Inzicht in zetmeelfunctionaliteit
Januari 1996 — Cover Story

Door: Scott Hegenbart
Redacteur*

*(April 1991 – Juli 1996)

Graanzetmeel is het belangrijkste zetmeelingrediënt dat door de Amerikaanse levensmiddelenbedrijven wordt gebruikt. Maar zetmeel van verschillende herkomst, en zelfs zetmeel van minder gangbare maïsvariëteiten, biedt een scala van functionele eigenschappen, zelfs voordat het is gemodificeerd. Het verkennen van de unieke functionaliteit van verschillende inheemse zetmelen biedt verschillende potentiële voordelen.

Uitgebreid scala aan functionaliteit

Veel zetmelen hebben eigenschappen die niet zo gemakkelijk te dupliceren zijn door een ander zetmeel te modificeren.Bovendien is het starten met een grondstof dichter bij de gewenste functionele eigenschappen zelfs wenselijk bij modificatie. Minder uitgebreide modificatie betekent…

Verlaagde kosten

Ontwerpers eisen voortdurend dat textuuringrediënten functioneler zijn, maar de kostenbeperkingen zijn nog steeds streng. In veel gevallen is het zo dat hoe minder verwerking een zetmeel ondergaat, hoe kosteneffectiever het is. Er is al zeer functioneel natief maïszetmeel op de markt, afkomstig van speciaal ontwikkelde maïshybriden. Deze kunnen op twee manieren meer economie bieden.

“Je krijgt een zetmeel dat geen modificaties hoeft te ondergaan, wat kosten bespaart,” zegt Ibrahim Abbas, Ph.D., manager productontwikkeling, American Maize-Products Co., Hammond, IN. “Wanneer deze worden gemodificeerd, reageren de hybriden in sommige gevallen beter op chemicaliën; daarom kunnen we minder gebruiken. Het is efficiënter en je kunt geld besparen.”

Labeling

Hoewel dit niet het grote probleem is gebleken dat men ooit dacht te zijn, moet gemodificeerd zetmeel in Europa nog steeds E-nummers dragen. Een meer functioneel natief zetmeel zal het E-nummer niet dragen en zal natuurlijker overkomen bij de Europese consument – een punt van zorg op de steeds groter wordende wereldmarkt.

Relatie tussen structuur en functie

Chemisch gezien zijn zetmelen polysacchariden die bestaan uit zich herhalende glucose-eenheden. Zetmeelmoleculen hebben een van de volgende twee moleculaire structuren: een lineaire structuur, bekend als amylose, en een vertakte structuur, bekend als amylopectine. Amylose en amylopectine gaan een verbinding aan door waterstofbinding en rangschikken zich radiaal in lagen om korrels te vormen. Zetmeel van verschillende oorsprong verschilt op de volgende manieren van elkaar – elk van deze manieren kan van invloed zijn op de prestaties:

Grootte en vorm van de korrels

Zetmeelkorrels bestaan in een grote verscheidenheid aan afmetingen, variërend van 3 micron tot meer dan 100 micron. Bij sommige zetmelen is de korrelgrootte polymodaal, dat wil zeggen dat de korrels in meer dan één grootteklasse kunnen worden ingedeeld. Tarwezetmeel, bijvoorbeeld, heeft een verdeling van zowel grote als kleine korrels. Ook de vorm van de korrels kan divers zijn. Tot de korrelvormen behoren symmetrische bollen, asymmetrische bollen, symmetrische schijven en asymmetrische schijven. Sommige korrels vertonen hun vorm vloeiend, terwijl andere veelvlakken zijn met een gefacetteerd oppervlak.

Amylose:amylopectine verhouding

Alle zetmelen zijn opgebouwd uit variërende verhoudingen amylose en amylopectine. Deze verhouding varieert niet alleen tussen de verschillende soorten zetmeel, maar ook tussen de vele plantenvariëteiten binnen een soort. Wasachtig zetmeel is zetmeel dat niet meer dan 10% amylopectine bevat.

