Înțelegerea funcționalității amidonului
ianuarie 1996 — Coperta

De: Scott Hegenbart
Redactor*

*(aprilie 1991 – iulie 1996)

Amidonul de porumb este principalul ingredient de amidon folosit de companiile alimentare americane. Dar amidonul din diferite surse, și chiar cel extras din soiuri de porumb mai puțin obișnuite, oferă o serie de proprietăți funcționale chiar înainte de a fi modificat. Explorarea funcționalității unice a diferitelor amidonuri native prezintă mai multe avantaje potențiale.

Gama extinsă de funcționalitate

Multe amidonuri au proprietăți care nu sunt atât de ușor de duplicat prin modificarea unui alt amidon.În plus, începerea cu o materie primă mai apropiată de proprietățile funcționale dorite este chiar de dorit în modificare. O modificare mai puțin extinsă înseamnă…

Costuri reduse

Designerii cer continuu ca ingredientele de textură să fie mai înalt funcționale, dar constrângerile legate de costuri sunt încă mai stricte. În multe cazuri, cu cât un amidon este prelucrat mai puțin, cu atât este mai eficient din punct de vedere al costurilor. Amidonul de porumb nativ foarte funcțional derivat din hibrizi de porumb special dezvoltați se află deja pe piață. Aceștia pot oferi o economie mai mare în două moduri.

“Veți avea un amidon care nu va trebui să treacă prin modificări, ceea ce economisește costuri”, spune Ibrahim Abbas, Ph.D., director de dezvoltare a produselor, American Maize-Products Co., Hammond, IN. “Când acestea sunt modificate, în unele cazuri, hibrizii sunt mai reactivi la substanțele chimice; prin urmare, putem folosi mai puțin. Este mai eficient și se pot economisi bani.”

Etichetare

Deși acest lucru nu s-a dovedit a fi o problemă atât de mare pe cât s-a crezut odată, amidonul modificat trebuie să poarte în continuare numărul E în Europa. Un amidon nativ mai funcțional nu va purta numărul E și va părea mai natural pentru consumatorii europeni – o preocupare pe o piață globală în continuă expansiune.

Relații între structură și funcție

Din punct de vedere chimic, amidonul este o polizaharidă care constă din unități de glucoză repetate. Moleculele de amidon au una dintre cele două structuri moleculare: o structură liniară, cunoscută sub numele de amiloză; și o structură ramificată, cunoscută sub numele de amilopectină. Amiloza și amilopectina se asociază prin legături de hidrogen și se aranjează radial în straturi pentru a forma granule. Amidonul din diferite surse variază unul față de celălalt în următoarele moduri – fiecare dintre acestea putând afecta performanța:

Dimensiunea și forma granulelor

Granulele de amidon au o mare varietate de dimensiuni, de la 3 microni la peste 100 microni. În cazul unor amidonuri, dimensiunea granulelor este polimodală, ceea ce înseamnă că granulele pot fi grupate în mai mult de o gamă de dimensiuni. Amidonul de grâu, de exemplu, are o distribuție atât a granulelor mari, cât și a celor mici. Forma granulelor poate fi, de asemenea, diversă. Formele granulelor includ sfere simetrice, sfere asimetrice, discuri simetrice și discuri asimetrice. Unii granule își prezintă forma netedă, în timp ce altele sunt poliedre cu o suprafață fațetată.

Raport amiloză:amilopectină

Toate amidonul este alcătuit din proporții variabile de amiloză și amilopectină. Acest raport variază nu numai între diferitele tipuri de amidon, ci și între numeroasele varietăți de plante din cadrul unui tip. Amidonurile ceroase sunt cele care nu au mai mult de 10% amilopectină.

Structura moleculelor de amiloză și amilopectină

Lungimea moleculelor de amiloză dintr-un amidon – cunoscută sub numele de gradul său de polimerizare – poate varia enorm de mult. În cazul amilopectinei, lungimea și numărul de ramificații de pe moleculă sunt la fel de variabile.

