Крахмал кукурузный состав: Крахмал кукурузный — калорийность, полезные свойства, польза и вред, описание

Январь 1996 г. — История на обложке

Автор: Скотт Хегенбарт
Редактор*

*(19 апреля91 — июль 1996 г.)

Кукурузный крахмал является основным ингредиентом крахмала, используемым пищевыми компаниями США. Но крахмалы из разных источников, и даже извлеченные из менее распространенных сортов кукурузы, обладают рядом функциональных свойств даже до модификации. Изучение уникальной функциональности различных нативных крахмалов дает несколько потенциальных преимуществ.

Расширенный набор функций

Многие крахмалы обладают свойствами, которые не так просто воспроизвести путем модификации другого крахмала. Кроме того, при модификации желательно начинать с сырья, более близкого к желаемым функциональным свойствам. Менее обширная модификация означает…

Снижение стоимости

Дизайнеры постоянно требуют, чтобы текстурные ингредиенты были более функциональными, однако ограничения по стоимости по-прежнему ужесточаются. Во многих случаях, чем меньше обработки подвергается крахмалу, тем он более рентабелен. Высокофункциональные нативные кукурузные крахмалы, полученные из специально разработанных гибридов кукурузы, уже представлены на рынке. Они могут предложить большую экономию двумя способами.

  «Вы получите крахмал, который не нужно будет модифицировать, что позволит сэкономить средства», — говорит Ибрагим Аббас, доктор философии, менеджер по разработке продукции компании American Maize-Products Co. , Хаммонд, Индиана. «Когда их модифицируют, в некоторых случаях гибриды более реагируют на химические вещества, поэтому мы можем использовать меньше. Это более эффективно, и вы можете сэкономить деньги».

Маркировка

Хотя это не стало большой проблемой, как считалось раньше, модифицированные крахмалы по-прежнему должны иметь номер Е в Европе. Более функциональный нативный крахмал не будет иметь номер Е и будет казаться европейским потребителям более естественным, что является проблемой на постоянно расширяющемся мировом рынке.

Связь структуры и функции

С химической точки зрения крахмалы представляют собой полисахариды, состоящие из повторяющихся звеньев глюкозы. Молекулы крахмала имеют одну из двух молекулярных структур: линейную структуру, известную как амилоза; и разветвленную структуру, известную как амилопектин. Амилоза и амилопектин связываются посредством водородных связей и располагаются радиально слоями, образуя гранулы. Крахмалы из разных источников отличаются друг от друга следующими способами, каждый из которых может влиять на производительность:

Размер и форма гранул

Гранулы крахмала

бывают самых разных размеров: от 3 микрон до более 100 микрон. Для некоторых крахмалов размер гранул является полимодальным, что означает, что гранулы могут быть сгруппированы более чем в одном диапазоне размеров. Пшеничный крахмал, например, имеет распределение как крупных, так и мелких гранул. Форма гранул также может быть разнообразной. Формы гранул включают симметричные сферы, асимметричные сферы, симметричные диски и асимметричные диски. Одни гранулы имеют плавную форму, другие представляют собой многогранники с граненой поверхностью.

Соотношение амилоза:амилопектин

Все крахмалы состоят из различных пропорций амилозы и амилопектина. Это соотношение варьируется не только между различными типами крахмала, но и среди многих разновидностей растений одного вида. Восковидные крахмалы содержат не более 10% амилопектина.

Структура молекул амилозы и амилопектина

Длина молекул амилозы в крахмале, известная как степень его полимеризации, может сильно различаться. В амилопектине длина и количество ветвей молекулы столь же изменчивы.

«Длина молекулы амилозы зависит от типа и сорта», — говорит Дэниел Патнэм, старший научный сотрудник Grain Processing Corp., Маскатин, Айова. «Я видел от 200 до 2000 как степень полимеризации в крахмале».

Для крахмала также существуют другие варианты

Их нельзя объединить в одну категорию, поскольку они могут быть уникальными для одного конкретного крахмала. Однако в целом большинство таких вариаций связано с наличием в гранулах некрахмальных компонентов.

Бесчисленные разновидности многих видов крахмала невозможно всесторонне охватить в одной статье. Следовательно, в этой статье будут рассмотрены некоторые общие тенденции среди основных видов крахмала, используемых в пищевой промышленности.