Structuur van de amylose en amylopectine moleculen

De lengte van de amylose moleculen in een zetmeel – bekend als de polymerisatiegraad – kan enorm variëren. Bij amylopectine zijn de lengte en het aantal vertakkingen op de molecule net zo variabel.

“De lengte van de amylose-molecule varieert per type en per cultivar,” zegt Daniel Putnam, senior toepassingswetenschapper, Grain Processing Corp., Muscatine, IA. “Ik heb 200 tot 2000 gezien als de mate van polymerisatie binnen een zetmeelsoort.”

Er bestaan ook andere variaties voor zetmeel

Deze kunnen niet in één categorie worden ondergebracht omdat ze uniek kunnen zijn voor één bepaald zetmeel. In het algemeen echter bestaan de meeste van dergelijke variaties uit de aanwezigheid van niet-zetmeelcomponenten in de korrel.

De ontelbare variaties van de vele zetmeelsoorten kunnen onmogelijk in één enkel artikel uitvoerig worden behandeld. Bijgevolg zullen in dit artikel enkele algemene tendensen worden besproken onder de belangrijkste zetmeelsoorten die in de voedingsindustrie worden gebruikt.

maïs

Er bestaan vier klassen maïszetmeel. Gewoon maïszetmeel bestaat voor 25% uit amylose, terwijl waxy-maïs bijna volledig uit amylopectine bestaat. De twee resterende maïszetmelen zijn maïszetmelen met een hoge amylose; de ene heeft 55% tot 55% amylose, terwijl de tweede 70% tot 75% heeft.

Jay-lin Jane, Ph.D., een professor bij het departement van voedingswetenschappen en menselijke voeding aan de Iowa State University, Ames, heeft de korrelgrootte en -vorm van vele soorten zetmeel onderzocht als onderdeel van haar lopend onderzoek. Met behulp van elektronenmicroscopie hebben Jane en haar onderzoeksteam ontdekt dat gewoon maïszetmeel onregelmatige korrels heeft in de vorm van een veelvlak. Hun grootte varieert tussen 5 micron en 20 micron.

Waxy-maïszetmeel heeft ook onregelmatig gevormde korrels die qua grootteverdeling vergelijkbaar zijn met die van gewone maïs. De afzonderlijke vlakken zijn echter niet zo duidelijk. Hoog-amylose zetmeel heeft ook een onregelmatige vorm, maar neigt glad te zijn. Sommige zijn zelfs staafvormig. Hoog-amylose zetmeel heeft een kleiner bereik in grootte: 5 tot 15 micron, of zelfs 10 tot 15 micron, afhankelijk van de variëteit.

aardappel

Aardappelzetmeel heeft ongeveer 20% amylose. Zoals die van vele knollen zijn aardappelzetmeelkorrels groot met een gladde ronde ovale vorm. Van het zetmeel dat gewoonlijk voor voedingsmiddelen wordt gebruikt, is aardappelzetmeel het grootst; zijn korrels variëren in grootte van 15 tot 75 micron.

Rijst

Gewoon rijstzetmeel heeft een amylose:amylopectineverhouding van ongeveer 20:80, terwijl wasachtig rijstzetmeel slechts ongeveer 2% amylose heeft. Beide soorten hebben kleine korrels van 3 tot 8 micron. Volgens Jane zijn dit onregelmatig gevormde veelhoeken, waarbij de wasachtige rijst enkele samengestelde korrels vertoont.

Tapioca

Tapiocazetmeel heeft 15% tot 18% amylose. Tapiocakorrels zijn gladde, onregelmatige bolletjes met afmetingen variërend van 5 tot 25 micron.

Tarwe

Tarwezetmeel heeft een amylosegehalte van ongeveer 25%. De korrels zijn relatief dik, 5 tot 15 micron, met een gladde, ronde vorm met een diameter van 22 tot 36 micron. Tarwezetmeel is bimodaal in die zin dat het ook een groep zetmeelkorrels van een andere grootte heeft. In dit geval zijn deze andere korrels zeer klein, met diameters van slechts 2 tot 3 micron.

