poměr amylosy a amylopektinu určuje nejen základní texturu, ale i charakter této textury.

Použití škrobu v extrudovaných výrobcích ilustruje, jak citlivé může být vyvážení tohoto poměru. Stejně jako u tvorby gelu je tvorba filmu funkcí asociace lineárních molekul amylosy. Čím vyšší je obsah amylosy, tím lepší jsou filmotvorné vlastnosti. U extrudovaných snacků jsou filmotvorné vlastnosti žádoucí, aby se dosáhlo křupavé textury hotového výrobku. Samotná křupavost však svačinu neudělá ani nezničí.

“Pevně vázaná povaha polymeru amylózy ovlivňuje křupavost,” říká Jim Zallie, ředitel potravinářské technologie společnosti National Starch and Chemical Co, Bridgewater, NJ., “Jedná se však o materiál s nižší molekulovou hmotností, který nemůže zachytit vzduch, jenž vzniká přeměnou vody na páru při odvzdušňování.”

Použití škrobu se zvyšujícím se obsahem amylopektinu odpovídajícím způsobem zvyšuje expanzi na úkor křupavosti. V důsledku toho je třeba pečlivě volit poměr amylózy a amylopektinu. V některých případech vyžadují texturní požadavky výrobku kombinaci škrobů z různých zdrojů.

“Někteří lidé používají kombinace různých základních škrobů, aby dosáhli buď kratší, nebo delší textury,” říká Mike Augustine, manažer pro aplikace potravinářských přísad, A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. “Snažíme se sestavovat směsi, abychom dosáhli specifické textury nebo kvality hotového výrobku.”

Kromě vytváření textury se škroby používají k tomu, aby přispívaly ke stabilitě potravinářských výrobků. Ta má často podobu zadržování vody. Jak již bylo uvedeno, želatinizované molekuly škrobu mají tendenci se navzájem reasociovat. Tato reasociace vytlačuje vodu z molekuly a způsobuje rekrystalizaci škrobu. Tendence škrobu k rekrystalizaci neboli retrogradaci tímto způsobem určuje jeho vhodnost pro dlouhodobou stabilitu.

“Rozvětvený amylopektin vytváří sterické překážky,” říká Putnam. “To neumožňuje molekulám reasociovat, takže nemají tendenci tak snadno retrogradovat.”

Molekulární struktura amylózy a amylopektinu

Dlouhé molekuly amylózy mají tendenci dělat strukturu výrobku vláknitou, protože se spojují. Molekulová hmotnost amylózy také ovlivňuje pružnost gelu. Delší molekuly mají tendenci silněji asociovat a vytvářet pevnější a křehčí gely, ale tento efekt má své meze.

“Tapiokový i bramborový škrob mají amylózu, ale vytvářejí spíše soudržnou hmotu než gel, jako by tomu bylo u kukuřičného škrobu,” říká Peter Trzasko, vedoucí výzkumný pracovník společnosti National Starch and Chemical Co. “Teorie, která za tím stojí, je založena na molekulové hmotnosti. Bramborový a tapiokový škrob mají o tolik vyšší molekulovou hmotnost než kukuřičný, že je vlastně pro molekuly obtížnější se spojit.”

Molekulová hmotnost neposkytuje vždy přímou souvislost s výkonem. V roce 1992 Jane z Iowa State informoval o výzkumu vlivu molekulární velikosti amylózy a délky větveného řetězce amylopektinu na pastovací vlastnosti škrobu. Jane zjistil, že molekuly amylopektinu s delšími větvemi mají nejen tendenci gelovatět, ale že pevnost gelu se zvyšuje s délkou větví. Viskozita amylocyklů různých délek však již tak dobře nekorelovala. Ve skutečnosti byla nejlepší viskozita dosažena u amylózy střední délky, zatímco největší a nejmenší molekuly amylózy měly podobně nízkou viskozitu.

Jasnější souvislost lze nalézt mezi velikostí molekul a stabilitou. Delší molekula amylosy bude mít do jisté míry větší pevnost gelu díky své větší schopnosti asociovat se prostřednictvím vodíkové vazby. Tato zvýšená schopnost asociovat zvyšuje tendenci molekuly k retrográdnímu pohybu. Menší molekuly amylosy vykazují slabší asociaci, a proto jsou odolnější vůči retrogradaci. Nejnovější informace naznačují, že molekuly amylopektinu s delšími větvemi jsou také náchylnější k retrogradaci. To znepokojuje zejména výzkumníky, kteří se snaží prodloužit molekuly amylózy pomocí křížení.

“Když vložíte gen pro prodlužování amylózy, nakonec také prodloužíte větvené řetězce amylopektinu,” říká doktorka Pamela J. Whiteová, zastupující ředitelka oddělení potravinářských věd a lidské výživy na Státní univerzitě v Iowě.

