Förståelse för stärkelsens funktionalitet
Januari 1996 — Omslagsartikel

Av: Scott Hegenbart
Redaktör*

*(april 1991 – juli 1996)

Majsstärkelse är den främsta stärkelseingrediensen som används av amerikanska livsmedelsföretag. Men stärkelse från olika källor, och även de som utvinns från mindre vanliga majssorter, erbjuder en rad funktionella egenskaper även före modifiering. Att utforska den unika funktionaliteten hos olika inhemska stärkelser innebär flera potentiella fördelar.

Ett utökat utbud av funktionalitet

Många stärkelser har egenskaper som inte är så lätta att kopiera genom att modifiera en annan stärkelse.Dessutom är det till och med önskvärt att börja med ett råmaterial som ligger närmare de önskade funktionella egenskaperna vid modifiering. Mindre omfattande modifiering innebär…

Reducerad kostnad

Designers kräver ständigt att texturingredienser ska vara mer högfunktionella, men kostnadsbegränsningarna är fortfarande hårda. I många fall är det så att ju mindre bearbetning en stärkelse får, desto mer kostnadseffektiv är den. Det finns redan högfunktionell naturlig majsstärkelse som härrör från särskilt utvecklade majshybrider på marknaden. Dessa kan ge bättre ekonomi på två sätt.

“Du får en stärkelse som inte behöver genomgå modifieringar, vilket sparar kostnader”, säger Ibrahim Abbas, Ph.D., chef för produktutveckling, American Maize-Products Co., Hammond, IN. “När dessa modifieras är hybriderna i vissa fall mer reaktiva mot kemikalier; därför kan vi använda mindre. Det är effektivare och man kan spara pengar.”

Märkning

Men även om detta inte har visat sig vara det stora problem som man en gång trodde att det skulle vara, måste modifierad stärkelse fortfarande ha E-nummer i Europa. En mer funktionell inhemsk stärkelse kommer inte att bära E-nummer och kommer att verka mer naturlig för europeiska konsumenter – ett problem på den ständigt växande globala marknaden.

Relaterad struktur och funktion

Kemiskt sett är stärkelse polysackarider som består av upprepade glukosenheter. Stärkemolekyler har en av två molekylära strukturer: en linjär struktur, känd som amylos, och en grenad struktur, känd som amylopektin. Amylose och amylopektin förenas genom vätebindning och arrangerar sig radiellt i lager för att bilda korn. Stärkelse från olika källor skiljer sig från varandra på följande sätt – vart och ett av dem kan påverka prestandan:

Granulernas storlek och form

Stärkekorn finns i många olika storlekar, från 3 mikrometer till över 100 mikrometer. För vissa stärkelser är granulstorleken polymodal, vilket innebär att granulerna kan grupperas i mer än ett storleksintervall. Vetestärkelse har till exempel en fördelning av både stora och små korn. Granulernas form kan också vara varierande. Granulformerna omfattar symmetriska sfärer, asymmetriska sfärer, symmetriska skivor och asymmetriska skivor. Vissa granuler uppvisar sin form jämnt, medan andra är polyedrar med en facetterad yta.

Förhållande mellan amylos och amylopektin

Alla stärkelser består av varierande proportioner av amylos och amylopektin. Detta förhållande varierar inte bara mellan de olika typerna av stärkelse, utan även mellan de många växtsorter som finns inom en typ. Vaxig stärkelse är sådan som inte innehåller mer än 10 % amylopektin.

Strukturen hos amylos- och amylopektinmolekylerna

Längden på amylosemolekylerna i en stärkelse – känd som polymeriseringsgrad – kan variera enormt. I amylopektin är längden och antalet grenar på molekylen lika varierande.

“Längden på amylosemolekylen varierar med typ och sort”, säger Daniel Putnam, senior applikationsforskare, Grain Processing Corp, Muscatine, IA. “Jag har sett 200 till 2 000 som polymeriseringsgrad inom en stärkelsetyp.”

Det finns även andra variationer för stärkelse

Dessa kan inte bildas i en enda kategori eftersom de kan vara unika för en viss stärkelse. I allmänhet består dock de flesta sådana variationer av förekomsten av icke-stärkelsekomponenter i granulatet.

