Zrozumienie funkcjonalności skrobi
styczeń 1996 — Cover Story

By: Scott Hegenbart
Editor*

*(kwiecień 1991 – lipiec 1996)

Skrobia kukurydziana jest podstawowym składnikiem skrobi stosowanym przez amerykańskie firmy spożywcze. Jednak skrobie pochodzące z różnych źródeł, a nawet te pozyskiwane z mniej popularnych odmian kukurydzy, oferują szereg funkcjonalnych właściwości nawet przed modyfikacją. Badanie unikalnej funkcjonalności różnych rodzimych skrobi przedstawia kilka potencjalnych korzyści.

Rozszerzony zakres funkcjonalności

Wiele skrobi ma właściwości, które nie są tak łatwe do powielenia poprzez modyfikację innej skrobi.Dodatkowo, rozpoczęcie od surowca bliższego pożądanym właściwościom funkcjonalnym jest nawet pożądane przy modyfikacji. Mniej rozległe modyfikacje oznaczają…

Zmniejszony koszt

Projektanci nieustannie wymagają, aby składniki tekstury były bardziej funkcjonalne, ale ograniczenia kosztów wciąż się zaciskają. W wielu przypadkach, im mniej przetwarza się skrobię, tym bardziej jest ona efektywna kosztowo. Na rynku dostępne są już wysoko funkcjonalne skrobie kukurydziane pochodzące ze specjalnie opracowanych hybryd kukurydzy. Mogą one oferować większą oszczędność na dwa sposoby.

“Będziesz miał skrobię, która nie będzie musiała przechodzić przez modyfikacje, co obniża koszty”, mówi Ibrahim Abbas, Ph.D., kierownik rozwoju produktu, American Maize-Products Co, Hammond, IN. “Kiedy są one modyfikowane, w niektórych przypadkach hybrydy są bardziej reaktywne na chemikalia, dlatego możemy użyć ich mniej. Jest to bardziej wydajne i można zaoszczędzić pieniądze.”

Znakowanie

Chociaż nie okazało się to tak wielkim problemem, jak kiedyś sądzono, skrobie modyfikowane nadal muszą nosić numery E w Europie. Bardziej funkcjonalna skrobia natywna nie będzie nosić numeru E i będzie wydawać się bardziej naturalna dla europejskich konsumentów – co jest przedmiotem troski na stale rozwijającym się rynku globalnym.

Powiązanie struktury i funkcji

Chemicznie, skrobia jest polisacharydem, który składa się z powtarzających się jednostek glukozy. Cząsteczki skrobi mają jedną z dwóch struktur molekularnych: strukturę liniową, znaną jako amyloza; oraz strukturę rozgałęzioną, znaną jako amylopektyna. Amyloza i amylopektyna łączą się ze sobą poprzez wiązanie wodorowe i układają się promieniście w warstwy tworząc granulki. Skrobie z różnych źródeł różnią się od siebie w następujący sposób – każdy z nich może wpływać na wydajność:

Wielkość i kształt granulek

Granulki skrobi występują w szerokiej gamie rozmiarów od 3 mikronów do ponad 100 mikronów. W przypadku niektórych skrobi wielkość granulek jest polimodalna, co oznacza, że granulki mogą być pogrupowane w więcej niż jeden zakres wielkości. Na przykład skrobia pszenna zawiera zarówno duże, jak i małe granulki. Kształt granulek również może być zróżnicowany. Kształty granulek obejmują symetryczne kule, asymetryczne kule, symetryczne krążki i asymetryczne krążki. Niektóre granulki wykazują swój kształt gładko, podczas gdy inne są wielościanami o powierzchni fasetowanej.

Stosunek amylozy:amylopektyny

Wszystkie skrobie składają się z różnych proporcji amylozy i amylopektyny. Stosunek ten różni się nie tylko wśród różnych rodzajów skrobi, ale także wśród wielu odmian roślin w obrębie danego rodzaju. Skrobie woskowe to takie, które mają nie więcej niż 10% amylopektyny.

Struktura cząsteczek amylozy i amylopektyny

Długość cząsteczek amylozy w skrobi – znana jako jej stopień polimeryzacji – może być bardzo różna. W amylopektynie, długość i liczba rozgałęzień na cząsteczce są równie zmienne.