Кукуруза

Существует четыре класса кукурузного крахмала. Обыкновенный кукурузный крахмал содержит 25% амилозы, в то время как восковая кукуруза почти полностью состоит из амилопектина. Два оставшихся кукурузных крахмала представляют собой кукурузные крахмалы с высоким содержанием амилозы; у одного от 55% до 55% амилозы, а у второго от 70% до 75%.

  Джейлин Джейн, доктор философии, профессор кафедры пищевой науки и питания человека в Университете штата Айова, Эймс, изучает размер и форму гранул многих видов крахмала в рамках своих текущих исследований. С помощью сканирующей электронной микроскопии Джейн и ее исследовательская группа обнаружили, что обычный кукурузный крахмал имеет гранулы неправильной формы многогранника. Их размер колеблется от 5 микрон до 20 микрон.

Крахмал восковидной кукурузы также имеет гранулы неправильной формы, сходные по размеру с гранулами обычной кукурузы. Однако отдельные лица не так различимы. Крахмалы с высоким содержанием амилозы также имеют неправильную форму, но имеют тенденцию быть гладкими. Некоторые из них имеют даже палочковидную форму. Крахмалы с высоким содержанием амилозы имеют более узкий размерный диапазон: от 5 до 15 микрон или даже от 10 до 15 микрон, в зависимости от сорта.

Картофель

Картофельный крахмал содержит около 20% амилозы. Как и во многих клубнях, гранулы картофельного крахмала крупные и имеют гладкую округло-овальную форму. Из крахмалов, обычно используемых в пищу, картофельный крахмал является самым большим; его гранулы имеют размер от 15 до 75 микрон.

Рис

Обыкновенный рисовый крахмал имеет соотношение амилозы: амилопектина примерно 20:80, в то время как восковидный рисовый крахмал содержит только около 2% амилозы. Обе разновидности имеют мелкие гранулы размером от 3 до 8 микрон. По словам Джейн, это многоугольники неправильной формы с восковым рисом, в котором видны сложные гранулы.

Тапиока

Крахмал тапиоки содержит от 15% до 18% амилозы. Гранулы тапиоки представляют собой гладкие, неправильной формы сферы размером от 5 до 25 микрон.

Пшеница

Пшеничный крахмал содержит около 25% амилозы. Его гранулы относительно толстые, от 5 до 15 микрон, имеют гладкую округлую форму диаметром от 22 до 36 микрон. Пшеничный крахмал является бимодальным в том смысле, что он также имеет группу крахмальных зерен разного размера. В этом случае эти другие гранулы очень малы, их диаметр составляет всего 2-3 микрона.

Укладка крахмальных конкурентов

Имея представление о том, чем отличаются крахмалы, обсуждение того, как действуют те же самые крахмалы, должно легко раскрыть, как различные элементы структуры крахмала влияют на производительность, верно? Отнюдь не. Химики-крахмалы сходятся во мнении, что структура и состав крахмала влияют на производительность. Однако прямая корреляция не всегда очевидна, и изменения в одном признаке не обязательно приводят к руководящим принципам.

Далее следует обзор того, что в настоящее время известно о том, как структура и состав влияют на производительность. Имейте в виду, что это обсуждение может породить больше вопросов, чем ответов. Но сначала краткий обзор того, что происходит при клейстеризации крахмала:

Когда крахмал диспергируют в воде и нагревают, вода проникает в гранулу крахмала снаружи внутрь до тех пор, пока гранула полностью не гидратируется. После гидратации водородные связи между амилозой и амилопектином поддерживают целостность гранулы, и она начинает набухать от ворот (в центре). После клейстеризации набухшие гранулы могут повышать вязкость дисперсии и/или связываться с образованием гелей и пленок.

Размер и структура гранул

Согласно многим источникам, размер гранул сам по себе не оказывает сильного влияния на эффективность крахмала. Однако считается, что это фактор, влияющий на скорость клейстеризации крахмала и температуру его клейстеризации. Рисовый крахмал и крахмал тапиоки, например, имеют содержание амилозы в одном и том же диапазоне, но гранулы крахмала тапиоки намного больше и, как следствие, легче набухают.