De oräkneliga varianterna av de många stärkelsetyperna skulle omöjligen kunna täckas heltäckande i en enda artikel. Följaktligen kommer detta inslag att diskutera några allmänna trender bland de viktigaste typerna av stärkelse som används i livsmedelsindustrin.

Majsstärkelse

Fyra klasser av majsstärkelse finns. Vanlig majsstärkelse har 25 % amylos, medan vaxmajs nästan helt består av amylopektin. De två återstående majsstärkelserna är majsstärkelser med hög amylositet; den ena har 55-55 % amylositet, medan den andra har 70-75 %.

Jay-lin Jane, Ph.D., professor vid institutionen för livsmedelsvetenskap och människonäring vid Iowa State University i Ames, har undersökt granulernas storlek och form hos många typer av stärkelse som en del av sin pågående forskning. Med hjälp av svepelektronmikroskopi har Jane och hennes forskargrupp funnit att vanlig majsstärkelse har oregelbundna polyederformade korn. Deras storlek varierar mellan 5 mikrometer och 20 mikrometer.

Vaxig majsstärkelse har också oregelbundet formade korn som har en liknande storleksfördelning som de i vanlig majs. De enskilda ytorna är dock inte lika tydliga. Stärkelse med hög amylosehalt har också en oregelbunden form, men tenderar att vara slät. Vissa av dessa är till och med stavformade. Stärkelse med hög amylos har ett smalare storleksintervall: 5 till 15 mikrometer, eller till och med 10 till 15 mikrometer, beroende på sort.

Potatis

Potatistärkelse har cirka 20 % amylos. Liksom de från många knölar är potatisstärkelsegranuler stora med en slät rund oval form. Av den stärkelse som vanligen används i livsmedel är potatisstärkelse den största; dess kornstorlek varierar mellan 15 och 75 mikrometer.

Ris

Vanlig risstärkelse har ett förhållande amylos och amylopektin på cirka 20:80, medan vaxartad risstärkelse endast har cirka 2 % amylos. Båda sorterna har små kornstorlekar på mellan 3 och 8 mikrometer. Enligt Jane är dessa oregelbundet formade polygoner där det vaxade riset uppvisar vissa sammansatta korn.

Tapioca

Tapiocastärkelse har 15 till 18 % amylos. Tapiokakornen är släta, oregelbundna sfärer med en storlek på mellan 5 och 25 mikrometer.

Vete

Vetestärkelse har en amyloshalt på cirka 25 %. Dess korn är relativt tjocka på 5 till 15 mikrometer med en slät, rund form med en diameter på 22 till 36 mikrometer. Vetestärkelse är bimodal i och med att den också har en grupp av stärkelsegranuler av olika storlek. I det här fallet är dessa andra korn mycket små, med en diameter på endast 2 till 3 mikrometer.

Staplacering av stärkelserivalerna

Med en uppfattning om hur stärkelser skiljer sig åt bör en diskussion om hur samma stärkelse presterar lätt avslöja hur de olika delarna av stärkelsestrukturen påverkar prestandan, eller hur? Långt därifrån. Stärkekemister är överens om att stärkelsens struktur och sammansättning påverkar prestandan. Ett direkt samband är dock inte alltid uppenbart, och förändringar i en enskild egenskap leder inte nödvändigtvis till riktlinjer.

Nedan följer en genomgång av vad som för närvarande är känt om hur struktur och sammansättning påverkar prestandan. Tänk på att denna diskussion kan generera fler frågor än den besvarar. Men först kommer här en kort genomgång av vad som händer under gelatinering av stärkelse:

När stärkelse sprids i vatten och värms upp, tränger vattnet in i stärkelsegranulatet från utsidan och inåt tills granulatet är helt hydratiserat. När den väl är hydratiserad upprätthåller vätebindningen mellan amylos och amylopektin granulens integritet och den börjar svälla från hilum (mitten). När de väl har gelatiniserats kan de svullna granulerna öka dispersionens viskositet och/eller associeras för att bilda geler och filmer.

Granulstorlek och struktur

Enligt många källor tycks granulstorleken i sig inte ha någon stark effekt på stärkelsens prestanda. Den tros dock vara en bidragande faktor till hur snabbt en stärkelse gelatiniseras och dess gelatiniseringstemperatur. Risstärkelse och tapiokastärkelse, till exempel, har båda en amyloshalt i samma storleksordning, men tapiokastärkekorn är mycket större och sväller därför lättare.