“Długość cząsteczki amylozy różni się w zależności od typu i odmiany”, mówi Daniel Putnam, starszy naukowiec ds. zastosowań, Grain Processing Corp, Muscatine, IA. “Widziałem 200 do 2,000 jako stopień polimeryzacji w ramach typu skrobi.”

Inne odmiany również istnieją dla skrobi

Nie można ich uformować w jedną kategorię, ponieważ mogą być unikalne dla jednej konkretnej skrobi. Ogólnie jednak, większość takich odmian składa się z obecności nieskrobiowych składników w granulce.

Niezliczone odmiany wielu typów skrobi nie mogłyby być prawdopodobnie wyczerpująco omówione w jednym artykule. W związku z tym, w tej funkcji omówione zostaną pewne ogólne trendy wśród głównych typów skrobi stosowanych w przemyśle spożywczym.

Kukurydza

Istnieją cztery klasy skrobi kukurydzianej. Pospolita skrobia kukurydziana składa się w 25% z amylozy, podczas gdy kukurydza woskowa składa się prawie całkowicie z amylopektyny. Dwie pozostałe skrobie kukurydziane to skrobie kukurydziane o wysokiej zawartości amylozy; jedna z nich ma 55% do 55% amylozy, podczas gdy druga ma 70% do 75%.

Jay-lin Jane, Ph.D., profesor na wydziale nauk o żywności i żywieniu człowieka na Uniwersytecie Stanowym Iowa w Ames, bada wielkość i kształt granulek wielu rodzajów skrobi w ramach prowadzonych przez siebie badań. Dzięki skaningowej mikroskopii elektronowej Jane i jej zespół badawczy odkryli, że zwykła skrobia kukurydziana ma nieregularne granulki w kształcie wielościanów. Ich wielkość waha się od 5 do 20 mikronów.

Skrobia z kukurydzy woskowej ma również granulki o nieregularnym kształcie, podobne pod względem rozkładu wielkości do tych z kukurydzy zwyczajnej. Jednakże, poszczególne powierzchnie nie są tak wyraźne. Skrobie wysoko-amylozowe również mają nieregularny kształt, ale zwykle są gładkie. Niektóre z nich mają nawet kształt pręta. Skrobie wysoko-amylozowe mają węższy zakres rozmiarów: 5 do 15 mikronów, a nawet 10 do 15 mikronów, w zależności od odmiany.

Ziemniak

Skrobia ziemniaczana ma około 20% amylozy. Podobnie jak skrobia z wielu bulw, granulki skrobi ziemniaczanej są duże i mają gładki, okrągło-owalny kształt. Spośród skrobi powszechnie stosowanych w żywności, skrobia ziemniaczana jest największa; jej granulki mają wielkość od 15 do 75 mikronów.

Ryż

Zwykła skrobia ryżowa ma stosunek amylozy do amylopektyny wynoszący około 20:80, podczas gdy woskowa skrobia ryżowa ma tylko około 2% amylozy. Obie odmiany mają małe granulki o wielkości od 3 do 8 mikronów. Według Jane’a są to wielokąty o nieregularnym kształcie, przy czym ryż woskowy wykazuje pewne granulki złożone.

Tapioka

Skrobia z tapioki ma od 15% do 18% amylozy. Granulki tapioki są gładkimi, nieregularnymi kulami o rozmiarach od 5 do 25 mikronów.

Pszenica

Skrobia pszenna ma zawartość amylozy około 25%. Jej granulki są stosunkowo grube, od 5 do 15 mikronów, o gładkim, okrągłym kształcie i średnicy od 22 do 36 mikronów. Skrobia pszenna jest bimodalna w tym sensie, że posiada również grupę granulek skrobi o innej wielkości. W tym przypadku te inne granulki są bardzo małe, o średnicy zaledwie od 2 do 3 mikronów.