«Чем крупнее гранулы, тем меньше молекулярных связей у нас есть, поэтому они быстрее набухают», — говорит Пол Смит, президент Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ. «Но они также быстрее ломаются».

Крупные гранулы крахмала, как правило, имеют более высокую вязкость, но вязкость незначительна, поскольку физический размер гранул делает их более чувствительными к сдвигу. Несмотря на такие различия, более компактная структура молекулы меньшего размера не всегда означает значительную разницу в желатинизации. Пшеничный крахмал, например, имеет бимодальное распределение как мелких, так и крупных гранул. За исключением размера, эти гранулы имеют практически одинаковый состав амилозы и амилопектина и так далее. Однако свойства желатинизации больших и малых гранул не показывают существенных различий в производительности.

«Один тест показал, что маленькие гранулы имеют температуру желатинизации на 3° выше, чем большие, но начальные температуры были одинаковыми», — говорит Аббас. «Я бы сказал, что в пшеничном крахмале (размер гранул) не является основным фактором».

Соотношение амилоза:амилопектин

Восковидная кукуруза и крахмал из обычной кукурузы имеют одинаковый размер гранул, но восковидная кукуруза набухает в большей степени, и каждая из них желатинизируется при разных температурах. Во многом это связано с разным составом амилозы: амилопектина.

«Молекулы амилозы из-за их линейности легче выстраиваются в линию и имеют более обширные водородные связи», — говорит Аббас. «Следовательно, требуется больше энергии, чтобы разорвать эти связи и желатинизировать крахмал».

Как правило, чем выше содержание амилозы, тем выше температура желатинизации. Это наиболее заметно для двух видов кукурузного крахмала с высоким содержанием амилозы, для желатинизации которых требуются такие высокие температуры, что их приходится варить под давлением. Соотношение амилозы и амилопектина также определяет вид текстуры, которую будет образовывать желатинизированный крахмал.

«Вообще говоря, амилоза обеспечивает прочность геля, а амилопектин — высокую вязкость», — говорит Аббас. «Таким образом, крахмалы с высоким содержанием амилозы придадут вам гелеобразующие свойства, а воскообразные крахмалы придадут вам высокую вязкость».

Линейная структура амилозы также способствует прочности геля. В растворе линейные молекулы амилозы могут легче выравниваться друг с другом и связываться посредством водородных связей с образованием гелей. Разветвленные молекулы амилопектина не могут так легко выровняться и, таким образом, дают более слабые водородные связи и прочность геля.

Вязкость, с другой стороны, является исключительно функцией молекулярной массы. Разветвленная структура амилопектина со всеми присоединенными к нему цепями дает гораздо большую молекулу, чем амилоза. Следовательно, амилопектин лучше развивает вязкость, чем амилоза.

Итак, если разработчик продукта хочет получить гелеобразующие свойства, следует выбрать крахмал с высоким содержанием амилозы, а крахмал с высоким содержанием амилопектина (воскообразный) будет выбором, если необходима вязкость, верно? Не совсем. Чистая прочность и вязкость геля часто бывают полезны, но они не всегда нужны разработчикам продуктов. Крахмал со слишком высоким содержанием амилозы может сделать пудинг слишком твердым. Тот, в котором слишком много амилопектина, может создать правильную вязкость диетического коктейля, но при употреблении он может показаться тягучим и «слизистым». Следовательно, соотношение амилозы и амилопектина определяет не только основную текстуру, но и природу этой текстуры.

Использование крахмала в экструдированных продуктах показывает, насколько тонкой может быть балансировка этого соотношения. Как и при гелеобразовании, пленкообразование зависит от ассоциации линейных молекул амилозы. Чем выше содержание амилозы, тем лучше пленкообразующие свойства. В экструдированной закуске желательны пленкообразующие свойства для получения хрустящей текстуры готового продукта. Но одна только хрусткость не делает закуску вкусной.

«Твердо связанная природа полимера амилозы влияет на хрусткость, — говорит Джим Залли, директор по технологии пищевых продуктов компании National Starch and Chemical Co., Бриджуотер, штат Нью-Джерси, — но это материал с более низкой молекулярной массой, который не может захватывать воздух». это происходит из-за того, что вода превращается в пар во время вентиляции».

