Understanding Starch Functionality
1996. január — címlapsztori

By: Scott Hegenbart
Szerkesztő*

*(1991. április – 1996. július)

A kukoricakeményítő az amerikai élelmiszeripari vállalatok által használt elsődleges keményítő-összetevő. De a különböző forrásokból származó keményítők, és még a kevésbé elterjedt kukoricafajtákból kivontak is, már a módosítás előtt is számos funkcionális tulajdonsággal rendelkeznek. A különböző natív keményítők egyedi funkcionalitásának feltárása számos potenciális előnnyel jár.

Bővített funkcionalitási tartomány

Néhány keményítő olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyeket nem olyan könnyű más keményítő módosításával megismételni.Ráadásul a módosítás során még kívánatos is, ha a kívánt funkcionális tulajdonságokhoz közelebb álló nyersanyagból indulunk ki. A kevésbé kiterjedt módosítás azt jelenti…

csökkentett költségek

A tervezők folyamatosan igénylik, hogy a textúra összetevői magasabban funkcionálisak legyenek, a költségkorlátok azonban még mindig szorítanak. Sok esetben minél kevesebb feldolgozást kap egy keményítő, annál költséghatékonyabb. A speciálisan kifejlesztett kukoricahibridekből származó, magas funkcionalitású natív kukoricakeményítők már forgalomban vannak. Ezek két szempontból is nagyobb gazdaságosságot kínálhatnak.

“Olyan keményítőt kapunk, amelyet nem kell átalakítani, ami költségmegtakarítást jelent” – mondja Dr. Ibrahim Abbas, az American Maize-Products Co. (Hammond, IN) termékfejlesztési vezetője. “Amikor ezeket módosítják, bizonyos esetekben a hibridek jobban reagálnak a vegyszerekre; ezért kevesebbet tudunk használni. Ez hatékonyabb, és pénzt lehet megtakarítani.”

Címkézés

Bár ez nem bizonyult olyan nagy problémának, mint amilyennek korábban gondolták, a módosított keményítőknek még mindig E számot kell viselniük Európában. A funkcionálisabb natív keményítő nem viseli az E számot, és természetesebbnek tűnik az európai fogyasztók számára – ami aggodalomra ad okot az egyre bővülő globális piacon.

Szerkezet és funkció összefüggése

Kémiailag a keményítők olyan poliszacharidok, amelyek ismétlődő glükóz egységekből állnak. A keményítőmolekulák kétféle molekulaszerkezetűek: egy lineáris szerkezetű, amilóz néven ismert; és egy elágazó szerkezetű, amilopektin néven ismert. Az amilóz és az amilopektin hidrogénkötés révén társul, és sugárirányban rétegekbe rendeződve szemcséket alkot. A különböző forrásokból származó keményítők a következőkben különböznek egymástól, amelyek mindegyike befolyásolhatja a teljesítményt:

Keményítőszemcsék mérete és alakja

A keményítőszemcsék a legkülönbözőbb méretűek lehetnek, 3 mikrontól több mint 100 mikronig. Egyes keményítőknél a szemcseméret polimodális, ami azt jelenti, hogy a szemcsék egynél több mérettartományba csoportosíthatók. A búzakeményítőben például a nagy és a kis szemcsék egyaránt megtalálhatók. A szemcsék alakja is változatos lehet. A szemcseformák közé tartoznak a szimmetrikus gömbök, aszimmetrikus gömbök, szimmetrikus korongok és aszimmetrikus korongok. Egyes szemcsék egyenletesen mutatják alakjukat, míg mások fazettált felületű poliéderek.

Amilóz:amilopektin arány

Minden keményítő változó arányban amilózból és amilopektinből áll. Ez az arány nem csak a különböző keményítőtípusok között változik, hanem egy típuson belül a különböző növényfajták között is. A viaszos keményítők azok, amelyek legfeljebb 10%-ban tartalmaznak amilopektint.

Az amilóz- és amilopektinmolekulák szerkezete

A keményítőben lévő amilózmolekulák hossza – az úgynevezett polimerizációs fok – rendkívül eltérő lehet. Az amilopektinben a molekula hossza és az elágazások száma ugyanilyen változó.

