Свойства крахмальных полисахаридов — Клейстеризация крахмала

Свойства крахмальных полисахаридов

Оксигруппы полисахаридов определяют их гидратацию с образованием водородных связей с молекулами воды, ее моно- и полиадсорбцию и соот­ветственно растворимость полисахаридов, которая одновременно зависит от молекулярной массы полисахарида и температуры.

Нативный крахмал в холодной воде практически нерастворим, образует суспензию. Однако он гидрофилен и может поглощать за счет адсорбции, до 30% влаги к его массе.

Низкомолекулярная (легкая) амилоза (до 70 глюкозных остатков) способна растворяться в холодной воде, более тяжелая – в горячей, самая тяжелая – только в щелочах. Растворимость у амилозы низкая (до 1%), растворы неустойчивые.  Через некоторое время после растворения цепочки амилозы собираются одна возле другой, и посредством водородных связей по месту свободных гидроксильных групп образуют комплексы. Последние выпадают в осадок, который в воде нерастворим (ретроградация).

Амилопектин в холодной воде нерастворим, а в горячей образует структурированные системы, свойства которых зависят от вида крахмала. Система с амилопектином из крахмала картофеля, батата, маниока (клуб­невых) или каштана имеет достаточную прозрачность и хорошо выраженные упругие свойства. Система с амилопектином из зерновых (пшеницы, риса, кукурузы) отличается развитыми пластическими свойствами (система мажется), кроме того, она не прозрачна и имеет молочно-белую окраску.

Поскольку свойства амилопектина того или иного вида крахмала оказывают большое влияние на свойства клейстера, различают группу пшеничного крахмала (пшеница, рис и кукуруза) и группу картофельного крахмала (картофель, каштан и батат). Крахмалы бобовых и гречихи занимают промежуточное положение, но ближе к картофельному крахмалу.

Амилоза дает с йодом характерную синюю окраску, амилопектин – красно-фиолетовую. Окраска йод-сахаридного комплекса зависит от степени полимеризации линейных участков в полимере. Заметная окраска появляется при степени полимеризации 20; цепи, состоящие из 30 остатков глюкозы, дают с йодом пурпурное окрашивание и при степени полимеризации свыше 45 – синее.

Изменение крахмала в продуктах происходит при их тепловой обработке. Только в тесте крахмал изменяется при 25-30ºС. При тепловой обработке продуктов крахмал подвергается набуханию и клейстеризации (в водной среде) и даже деструкции (или пирогенетическому расщеплению, или декстринизации) при сухом нагреве.

Набухание и клейстеризация крахмала

Нагревание крахмала в присутствии воды вызывает его клейстеризацию, т.е. разрушение нативной (кристаллической) структуры крахмальных зерен, сопровождаемое набуханием.

Процесс клейстеризации эндотермический и складывается из ряда последовательно протекающих и накладывающихся друг на .друга процессов.

Способность крахмала к набуханию и клейстеризации является одним из важнейших технологических свойств крахмала, т.к. определяет консистенцию, объем и выход изделий из крахмалсодержащего сырья и в свою зависит от условий нагревания (температуры, продолжительности) и соотношения продукт: вода (или крахмал : во да ), а также нативных свойств крахмала.

Нагревание малоконцентрированных суспензий крахмала ( 1%) до температуры около 55°С сопровождается небольшим обратимым поглощением зернами влаги без разрушения их нативной структуры. При дегидратации структура крахмальных зерен восстанавливается до исходного состояния.

При дальнейшем нагревании суспензии до 60 оС  и выше свойства крахмала изменяются необратимо – нативная структура крахмальных зерен нарушается, оптическая анизотропия исчезает. Крахмальное зерно сильно набухает, увеличиваясь в объеме в несколько раз (зерна кукурузного крахмала – на 300%). Диссоциированные молекулы горячей воды проникают внутрь крахмального зерна, разрыхляют упорядоченную структуру крахмальных полисахаридов. В «точке роста» в результате разрыва и ослабления некоторой части водородных связей между цепями крахмальных полисахаридов образуется полость или пузырек. Образование полости называется кавитацией. По мере повышения температуры исчезает и слоистость (частично – при 60°С) а затем – полностью). Но форма зерна сохраняется.

