АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Вопрос 2. Крахмал. Гидролиз крахмала (кислотный и ферментативный). Технология производства крахмала. Модифицированные крахмала и их применение

Крахмал – это главный резервный полисахарид растений, являющийся наиболее важным углеводным компонентом пищевого рациона. Запасается крахмал в семенах хлебных злаков, клубнях, корневищах в виде крахмальных зерен, которые в зависимости от вида растения имеют различную форму (сферическая, яйцевидная, чечевицеобразная или неправильная) и размер (1 до 150 мкм, в среднем 30-50 мкм).

Крахмальные зерна различных видов растений:

А - картофель; Б - пшеница; В - овес; Г - рис; Д - кукуруза; Е - гречиха.

1 - простое крахмальное зерно, 2 - сложное, 3 - полусложное.

Крахмал имеет сложное строение и состоит из двух гомополисахаридов: растворимой в воде амилозы и нерастворимого амилопектина. Их соотношение в крахмале может различаться в зависимости от растения и типа ткани, из которой он был выделен (амилоза 13-30%; амилопектина 70-85%).

Амилоза состоит из неразветвленных (линейных) цепей, включающих 200-300 остатков глюкозы, связанных α(1→4) гликозидной связью. Благодаря α-конфигурации при С-1, цепи образуют спираль диаметром 13 нм, в которой на один виток приходится 6-8 остатков глюкозы. Молекулярная масса составляет 50000Да.

Амилопектин имеет разветвленную структуру, у которой в среднем один из 20-25 остатков глюкозы содержит боковую цепь, присоединенную α(1→6) гликозидной связью. При этом формируется древовидная структура. Молекулярная масса составляет достигает 1-6 млн. Да.

Гидролиз крахмала присутствует во многих пищевых технологиях как один из необходимых процессов, обеспечивающих качество конечного продукта. Например:

- в хлебопечении – процесс тестоприготовления и выпечки хлеба;

- в производстве пива – получение пивного сусла и сушка солода;

- в производство кваса;

- в производстве спирта – подготовка сырья для брожения;

- в получении различных сахаристых крахмалопродуктов – глюкозы, патоки, сахарных сиропов.

Существует два метода гидролиза крахмала:

- кислотный – под действием минеральных кислот;

- ферментативный - под действием ферментных препаратов.

При гидролизе крахмала под действием кислот сначала имеет место ослабление и разрыв ассоциативных связей между макромолекулами амилозы и амилопектина. Это сопровождается нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомогенной массы. Далее идет разрыв α(1→4) и α(1→6)-гликозидных связей с присоединением по месту разрыва молекулы воды. В процессе гидролиза нарастает число свободных альдегидных групп, уменьшается степень полимеризации. На промежуточных стадиях образуются декстрины, три и тетрасахара, мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза. Кислотный гидролиз имеет ряд существенных недостатков, обуславливаемых использованием высоких концентраций кислот и высокой температуры (свыше 100 °С), что приводить к образованию продуктов термической деградации и дегидратации углеводов, реакциям трансгликозилирования и реверсии.

По сравнению с кислотным гидролизом ферментативный гидролиз является более перспективным и имеет следующие преимущества:

1) Высокое качество изготовляемого продукта, т.к. образуется меньше побочных продуктов;

2) Специфичность действия ферментов позволяет получить продукт с заданными физическими свойствами (например сладостью);

3) Достигается высокий выход продукта с меньшими экономическими затратами.

Ферментативный гидролиз крахмала осуществляется с помощью амилолитических ферментов. К этой группе относятся α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза, пуллуланаза и некоторые другие ферменты. Каждый из них имеет свои специфические особенности.

α-амилаза – эндофермент, гидролизующий α (1-4)-гликозидные связи внутри молекулы амилозы или амилопектина, в результате образуются декстрины – продукты неполного гидролиза крахмала и малое количество глюкозы и мальтозы:

α-амилаза найдена у животных (слюна и поджелудочная железа), у высших растений (проросшие семена ячменя, пшеницы, ржи, проса) и у микроорганизмов (грибов рода Aspergillus, Rhizopus, бактерий рода Bacillus subtilis).

β-амилаза – экзофермент, гидролизует α (1-4)-гликозидные связи с нередуцирующих концов молекулы амилозы, амилопектина с образованием мальтозы (54-58%), т.е. проявляет выраженную осахаривающую активность. Другим продуктом реакции является β-декстрин (42-46%). Данный фермент распространен в тканях высших растений.

Глюкоамилаза является экзоферментом, действуя с нередуцирующих концов молекулы амилозы и амилопектина, отщепляет молекулы глюкозы гидролизуя α (1-4)- и α (1-6)-гликозидные связи. Данный фермент наиболее часто встречается у микромицетов рода Aspergillus, Rhizopus.

Механизм действия различных типов амилаз на крахмал:

Технология получения крахмала.

Сырьем для промышленного получения крахмала служат картофель, зерна кукурузы, пшеницы, риса, сорго. Расмотрим технологию производства картофельного крахмала. Она включает следующие стадии:

- мойка картофеля от грязи и посторонних включений на картофелемойке;

- взвешивание;

- тонкое измельчение картофеля на скоростных картофелетерках с получением картофельной кашки (чем сильнее он будет измельчен, тем полнее будет выход крахмала из клеток, но при этом важно не повредить сами зерна крахмала);

-обработка картофельной кашки диоксидом серы или сернистой кислотой (для повышения качества крахмала, его белизны и предупреждения развития микроорганизмов);

- разделение кашки с использованием центрифуг или системы гидроциклонов;

- рафинирование крахмального молока – очистка крахмала от мезги на рафинировальном сите;

- промывка крахмала в гидроциклоне.

Гидроциклон

В результате получают сырой крахмал с содержанием влаги 40-52%. Он не подлежит длительному хранению в отличие от сухого получение которого состоит из следующих операций: механическое удаление избыточной влаги, сушка, прессование и упаковывание.

При производства целого ряда продуктов эффективно использование модифицированных крахмалов:

- Набухающий (предварительно клейстеризованный) крахмал получают высушиванием клейстера на специальных сушилках с последующим измельчением пленки в порошок, частицы которого набухают при смачивании водой и увеличиваются в объеме. Набухающий крахмал используют в пищевой промышленности (продукты быстрого приготовления, стабилизаторы и загустители в пищевых продуктах без нагревания).

- Окисленный крахмал получают путем окисления крахмала различными окислителями (KMnO₄, KBrO₃ и др.). В зависимости от способа окисления продукция имеет различную вязкость и желирующую способность. Их применяют в бумажной промышленности для повышения прочности бумаги в качестве дубильного вещества, а при низкой степени окисления (до 2 %) в пищевой промышленности. Так один из видов окисленного крахмала - желирующий применяют в качестве желирующего средства взамен агара и агароида при производстве мармеладных изделий.

- Замещенные крахмалы: