Comprendere la funzionalità dell’amido
Gennaio 1996 — Cover Story

Di: Scott Hegenbart
Editore*

*(Aprile 1991 – Luglio 1996)

L’amido di mais è il principale ingrediente dell’amido usato dalle aziende alimentari americane. Ma gli amidi di diverse fonti, e anche quelli estratti da varietà di mais meno comuni, offrono una gamma di proprietà funzionali anche prima della modifica. Esplorare la funzionalità unica di vari amidi nativi presenta diversi vantaggi potenziali.

Espandere la gamma di funzionalità

Molti amidi hanno proprietà che non sono così facili da duplicare modificando un altro amido.Inoltre, iniziare con una materia prima più vicina alle proprietà funzionali desiderate è addirittura auspicabile nella modifica. Una modifica meno estesa significa…

Costo ridotto

I progettisti richiedono continuamente che gli ingredienti delle texture siano più altamente funzionali, ma i vincoli di costo sono ancora stretti. In molti casi, meno lavorazione riceve un amido, più è conveniente. Gli amidi di mais nativi altamente funzionali derivati da ibridi di mais appositamente sviluppati sono già sul mercato. Questi possono offrire una maggiore economia in due modi.

“Avrete un amido che non dovrà subire modifiche, il che fa risparmiare sui costi”, dice Ibrahim Abbas, Ph.D., manager dello sviluppo del prodotto, American Maize-Products Co. “Quando questi vengono modificati, in alcuni casi gli ibridi sono più reattivi ai prodotti chimici; quindi, possiamo usarne meno. È più efficiente e si può risparmiare”

Etichettatura

Anche se questo non si è rivelato essere il grande problema che si pensava una volta, gli amidi modificati devono ancora portare i numeri E in Europa. Un amido nativo più funzionale non porterà il numero E e apparirà più naturale ai consumatori europei – una preoccupazione nel mercato globale in continua espansione.

Relazione tra struttura e funzione

Chimicamente, gli amidi sono polisaccaridi che consistono in unità di glucosio ripetute. Le molecole di amido hanno due strutture molecolari: una struttura lineare, nota come amilosio, e una struttura ramificata, nota come amilopectina. L’amilosio e l’amilopectina si associano attraverso il legame idrogeno e si dispongono radialmente in strati per formare i granuli. Gli amidi provenienti da fonti diverse variano l’uno dall’altro nei seguenti modi, ognuno dei quali può influenzare le prestazioni:

Dimensione e forma dei granuli

I granuli di amido sono disponibili in un’ampia varietà di dimensioni che vanno da 3 micron a oltre 100 micron. Con alcuni amidi le dimensioni dei granuli sono polimodali, cioè i granuli possono essere raggruppati in più di una gamma di dimensioni. L’amido di frumento, per esempio, ha una distribuzione di granuli grandi e piccoli. Anche la forma dei granuli può essere diversa. Le forme dei granuli includono sfere simmetriche, sfere asimmetriche, dischi simmetrici e dischi asimmetrici. Alcuni granuli mostrano la loro forma in modo uniforme, mentre altri sono poliedri con una superficie sfaccettata.

Rapporto amilosio:amilopectina

Tutti gli amidi sono costituiti da proporzioni variabili di amilosio e amilopectina. Questo rapporto varia non solo tra i diversi tipi di amido, ma tra le molte varietà di piante all’interno di un tipo. Gli amidi cerosi sono quelli che non hanno più del 10% di amilopectina.

Struttura delle molecole di amilosio e amilopectina

La lunghezza delle molecole di amilosio in un amido – nota come grado di polimerizzazione – può variare enormemente. Nell’amilopectina, la lunghezza e il numero di rami sulla molecola sono altrettanto variabili.

“La lunghezza della molecola di amilosio varia con il tipo e con la cultivar”, dice Daniel Putnam, senior application scientist, Grain Processing Corp, Muscatine, IA. “Ho visto da 200 a 2.000 come grado di polimerizzazione all’interno di un tipo di amido.”

Esistono anche altre variazioni per l’amido

Queste non possono essere riunite in un’unica categoria perché possono essere uniche per un particolare amido. In generale, comunque, la maggior parte di queste variazioni consiste nella presenza di componenti non amidacei nel granulo.

Le innumerevoli varietà dei molti tipi di amido non potrebbero essere coperte in modo completo in un singolo articolo. Di conseguenza, questo articolo discuterà alcune tendenze generali tra i principali tipi di amido utilizzati nell’industria alimentare.