De zetmeelrivalen stapelen

Met een idee van hoe zetmeel verschilt, zou de bespreking van hoe deze zelfde zetmelen presteren gemakkelijk moeten onthullen hoe de verschillende elementen van de zetmeelstructuur de prestaties beïnvloeden, nietwaar? Verre van dat. Zetmeelchemici zijn het er algemeen over eens dat zetmeelstructuur en -samenstelling van invloed zijn op de prestaties. Een direct verband is echter niet altijd voor de hand liggend, en veranderingen in een enkele eigenschap vertalen zich niet noodzakelijkerwijs in richtlijnen.

Wat volgt is een overzicht van wat er momenteel bekend is over hoe structuur en samenstelling de prestaties beïnvloeden. Bedenk dat deze discussie meer vragen kan oproepen dan beantwoorden. Maar eerst volgt hier een kort overzicht van wat er gebeurt tijdens zetmeelgelatinering:

Wanneer zetmeel in water wordt gedispergeerd en verhit, dringt het water van buiten naar binnen in de zetmeelkorrel door totdat de korrel volledig gehydrateerd is. Eenmaal gehydrateerd, houdt de waterstofbinding tussen de amylose en de amylopectine de integriteit van de korrel in stand en begint deze op te zwellen vanaf de navel (midden). Eenmaal gegelatineerd kunnen de gezwollen korrels de viscositeit van de dispersie verhogen en/of zich verenigen om gels en films te vormen.

Korrelgrootte en -structuur

Volgens vele bronnen lijkt de korrelgrootte op zichzelf geen sterk effect te hebben op de zetmeelprestaties. Wel wordt aangenomen dat de korrelgrootte een rol speelt bij de snelheid waarmee een zetmeel gelatineert en bij de gelatinisatietemperatuur. Rijstzetmeel en tapiocazetmeel bijvoorbeeld hebben beide een amylosegehalte in dezelfde orde van grootte, maar tapiocazetmeelkorrels zijn veel groter en zwellen daardoor gemakkelijker op.

“Hoe groter de korrel, hoe minder moleculaire binding, zodat ze sneller opzwellen,” zegt Paul Smith, voorzitter van Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Maar ze breken ook sneller af.”

Grote zetmeelkorrels hebben de neiging om een hogere viscositeit op te bouwen, maar de viscositeit is delicaat omdat de fysieke grootte van de korrel deze gevoeliger maakt voor afschuiving. Ondanks dergelijke verschillen betekent de compactere structuur van een kleiner molecuul niet altijd een significant verschil in gelatinering. Tarwezetmeel, bijvoorbeeld, heeft een bimodale verdeling van zowel kleine als grote korrels. Afgezien van de grootte hebben deze korrels vrijwel dezelfde samenstelling van amylose en amylopectine, enzovoort. De gelatinisatie-eigenschappen van de grote en kleine granulaten vertonen echter geen significante prestatieverschillen.

“Uit één test bleek dat de kleine granulaten een 3° hogere gelatinisatietemperatuur hebben dan de grote, maar de aanvangstemperaturen waren vergelijkbaar,” zegt Abbas. “Ik zou zeggen dat bij tarwezetmeel (korrelgrootte) geen belangrijke factor is.”

Amylose:amylopectine verhouding

Waxy-maïs en gewoon maïszetmeel hebben beide dezelfde korrelgrootte, maar waxy-maïs zal in grotere mate opzwellen en beide zullen bij verschillende temperaturen gelatineren. Dit is grotendeels te wijten aan hun verschillende samenstelling van amylose en amylopectine. “Amylose moleculen, vanwege hun lineariteit, lijnen zich gemakkelijker op en hebben een uitgebreidere waterstofbinding,” zegt Abbas. “Bijgevolg is er meer energie nodig om deze bindingen te verbreken en het zetmeel te gelatineren.”

Over het algemeen geldt: hoe hoger de amylose, hoe hoger de gelatinisatietemperatuur. Dit is het duidelijkst te zien bij de twee maïszetmelen met een hoge amylose, die voor gelatinering zo’n hoge temperatuur nodig hebben dat ze onder druk moeten worden gekookt. De verhouding amylose/amylopectine bepaalt ook het soort textuur dat het gelatineerde zetmeel zal opbouwen.