“Az amilózmolekula hossza típusonként és fajtánként változik” – mondja Daniel Putnam, a Grain Processing Corp. vezető alkalmazáskutatója (Muscatine, IA). “Láttam már 200-tól 2000-ig terjedő polimerizációs fokot egy keményítőtípuson belül.”

A keményítőnél egyéb variációk is léteznek

Ezeket nem lehet egyetlen kategóriába sorolni, mert egyediek lehetnek egy adott keményítőnél. Általánosságban azonban a legtöbb ilyen variáció a szemcsékben lévő nem-keményítő komponensek jelenlétéből áll.”

A sokféle keményítőtípus számtalan változatát egyetlen cikkben nem lehetne átfogóan tárgyalni. Következésképpen ez a funkció néhány általános tendenciát tárgyal az élelmiszeriparban használt főbb keményítőtípusok között.

Kukorica

A kukoricakeményítőnek négy osztálya létezik. A közönséges kukoricakeményítő 25%-ban amilózt tartalmaz, míg a viaszos kukorica szinte teljes egészében amilopektinből áll. A két fennmaradó kukoricakeményítő a magas amilóz tartalmú kukoricakeményítő; az egyik 55-55%-ban, míg a másik 70%-75%-ban tartalmaz amilózt.

Jay-lin Jane, Ph.D., az Ames-i Iowa Állami Egyetem élelmiszer-tudományi és emberi táplálkozástudományi tanszékének professzora folyamatos kutatásai keretében számos keményítőtípus szemcseméretét és alakját vizsgálta. Pásztázó elektronmikroszkópia segítségével Jane és kutatócsoportja megállapította, hogy a közönséges kukoricakeményítő szabálytalan, poliéder alakú szemcsékkel rendelkezik. Méretük 5 mikron és 20 mikron között mozog.

A viaszos kukoricakeményítő szintén szabálytalan alakú szemcsékkel rendelkezik, amelyek méreteloszlása hasonló a közönséges kukoricáéhoz. Az egyes felületek azonban nem olyan jól elkülöníthetőek. A magas amilóz tartalmú keményítők szintén szabálytalan alakúak, de általában simák. Némelyikük még rúd alakú is. A magas amilóz tartalmú keményítőknek szűkebb a mérettartománya: 5-15 mikron, vagy akár 10-15 mikron, fajtától függően.

Krumpli

A burgonyakeményítő körülbelül 20%-ban tartalmaz amilózt. Mint sok gumóé, a burgonyakeményítő szemcséi is nagyok, sima, kerek, ovális alakúak. Az élelmiszerekben általánosan használt keményítők közül a burgonyakeményítő a legnagyobb; szemcséinek mérete 15 és 75 mikron között mozog.

Rizs

A közönséges rizskeményítő amilóz:amilopektin aránya körülbelül 20:80, míg a viaszos rizskeményítő csak körülbelül 2% amilózt tartalmaz. Mindkét fajta szemcsemérete kicsi, 3 és 8 mikron közötti. Jane szerint ezek szabálytalan alakú sokszögek, a viaszos rizsben néhány összetett szemcse található.

Tápióka

A tápiókakeményítő 15-18% amilózt tartalmaz. A tápióka szemcsék sima, szabálytalan gömbök, amelyek mérete 5 és 25 mikron között mozog.

Búza

A búzakeményítő amilóztartalma 25% körüli. A szemcsék viszonylag vastagok, 5 és 15 mikron közöttiek, 22 és 36 mikron közötti átmérőjű, sima, kerek alakúak. A búzakeményítő bimodális, mivel különböző méretű keményítőszemcsék csoportja is van. Ebben az esetben ezek a más szemcsék nagyon kicsik, átmérőjük mindössze 2-3 mikron.

A keményítő riválisok egymásra rakása

Azzal, hogy tudjuk, hogyan különböznek a keményítők, annak megvitatása, hogy ezek a keményítők hogyan teljesítenek, könnyen elárulja, hogy a keményítő szerkezetének különböző elemei hogyan befolyásolják a teljesítményt, igaz? Messze nem így van. A keményítő-kémikusok egyetértenek abban, hogy a keményítő szerkezete és összetétele befolyásolja a teljesítményt. A közvetlen összefüggés azonban nem mindig nyilvánvaló, és az egyetlen tulajdonságban bekövetkező változások nem feltétlenül mutatnak irányvonalakat.