Amido di mais

Esistono quattro classi di amido di mais. L’amido di mais comune ha il 25% di amilosio, mentre il mais ceroso è quasi totalmente costituito da amilopectina. I due restanti amidi di mais sono amidi di mais ad alto contenuto di amilosio; uno ha dal 55% al 55% di amilosio, mentre il secondo ha dal 70% al 75%.

Jay-lin Jane, Ph.D., professore del dipartimento di scienze alimentari e nutrizione umana alla Iowa State University, Ames, ha studiato le dimensioni e la forma dei granuli di molti tipi di amido come parte della sua ricerca in corso. Attraverso la microscopia elettronica a scansione, Jane e il suo team di ricerca hanno scoperto che l’amido di mais comune ha granuli irregolari a forma di poliedro. La loro dimensione varia tra i 5 micron e i 20 micron.

Anche l’amido di mais ceroso ha granuli di forma irregolare simili a quelli del mais comune. Tuttavia, le singole facce non sono così distinte. Anche gli amidi ad alto contenuto di amilosio hanno una forma irregolare, ma tendono ad essere lisci. Alcuni di questi sono anche a forma di bastoncino. Gli amidi ad alto contenuto di amilosio hanno una gamma di dimensioni più ristretta: Da 5 a 15 micron, o anche da 10 a 15 micron, a seconda della varietà.

Potato

L’amido di patate ha circa il 20% di amilosio. Come quelli di molti tuberi, i granuli di amido di patate sono grandi con una forma ovale rotonda e liscia. Tra gli amidi comunemente usati per il cibo, l’amido di patate è il più grande; i suoi granuli hanno dimensioni che vanno dai 15 ai 75 micron.

Riso

L’amido di riso comune ha un rapporto amilosio:amilopectina di circa 20:80, mentre l’amido di riso ceroso ha solo il 2% di amilosio. Entrambe le varietà hanno granuli di piccole dimensioni che vanno dai 3 agli 8 micron. Secondo Jane, questi sono poligoni di forma irregolare con il riso ceroso che presenta alcuni granuli composti.

Tapioca

L’amido di tapioca ha dal 15% al 18% di amilosio. I granuli di tapioca sono sfere lisce e irregolari con dimensioni che vanno da 5 a 25 micron.

Grano

L’amido di grano ha un contenuto di amilosio di circa il 25%. I suoi granuli sono relativamente spessi, da 5 a 15 micron, con una forma rotonda e liscia che va da 22 a 36 micron di diametro. L’amido di frumento è bimodale nel senso che ha anche un gruppo di granuli di amido di dimensioni diverse. In questo caso, questi altri granuli sono molto piccoli, con diametri di soli 2 o 3 micron.

Stacking the starch rivals

Con un’idea di come gli amidi differiscono, discutere come questi stessi amidi si comportano dovrebbe facilmente divulgare come i diversi elementi della struttura dell’amido influenzano le prestazioni, giusto? Tutt’altro. I chimici dell’amido sono universalmente d’accordo sul fatto che la struttura e la composizione dell’amido influenzano le prestazioni. Tuttavia, una correlazione diretta non è sempre ovvia, e i cambiamenti in un singolo tratto non si traducono necessariamente in linee guida.

Quella che segue è una revisione di ciò che è attualmente noto su come la struttura e la composizione influenzano le prestazioni. Tenete a mente che questa discussione può generare più domande che risposte. Ma prima, ecco una breve rassegna di ciò che accade durante la gelatinizzazione dell’amido:

Quando l’amido viene disperso in acqua e riscaldato, l’acqua penetra nel granulo di amido dall’esterno verso l’interno fino a quando il granulo è completamente idratato. Una volta idratato, il legame idrogeno tra l’amilosio e l’amilopectina mantiene l’integrità del granulo e questo comincia a gonfiarsi dall’ilo (centro). Una volta gelatinizzati, i granuli gonfiati possono aumentare la viscosità della dispersione e/o associarsi per formare gel e pellicole.

Dimensione e struttura dei granuli

Secondo molte fonti, la dimensione dei granuli non sembra avere, da sola, un forte effetto sulle prestazioni dell’amido. Tuttavia, si ritiene che sia un fattore che contribuisce alla velocità di gelatinizzazione dell’amido e alla sua temperatura di gelatinizzazione. L’amido di riso e l’amido di tapioca, per esempio, hanno entrambi un contenuto di amilosio nella stessa gamma, ma i granuli di amido di tapioca sono molto più grandi e, di conseguenza, si gonfiano più facilmente.