“Ju större korn, desto mindre molekylär bindning har vi, så de sväller snabbare”, säger Paul Smith, ordförande för Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Men de bryts också ner snabbare.”

Stora stärkelsegranuler tenderar att bygga upp en högre viskositet, men viskositeten är känslig eftersom granulernas fysiska storlek gör dem mer känsliga för skjuvning. Trots sådana skillnader innebär den mer kompakta strukturen hos en mindre molekyl inte alltid en betydande skillnad i gelatinering. Vetestärkelse har till exempel en bimodal fördelning av både små och stora korn. Förutom storleken har dessa korn praktiskt taget samma sammansättning av amylos och amylopektin och så vidare. Gelatiniseringsegenskaperna hos de stora och små granulerna uppvisar dock inga betydande prestandaskillnader.

“Ett test visade att de små granulerna har en 3° högre gelatiniseringstemperatur än de stora, men att starttemperaturerna var likartade”, säger Abbas. “Jag skulle säga att i vetestärkelse är (granulstorlek) inte en viktig faktor.”

Amylose:amylopektin-förhållande

Vaxig majsstärkelse och vanlig majsstärkelse har båda samma granulstorlek, men vaxig majsstärkelse sväller i högre grad och gelatiniserar vid olika temperaturer. Detta beror till stor del på deras olika sammansättning av amylos och amylopektin.

“Amylose-molekylerna, på grund av sin linjäritet, ställer sig lättare på rad och har en mer omfattande vätebindning”, säger Abbas. “Följaktligen krävs det mer energi för att bryta dessa bindningar och gelatinera stärkelsen.”

Generellt sett är gelatineringstemperaturen högre ju högre amylosemängden är. Detta är mest påtagligt för de två majsstärkelser med hög amylos som kräver så höga temperaturer för gelatinering att de måste kokas under tryck. Förhållandet mellan amylos och amylopektin avgör också vilken typ av konsistens den gelatiniserade stärkelsen kommer att bygga upp.

“Generellt sett ger amylos dig geléstyrka och amylopektin ger dig hög viskositet”, säger Abbas. “Så stärkelse med hög amylos ger geleringsegenskaper och vaxstärkelse ger hög viskositet.”

Amyloses linjära struktur bidrar också till geleringsstyrkan. I lösning kan de linjära amylosemolekylerna lättare anpassa sig till varandra och associeras genom vätebindning för att bilda geler. De grenade amylopektinmolekylerna kan inte anpassa sig lika lätt och ger därför svagare vätebindning och gelstyrka.

Viskositeten är å andra sidan enbart en funktion av molekylvikten. Den grenade strukturen hos amylopektin med alla dess anslutna kedjor ger en mycket större molekyl än amylos. Följaktligen är amylopektin bättre på att bygga upp viskositet än amylos.

Så om en produktdesigner vill ha geleringsegenskaper bör en stärkelse med hög amylosegrad väljas, medan en stärkelse med hög amylopektinegrad (vaxartad) skulle vara valet om viskositet behövs, eller hur? Inte riktigt. Ren gelstyrka och viskositet är ofta användbara, men det är inte alltid vad produktdesignerna behöver. En stärkelse med för hög amylosegrad kan göra en pudding för fast. En stärkelse med för hög halt av amylopektin kan skapa rätt viskositet i en diet shake, men den kan verka trådig och “slemmig” när den konsumeras. Följaktligen bestämmer förhållandet mellan amylos och amylopektin inte bara den grundläggande konsistensen utan även konsistensens karaktär.

Användning av stärkelse i extruderade produkter illustrerar hur känsligt det kan vara att balansera detta förhållande. Precis som vid gelbildning är filmbildning en funktion av föreningen av linjära amylosemolekyler. Ju högre amylosegrad, desto bättre filmbildande egenskaper. I ett extruderat mellanmål är filmbildande egenskaper önskvärda för att få en krispig konsistens i den färdiga produkten. Men knaprighet i sig själv är inte avgörande för ett mellanmål.

“Den tätt bundna amylosepolymeren påverkar knaprigheten”, säger Jim Zallie, direktör för livsmedelsteknik, National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ, USA, och fortsätter: “Det är inte bara en fråga om att vara knaprig, “Men det är ett material med lägre molekylvikt som inte kan fånga in den luft som kommer från vattnet som omvandlas till ånga under ventileringen.”

