Влияние эффектов ультразвука на реологические свойства клейстеров картофельного крахмала

Крахмал главным образом является запасным веществом энергии для растений и одним из самых больших источников углеводов, найденных в природе. Он состоит из остатков глюкозы, связан только двумя типами гликозидных связей: ɑ -1,4 и ɑ -1,6 и откладывается в виде гранул в различных видах тканей и органов, например, корней, плодов, листьев или зерен. Крахмальные гранулы отличаются по размеру, форме и свойствам в зависимости от ботанического происхождения [5]. Все крахмалы подразделяются на две группы: природные (или нативные) и рафинированные (модифицированные). Природный крахмал состоит из двух фракций, отличающихся по своему строению и свойствам (табл. 1): 25 % амилозы и 75 % амилопектина [11].

Поскольку крахмальные гранулы практически не растворяются в холодной воде, а при нагревании они сильно набухают, то при продолжительном кипячении примерно 15…25 % крахмала переходит в раствор в виде коллои- да. Имея линейную структуру, молекулы амилозы легче выстраиваются в ряд, они образуют больше водородных связей и дают прочные гели. Следовательно, для такого крахмала потребуется больше энергии, чтобы разорвать эти связи и желеобразоваться. Обычно, чем больше содержится амилозы в крахмале, тем выше температура желеобразования [2, 3, 10, 17].

Как важный источник питания для человека, крахмал широко используется во многих отраслях пищевой промышленности, но обычно после соответствующей модификации: химической, физической или ферментативной. Основной проблемой при применении нативных крахмалов является старение водных растворов, это происходит вследствие частичной кристаллизации полимерных цепей [8, 9]. Современные научные исследования по разработке эффективных способов целенаправленного изменения природных свойств нативного крахмала в последнее время интенсивно развиваются. Обработка ультразвуком

Характеристика \ Амилоза                 \ Амилопектин Содержание в крахмале разных видов, % Картофельный 20–21 79–80 Кукурузный 20–28 72–80 Кукурузный (воск) 0,8 99,2 Тапиоковый 16–17 83–84 Пшеничный 20–28 72–80 Рисовый 18 82 Растворимость в воде Растворима в горячей воде. Растворы неустойчивы – происходит ретроградация Набухает в горячей воде, образуя клейстеры Окраска с йодом Синяя Пурпурная или красная Адсорбция йода Высокая Низкая Адсорбция на целлюлозе Высокая Низкая Расщепляемость амилазой, % 100 50 Реакция с органическими соединениями (1-бутанол) Образует комплексы Неспособен связываться с 1-бутанолом и др. органическими соединениями Молекулярная масса От 500 до 1600 От 10000 до 6 млн Содержание остатков глюкозы От 100 до неск. тысяч До 50000 Строение Линейное, молекулы образуют спирали. Связь между остатками глюкозы 1,4-альфа Разветвлённое, молекулы образуют сферы. Связь в линейной части 1,4-альфа, в точке ветвления 1,6-альфа. Длина наружной ветви 16–20 остатков глюкозы (50–60), внутренней – 7 остатков (40– 50 %) Отношение редуцирующих и не редуцирующих концевых групп Превышает 100 Единица является одним из физических методов модификации крахмала, приводящего к его деполимеризации [13].

Вместе с тем ультразвуковое воздействие (УЗВ) на гранулированные крахмалы или крахмальные гели изучаются учеными разных стран уже многие десятилетия. Согласно этим исследованиям, ультразвук вызывает физическую деградацию гранул с видимыми трещинами и порами на поверхности, но никаких изменений формы и размера гранул не наблюдается (рис. 1) [13]. Размер повреждения зерна связан с явлением кавитации [1, 4, 12]. Зерна крахмала атакуют пузыри газов внутри среды. При этом быстро образующиеся пузы- ри создают давление близко к поверхностям гранул, которое, в свою очередь, приводит к ее распаду. Кроме того, растворяющиеся молекулы могут диссоциировать для того, чтобы сформировать радикалы, которые могут вызывать деградацию полимера. К факторам, влияющим на изменение зерна крахмала при УЗВ, относят мощность, температуру и продолжительность воздействия [13, 14].

В настоящее время развивается научное направление, связанное с тем, что при определенных режимах (времени и мощности), ультразвуковая модификация приводит к уменьшению размеров крахмальных зерен, что связывают с влиянием двух факторов: ка-

Рис. 1. Гранулы картофельного крахмала: A – нативные, B – обработка ультразвуком в воде (20 кГц, 30 минут), C – Обработка ультразвуком в этаноле (20 кГц, 30 минут) [13]

витационным давлением и повышением температуры, что приводит к деструкции крахмальных зерен [7, 15, 16].

Целью данного исследования является изучение возможности применения ультразвукового воздействия для регулирования эмульгирующей активности и вязкости крахмальных клейстеров, полученных на основе картофельного крахмала.

Материалы и методы

Для проведения исследований был взят крахмал картофельный (нативный), извлеченный из картофеля сорта «Лорх». Водная 1 %-ная крахмальная суспензия обрабатывалась ультразвуком с помощью прибора «Волна» модель УЗТА-0,63/22-ОЛР, с рабочим инструментом погружного типа с частотой колебаний (22 ± 1,65) кГц и выходной мощностью 630 Вт.

Для установления оптимальных режимов УЗВ, позволяющего эффективно модифицировать реологические свойства крахмала, были применены следующие параметры УЗВ (табл. 2).

В качестве контроля была взята 1 %-ная водная суспензия крахмала, обработанная термически при температуре 60 ̊С.