A következőkben áttekintjük, hogy mit tudunk jelenleg arról, hogyan befolyásolja a szerkezet és az összetétel a teljesítményt. Tartsuk szem előtt, hogy ez a vita több kérdést generálhat, mint amennyit megválaszol. Először azonban következzen egy rövid áttekintés arról, hogy mi történik a keményítő zselésedése során:

Amikor a keményítőt vízbe szórjuk és felmelegítjük, a víz kívülről befelé hatol a keményítőszemcsékbe, amíg a szemcse teljesen hidratálttá nem válik. Miután hidratálódott, az amilóz és az amilopektin közötti hidrogénkötés fenntartja a szemcse integritását, és az a hilumtól (középről) duzzadni kezd. A megduzzadt szemcsék zselésedést követően növelhetik a diszperzió viszkozitását, és/vagy gélek és filmek kialakulásához társulhatnak.

Granulátumméret és szerkezet

Más források szerint a szemcseméret önmagában nem tűnik úgy, hogy erős hatással lenne a keményítő teljesítményére. Úgy vélik azonban, hogy hozzájárul ahhoz, hogy a keményítő milyen gyorsan zselésedik és milyen a zselésítési hőmérséklete. A rizskeményítő és a tápióka keményítő amilóz-tartalma például ugyanabban a tartományban van, de a tápióka keményítőszemcsék sokkal nagyobbak, és ennek következtében könnyebben duzzadnak.

“Minél nagyobb a szemcse, annál kevesebb a molekuláris kötés, így gyorsabban duzzadnak” – mondja Paul Smith, a Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ, elnöke. “De gyorsabban is bomlanak le.”

A nagy keményítőszemcsék általában nagyobb viszkozitást képeznek, de a viszkozitás kényes, mert a szemcsék fizikai mérete miatt érzékenyebbek a nyírásra. Az ilyen különbségek ellenére a kisebb molekula tömörebb szerkezete nem mindig jelent jelentős különbséget a zselésedésben. A búzakeményítő például bimodális eloszlásban tartalmaz kis és nagy szemcséket egyaránt. A mérettől eltekintve ezek a szemcsék gyakorlatilag azonos összetételűek amilózból és amilopektinből, és így tovább. A nagy és a kis szemcsék zselésedési tulajdonságai azonban nem mutatnak jelentős teljesítménybeli különbségeket.

“Egy vizsgálat kimutatta, hogy a kis szemcsék zselésedési hőmérséklete 3°-kal magasabb, mint a nagyoké, de a kezdeti hőmérsékletek hasonlóak voltak” – mondja Abbas. ” Azt mondanám, hogy a búzakeményítőnél (a szemcseméret) nem jelentős tényező.”

Amilóz:amilopektin arány

A viaszos és a közönséges kukoricakeményítők szemcsemérete megegyezik, de a viaszos kukorica nagyobb mértékben duzzad, és mindegyik más-más hőmérsékleten zselésedik. Ez nagyrészt az eltérő amilóz:amilopektin összetételüknek köszönhető.

“Az amilózmolekulák linearitásuk miatt könnyebben sorakoznak egymás mellett, és kiterjedtebb hidrogénkötésekkel rendelkeznek” – mondja Abbas. “Következésképpen több energiára van szükség e kötések felbontásához és a keményítő zselésítéséhez.”

Általában minél magasabb az amilóz, annál magasabb a zselésítési hőmérséklet. Ez leginkább a két magas amilóz tartalmú kukoricakeményítőnél figyelhető meg, amelyek zselésítéséhez olyan magas hőmérsékletre van szükség, hogy nyomás alatt kell főzni őket. Az amilóz:amilopektin arány azt is meghatározza, hogy a zselésített keményítő milyen textúrát fog kialakítani.

“Általánosságban elmondható, hogy az amilóz adja a zselés szilárdságot, az amilopektin pedig a magas viszkozitást” – mondja Abbas. “Tehát a magas amilóz tartalmú keményítők adják a zselésítő tulajdonságokat, a viaszos keményítők pedig a magas viszkozitást.”