“Lungimea moleculei de amiloză variază în funcție de tip și de cultivare”, spune Daniel Putnam, cercetător principal în domeniul aplicațiilor, Grain Processing Corp. din Muscatine, IA. “Am văzut de la 200 la 2.000 ca grad de polimerizare în cadrul unui tip de amidon.”

Există și alte variații pentru amidon

Acestea nu pot fi formate într-o singură categorie, deoarece pot fi unice pentru un anumit amidon. În general, însă, majoritatea acestor variații constau în prezența în granule a unor componente care nu sunt amidon.

Numeroasele varietăți ale numeroaselor tipuri de amidon nu ar putea fi acoperite în mod exhaustiv într-un singur articol. În consecință, acest articol va discuta unele tendințe generale între principalele tipuri de amidon utilizate în industria alimentară.

Corn

Există patru clase de amidon de porumb. Amidonul comun de porumb are 25% amiloză, în timp ce porumbul ceros este alcătuit aproape în totalitate din amilopectină. Cele două amidonuri de porumb rămase sunt amidonuri de porumb cu conținut ridicat de amiloză; unul dintre ele are între 55% și 55% amiloză, în timp ce al doilea are între 70% și 75%.

Jay-lin Jane, Ph.D., profesor la departamentul de știință alimentară și nutriție umană de la Universitatea de Stat din Iowa, Ames, a investigat dimensiunea și forma granulelor mai multor tipuri de amidon ca parte a cercetărilor sale în curs. Prin intermediul microscopiei electronice cu scanare, Jane și echipa sa de cercetare au descoperit că amidonul comun de porumb are granule neregulate în formă de poliedru. Dimensiunea acestora variază între 5 microni și 20 de microni.

Amidonul de porumb ceros are, de asemenea, granule de formă neregulată, similare în ceea ce privește distribuția dimensiunilor cu cele ale porumbului comun. Cu toate acestea, fețele individuale nu sunt la fel de distincte. Amidonul bogat în amiloză are, de asemenea, o formă neregulată, dar tinde să fie neted. Unele dintre acestea au chiar formă de tijă. Amidonul cu conținut ridicat de amiloză are o gamă mai restrânsă de dimensiuni: 5 până la 15 microni, sau chiar 10 până la 15 microni, în funcție de soi.

Potata

Amidonul de cartof are aproximativ 20% amiloză. Ca și cei din mulți tuberculi, granulele de amidon din cartof sunt mari, cu o formă ovală rotundă și netedă. Dintre amidonul utilizat în mod obișnuit în alimentație, amidonul de cartof este cel mai mare; granulele sale au dimensiuni cuprinse între 15 și 75 de microni.

Rez

Amidonul de orez obișnuit are un raport amiloză:amilopectină de aproximativ 20:80, în timp ce amidonul de orez ceros are doar aproximativ 2% amiloză. Ambele varietăți au granule de dimensiuni mici, cuprinse între 3 și 8 microni. Potrivit lui Jane, acestea sunt poligoane de formă neregulată, orezul ceros prezentând unele granule compuse.

Tapioca

Amidonul de tapioca are între 15% și 18% amiloză. Granulele de tapioca sunt sfere netede, neregulate, cu dimensiuni cuprinse între 5 și 25 de microni.

Grâu

Amidonul de grâu are un conținut de amiloză de aproximativ 25%. Granulele sale sunt relativ groase, de 5 până la 15 microni, cu o formă netedă, rotundă, cu diametrul cuprins între 22 și 36 microni. Amidonul de grâu este bimodal în sensul că are, de asemenea, un grup de granule de amidon de dimensiuni diferite. În acest caz, aceste alte granule sunt foarte mici, cu diametre de numai 2 până la 3 microni.