Fosfor

Škroby obsahují fosfor v té či oné formě. Povaha fosforu ovlivňuje výkonnost škrobu. Ve většině obilných škrobů se fosfor nachází hlavně ve formě lysofosfolipidů, které mají tendenci komplexovat s amylosou škrobu a snižovat jeho schopnost vázat vodu. Tyto komplexy také přispívají k neprůhlednosti škrobové pasty.

Fosfor v hlízových škrobech, jako jsou brambory, je ve formě fosfátových monoesterů, které se vyskytují na molekule škrobu jako záporně nabité skupiny. Iontová repulze vytvářená těmito skupinami oslabuje vazbu mezi molekulami a zvyšuje schopnost vázat vodu, bobtnavost a průhlednost pasty.

Rozluštění záhad

Poznání nativní funkčnosti škrobu nejenže zefektivňuje práci konstruktéra výrobku, ale je důležitým článkem pro rozšíření funkčnosti škrobu pomocí modifikace. To platí bez ohledu na to, zda je škrob modifikován chemickými/enzymatickými metodami, konvenčním šlechtěním nebo biotechnologií.

Jak již bylo uvedeno, studium vztahů mezi strukturou a funkcí škrobu přináší více otázek než odpovědí. V důsledku toho mají výzkumníci pracující v této oblasti spoustu práce. Státní univerzita v Iowě je jedním z míst, kde probíhá studium škrobu.

Od roku 1987 hledají výzkumníci White a Jane z ISU škroby s jedinečnými funkčními vlastnostmi, které by mohli využít při vývoji nových hybridů kukuřice. Spolupracuje s nimi doktorka Linda Pollak, výzkumná genetička U.S. Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service, která spolupracuje s oddělením agronomie ISU.

S využitím přístupu Pollak k severoamerické knihovně mutantních genotypů kukuřice tým provádí screening exotických typů kukuřice, aby určil povahu variací funkčních vlastností.

“Je obtížné a časově náročné provádět přímou strukturní studii,” říká White. “Náš přístup tedy spočíval v tom, že jsme začali s rychlým screeningem škrobu jeho extrakcí v laboratoři s pouhým jedním zrnem.”

Tento počáteční screening se provádí pomocí diferenční skenovací kalorimetrie (DSC). Vzorek škrobu se vloží a poté se naskenuje na DSC. Po sedmi dnech skladování pastovaného vzorku při 4 °C (optimální teplota pro retrogradaci škrobu) se vzorek znovu naskenuje.

“Sken, který získáme na čerstvém a skladovaném vzorku, nám řekne, zda škrob může mít jedinečné funkční vlastnosti,” říká White. “Jakmile zjistíme něco neobvyklého, ověříme, že to skutečně dává jinou DSC jindy.”

Další informace získané touto DSC analýzou zahrnují teplotu želatinizace a rozsah želatinizace. Nízká teplota želatinizace může zajistit úsporu energie ve velkém výrobním provozu. Úzký rozsah želatinizace také zefektivní výrobu tím, že želatinizace bude rychlejší.

“To jsou klíčové věci, které začínáme sledovat,” říká White. “Když vidíme věci, které se při měření pomocí DSC výrazně liší od normy, provedeme pak strukturní analýzu, abychom zjistili, proč to dělají, a dáme strukturu do souvislosti s funkcí.”

První krok v tomto směru vyžaduje pěstování mutantní kukuřice ve větším množství pro další analýzu. Testy zahrnují stanovení procenta amylosy pomocí jodové potenciometrické titrace a/nebo gelové permeační chromatografie; distribuci molekulové hmotnosti pomocí gelové permeační chromatografie; a délku větveného řetězce amylopektinu vypočtenou z redukční hodnoty stanovené pomocí mokré chemie nebo pomocí gelové permeační chromatografie.

Pokud je k dispozici dostatečné množství škrobu, provádějí se také funkční testy, například testy viskozity a pevnosti gelu.

“Další věc, kterou často děláme, je měření velikosti granulí pomocí elektronové mikroskopie,” říká White. “Ukázalo se, že škrob s malými granulemi je dobrý pro hladký pocit v ústech, což je užitečná vlastnost pro tukové náhražky, aby se zabránilo zrnité struktuře.”

Nakonec se zjistí souvislost mezi požadovanými funkčními vlastnostmi a strukturou škrobu. Pak se toho ujmou rostlinní genetici a snaží se vyšlechtit požadované vlastnosti do odrůdy, kterou lze pěstovat.

Rozšiřování znalostí o nativní funkčnosti škrobu je užitečné jak pro návrháře výrobků, tak pro tvůrce nových škrobových přísad. Někdy se však zdá, že každý krok na cestě k tomuto poznání pouze prodlužuje vzdálenost. Přesto je třeba v tomto úsilí pokračovat, protože – ačkoli cesta možná nikdy neskončí – každý krok blíže přináší nové pokroky, které pomáhají zlepšovat potravinářské výrobky.

Zpět na začátek textu