“Più grande è il granulo, meno legame molecolare abbiamo, quindi si gonfiano più velocemente”, dice Paul Smith, presidente, Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Ma si rompono anche più velocemente.”

I granuli di amido grandi tendono a costruire una maggiore viscosità, ma la viscosità è delicata perché la dimensione fisica del granulo lo rende più sensibile al taglio. Nonostante queste differenze, la struttura più compatta di una molecola più piccola non significa sempre una differenza significativa nella gelatinizzazione. L’amido di frumento, per esempio, ha una distribuzione bimodale di granuli piccoli e grandi. A parte le dimensioni, questi granuli hanno praticamente la stessa composizione di amilosio e amilopectina, e così via. Tuttavia, le proprietà di gelatinizzazione dei granuli grandi e piccoli non mostrano differenze significative nelle prestazioni.

“Un test ha mostrato che i granuli piccoli hanno una temperatura di gelatinizzazione più alta di 3° rispetto ai grandi, ma le temperature di inizio sono simili”, dice Abbas. “Direi che nell’amido di frumento, (la dimensione dei granuli) non è un fattore importante.”

Rapporto amilosio:amilopectina

Il mais ceroso e l’amido di mais comune hanno entrambi la stessa dimensione dei granuli, ma il mais ceroso si gonfia in misura maggiore e ciascuno gelatinizza a temperature diverse. Questo è in gran parte dovuto alla loro diversa composizione amilosio: amilopectina.

“Le molecole di amilosio, a causa della loro linearità, si allineano più facilmente e hanno un legame idrogeno più esteso”, dice Abbas. “Di conseguenza, ci vuole più energia per rompere questi legami e gelatinizzare l’amido.”

Generalmente, maggiore è l’amilosio, maggiore è la temperatura di gelatinizzazione. Questo è più evidente nei due amidi di mais ad alto contenuto di amilosio che richiedono temperature così alte per la gelatinizzazione che devono essere cotti sotto pressione. Il rapporto amilosio:amilopectina determina anche il tipo di struttura che l’amido gelatinizzato costruirà.

“In generale, l’amilosio dà la forza del gel e l’amilopectina dà alta viscosità”, dice Abbas. “Quindi gli amidi ad alto contenuto di amilosio vi daranno proprietà gelificanti e gli amidi cerosi vi daranno alta viscosità.”

Anche la struttura lineare dell’amilosio contribuisce alla forza del gel. In soluzione, le molecole lineari di amilosio possono allinearsi più facilmente tra loro e associarsi attraverso il legame a idrogeno per formare i gel. Le molecole di amilopectina ramificate non possono allinearsi altrettanto facilmente e, quindi, danno un legame a idrogeno più debole e la forza del gel.

La viscosità, d’altra parte, è puramente una funzione del peso molecolare. La struttura ramificata dell’amilopectina con tutte le sue catene attaccate produce una molecola molto più grande dell’amilosio. Di conseguenza, l’amilopectina è migliore dell’amilosio nel costruire la viscosità.

Quindi, se il designer di un prodotto vuole proprietà gelificanti, dovrebbe scegliere un amido ad alto contenuto di amilosio, mentre un amido ad alto contenuto di amilopectina (ceroso) sarebbe la scelta giusta se fosse necessaria la viscosità, giusto? Non proprio. La forza del gel puro e la viscosità sono spesso utili, ma non sono sempre ciò di cui i designer di prodotti hanno bisogno. Un amido troppo ricco di amilosio può rendere un budino troppo sodo. Un amido troppo ricco di amilopectina può creare la giusta viscosità in un frullato dietetico, ma può risultare filamentoso e “viscido” quando viene consumato. Di conseguenza, il rapporto amilosio:amilopectina determina non solo la consistenza di base, ma anche la natura di tale consistenza.

L’uso dell’amido nei prodotti estrusi illustra quanto possa essere delicato bilanciare questo rapporto. Come per la formazione del gel, la formazione della pellicola è una funzione dell’associazione delle molecole di amilosio lineare. Maggiore è l’amilosio, migliori sono le proprietà filmogene. In uno snack estruso, le proprietà filmogene sono desiderate per ottenere una consistenza croccante nel prodotto finito. Ma la croccantezza da sola non fa la differenza in uno snack.

“La natura strettamente legata del polimero amilosio influisce sulla croccantezza”, dice Jim Zallie, direttore della tecnologia alimentare, National Starch and Chemical Co, Bridgewater, NJ, “Ma si tratta di un materiale a basso peso molecolare che non può intrappolare l’aria che proviene dall’acqua che si trasforma in vapore durante la ventilazione.”