Вода, поступающая внутрь зерен, растворяет некоторое количество полисахаридов. Часть из них (амилоза) переходят из зерен в окружающую среду. Подобное изменение структуры крахмальных зерен часто определяют как первую стадию процесса клейстеризации, а температуру, при которой оно наблюдается, как температуру клейстеризации (либо как интервал температур, либо как среднюю температуру клейстеризации).

Вследствие прошедшей клейстеризации суспензия превращается в клейстер – дисперсию, состоящую из набухших крахмальных зерен и растворенных в воде полисахаридов (амилоза). Значительно возрастает вязкость системы.

Процесс этот идет в интервале температур от 55 до 30°С. Последующее наг­ревание системы (клейстера) влечет за собой более глубокое изменение нативной структуры зерен. Слоистое строение исчезает, объем резко увеличивается (до 1000%), что является следствием разрыва связей между макромолекулами полисахаридов и их гидратации. Часть полисахаридов растворяется и остается в подсети крахмального зерна, а часть (гл. образом амилоза) – диффундирует в окружающую среду. Вязкость клейстера значительно возрастает. Часто эту стадию клейстеризации крахмала опре­деляют как вторую. Такое определение очень условно.

Нагревание клейстера картофельного крахмала до 95-98оС сопро­вождается разрушением набухших зерен и переходом содержимого в окружающую среду. Процесс идет тем интенсивнее, чем выше температура и длительнее нагрев. Считается, что вязкость клейстеров при нагревании объясняется не набуханием зерен крахмала, а свойствами извлекаемой из них водорастворимой фракции, образующей в растворе трехмерную сетку и удерживающую больше влаги, чем набухшие крахмальные зерна.

Как было отмечено выше, консистенция готового кулинарного изделия из крахмалсодержащего сырья зависит от соотношения крахмал : вода. Крахмал в виде клейстера находится в таких кулинарных изделиях как кисели жидкие и средней консистенции, соусы, супы-пюре, концентрация крахмала в которых составляет 2-5%. Во всех других кулинарных изделиях крахмал и вода находятся в соотношении от 1:2 до 1:5, поэтому крахмал образует гелеподобные или студнеобразные системы значительной вязкости. Это наблюдается при варке картофеля, круп, бобовых и макаронных изделий. Объясняется это тем, что крахмальные зерна набухают внутри клетки, поглощая сравнительно небольшое количество воды по отношению к своей массе. Так в картофеле 3-4-х кратное количество воды, поэтому набухать неограниченно крахмальные зерна не могут. Внутри клетки крахмальные зерна тесно соприкасаются друг с другом, накладываются друг на друга, а полисахариды, извлеченные из зерна водой, скрепляют систему и она приобретает определенную прочность. При охлаждении прочность системы возрастает.

В изделиях из теста крахмал еще менее обводнен, соотношение крахмал : вода составляет 1:0,7 или 1:0,8. Недостаточное количество влаги позволяет крахмальным зернам при повышении температуры сохранять свою форму и структуру, т.е. речь идет об ограниченном набухании крахмальных полисахаридов.

Однако вязкость клейстеров и стабильность системы зависит не только от концентрация крахмала, но и от наличия сопутствующих веществ.

Факторы, оказывающие влияние  на процесс клейстеризации крахмалов

а) Поваренная соль, даже в малых концентрациях, повышает темпера­туру клейстеризации и уменьшает набухаемость крахмальных зерен, следствием чего является понижение вязкости клейстера. Видимо, это связано с разрывом водородных связей – падает молекулярная масса, увеличивается растворимость.

б) Сахар в концентрации до 20% увеличивает вязкость клейстера (идет дегидратация и взаимодействие).

в) Подкисление системы снижает вязкость клейстера. При рН 7-4 незначительно, а далее, особенно при рН 2,5, резко (гидролиз).

г) Поверхностноактивные вещества, в частности глицериды, снижают вязкость клейстера, но одновременно являются их стабилизаторами. Моноглицериды снижают липкость макаронных изделий, предупреждают образование студня в супах и соусах, задерживают черствение хлеба.

д) Белки стабилизируют крахмальный клейстер подобно сахару. Белые соусы значительно стабильнее, чем соответствующие клейстеры.

е) Длительное кипячение приводит к снижению вязкости клейстера (гидролиз полисахаридов).

Ретроградация крахмальных полисахаридов, или старение крахмального клейстера

Ретроград – идущий назад.