Az amilóz lineáris szerkezete szintén hozzájárul a zselés szilárdsághoz. Oldatban a lineáris amilózmolekulák könnyebben tudnak egymáshoz igazodni, és hidrogénkötés révén gélek kialakulásához társulni. Az elágazó amilopektin molekulák nem tudnak ilyen könnyen igazodni, és így gyengébb hidrogénkötést és gélszilárdságot adnak.

A viszkozitás viszont pusztán a molekulatömeg függvénye. Az amilopektin elágazó szerkezete az összes csatolt láncával együtt sokkal nagyobb molekulát eredményez, mint az amilóz. Következésképpen az amilopektin jobban képes a viszkozitás kialakítására, mint az amilóz.

Ha tehát a termék tervezője zselésítő tulajdonságokat akar, akkor magas amilóz tartalmú keményítőt kell választania, míg ha viszkozitásra van szükség, akkor magas amilopektin tartalmú (viaszos) keményítőt kell választania, igaz? Nem egészen. A tiszta gélerősség és viszkozitás gyakran hasznos, de nem mindig ezekre van szüksége a terméktervezőknek. Egy túl magas amilóz tartalmú keményítő túl kemény pudingot eredményezhet. Egy túl magas amilopektintartalmú keményítő megfelelő viszkozitást biztosíthat egy diétás turmixban, de fogyasztáskor szálasnak és “nyálkásnak” tűnhet. Következésképpen az amilóz:amilopektin arány nemcsak az alaptextúrát, hanem a textúra jellegét is meghatározza.

A keményítő extrudált termékekben való felhasználása jól szemlélteti, hogy milyen kényes lehet ennek az aránynak a kiegyensúlyozása. A gélképződéshez hasonlóan a filmképződés is a lineáris amilózmolekulák társulásának függvénye. Minél magasabb az amilóz, annál jobbak a filmképző tulajdonságok. Egy extrudált snack esetében a filmképző tulajdonságok azért kívánatosak, hogy a késztermék ropogós textúrát kapjon. De a ropogás önmagában még nem teszi lehetővé a snacket.

“Az amilóz polimer szorosan kötött jellege befolyásolja a ropogást” – mondja Jim Zallie, a National Starch and Chemical Co. (Bridgewater, NJ) élelmiszer-technológiai igazgatója, “De ez egy alacsonyabb molekulatömegű anyag, amely nem tudja magába zárni a levegőt, amely a víz gőzzé válásából származik a szellőztetés során.”

A növekvő amilopektin-tartalmú keményítő használata ennek megfelelően növeli a tágulást a ropogósság rovására. Ennek következtében az amilóz:amilopektin arányt gondosan kell megválasztani. Bizonyos esetekben a termék texturális igényei megkövetelik a különböző forrásból származó keményítők kombinálását.

“Néhányan különböző alapkeményítők kombinációit használják a rövidebb vagy hosszabb textúra elérése érdekében” – mondja Mike Augustine, az A.E. Staley Manufacturing Co. (Decatur, IL) élelmiszer-összetevők alkalmazásainak menedzsere. “Kerestük a keverékek összeállítását egy adott textúra vagy késztermékminőség elérése érdekében.”

A textúra kialakításán kívül a keményítőket arra is használják, hogy hozzájáruljanak az élelmiszerek stabilitásához. Ez gyakran a víz megtartásának formáját ölti. Mint korábban említettük, a zselatinizált keményítőmolekulák hajlamosak újraegyesülni egymással. Ez a reasszociáció kiszorítja a vizet a molekulából, ami a keményítő újrakristályosodását okozza. A keményítő ilyen módon történő átkristályosodási, azaz retrográd hajlamától függ, hogy mennyire alkalmas a hosszú távú stabilitásra.

“Az elágazó amilopektin sztérikus akadályt jelent” – mondja Putnam. “Ez nem teszi lehetővé, hogy a molekulák újraegyesüljenek, így nem hajlamos olyan könnyen visszaalakulni.”

Az amilóz és az amilopektin molekulaszerkezete

A hosszabb amilózmolekulák hajlamosak arra, hogy a termék textúrája szálas legyen a társulásuk miatt. Az amilóz molekulatömege a gél rugalmasságát is befolyásolja. A hosszabb molekulák hajlamosabbak erősebben társulni, és erősebb, törékenyebb gélt eredményeznek, de ennek a hatásnak van egy határa.