Staționarea rivalilor amidonului

Cu o idee despre modul în care diferă amidonul, discutarea modului în care aceste aceleași amidonuri se comportă ar trebui să divulge cu ușurință modul în care diferitele elemente ale structurii amidonului afectează performanța, nu-i așa? Departe de asta. Chimiștii din domeniul amidonului sunt de acord în mod universal că structura și compoziția amidonului afectează performanța. Cu toate acestea, o corelație directă nu este întotdeauna evidentă, iar modificările unei singure trăsături nu se traduc neapărat în orientări.

Ceea ce urmează este o trecere în revistă a ceea ce se știe în prezent despre modul în care structura și compoziția afectează performanța. Rețineți că această discuție poate genera mai multe întrebări decât răspunsuri. Dar, mai întâi, iată o scurtă trecere în revistă a ceea ce se întâmplă în timpul gelatinizării amidonului:

Când amidonul este dispersat în apă și încălzit, apa pătrunde în granula de amidon dinspre exterior spre interior până când granula este complet hidratată. Odată hidratat, legătura de hidrogen dintre amiloză și amilopectină menține integritatea granulei și aceasta începe să se umfle dinspre hil (centru). Odată gelatinizate, granulele umflate pot crește vâscozitatea dispersiei și/sau se pot asocia pentru a forma geluri și pelicule.

Dimensiunea și structura granulelor

Potrivit multor surse, dimensiunea granulelor nu pare să aibă, în sine, un efect puternic asupra performanței amidonului. Cu toate acestea, se crede că este un factor care contribuie la rapiditatea cu care un amidon se gelatinizează și la temperatura de gelatinizare a acestuia. Amidonul de orez și cel de tapioca, de exemplu, au ambele conținuturi de amiloză în același interval, dar granulele de amidon de tapioca sunt mult mai mari și, ca urmare, se umflă mai ușor.

“Cu cât este mai mare granula, cu atât mai puține legături moleculare avem, astfel încât se umflă mai repede”, spune Paul Smith, președinte, Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Dar, de asemenea, se descompun mai repede.”

Granulele mari de amidon tind să construiască o vâscozitate mai mare, dar vâscozitatea este delicată deoarece dimensiunea fizică a granulei o face mai sensibilă la forfecare. În ciuda acestor diferențe, structura mai compactă a unei molecule mai mici nu înseamnă întotdeauna o diferență semnificativă în ceea ce privește gelatinizarea. Amidonul de grâu, de exemplu, are o distribuție bimodală atât de granule mici, cât și de granule mari. În afară de mărime, aceste granule au practic aceeași compoziție de amiloză și amilopectină, și așa mai departe. Cu toate acestea, proprietățile de gelatinizare ale granulelor mari și mici nu prezintă diferențe semnificative de performanță.

“Un test a arătat că granulele mici au o temperatură de gelatinizare cu 3° mai mare decât cele mari, dar temperaturile de debut au fost similare”, spune Abbas. “Aș spune că, în cazul amidonului de grâu, (dimensiunea granulelor) nu este un factor major.”

Raport amiloză:amilopectină

Amidonul de porumb ceros și amidonul de porumb comun au ambele aceeași dimensiune a granulelor, dar porumbul ceros se va umfla într-o măsură mai mare și fiecare se va gelatiniza la temperaturi diferite. Acest lucru se datorează în mare parte compoziției lor diferite de amiloză: amilopectină.

“Moleculele de amiloză, din cauza liniarității lor, se aliniază mai ușor și au o legătură de hidrogen mai extinsă”, spune Abbas. “În consecință, este nevoie de mai multă energie pentru a rupe aceste legături și a gelatiniza amidonul.”

În general, cu cât amiloza este mai mare, cu atât temperatura de gelatinizare este mai mare. Acest lucru este cel mai vizibil în cazul celor două amidonuri de porumb cu conținut ridicat de amiloză, care necesită temperaturi atât de ridicate pentru gelatinizare încât trebuie gătite sub presiune. Raportul amiloză:amilopectină determină, de asemenea, tipul de textură pe care o va construi amidonul gelatinizat.