“In het algemeen geeft de amylose de gelsterkte en de amylopectine de hoge viscositeit,” zegt Abbas. “Dus de zetmelen met een hoge amylose geven je gelerende eigenschappen en de wasachtige zetmelen geven je een hoge viscositeit.”

De lineaire structuur van amylose draagt ook bij aan de gelsterkte. In oplossing kunnen de lineaire amylose-moleculen zich gemakkelijker op één lijn brengen en zich door waterstofbinding met elkaar verbinden om gels te vormen. De vertakte amylopectinemoleculen kunnen zich niet zo gemakkelijk op één lijn brengen en geven dus een zwakkere waterstofbinding en gelsterkte.

Viscositeit daarentegen is puur een functie van het molecuulgewicht. De vertakte structuur van amylopectine met al zijn aanhangende ketens levert een veel groter molecuul op dan amylose. Bijgevolg is amylopectine beter in het opbouwen van viscositeit dan amylose.

Dus, als een productontwerper gelerende eigenschappen wil, zou een hoog-amylose zetmeel moeten worden gekozen, terwijl een hoog-amylopectine (wasachtig) zetmeel de keuze zou zijn als viscositeit nodig is, toch? Niet helemaal. Pure gelsterkte en viscositeit zijn vaak nuttig, maar ze zijn niet altijd wat productontwerpers nodig hebben. Een zetmeel met een te hoog amylosegehalte kan een pudding te stevig maken. Een zetmeel met een te hoog gehalte aan amylopectine kan de juiste viscositeit opbouwen in een dieet shake, maar kan bij consumptie draderig en “slijmerig” overkomen. De verhouding amylose/amylopectine bepaalt dus niet alleen de basistextuur, maar ook de aard van die textuur.

Het gebruik van zetmeel in geëxtrudeerde producten illustreert hoe delicaat het in evenwicht brengen van deze verhouding kan zijn. Net als bij gelvorming, is filmvorming een functie van de associatie van lineaire amylose moleculen. Hoe hoger het amylosegehalte, hoe beter de filmvormende eigenschappen. In een geëxtrudeerde snack zijn filmvormende eigenschappen gewenst om een knapperige textuur in het eindproduct te krijgen. Maar knapperigheid alleen maakt of breekt een snack niet.

“De strak gebonden aard van het amylose polymeer beïnvloedt de knapperigheid,” zegt Jim Zallie, directeur levensmiddelentechnologie, National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ, “Maar het is een materiaal met een lager moleculair gewicht dat de lucht niet kan insluiten die afkomstig is van het water dat tijdens het ontluchten in stoom verandert.”

Het gebruik van een zetmeel met een toenemend gehalte aan amylopectine verhoogt de uitzetting dienovereenkomstig, ten koste van de knapperigheid. Daarom moet de verhouding amylose/amylopectine zorgvuldig worden gekozen. In sommige gevallen vereisen de textuureisen van het product een combinatie van zetmelen uit verschillende bronnen.

“Sommige mensen gebruiken combinaties van verschillende basiszetmelen om ofwel een kortere of langere textuur te krijgen,” zegt Mike Augustine, manager, food ingredient applications, A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. “We hebben gekeken naar het samenstellen van mengsels om een specifieke textuur of eindproductkwaliteit te krijgen.”

Naast het opbouwen van textuur, worden zetmelen gebruikt om bij te dragen aan de stabiliteit van voedingsmiddelen. Dit gebeurt vaak in de vorm van het vasthouden van water. Zoals eerder vermeld, hebben gegelatineerde zetmeelmoleculen de neiging om zich opnieuw aan elkaar te hechten. Deze reassociatie dwingt het water uit de molecule, waardoor het zetmeel opnieuw kristalliseert. De neiging van een zetmeel om opnieuw te kristalliseren, of retrograde, op deze manier bepaalt zijn geschiktheid voor stabiliteit op lange termijn.