Układanie skrobiowych rywali

Mając pojęcie o tym, czym różnią się skrobie, dyskusja na temat działania tych samych skrobi powinna łatwo ujawnić, jak różne elementy struktury skrobi wpływają na jej działanie, prawda? Wcale tak nie jest. Chemicy skrobi powszechnie zgadzają się, że struktura i skład skrobi wpływają na wydajność. Jednak bezpośrednia korelacja nie zawsze jest oczywista, a zmiany w pojedynczych cechach niekoniecznie przekładają się na wytyczne.

To, co następuje, to przegląd tego, co obecnie wiadomo o tym, jak struktura i skład wpływają na wydajność. Należy pamiętać, że ta dyskusja może wygenerować więcej pytań niż odpowiedzi. Ale najpierw, tutaj jest krótki przegląd tego, co dzieje się podczas żelatynizacji skrobi:

Gdy skrobia jest rozproszona w wodzie i ogrzewana, woda przenika do granulek skrobi od zewnątrz do wewnątrz, aż granulki są w pełni uwodnione. Po uwodnieniu, wiązanie wodorowe między amylozą i amylopektyną utrzymuje integralność granulki i zaczyna ona pęcznieć od wzgórza (centrum). Po zżelowaniu, spuchnięte granulki mogą zwiększyć lepkość dyspersji, i/lub połączyć się w celu utworzenia żeli i błon.

Rozmiar i struktura granulek

Według wielu źródeł, rozmiar granulek nie ma, sam w sobie, silnego wpływu na wydajność skrobi. Uważa się jednak, że jest to czynnik wpływający na to, jak szybko skrobia się żeluje i jaka jest jej temperatura żelatynizacji. Skrobia ryżowa i skrobia z tapioki, na przykład, obie mają zawartość amylozy w tym samym zakresie, ale granulki skrobi z tapioki są znacznie większe i, w rezultacie, łatwiej pęcznieją.

“Im większa granulka, tym mniej wiązań molekularnych, więc pęcznieją szybciej”, mówi Paul Smith, prezes Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Ale również rozpadają się szybciej.”

Duże granulki skrobi mają tendencję do budowania wyższej lepkości, ale lepkość jest delikatna, ponieważ fizyczny rozmiar granulki czyni ją bardziej wrażliwą na ścinanie. Pomimo takich różnic, bardziej zwarta struktura mniejszej cząsteczki nie zawsze oznacza znaczącą różnicę w żelatynizacji. Skrobia pszenna, na przykład, ma bimodalny rozkład zarówno małych jak i dużych granulek. Poza rozmiarem, granulki te mają praktycznie taki sam skład amylozy i amylopektyny, i tak dalej. Jednak właściwości żelatynizacji dużych i małych granulek nie wykazują znaczących różnic w wydajności.

“Jeden z testów wykazał, że małe granulki mają o 3° wyższą temperaturę żelatynizacji niż duże, ale temperatury początkowe były podobne”, mówi Abbas. “Powiedziałbym, że w skrobi pszennej, (rozmiar granulek) nie jest głównym czynnikiem.”

Stosunek amylozy do amylopektyny

Kukurydza woskowa i zwykła skrobia kukurydziana mają ten sam rozmiar granulek, ale kukurydza woskowa będzie pęcznieć w większym stopniu i każda z nich będzie żelatynizować w różnych temperaturach. Jest to w dużej mierze spowodowane ich różnym składem amylozy: amylopektyny.

“Cząsteczki amylozy, ze względu na ich liniowość, łatwiej się łączą i mają bardziej rozległe wiązania wodorowe,” mówi Abbas. “W konsekwencji wymaga to więcej energii do zerwania tych wiązań i żelatynizacji skrobi.”

Ogólnie, im wyższa amyloza, tym wyższa temperatura żelatynizacji. Jest to najbardziej zauważalne w dwóch wysokoamylozowych skrobiach kukurydzianych, które wymagają tak wysokich temperatur do żelatynizacji, że muszą być gotowane pod ciśnieniem. Stosunek amylozy do amylopektyny określa również rodzaj tekstury, jaką zbuduje zżelowana skrobia.

“Ogólnie rzecz biorąc, amyloza daje wytrzymałość żelu, a amylopektyna daje wysoką lepkość,” mówi Abbas. “Tak więc skrobie o wysokiej zawartości amylozy dadzą ci właściwości żelujące, a skrobie woskowe dadzą ci wysoką lepkość.”