Användning av en stärkelse med ökande halter av amylopektin ökar följaktligen expansionen på bekostnad av krispigheten. Därför måste förhållandet mellan amylos och amylopektin väljas noggrant. I vissa fall kräver produktens texturkrav att man kombinerar stärkelse från olika källor.

“Vissa använder kombinationer av olika basstärkelser för att få antingen en kortare eller längre textur”, säger Mike Augustine, chef för livsmedelsingredienstillämpningar, A.E. Staley Manufacturing Co. i Decatur, IL. “Vi har tittat på att sätta ihop blandningar för att få en viss konsistens eller kvalitet på den färdiga produkten.”

Förutom att skapa konsistens används stärkelse för att bidra till stabiliteten i livsmedelsprodukter. Detta sker ofta i form av att de håller kvar vatten. Som tidigare nämnts tenderar gelatiniserade stärkelsemolekyler att återförenas med varandra. Denna reassociation tvingar ut vattnet ur molekylen, vilket gör att stärkelsen omkristalliseras. En stärkelses tendens att återkristallisera, eller retrograd, på detta sätt avgör dess lämplighet för långsiktig stabilitet.

“Det grenade amylopektinet ger steriskt hinder”, säger Putnam. “Det gör att molekylerna inte kan återförenas, så de tenderar inte att retrogradera lika lätt.”

Molekylär struktur för amylos och amylopektin

Längre amylosemolekyler tenderar att göra en produkts konsistens strängare på grund av det sätt som de förenas på. Amylosens molekylvikt påverkar också gelens elasticitet. Längre molekyler tenderar att associera sig starkare och ge starkare, sprödare geler, men det finns en gräns för denna effekt.

“Både tapioka- och potatisstärkelse har amylos, men de ger en sammanhängande massa snarare än en gel som majsstärkelse skulle göra”, säger Peter Trzasko, seniorforskare på National Starch and Chemical Co. “Teorin bakom detta är baserad på molekylvikten. Potatisen och tapioka har en molekylvikt som är så mycket högre än majsens att det faktiskt gör det svårare för molekylerna att förena sig.”

Molekylvikten ger inte alltid ett direkt samband med prestanda. År 1992 rapporterade Jane från Iowa State om forskning om effekten av amylosens molekylstorlek och amylopektins grenkedjelängd på stärkelsens klistringsegenskaper. Jane fann att amylopektinmolekyler med längre grenar inte bara tenderade att gelera, utan att gelstyrkan ökade med grenlängden. Viskositeten hos amyloser av olika längd korrelerade dock inte lika bra. Faktum är att den bästa viskositeten uppnåddes med den mellanlånga amylosan, medan de största och minsta amylosmolekylerna båda gav lika låga viskositeter.

En tydligare koppling kan göras mellan molekylstorlek och stabilitet. En längre amylosemolekyl kommer till en viss punkt att ha större gelstyrka på grund av dess ökade förmåga att associera genom vätebindning. Denna ökade förmåga att associera ökar molekylens tendens till retrograditet. Mindre amylosemolekyler uppvisar en svagare association och är därför mer motståndskraftiga mot retrogradation. Nya uppgifter tyder på att amylopektinmolekyler med längre grenar också är mer mottagliga för retrogradation. Detta är ett särskilt bekymmer för forskare som försöker förlänga amylosemolekyler genom korsning.

“När man sätter in en gen för att förlänga amylosemolekylerna förlänger man också amylopektinets förgreningar”, säger Pamela J. White, Ph.D., tillförordnad chef för institutionen för livsmedelsvetenskap och människonäring vid Iowa State University.

Fosfor

Stärkelse innehåller fosfor i en eller annan form. Fosforens beskaffenhet påverkar stärkelsens prestanda. I de flesta spannmålsstärkelser finns fosforn huvudsakligen i form av lysofosfolipider, som tenderar att bilda komplex med stärkelsens amylos och minska dess vattenbindande förmåga. Dessa komplex bidrar också till stärkelsepastans opacitet.

Fosforn i knölstärkelse, t.ex. potatis, finns i form av fosfatmonoestrar som förekommer på stärkelsemolekylen som negativt laddade grupper. Den joniska avstötning som genereras av dessa grupper försvagar föreningen mellan molekylerna och ökar vattenbindningsförmågan, svällningsförmågan och pastans klarhet.