“De vertakte amylopectine geeft sterische hinder,” zegt Putnam. “

Moleculaire structuur van amylose en amylopectine

Langere amylose moleculen hebben de neiging om de textuur van een product draderig te maken vanwege de manier waarop ze associëren. Het moleculaire gewicht van de amylose beïnvloedt ook de elasticiteit van een gel. Langere moleculen hebben de neiging sterker te associëren en sterkere, brosere gels te produceren, maar er is een grens aan dit effect.

“Tapioca- en aardappelzetmeel hebben beide amylose, maar ze produceren een samenhangende massa in plaats van een gel zoals maïszetmeel dat zou doen,” zegt Peter Trzasko, senior research associate bij National Starch and Chemical Co. “De theorie hierachter is gebaseerd op het moleculaire gewicht. De aardappel en tapioca hebben een moleculair gewicht dat zoveel hoger is dan dat van maïs dat het eigenlijk moeilijker is voor de moleculen om zich te verenigen.”

Moleculair gewicht geeft niet altijd een directe correlatie van de prestaties. In 1992 rapporteerde Jane van Iowa State over onderzoek naar het effect van de molecuulgrootte van amylose en de lengte van de vertakkingen van amylopectine op de plakeigenschappen van zetmeel. Jane ontdekte dat amylopectinemoleculen met langere vertakkingen niet alleen de neiging hadden te geleren, maar dat de gelsterkte toenam met de taklengte. De viscositeit van amylopectinemoleculen van verschillende lengte correleerde echter niet zo goed. In feite werd de beste viscositeit verkregen met amylose van gemiddelde lengte, terwijl de grootste en kleinste amylose-moleculen beide even lage viscositeiten opleverden.

Een duidelijker verband kan worden gelegd tussen molecuulgrootte en stabiliteit. Een langere amylose-molecule zal, tot op zekere hoogte, een grotere gelsterkte hebben door zijn groter vermogen tot associatie door waterstofbinding. Dit grotere vermogen tot associatie verhoogt de neiging van het molecuul om achteruit te gaan. Kleinere amylose moleculen hebben een zwakkere associatie en zijn dus beter bestand tegen retrogradatie. Recente informatie wijst erop dat amylopectinemoleculen met langere vertakkingen ook vatbaarder zijn voor retrogradatie. Dit is een bijzondere zorg voor onderzoekers die amylose moleculen proberen te verlengen door kruising.

“Wanneer je een amylose extender gen inbrengt, verleng je uiteindelijk ook de takketens van de amylopectine,” zegt Pamela J. White, Ph.D., waarnemend directeur, departement van voedingswetenschappen en menselijke voeding, Iowa State University.

Fosfor

Zetsels bevatten fosfor in een of andere vorm. De aard van het fosfor beïnvloedt de zetmeelprestaties. In de meeste graanzetmelen wordt het fosfor voornamelijk aangetroffen in de vorm van lysofosfolipiden, die de neiging hebben een complex te vormen met de amylose van het zetmeel en het waterbindend vermogen ervan verminderen. Deze complexen dragen ook bij tot de ondoorzichtigheid van de zetmeelpasta.

De fosfor in knolzetmeel, zoals aardappel, is in de vorm van fosfaatmono-esters die op het zetmeelmolecuul voorkomen als negatief geladen groepen. De ionische afstoting die door deze groepen wordt opgewekt, verzwakt de associatie tussen de moleculen en verhoogt het waterbindend vermogen, het zwelvermogen en de deeghelderheid.

Ontrafeling van de mysteries

Inzicht in de natieve zetmeelfunctionaliteit maakt niet alleen het werk van de productontwerper efficiënter, het is ook een essentiële schakel om de zetmeelfunctionaliteit door modificatie uit te breiden. Dit geldt ongeacht of het zetmeel wordt gemodificeerd via chemische/enzymatische methoden, conventionele veredeling of biotechnologie.