Liniowa struktura amylozy również przyczynia się do wytrzymałości żelu. W roztworze, liniowe cząsteczki amylozy mogą łatwiej ustawiać się względem siebie i łączyć poprzez wiązanie wodorowe tworząc żele. Rozgałęzione cząsteczki amylopektyny nie mogą ustawić się tak łatwo, a zatem dają słabsze wiązanie wodorowe i wytrzymałość żelu.

Tęsknota, z drugiej strony, jest wyłącznie funkcją masy cząsteczkowej. Rozgałęziona struktura amylopektyny ze wszystkimi jej dołączonymi łańcuchami daje znacznie większą cząsteczkę niż amyloza. W konsekwencji, amylopektyna jest lepsza w budowaniu lepkości niż amyloza.

Więc, jeśli projektant produktu chce właściwości żelujących, należy wybrać skrobię o wysokiej zawartości amylozy, podczas gdy skrobia o wysokiej zawartości amylopektyny (woskowa) byłaby wyborem, jeśli potrzebna jest lepkość, prawda? Nie do końca. Czysta siła żelu i lepkość są często przydatne, ale nie zawsze są tym, czego potrzebują projektanci produktów. Skrobia o zbyt wysokiej zawartości amylozy może sprawić, że budyń będzie zbyt twardy. Skrobia o zbyt wysokiej zawartości amylopektyny może osiągnąć odpowiednią lepkość w koktajlu dietetycznym, ale po spożyciu może wydawać się żylasta i “oślizgła”. W związku z tym, stosunek amylozy do amylopektyny określa nie tylko podstawową teksturę, ale także charakter tej tekstury.

Używanie skrobi w produktach ekstrudowanych ilustruje, jak delikatne może być równoważenie tego stosunku. Podobnie jak w przypadku tworzenia żelu, tworzenie filmu jest funkcją asocjacji liniowych cząsteczek amylozy. Im wyższa zawartość amylozy, tym lepsze właściwości błonotwórcze. W przypadku przekąsek ekstrudowanych, właściwości błonotwórcze są pożądane w celu uzyskania chrupiącej tekstury w produkcie końcowym. Ale sama chrupkość nie czyni przekąski ani jej nie łamie.

“Ściśle związana natura polimeru amylozy wpływa na chrupkość”, mówi Jim Zallie, dyrektor technologii żywności, National Starch and Chemical Co, Bridgewater, NJ., “Ale jest to materiał o niższej masie cząsteczkowej, który nie może uchwycić powietrza, które pochodzi z wody zamieniającej się w parę podczas odpowietrzania.”

Używanie skrobi z rosnącymi poziomami amylopektyny zwiększa odpowiednio ekspansję kosztem chrupkości. W związku z tym, stosunek amylozy do amylopektyny musi być starannie dobrany. W niektórych przypadkach wymagania dotyczące tekstury produktu wymagają łączenia skrobi z różnych źródeł.

“Niektórzy ludzie stosują kombinacje różnych skrobi bazowych, aby uzyskać krótszą lub dłuższą teksturę”, mówi Mike Augustine, kierownik ds. zastosowań składników żywności, A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. “Przyglądamy się łączeniu mieszanek w celu uzyskania określonej tekstury lub jakości produktu końcowego.”

Oprócz budowania tekstury, skrobie są wykorzystywane do zapewnienia stabilności produktów spożywczych. Często przybiera to formę zatrzymywania wody. Jak wspomniano wcześniej, zżelatynowane cząsteczki skrobi mają tendencję do reasocjacji ze sobą. Ta reasocjacja wypycha wodę z cząsteczki, powodując rekrystalizację skrobi. Tendencja skrobi do rekrystalizacji, lub retrogradacji, w ten sposób określa jej przydatność do długoterminowej stabilności.

“Rozgałęziona amylopektyna daje przeszkody steryczne,” mówi Putnam. “To nie pozwala cząsteczkom na ponowną asocjację, więc nie ma tendencji do retrogradacji tak łatwo.”