“În general, amiloza vă oferă rezistența la gel și amilopectina vă oferă vâscozitate ridicată”, spune Abbas. “Așadar, amidonul cu conținut ridicat de amiloză vă va oferi proprietăți de gelifiere, iar amidonul ceros vă va oferi vâscozitate ridicată.”

Structura liniară a amilozei contribuie, de asemenea, la rezistența gelului. În soluție, moleculele liniare de amiloză se pot alinia mai ușor unele cu altele și se pot asocia prin legături de hidrogen pentru a forma geluri. Moleculele ramificate de amilopectină nu se pot alinia la fel de ușor și, astfel, dau o legătură de hidrogen și o rezistență mai slabă a gelului.

Vâscozitatea, pe de altă parte, este pur și simplu o funcție a greutății moleculare. Structura ramificată a amilopectinei, cu toate lanțurile sale atașate, dă o moleculă mult mai mare decât amiloza. În consecință, amilopectina este mai bună la formarea vâscozității decât amiloza.

Atunci, dacă un designer de produs dorește proprietăți de gelificare, ar trebui selectat un amidon cu conținut ridicat de amiloză, în timp ce un amidon cu conținut ridicat de amilopectină (ceros) ar fi alegerea potrivită dacă este nevoie de vâscozitate, nu? Nu este chiar așa. Puterea de gelifiere pură și vâscozitatea sunt adesea utile, dar nu sunt întotdeauna ceea ce au nevoie proiectanții de produse. Un amidon cu un conținut prea mare de amiloză poate face ca o budincă să fie prea fermă. Un amidon cu un conținut prea ridicat de amilopectină poate crea vâscozitatea corectă într-un shake dietetic, dar poate părea fibros și “lipicios” atunci când este consumat. În consecință, raportul amiloză:amilopectină determină nu doar textura de bază, ci și natura acestei texturi.

Utilizarea amidonului în produsele extrudate ilustrează cât de delicată poate fi echilibrarea acestui raport. Ca și în cazul formării gelului, formarea peliculei este o funcție a asocierii moleculelor de amiloză liniară. Cu cât amiloza este mai mare, cu atât mai bune sunt proprietățile de formare a filmului. În cazul unei gustări extrudate, proprietățile de formare a filmului sunt dorite pentru a obține o textură crocantă în produsul finit. Dar crocantul singur nu face sau desface o gustare.

“Natura strâns legată a polimerului de amiloză afectează crocantul”, spune Jim Zallie, director de tehnologie alimentară, National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ, “Dar este un material cu greutate moleculară mai mică, care nu poate reține aerul care provine din transformarea apei în abur în timpul aerisirii.”

Utilizarea unui amidon cu niveluri din ce în ce mai mari de amilopectină crește expansiunea în consecință, în detrimentul crocantării. Ca urmare, raportul amiloză:amilopectină trebuie să fie selectat cu atenție. În unele cazuri, cerințele texturale ale produsului necesită combinarea amidonurilor din diferite surse.

“Unii oameni folosesc combinații de diferite amidonuri de bază pentru a obține o textură mai scurtă sau mai lungă”, spune Mike Augustine, manager, aplicații pentru ingrediente alimentare, A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. “Am căutat să compunem amestecuri pentru a obține o textură specifică sau o calitate specifică a produsului finit.”

În plus față de crearea texturii, amidonul este folosit pentru a contribui la stabilitatea produselor alimentare. Acest lucru ia adesea forma reținerii apei. După cum s-a menționat anterior, moleculele de amidon gelatinizat tind să se reasocieze între ele. Această reasociere forțează apa să iasă din moleculă, ceea ce face ca amidonul să se recristalizeze. Tendința unui amidon de a se recristaliza, sau de a retroceda, în acest mod determină capacitatea sa de stabilitate pe termen lung.

“Amilopectina ramificată oferă un obstacol steric”, spune Putnam. “Acest lucru nu permite moleculelor să se reasocieze, astfel încât nu are tendința de a retrograda la fel de ușor.”