“A tápióka- és a burgonyakeményítő is tartalmaz amilózt, de inkább egy összetartó masszát képeznek, mint gélt, mint a kukoricakeményítő” – mondja Peter Trzasko, a National Starch and Chemical Co. vezető kutató munkatársa. “Ennek elmélete a molekulatömegen alapul. A burgonya és a tápióka molekulasúlya sokkal nagyobb, mint a kukoricáé, ami valójában megnehezíti a molekulák összekapcsolódását.”

A molekulasúly nem mindig biztosít közvetlen teljesítménybeli összefüggést. 1992-ben az Iowa State’s Jane arról a kutatásról számolt be, amely az amilóz molekulaméretének és az amilopektin elágazási láncok hosszának a keményítő pasztázási tulajdonságaira gyakorolt hatását vizsgálta. Jane azt találta, hogy a hosszabb elágazású amilopektinmolekulák nemcsak hogy hajlamosak a gélesedésre, de a gél szilárdsága az elágazás hosszával együtt nőtt. A különböző hosszúságú amilopektinek viszkozitása azonban nem korrelált ilyen jól. Valójában a legjobb viszkozitást a közepes hosszúságú amilózzal érték el, míg a legnagyobb és a legkisebb amilózmolekula is hasonlóan alacsony viszkozitást produkált.

A molekulaméret és a stabilitás között még egyértelműbb összefüggés mutatható ki. Egy hosszabb amilózmolekula egy bizonyos pontig nagyobb gélszilárdsággal rendelkezik, mivel nagyobb a hidrogénkötésen keresztül történő társulási képessége. Ez a fokozott társulási képesség növeli a molekula retrográd hajlamát. A kisebb amilózmolekulák gyengébb társulást mutatnak, és így ellenállóbbak a retrográdációval szemben. A legújabb információk szerint a hosszabb elágazású amilopektinmolekulák szintén hajlamosabbak a retrográdációra. Ez különösen aggasztja azokat a kutatókat, akik keresztezéssel próbálják meghosszabbítani az amilózmolekulákat.

“Ha beillesztünk egy amilóznyújtó gént, akkor az amilopektin elágazó láncai is meghosszabbodnak” – mondja Pamela J. White, Ph.D., az Iowa Állami Egyetem Élelmiszertudományi és Humán Táplálkozástudományi Tanszékének megbízott igazgatója.

Foszfor

A keményítők valamilyen formában foszfort tartalmaznak. A foszfor jellege befolyásolja a keményítő teljesítményét. A legtöbb gabonakeményítőben a foszfor főként lizofoszfolipidek formájában található, amelyek hajlamosak komplexet képezni a keményítő amilózával, és csökkentik annak vízmegkötő képességét. Ezek a komplexek hozzájárulnak a keményítőtészta átlátszatlanságához is.

A foszfor a gumókeményítőkben, például a burgonyában, foszfát-monoészterek formájában van jelen, amelyek a keményítőmolekulán negatív töltésű csoportokként fordulnak elő. Az e csoportok által létrehozott ionos taszítás gyengíti a molekulák közötti kapcsolatot, és növeli a vízmegkötő képességet, a duzzadóképességet és a tészta tisztaságát.

A rejtélyek megfejtése

A natív keményítő funkcionalitásának megismerése nemcsak a terméktervező munkáját teszi hatékonyabbá, hanem létfontosságú láncszem a keményítő funkcionalitásának módosítással történő bővítéséhez. Ez attól függetlenül igaz, hogy a keményítőt kémiai/enzimatikus módszerekkel, hagyományos nemesítéssel vagy biotechnológiával módosítják.

Amint korábban említettük, a keményítő szerkezetének és funkciójának összefüggéseinek tanulmányozása több kérdést vet fel, mint amennyit megválaszol. Ennek eredményeképpen az e területen dolgozó kutatóknak bőven akad elfoglaltságuk. Az Iowa Állami Egyetem az egyik olyan hely, ahol folyamatban lévő keményítőtanulmányok folynak.