Utilizzare un amido con livelli crescenti di amilopectina aumenta di conseguenza l’espansione a spese della croccantezza. Di conseguenza, il rapporto amilosio:amilopectina deve essere attentamente selezionato. In alcuni casi, le esigenze testuali del prodotto richiedono la combinazione di amidi provenienti da fonti diverse.

“Alcune persone stanno usando combinazioni di diversi amidi di base per ottenere una consistenza più corta o più lunga”, dice Mike Augustine, manager, applicazioni degli ingredienti alimentari, A.E. Staley Manufacturing Co, Decatur, IL. “Abbiamo cercato di mettere insieme delle miscele per ottenere una consistenza specifica o la qualità di un prodotto finito.”

Oltre a costruire la consistenza, gli amidi sono usati per contribuire alla stabilità dei prodotti alimentari. Questo spesso assume la forma di trattenere l’acqua. Come menzionato in precedenza, le molecole di amido gelatinizzato tendono a riassociare le une con le altre. Questa riassociazione forza l’acqua fuori dalla molecola, causando la ricristallizzazione dell’amido. La tendenza di un amido a ricristallizzare, o retrogradare, in questo modo determina la sua idoneità alla stabilità a lungo termine.

“L’amilopectina ramificata dà un ostacolo sterico”, dice Putnam. “

Struttura molecolare dell’amilosio e dell’amilopectina

Le molecole di amilosio più lunghe tendono a rendere la consistenza di un prodotto fibrosa a causa del modo in cui si associano. Il peso molecolare dell’amilosio influenza anche l’elasticità di un gel. Le molecole più lunghe tendono ad associarsi più fortemente e a produrre gel più forti e più fragili, ma c’è un limite a questo effetto.

“La tapioca e la fecola di patate hanno entrambe l’amilosio, ma producono una massa coesiva piuttosto che un gel come l’amido di mais”, dice Peter Trzasko, ricercatore senior della National Starch and Chemical Co. La patata e la tapioca hanno un peso molecolare talmente più alto di quello del mais che in realtà rende più difficile l’associazione delle molecole.”

Il peso molecolare non sempre fornisce una correlazione diretta delle prestazioni. Nel 1992, Jane dell’Iowa State ha riportato una ricerca sull’effetto della dimensione molecolare dell’amilosio e della lunghezza della catena dei rami dell’amilopectina sulle proprietà di incollaggio dell’amido. Jane ha scoperto che le molecole di amilopectina con rami più lunghi non solo tendevano a gelificare, ma che la forza del gel aumentava con la lunghezza dei rami. Tuttavia, la viscosità delle amilopectine di varie lunghezze non era altrettanto correlata. Infatti, la migliore viscosità è stata ottenuta con l’amilosio di lunghezza intermedia, mentre le molecole di amilosio più grandi e più piccole hanno prodotto entrambe viscosità altrettanto basse.

Un collegamento più chiaro può essere fatto tra la dimensione molecolare e la stabilità. Una molecola di amilosio più lunga avrà, fino a un certo punto, una maggiore forza del gel a causa della sua maggiore capacità di associarsi attraverso il legame a idrogeno. Questa maggiore capacità di associazione aumenta la tendenza della molecola a retrocedere. Le molecole di amilosio più piccole presentano un’associazione più debole e, quindi, sono più resistenti alla retrogradazione. Informazioni recenti indicano che anche le molecole di amilopectina con rami più lunghi sono più suscettibili alla retrogradazione. Questa è una preoccupazione particolare per i ricercatori che cercano di allungare le molecole di amilosio attraverso gli incroci.

“Quando si inserisce un gene estensore di amilosio, si finisce anche per allungare le catene di rami dell’amilopectina”, dice Pamela J. White, Ph.D., direttore ad interim, dipartimento di scienze alimentari e nutrizione umana, Iowa State University.

Fosforo

Gli amidi contengono fosforo in una forma o nell’altra. La natura del fosforo influisce sulle prestazioni dell’amido. Nella maggior parte degli amidi di cereali, il fosforo si trova principalmente sotto forma di lisofosfolipidi, che tendono a complessarsi con l’amilosio dell’amido e a ridurre la sua capacità di legare l’acqua. Questi complessi contribuiscono anche all’opacità della pasta di amido.