Structura moleculară a amilozei și amilopectinei

Moleculele mai lungi de amiloză tind să facă textura unui produs fibroasă din cauza modului în care se asociază. Greutatea moleculară a amilozei afectează, de asemenea, elasticitatea unui gel. Moleculele mai lungi tind să se asocieze mai puternic și să producă geluri mai puternice și mai fragile, dar există o limită a acestui efect.

“Tapioca și amidonul din cartofi au amândouă amiloză, dar ele produc o masă coerentă mai degrabă decât un gel așa cum ar face-o amidonul din porumb”, spune Peter Trzasko, cercetător asociat senior la National Starch and Chemical Co. “Teoria din spatele acestui lucru se bazează pe greutatea moleculară. Cartoful și tapioca au o greutate moleculară atât de mult mai mare decât cea a porumbului încât, de fapt, face mai dificilă asocierea moleculelor.”

Greutatea moleculară nu oferă întotdeauna o corelație directă de performanță. În 1992, Iowa State’s Jane a raportat o cercetare privind efectul dimensiunii moleculare a amilozei și al lungimii lanțului de ramificații al amilopectinei asupra proprietăților de lipire ale amidonului. Jane a descoperit că moleculele de amilopectină cu ramificații mai lungi nu numai că aveau tendința de a se gelifica, dar și că rezistența gelului creștea odată cu lungimea ramificației. Cu toate acestea, vâscozitatea amilozidelor de diferite lungimi nu a fost la fel de bine corelată. De fapt, cea mai bună vâscozitate a fost obținută cu amiloza de lungime intermediară, în timp ce cele mai mari și cele mai mici molecule de amiloză au produs ambele vâscozități la fel de scăzute.

Se poate face o legătură mai clară între dimensiunea moleculară și stabilitate. O moleculă de amiloză mai lungă va avea, până la un punct, o rezistență mai mare a gelului datorită capacității sale crescute de a se asocia prin legături de hidrogen. Această capacitate crescută de asociere crește tendința moleculei de a retrograda. Moleculele mai mici de amiloză prezintă o asociere mai slabă și, prin urmare, sunt mai rezistente la retrogradare. Informații recente indică faptul că moleculele de amilopectină cu ramificații mai lungi sunt, de asemenea, mai susceptibile la retrogradare. Acest lucru reprezintă o preocupare deosebită pentru cercetătorii care încearcă să lungească moleculele de amiloză prin încrucișare.

“Când inserați o genă de prelungire a amilozei, ajungeți, de asemenea, să prelungiți lanțurile de ramificații ale amilopectinei”, spune Pamela J. White, Ph.D., director interimar al departamentului de știință alimentară și nutriție umană, Iowa State University.

Fosfor

Amidonurile conțin fosfor într-o formă sau alta. Natura fosforului afectează performanța amidonului. În majoritatea amidonurilor din cereale, fosforul se găsește în principal sub formă de lizofosfolipide, care vor avea tendința de a se complexa cu amiloza amidonului și de a-i reduce capacitatea de fixare a apei. Acești complecși contribuie, de asemenea, la opacitatea pastei de amidon.

Fosforul din amidonul din tuberculi, cum ar fi cartoful, este sub formă de monoesteri de fosfat care apar pe molecula de amidon ca grupări încărcate negativ. Repulsia ionică generată de aceste grupări slăbește asocierea dintre molecule și crește capacitatea de legare a apei, puterea de umflare și claritatea pastei.

Descoperirea misterelor

Înțelegerea funcționalității amidonului nativ nu numai că face munca designerului de produse mai eficientă, dar este o legătură vitală pentru extinderea funcționalității amidonului prin modificare. Acest lucru este valabil indiferent dacă amidonul este modificat prin metode chimice/enzimatice, prin ameliorare convențională sau prin biotehnologie.

După cum s-a afirmat anterior, studiul relațiilor structură/funcție a amidonului generează mai multe întrebări decât răspunsuri. Ca urmare, cercetătorii care lucrează în acest domeniu au multe motive să se țină ocupați. Universitatea de Stat din Iowa este o locație în care au loc studii în curs de desfășurare privind amidonul.