В процессе клейстеризации вследствие растворения крахмальных полисахаридов в крахмалосодержащих продуктах и изделиях увеличивается содержание водорастворимых веществ. Количество их зависит от природы крахмала и влажности изделия. Так при варке пшена количество водорастворимых веществ увеличивается в три раза, а при варке риса – в десять. Чем выше влажность, тем выше увеличивается содержание водорастворимых веществ (сильнее расшатывается структура).

Ретроградация – это типичная форма перехода растворенных крахмальных полисахаридов в нерастворимую форму в результате их агрегации при охлаждении и хранении продукции.

В кулинарных изделиях ретроградация вызывает ухудшение их качества. Крахмальный гель теряет эластичность, становится более плотным, жестким; происходит отделение влаги. В хлебобулочных изделиях это приводит к черствлению, в кашах и киселях – к расслоению системы с выделением влаги.

Объяснить ретроградацию можно неустойчивостью крахмальных полисахаридов в растворе, особенно амилозы. Если ретроградация идет без видимого образования осадка, то считается, что амилоза посредством водородных связей соединяется с амилопектином. Такой процесс обратим. Если же процесс идет как самоагрегация амилозы, то образуются нерастворимые комплексы.

Ретроградация амилозы протекает в несколько стадий: в начале произвольно скрученные спирали амилозных цепей вытягиваются, пос­ле этого они теряют гидратную оболочку и располагаются (ориентируются) одна подле другой. Между гидроксильными группами, расположенными на близком расстоянии, возникают водородные связи, энергия которых покрывает расход энергии на две предыдущие стадии. Связывание таким образом большого числа молекул приводит к опалесценции раствора, а затем к образованию видимых хлопьев.

В крахмальном клейстере ретроградации подвергается, в основном, амилоза. Глубина процесса зависит от температуры, кон­центрации, наличия добавок, природы крахмала, времени.

Амилопектин ретроградирует медленнее и в меньшей степени, чем амилоза, т.к. структура полисахарида, видимо, этому процессу не благоприятствует.

а) Повышенные температуры сдерживают процесс ретроградации (поэ­тому изделия следует хранить на мармите. Кроме того, процесс по этой причине обратим. И глубина его возрастает при заморажива­нии и дефростации и новому замораживанию.

б) Концентрация способствует ретроградации (но видимо до определенной величины, также как и молекулярная масса).

в) Добавки рассмотрены выше, а дополнительный материал сложен. В целом, чем выше вязкость, тем  сильнее ретроградация.

г) Природа – чем больше амилозы, тем сильнее ретроградация; крахмал пшена быстрее, чем крахмалы других крупяных культур.

д) Время способствует ретроградации

В процессе ретроградации снижается количество растворимых веществ и снижается водоудерживающая способность системы, как видимо за счет, связанной (по месту возникающих водородных связей) так и свободной воды, т.к. структура грубеет.

Амилопектин используют для получения долго не черствеющих или подлежащих замораживанию изделий и блюд.

Ретроградация амилозы приводит к уменьшению количества водорастворимых веществ в крахмалосодержащих кулинарных изделиях.

Ретроградация в крахмалосодержащих кулинарных изделиях зависит от влажности последних. Например, в жидких кашах крахмал ретроградирует быстрее, чем в рассыпчатых.

Ретроградация идет практически следом за клейстеризацией и начинается при температуре 80-70 ˚С. Так, в пшенной каше содержание водорастворимых веществ уменьшается даже, если ее хранят при температуре 80 ˚С. Ретроградация усиливается, если хранить изделия при комнатной температуре. Наиболее интенсивно ретроградация идет в первые два часа после момента изготовления, особенно в пшенной и гречневой кашах. В дальнейшем процесс замедляется.

В какой-то мере процесс ретроградации обратим. Если после суточного хранения кашу и отварную вермишель нагреть до 95 ˚С, то количество водорастворимых веществ увеличивается. При этом в гречневой каше и отварной вермишели содержание водорастворимых веществ восстанавливается полностью, а в пшенной каше – на 50%.

Очень интенсивно процесс ретроградации происходит, если изделия хранят при отрицательной температуре. Замораживание приводит к образованию комплексов, которые даже при кипячении не растворяются.

Поэтому для получения долго не черствеющих или подлежащих замораживанию изделий и блюд используют амилопектин или модифицированные амилопектиновые крахмалы.

 

 

Ссылка на основную публикацию