Undraveling the mysteries

En förståelse för den naturliga stärkelsens funktionalitet gör inte bara produktdesignerns arbete effektivare, utan är en viktig länk för att utöka stärkelsens funktionalitet genom modifiering. Detta gäller oavsett om stärkelsen modifieras genom kemiska/enzymatiska metoder, konventionell förädling eller bioteknik.

Som tidigare nämnts genererar studiet av förhållandet mellan stärkelsestruktur och funktion fler frågor än det ger svar. Därför har forskare som arbetar inom detta område mycket att göra för att hålla dem sysselsatta. Iowa State University är en plats där det pågår studier av stärkelse.

Sedan 1987 har ISU-forskarna White och Jane sökt efter stärkelse med unika funktionella egenskaper som kan användas vid utvecklingen av nya majshybrider. Tillsammans med dem arbetar Linda Pollak, Ph.D., en forskningsgenetiker från US Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service som arbetar med ISU:s avdelning för agronomi.

Med hjälp av Pollaks tillgång till det nordamerikanska biblioteket med muterade genotyper av majs har teamet screenat de exotiska typerna av majs för att fastställa arten av variationerna i de funktionella egenskaperna.

“Det är svårt och tidskrävande att göra en direkt strukturell studie”, säger White. “Så vårt tillvägagångssätt har varit att börja med en snabb screening av stärkelsen genom att extrahera den i labbet med så lite som en kärna.”

Denna inledande screening görs med hjälp av differentiell skanningskalorimetri (DSC). Ett prov av stärkelsen klistras in och skannas sedan på DSC. Efter att ha lagrat det klistrade provet i sju dagar vid 4 °C (den optimala temperaturen för retrogradation av stärkelse) skannas provet på nytt.

“Den skanning vi får på ett färskt och lagrat prov talar om för oss om stärkelsen kan ha unika funktionella egenskaper”, säger White. “När vi hittar något ovanligt verifierar vi att det verkligen ger oss en annan DSC en annan gång.”

Andra uppgifter som erhålls genom denna DSC-analys är bland annat gelatiniseringstemperaturen och gelatiniseringsintervallet. En låg gelatiniseringstemperatur kan ge energibesparingar i en stor tillverkningsverksamhet. Ett smalt gelatiniseringsområde kommer också att göra produktionen effektivare genom att gelatiniseringen blir snabbare.

“Det är de viktigaste sakerna som vi börjar titta på”, säger White. “När vi ser saker som skiljer sig mycket från normen när de mäts med DSC gör vi sedan en strukturell analys för att fastställa varför de gör det och relaterar strukturen till funktionen.”

Det första steget för att göra detta kräver att man odlar den muterade majsen i större mängder för vidare analys. Testerna omfattar bestämning av den procentuella andelen amylos genom potentiometrisk jodtitrering och/eller gelpermeationskromatografi, molekylviktfördelningen med hjälp av gelpermeationskromatografi och amylopektinets grenkedjelängd beräknad utifrån det reducerande värdet som bestäms genom våtkemi eller med hjälp av gelpermeationskromatografi.

Om en tillräcklig mängd stärkelse finns tillgänglig utförs också funktionella tester, till exempel för viskositet och gelstyrka.

“En annan sak som vi ofta gör är att mäta kornstorleken med hjälp av elektronmikroskopi”, säger White. “Stärkelse med små korn har visat sig vara bra för en jämn munkänsla, vilket är en användbar egenskap för fettsubstitut för att undvika kornig konsistens.”

Till slut görs kopplingen mellan önskade funktionella egenskaper och stärkelsens struktur. Sedan tar växtgenetikerna över och försöker förädla de önskade egenskaperna till en sort som kan odlas.

Att utöka förståelsen av den naturliga stärkelsens funktionalitet är användbart både för produktdesigners och skapare av nya stärkelseingredienser. Ibland verkar det dock som om varje steg på resan mot denna förståelse bara ökar avståndet på vägen. Trots detta måste dessa ansträngningar fortsätta eftersom – även om resan kanske aldrig tar slut – varje steg närmare ger nya framsteg som bidrar till att förbättra livsmedelsprodukter.

Tillbaka till början