Din 1987, cercetătorii White și Jane de la ISU au căutat amidoni cu proprietăți funcționale unice pentru a fi utilizați în dezvoltarea de noi hibrizi de porumb. Alături de ei lucrează Linda Pollak, Ph.D., genetician cercetător al Serviciului de Cercetare în Agricultură al Departamentului de Agricultură al SUA, care colaborează cu Departamentul de Agronomie al ISU.

Utilizând accesul lui Pollak la biblioteca nord-americană de genotipuri mutante de porumb, echipa a analizat tipurile exotice de porumb pentru a determina natura variațiilor proprietăților funcționale.

“Este dificil și consumator de timp să faci un studiu structural direct”, spune White. “Așa că abordarea noastră a fost să începem cu un screening rapid al amidonului prin extragerea acestuia în laborator cu doar un singur bob de porumb.”

Acest screening inițial se face cu ajutorul calorimetriei diferențiale de scanare (DSC). O mostră de amidon este lipită, apoi scanată pe DSC. După stocarea probei lipite timp de șapte zile la 4°C (temperatura optimă pentru retrogradarea amidonului), proba este scanată din nou.

“Scanarea pe care o obținem pe o probă proaspătă și pe una stocată ne spune dacă amidonul poate avea proprietăți funcționale unice”, spune White. “Odată ce găsim ceva neobișnuit, verificăm că într-adevăr ne oferă un DSC diferit altă dată.”

Alte informații obținute prin această analiză DSC includ temperatura de gelatinizare și intervalul de gelatinizare. O temperatură de gelatinizare scăzută poate oferi economii de energie într-o operațiune de producție mare. Un interval de gelatinizare îngust va face, de asemenea, ca producția să fie mai eficientă, făcând gelatinizarea mai rapidă.

“Acestea sunt lucrurile cheie pe care începem să le analizăm”, spune White. “Când vedem lucruri care diferă foarte mult de normă atunci când sunt măsurate prin DSC, facem apoi o analiză structurală pentru a determina de ce fac asta și pentru a lega structura de funcție.”

Primul pas pentru a face acest lucru necesită cultivarea porumbului mutant în cantități mai mari pentru analize suplimentare. Testele includ determinarea procentului de amiloză prin titrare potențiometrică cu iod și/sau cromatografie de permeabilitate în gel; distribuția greutății moleculare cu ajutorul cromatografiei de permeabilitate în gel; și lungimea lanțului de ramificație a amilopectinei calculată din valoarea de reducere determinată prin chimie umedă, sau cu ajutorul cromatografiei de permeabilitate în gel.

Dacă este disponibilă o cantitate suficientă de amidon, se efectuează, de asemenea, teste funcționale, cum ar fi cele de vâscozitate și rezistență a gelului.

“Un alt lucru pe care îl facem adesea este măsurarea dimensiunii granulelor prin microscopie electronică”, spune White. “S-a demonstrat că amidonul cu granule mici este bun pentru o senzație fină în gură, care este o proprietate utilă pentru înlocuitorii de grăsimi pentru a evita textura granulată.”

În cele din urmă, se face legătura între proprietățile funcționale dorite și structura amidonului. Apoi, geneticienii de plante preiau controlul și încearcă să reproducă calitățile dorite într-un soi care poate fi cultivat.

Extinderea înțelegerii funcționalității amidonului nativ este utilă atât pentru designerii de produse, cât și pentru creatorii de noi ingrediente din amidon. Uneori, însă, se pare că fiecare pas în călătoria spre această înțelegere nu face decât să adauge distanță la drum. Cu toate acestea, aceste eforturi trebuie să continue, deoarece – deși călătoria s-ar putea să nu se termine niciodată – fiecare pas mai aproape aduce noi progrese care ajută la îmbunătățirea produselor alimentare.

Înapoi sus