Использование крахмала с повышенным содержанием амилопектина соответственно увеличивает расширение за счет хрусткости. В результате необходимо тщательно выбирать соотношение амилоза:амилопектин. В некоторых случаях требования к текстуре продукта требуют комбинирования крахмалов из разных источников.

«Некоторые люди используют комбинации различных базовых крахмалов, чтобы получить более короткую или более длинную текстуру», — говорит Майк Августин, менеджер по применению пищевых ингредиентов, A.E. Staley Manufacturing Co., Декейтер, Иллинойс. «Мы собирали смеси, чтобы получить определенную текстуру или качество готового продукта».

Помимо придания текстуры, крахмалы используются для придания стабильности пищевым продуктам. Это часто принимает форму удержания воды. Как упоминалось ранее, желатинизированные молекулы крахмала склонны повторно связываться друг с другом. Эта реассоциация вытесняет воду из молекулы, вызывая рекристаллизацию крахмала. Склонность крахмала к рекристаллизации или ретроградации таким образом определяет его пригодность для долговременной стабильности.

«Разветвленный амилопектин создает стерические препятствия», — говорит Патнэм. «Это не позволяет молекулам повторно ассоциироваться, поэтому он не так легко ретроградирует».

Молекулярная структура амилозы и амилопектина

Более длинные молекулы амилозы, как правило, делают текстуру продукта тягучей из-за того, как они связываются. Молекулярная масса амилозы также влияет на эластичность геля. Более длинные молекулы имеют тенденцию связываться сильнее и образовывать более прочные и хрупкие гели, но этому эффекту есть предел.

«Тапиоковый и картофельный крахмал содержат амилозу, но они образуют когезивную массу, а не гель, как кукурузный крахмал», — говорит Питер Трзаско, старший научный сотрудник National Starch and Chemical Co. «Теория, лежащая в основе этого, основана на молекулярном Картофель и тапиока имеют молекулярную массу, намного превышающую молекулярную массу кукурузы, что на самом деле затрудняет ассоциацию молекул».

Молекулярная масса не всегда обеспечивает прямую корреляцию характеристик. В 1992 году Джейн из штата Айова сообщила об исследовании влияния размера молекулы амилозы и длины разветвленной цепи амилопектина на клеящие свойства крахмала. Джейн обнаружила, что молекулы амилопектина с более длинными ответвлениями не только имеют тенденцию образовывать гель, но и прочность геля увеличивается с увеличением длины ответвления. Однако вязкость амилозы различной длины также не коррелировала. Фактически, наилучшая вязкость была получена с амилозой средней длины, в то время как самая большая и самая маленькая молекулы амилозы давали одинаковые низкие вязкости.

Можно установить более четкую связь между размером молекулы и стабильностью. Более длинная молекула амилозы в определенной степени будет иметь большую прочность геля из-за ее повышенной способности связываться посредством водородных связей. Эта повышенная способность к ассоциации увеличивает склонность молекулы к ретроградности. Более мелкие молекулы амилозы демонстрируют более слабую ассоциацию и, следовательно, более устойчивы к ретроградации. Недавняя информация указывает на то, что молекулы амилопектина с более длинными ветвями также более восприимчивы к ретроградации. Это особенно беспокоит исследователей, пытающихся удлинить молекулы амилозы путем скрещивания.

«Когда вы вставляете ген-удлинитель амилозы, вы также в конечном итоге удлиняете ветви амилопектина», — говорит Памела Дж. Уайт, доктор философии, исполняющая обязанности директора отдела пищевой науки и питания человека Университета штата Айова.

Фосфор

Крахмалы содержат фосфор в той или иной форме. Природа фосфора влияет на производительность крахмала. В большинстве зерновых крахмалов фосфор в основном находится в виде лизофосфолипидов, которые имеют тенденцию образовывать комплексы с амилозой крахмала и уменьшать его водосвязывающую способность. Эти комплексы также придают непрозрачность крахмальной пасте.

Фосфор в клубневом крахмале, таком как картофельный, находится в форме фосфатных моноэфиров, которые присутствуют в молекуле крахмала в виде отрицательно заряженных групп. Ионное отталкивание, создаваемое этими группами, ослабляет связь между молекулами и увеличивает водосвязывающую способность, способность к набуханию и прозрачность пасты.