Il fosforo negli amidi di tubero, come la patata, è sotto forma di monoesteri fosfati che si presentano sulla molecola di amido come gruppi caricati negativamente. La repulsione ionica generata da questi gruppi indebolisce l’associazione tra le molecole e aumenta la capacità di legare l’acqua, il potere di rigonfiamento e la chiarezza della pasta.

Svelare i misteri

Comprendere la funzionalità dell’amido nativo non solo rende più efficiente il lavoro del designer del prodotto, ma è un collegamento vitale per espandere la funzionalità dell’amido attraverso la modifica. Questo è vero sia che l’amido sia modificato con metodi chimici/enzimatici, sia che si tratti di allevamento convenzionale o di biotecnologia.

Come detto in precedenza, lo studio delle relazioni struttura/funzione dell’amido genera più domande che risposte. Di conseguenza, i ricercatori che lavorano in quest’area hanno molto da tenere occupati. La Iowa State University è uno dei luoghi in cui sono in corso studi sull’amido.

Dal 1987, i ricercatori ISU White e Jane sono alla ricerca di amidi con proprietà funzionali uniche da utilizzare nello sviluppo di nuovi ibridi di mais. A lavorare con loro c’è Linda Pollak, Ph.D., un genetista di ricerca dell’U.S. Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service che lavora con l’ISU Dept. of Agronomy.

Utilizzando l’accesso di Pollak alla biblioteca nordamericana di genotipi mutanti di mais, il team ha vagliato i tipi esotici di mais per determinare la natura delle variazioni delle proprietà funzionali.

“È difficile e richiede tempo fare uno studio strutturale diretto,” dice White. “Quindi il nostro approccio è stato quello di iniziare con un rapido screening dell’amido estraendolo in laboratorio con un solo chicco.”

Questo screening iniziale viene fatto utilizzando la calorimetria differenziale a scansione (DSC). Un campione di amido viene incollato e poi scannerizzato sul DSC. Dopo aver conservato il campione incollato per sette giorni a 4°C (la temperatura ottimale per la retrogradazione dell’amido), il campione viene nuovamente scansionato.

“La scansione che otteniamo su un campione fresco e conservato ci dice se l’amido può avere proprietà funzionali uniche”, dice White. “Una volta che troviamo qualcosa di insolito, verifichiamo che effettivamente ci dà una DSC diversa un’altra volta.”

Altre informazioni ottenute attraverso questa analisi DSC includono la temperatura di gelatinizzazione e l’intervallo di gelatinizzazione. Una bassa temperatura di gelatinizzazione può fornire un risparmio energetico in una grande operazione di produzione. Un intervallo di gelatinizzazione stretto renderà anche la produzione più efficiente rendendo la gelatinizzazione più rapida.

“Queste sono le cose chiave che iniziamo a guardare”, dice White. “Quando vediamo cose che differiscono notevolmente dalla norma quando misurate con la DSC, facciamo un’analisi strutturale per determinare perché lo fanno e mettiamo in relazione la struttura con la funzione.”

Il primo passo nel fare questo richiede la coltivazione del mais mutante in quantità maggiori per ulteriori analisi. I test includono la determinazione della percentuale di amilosio attraverso la titolazione potenziometrica allo iodio e/o la cromatografia a permeazione di gel; la distribuzione del peso molecolare usando la cromatografia a permeazione di gel; e la lunghezza della catena dei rami dell’amilopectina calcolata dal valore di riduzione determinato attraverso la chimica umida, o usando la cromatografia a permeazione di gel.

Se è disponibile una quantità sufficiente di amido, vengono condotti anche test funzionali come quelli per la viscosità e la forza del gel.

“Un’altra cosa che facciamo spesso è misurare le dimensioni dei granuli tramite microscopia elettronica”, dice White. “È stato dimostrato che l’amido a granuli piccoli è buono per una sensazione di morbidezza in bocca, che è una proprietà utile per i sostituti del grasso per evitare la consistenza granulosa.”

Alla fine, la connessione tra le proprietà funzionali desiderate e la struttura dell’amido è fatta. Poi i genetisti vegetali prendono il sopravvento e cercano di allevare le qualità desiderate in una varietà che possa essere coltivata.

Espandere la comprensione della funzionalità dell’amido nativo è utile sia per i designer di prodotti che per i creatori di nuovi ingredienti di amido. A volte, però, sembra che ogni passo nel viaggio verso questa comprensione aggiunga solo distanza alla strada. Tuttavia, questi sforzi devono continuare perché – anche se il viaggio potrebbe non finire mai – ogni passo più vicino porta nuovi progressi che aiutano a migliorare i prodotti alimentari.

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