1987 óta White és Jane, az ISU kutatói egyedi funkcionális tulajdonságokkal rendelkező keményítőket keresnek, amelyeket új kukoricahibridek kifejlesztéséhez használhatnak fel. Velük dolgozik Linda Pollak, Ph.D., a U.S. Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service kutatógenetikusa, aki az ISU agronómiai tanszékén dolgozik.

Azzal, hogy Pollak hozzáfér a kukorica mutáns genotípusainak észak-amerikai könyvtárához, a csapat az egzotikus kukoricafajtákat vizsgálja, hogy meghatározza a funkcionális tulajdonságok eltéréseinek természetét.

“Nehéz és időigényes közvetlen strukturális vizsgálatot végezni” – mondja White. “Ezért a mi megközelítésünk az volt, hogy a keményítő gyors szűrésével kezdtük, méghozzá úgy, hogy a laboratóriumban mindössze egyetlen magot extraháltunk.”

Ezt a kezdeti szűrést differenciál pásztázó kalorimetriával (DSC) végeztük. A keményítőből mintát ragasztanak, majd a DSC-n beolvassák. Miután a pasztázott mintát hét napig 4°C-on tárolták (ez a keményítő retrogradációjának optimális hőmérséklete), a mintát újra letapogatják.

“A friss és a tárolt mintán kapott letapogatásból megtudhatjuk, hogy a keményítőnek lehetnek-e egyedi funkcionális tulajdonságai” – mondja White. “Amint találunk valami szokatlant, ellenőrizzük, hogy az valóban más DSC-t ad-e egy másik alkalommal.”

A DSC-elemzéssel kapott egyéb információk közé tartozik a zselatinizációs hőmérséklet és a zselatinizációs tartomány. Az alacsony zselatinizációs hőmérséklet energiamegtakarítást jelenthet egy nagy gyártási műveletben. A szűk zselésedési tartomány szintén hatékonyabbá teszi a termelést azáltal, hogy gyorsabbá teszi a zselésedést.

“Ezek azok a kulcsfontosságú dolgok, amelyeket elkezdünk vizsgálni” – mondja White. “Amikor olyan dolgokat látunk, amelyek a DSC-vel mérve nagymértékben eltérnek a normálistól, akkor strukturális elemzést végzünk, hogy megállapítsuk, miért teszik ezt, és a szerkezetet a funkcióval hozzuk összefüggésbe.”

Az első lépés ehhez az, hogy a mutáns kukoricát nagyobb mennyiségben kell termeszteni a további elemzéshez. A vizsgálatok közé tartozik az amilóz százalékos arányának meghatározása jód-potenciometriás titrálással és/vagy gélpermeációs kromatográfiával; a molekulatömeg-eloszlás meghatározása gélpermeációs kromatográfiával; valamint az amilopektin elágazó láncainak hossza, amelyet a nedves kémiai úton, illetve gélpermeációs kromatográfiával meghatározott redukáló értékből számítanak ki.

Ha elegendő mennyiségű keményítő áll rendelkezésre, funkcionális vizsgálatokat is végeznek, például a viszkozitásra és a gélszilárdságra vonatkozóan.

“Egy másik dolog, amit gyakran csinálunk, az a szemcseméret mérése elektronmikroszkópiával” – mondja White. “Kimutatták, hogy a kis szemcseméretű keményítő jót tesz a sima szájérzetnek, ami hasznos tulajdonság a zsírpótlók esetében, hogy elkerüljük a szemcsés textúrát.”

Elvégül a kívánt funkcionális tulajdonságok és a keményítő szerkezete közötti kapcsolatot is megteremtik. Ezután a növénygenetikusok veszik át a feladatot, és megpróbálják a kívánt tulajdonságokat egy termeszthető fajtába nemesíteni.

A natív keményítő funkcionalitásának megértésének bővítése hasznos mind a terméktervezők, mind az új keményítő-összetevők alkotói számára. Néha azonban úgy tűnik, hogy az e megértés felé vezető út minden egyes lépése csak növeli az út távolságát. Mindazonáltal ezeket az erőfeszítéseket folytatni kell, mert – bár az út talán soha nem ér véget – minden egyes közelebbi lépés új előrelépést hoz, amely segít az élelmiszerek javításában.

Vissza a tetejére.