Разгадка тайн

Понимание функциональности нативного крахмала не только делает работу дизайнера продукта более эффективной, но и является жизненно важным связующим звеном для расширения функциональности крахмала посредством модификации. Это верно независимо от того, модифицирован ли крахмал с помощью химических/ферментативных методов, традиционной селекции или биотехнологии.

Как указывалось ранее, изучение взаимоотношений структура/функция крахмала порождает больше вопросов, чем дает ответов. В результате у исследователей, работающих в этой области, есть чем заняться. Университет штата Айова является одним из мест, где проводятся постоянные исследования крахмала.

С 1987 года исследователи ISU Уайт и Джейн занимались поиском крахмалов с уникальными функциональными свойствами для использования в разработке новых гибридов кукурузы. С ними работает Линда Поллак, доктор философии, генетик-исследователь Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, работающая с Департаментом агрономии ИСУ.

Используя доступ Поллака к североамериканской библиотеке мутантных генотипов кукурузы, группа исследовала экзотические сорта кукурузы, чтобы определить природу вариаций функциональных свойств.

«Проводить прямое структурное исследование сложно и требует много времени, — говорит Уайт. «Поэтому наш подход состоял в том, чтобы начать с быстрого скрининга крахмала, извлекая его в лаборатории всего с одним ядром».

Этот первоначальный скрининг проводится с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Образец крахмала наклеивают, затем сканируют на ДСК. После хранения вклеенного образца в течение семи дней при 4°С (оптимальная температура для ретроградации крахмала) образец повторно сканируют.

«Сканирование, которое мы получаем на свежем и сохраненном образце, говорит нам, может ли крахмал обладать уникальными функциональными свойствами», — говорит Уайт. «Как только мы находим что-то необычное, мы проверяем, действительно ли это дает нам другой DSC в другой раз».

Другая информация, полученная с помощью этого DSC-анализа, включает температуру желатинизации и диапазон желатинизации. Низкая температура желатинизации может обеспечить экономию энергии в крупных производственных операциях. Узкий диапазон желатинизации также сделает производство более эффективным за счет ускорения желатинизации.

«Это ключевые моменты, на которые мы начинаем обращать внимание, — говорит Уайт. «Когда мы видим вещи, которые сильно отличаются от нормы при измерении DSC, мы затем проводим структурный анализ, чтобы определить, почему они это делают, и связать структуру с функцией».

Первый шаг в этом требует выращивания мутантной кукурузы в больших количествах для дальнейшего анализа. Тесты включают определение процентного содержания амилозы посредством йодного потенциометрического титрования и/или гель-проникающей хроматографии; молекулярно-массовое распределение с помощью гель-проникающей хроматографии; и длину разветвленной цепи амилопектина, рассчитанную по восстанавливающему значению, определенному с помощью влажной химии или с использованием гель-проникающей хроматографии.

При наличии достаточного количества крахмала также проводятся функциональные тесты, например, на вязкость и прочность геля.

«Еще одна вещь, которую мы часто делаем, — это измерение размера гранул с помощью электронной микроскопии», — говорит Уайт. «Было показано, что мелкие гранулы крахмала хороши для гладкого вкуса, что является полезным свойством заменителей жира, позволяющим избежать зернистой текстуры».

В конечном итоге устанавливается связь между желаемыми функциональными свойствами и структурой крахмала. Затем за дело берутся генетики растений, которые пытаются вывести желаемые качества в сорт, который можно культивировать.

Расширение понимания функциональности нативного крахмала полезно как для дизайнеров продуктов, так и для создателей новых крахмальных ингредиентов. Однако иногда кажется, что каждый шаг на пути к этому пониманию только увеличивает расстояние на дороге. Тем не менее, эти усилия должны продолжаться, потому что, хотя путешествие может никогда не закончиться, каждый шаг вперед приносит новые достижения, которые помогают улучшать продукты питания.

Наверх

© 1996, издательство Weeks Publishing Company

3400 Данди Роуд. Suite #100
Northbrook, IL 60062
Телефон: 847/559-0385
Факс: 847/559-0389
Электронная почта: [email protected]
Веб-сайт: www.foodproductdesign.com