Struktura molekularna amylozy i amylopektyny

Dłuższe cząsteczki amylozy mają tendencję do tworzenia tekstury produktu żylastej ze względu na sposób, w jaki się łączą. Masa cząsteczkowa amylozy wpływa również na elastyczność żelu. Dłuższe cząsteczki mają tendencję do kojarzenia się silniej i produkują mocniejsze, bardziej kruche żele, ale istnieje ograniczenie tego efektu.

“Tapioka i skrobia ziemniaczana mają amylozę, ale produkują spoistą masę, a nie żel, jak w przypadku skrobi kukurydzianej”, mówi Peter Trzasko, starszy pracownik naukowy w National Starch and Chemical Co. “Teoria za tym oparta jest na masie cząsteczkowej. Ziemniak i tapioka mają masę cząsteczkową tak bardzo wyższą niż kukurydza, że w rzeczywistości utrudnia to cząsteczkom łączenie się.”

Masa cząsteczkowa nie zawsze zapewnia bezpośrednią korelację wydajności. W 1992 r. Jane z Iowa State przedstawiła wyniki badań nad wpływem wielkości cząsteczek amylozy i długości łańcucha rozgałęzień amylopektyny na właściwości pasteryzacyjne skrobi. Jane stwierdziła, że cząsteczki amylopektyny o dłuższych rozgałęzieniach nie tylko mają tendencję do żelowania, ale że siła żelowania wzrasta wraz z długością rozgałęzienia. Jednakże lepkość amylopektyn o różnych długościach nie była tak dobrze skorelowana. W rzeczywistości, najlepsza lepkość została uzyskana z amylozy o średniej długości, podczas gdy największe i najmniejsze cząsteczki amylozy zarówno produkowane podobnie niskie lepkości.

Bardziej wyraźny związek może być wykonane między wielkości cząsteczki i stabilności. Dłuższa cząsteczka amylozy będzie, do pewnego momentu, mieć większą wytrzymałość żelu ze względu na jego zwiększoną zdolność do kojarzenia poprzez wiązania wodorowe. Ta zwiększona zdolność kojarzenia zwiększa tendencję cząsteczki do retrogradacji. Mniejsze cząsteczki amylozy wykazują słabsze właściwości asocjacyjne i dlatego są bardziej odporne na retrogradację. Ostatnie informacje wskazują, że cząsteczki amylopektyny z dłuższymi odgałęzieniami są również bardziej podatne na retrogradację. Jest to szczególny problem dla badaczy próbujących wydłużyć cząsteczki amylozy poprzez krzyżowanie.

“Kiedy wstawiasz gen wydłużający amylozę, kończysz również wydłużając łańcuchy rozgałęzień amylopektyny”, mówi Pamela J. White, Ph.D., p.o. dyrektora, wydział nauki o żywności i żywienia człowieka, Iowa State University.

Fosfor

Skrobie zawierają fosfor w takiej czy innej formie. Charakter fosforu wpływa na wydajność skrobi. W większości skrobi zbożowych fosfor występuje głównie w postaci lizofosfolipidów, które mają tendencję do tworzenia kompleksów z amylozą skrobi i zmniejszają jej zdolność wiązania wody. Kompleksy te przyczyniają się również do zmętnienia pasty skrobiowej.

Fosfor w skrobiach bulwiastych, takich jak ziemniaczana, występuje w postaci monoestrów fosforanowych, które występują na cząsteczce skrobi w postaci ujemnie naładowanych grup. Odpychanie jonowe generowane przez te grupy osłabia związek między cząsteczkami i zwiększa zdolność wiązania wody, siłę pęcznienia i klarowność pasty.

Odkrywanie tajemnic

Zrozumienie funkcjonalności skrobi natywnej nie tylko sprawia, że praca projektanta produktu jest bardziej efektywna, ale jest także istotnym ogniwem w rozszerzaniu funkcjonalności skrobi poprzez modyfikację. Dotyczy to zarówno skrobi modyfikowanej metodami chemicznymi/enzymatycznymi, konwencjonalnej hodowli czy biotechnologii.