Zoals eerder gezegd, levert de studie van zetmeelstructuur/-functierelaties meer vragen op dan zij beantwoordt. Onderzoekers die op dit gebied werkzaam zijn, hebben dan ook genoeg om zich mee bezig te houden. De Iowa State University is een van de plaatsen waar de studie van zetmeel aan de gang is.

Sinds 1987 zijn de ISU-onderzoekers White en Jane op zoek naar zetmeel met unieke functionele eigenschappen om te gebruiken bij de ontwikkeling van nieuwe maïshybriden. Samen met hen werkt Linda Pollak, Ph.D., een U.S. Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service onderzoeksgeneticus die samenwerkt met de ISU Dept. of Agronomy.

Gebruik makend van Pollak’s toegang tot de Noord-Amerikaanse bibliotheek van maïs mutant genotypen, heeft het team de exotische maïssoorten gescreend om de aard van de variaties in functionele eigenschappen te bepalen.

“Het is moeilijk en tijdrovend om een directe structuurstudie te doen,” zegt White. “Dus onze aanpak is geweest om te beginnen met een snelle screening van het zetmeel door het te extraheren in het lab met zo weinig als één pit.”

Deze eerste screening wordt gedaan met behulp van differentiële scanning calorimetrie (DSC). Een monster van het zetmeel wordt geplakt en vervolgens gescand op de DSC. Nadat het geplakte monster zeven dagen bij 4°C is bewaard (de optimale temperatuur voor zetmeelretrogradatie), wordt het monster opnieuw gescand.

“De scan die we krijgen op een vers en opgeslagen monster vertelt ons of het zetmeel mogelijk unieke functionele eigenschappen heeft,” zegt White. “Zodra we iets ongewoons vinden, verifiëren we dat dat inderdaad een andere DSC een andere keer geeft.”

Andere informatie die via deze DSC-analyse wordt verkregen, omvat de gelatinisatietemperatuur en het gelatinisatiebereik. Een lage gelatinisatietemperatuur kan energiebesparingen opleveren in een groot productiebedrijf. Een smal gelatinisatiebereik zal ook de productie efficiënter maken door de gelatinisatie sneller te laten verlopen.

“Dat zijn de belangrijkste dingen waar we naar beginnen te kijken,” zegt White. “Wanneer we dingen zien die sterk van de norm afwijken wanneer ze door DSC worden gemeten, doen we vervolgens een structurele analyse om te bepalen waarom ze dat doen en relateren we de structuur aan de functie.”

De eerste stap om dit te doen vereist het kweken van de gemuteerde maïs in grotere hoeveelheden voor verdere analyse. De tests omvatten de bepaling van het percentage amylose door middel van jodiumpotentiometrische titratie en/of gelpermeatiechromatografie; de moleculaire gewichtsverdeling met behulp van gelpermeatiechromatografie; en de takketenlengte van de amylopectine berekend op basis van de reductiewaarde bepaald door natte chemie, of met behulp van gelpermeatiechromatografie.

Als een voldoende hoeveelheid zetmeel beschikbaar is, worden ook functionele tests uitgevoerd, zoals die voor viscositeit en gelsterkte.

“Wat we ook vaak doen, is de korrelgrootte meten met elektronenmicroscopie,” zegt White. “Van zetmeel met kleine korrels is aangetoond dat het goed is voor een glad mondgevoel, wat een nuttige eigenschap is voor vetvervangers om een korrelige textuur te vermijden.”

Eindelijk wordt het verband gelegd tussen de gewenste functionele eigenschappen en de structuur van het zetmeel. Dan nemen plantgenetici het over en proberen de gewenste eigenschappen te kweken in een variëteit die kan worden gekweekt.

Het vergroten van het inzicht in de eigen zetmeelfunctionaliteit is nuttig voor zowel productontwerpers als makers van nieuwe zetmeelingrediënten. Soms lijkt het er echter op dat elke stap in de richting van dit begrip alleen maar meer afstand toevoegt aan de weg. Toch moeten deze inspanningen worden voortgezet omdat – hoewel de reis misschien nooit eindigt – elke stap dichterbij nieuwe vooruitgang brengt die levensmiddelen helpt verbeteren.

Terug naar boven