Jak stwierdzono wcześniej, badanie relacji struktura/funkcja skrobi generuje więcej pytań niż odpowiedzi. W związku z tym badacze pracujący w tej dziedzinie mają wiele powodów do zadowolenia. Uniwersytet Stanowy Iowa jest jednym z miejsc, gdzie trwają badania nad skrobią.

Od 1987 roku badacze ISU, White i Jane, poszukują skrobi o unikalnych właściwościach funkcjonalnych, które można by wykorzystać przy opracowywaniu nowych hybryd kukurydzy. Współpracuje z nimi Linda Pollak, Ph.D., genetyk badawczy U.S. Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service pracująca w ISU Dept. of Agronomy.

Korzystając z dostępu Pollak do północnoamerykańskiej biblioteki zmutowanych genotypów kukurydzy, zespół bada egzotyczne typy kukurydzy w celu określenia charakteru wariacji właściwości funkcjonalnych.

“Przeprowadzenie bezpośrednich badań strukturalnych jest trudne i czasochłonne”, mówi White. “Nasze podejście polega na szybkim badaniu skrobi poprzez jej ekstrakcję w laboratorium z jednego ziarna.”

Takie wstępne badanie jest przeprowadzane przy użyciu skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC). Próbka skrobi jest wklejana, a następnie skanowana na DSC. Po przechowywaniu wklejonej próbki przez siedem dni w temperaturze 4°C (optymalna temperatura dla retrogradacji skrobi) próbka jest ponownie skanowana.

“Skan, który otrzymujemy na świeżej i przechowywanej próbce mówi nam, czy skrobia może mieć unikalne właściwości funkcjonalne”, mówi White. “Gdy znajdziemy coś niezwykłego, sprawdzamy, czy to rzeczywiście daje nam inny DSC innym razem.”

Inne informacje uzyskane dzięki tej analizie DSC obejmują temperaturę żelatynizacji i zakres żelatynizacji. Niska temperatura żelatynizacji może zapewnić oszczędność energii w dużej operacji produkcyjnej. Wąski zakres żelatynizacji również sprawi, że produkcja bardziej wydajne przez żelatynizacji bardziej rapid.

“To są kluczowe rzeczy zaczynamy patrzeć na”, mówi White. “Kiedy widzimy rzeczy, które różnią się znacznie od normy podczas pomiaru DSC, wtedy robimy analizę strukturalną, aby określić, dlaczego tak się dzieje i odnieść strukturę do funkcji.”

Pierwszy krok w tym kierunku wymaga uprawy zmutowanej kukurydzy w większych ilościach do dalszej analizy. Testy obejmują określenie procentowej zawartości amylozy poprzez potencjometryczne miareczkowanie jodem i/lub chromatografię żelową; rozkład masy cząsteczkowej przy użyciu chromatografii żelowej; oraz długość łańcucha rozgałęzionego amylopektyny obliczoną na podstawie wartości redukującej określonej poprzez mokrą chemię lub przy użyciu chromatografii żelowej.

Jeśli dostępna jest wystarczająca ilość skrobi, przeprowadzane są również testy funkcjonalne, takie jak testy lepkości i wytrzymałości żelu.

“Inną rzeczą, którą często robimy, jest pomiar wielkości granulek za pomocą mikroskopii elektronowej”, mówi White. “Wykazano, że skrobia o małych granulkach jest dobra dla gładkiego odczucia w ustach, co jest przydatną właściwością dla substytutów tłuszczu, aby uniknąć ziarnistej tekstury.”

W końcu, związek między pożądanymi właściwościami funkcjonalnymi i strukturą skrobi są wykonane. Następnie genetycy roślin przejmują kontrolę i próbują wyhodować pożądane cechy w odmianie, która może być uprawiana.

Pogłębianie wiedzy na temat funkcjonalności skrobi rodzimej jest przydatne zarówno dla projektantów produktów, jak i twórców nowych składników skrobi. Czasami jednak wydaje się, że każdy krok na drodze do tego zrozumienia tylko wydłuża drogę. Niemniej jednak, te wysiłki muszą być kontynuowane, ponieważ – chociaż podróż może nigdy się nie skończyć – każdy krok bliżej przynosi nowe postępy, które pomagają ulepszyć produkty żywnościowe.

Powrót do góry