Опытные образцы суспензий, подвергаемые УЗВ, были закодированы с учетом времени – мощности. Для дальнейшего исследо- вания были взяты образцы: 3 – 100; 5 – 100; 10 – 100; 15 – 50; 20 – 30.

Образцы суспензий оценивались микроскопическим методом. Для этого крахмальные суспензии окрашивали раствором Люголя и немедленно просматривали под микроскопом при увеличении ×600.

Определение вязкости крахмалов проводили на вибровискозиметре, модель SV-10, при температуре суспензий (20 ± 3,0) °С.

Эмульгирующую активность определяли с помощью спектрофотометра СФ-56 при длине волны 500 нм.

Для этого готовили растворы по следующей методике: 1 часть подсолнечного масла, 3 части исследуемого образца 1 % крахмального клейстера, полученную суспензию встряхивали в течении 2 минут. После этого брали 1 часть полученной эмульсии и смешивали с 9 частями 0,1 % раствором додецилом (лаурил) сульфат натрия (C 12 H 25 SO 4 Na).

Результаты и их обсуждение

Результаты, полученные в ходе исследований, позволяют утверждать, что УЗВ в разных режимах влияет на реологические характеристики водных суспензий картофельного крахмала.

Так, в поле зрения контрольного образца наблюдаются гранулы крахмалов овальной, округлой формы разных размеров. Для образ-

Таблица 2

Характеристика модельных образцов

Мощность обработки, Вт (% от номинальной мощности прибора)	Время обработки, мин
	3	5	10	15	20
630 (100)	3 – 100	5 – 100	10 – 100	15 – 100	20 – 100
315 (60)	3 – 60	5 – 60	10 – 60	15 – 60	20 – 60
189 (30)	3 – 30	5 – 30	10 – 30	15 – 30	20 – 30

Биохимический и пищевой инжиниринг

цов, подвергнутых УЗВ, визуальный ряд изменился, причем более интенсивное воздействие обеспечивает разрушение зерен крахмала и в поле зрения наблюдается рваный рисунок крахмальной пленки с небольшим количеством, погруженных в нее зерен (режим УЗВ 3 – 100).

Присутствие нарушенных зерен было выше в набухающем крахмале (режимы УЗВ 10 – 100 и 15 – 50), чем в других режимах воздействия ультразвука. Вероятно, нарушение целостности крахмальных зерен указывает на проникновение в эти гранулы воды и последующего образования гелей.

Согласно исследованиям Yasuo Lida, Toru Tuziuti и др. радиус пузырей, которые образуются в воде на частоте 20 кГц, составляет 10…100 мкм, их можно сравнить с диаметром гранулы крахмала (15…100 мкм для картофельного). Ударные волны образуются, когда скорость разрушения стенки пузыря превышает скорость звука в среде, что в свою очередь может вызвать высокоскоростные межчастичные столкновения [18]. Эти столкновения приводят к разрыву водородных связей между крахмальными полимерными цепями.

В следствие этого в микроснимках присутствуют окрашенные в синий цвет области, которые соответствуют накоплениям амилозы.

Ультразвуковое воздействие приводит к эрозии и увеличению пористости гранул, происходит медленное поглощение воды, при этом крахмальные зерна увеличиваются в объеме. Однако при более длительном ультразвуковом воздействии (образец УЗВ 20 – 30) видно разрушение крахмальных зерен, так как температура образца составляет более 80 °С при этом после остывания происходит образование уже стойкого крахмального гидрогеля. Кроме того, в микрофотографиях крахмальных суспензий видно сильное разбухание гранул крахмала с частичным или полным распадом. В образце 3 – 100 и образце 15 – 50 ясно видны области фиолетового окрашивания, это свидетельствует о преобладании амилопектиновой фракции, что обуславливает высокую эмульгирующую активность клейстера данного образца.

Дальнейшее исследование физикохимических характеристик 1 %-ных водных суспензий картофельного крахмала (табл. 3) показало, что по сравнению с нативным крах-

Контроль                       3 – 100                         5 – 100

10 – 100                          15 – 50                          20 – 30

Рис. 2. Микрофотографии образцов крахмальных суспензий (препараты, окрашенные раствором Люголя, увеличение ×600)

Таблица 3

Результаты оценки эмульгирующей активности и вязкости крахмальных клейстеров

Образец Температура, °С, ± 3 Вязкость, мПа/с, ± 0,01 Эмульгирующая активность, D, λ=500 нм, ± 0,001 Контроль (нативный) 60 3,99 0,034 3 – 100 63 1,39 0,11 5 – 100 75 1,86 0,031 10 – 100 86 1,40 0,03 15 – 50 82 1,28 0,14 20 – 30 75,5 1,45 0,02 малом (контроль) модифицированные с помощью ультразвука крахмалы имеют вязкость меньше, что обусловлено разрушением связей между молекулами глюкозы в амилозе и амилопектине [6].

Анализируя полученные данные, можно говорить о том, что в целом все образцы, обработанные ультразвуком, имели эмульгирующую активность выше, чем у контроля (0,034 ед. D). Самая высокая эмульгирующая активность у образцов, обработанных УЗВ в режиме 3 – 100 (0,11 ед. D) и режиме 15 – 50 (0,14 ед. D). Это связано с эффектом кавитации, который создается процессом образования и последующего схлопывания пузырьков, при этом происходит в нашем случае уменьшение размера крахмальных зерен, что способствует получению более тонкодисперсной эмульсии с более мелкой фракцией [4].

Результаты исследований вязкости подученных суспензий указывают на сложный характер изменений данного показателя. Вероятно, образование геля на базе модифицированных крахмалов включает формирование трехмерной сети, которая связывает растворитель (молекулы воды). При повышении температуры наблюдается клейстеризация системы суспензии, их данных таблицы видно, что температура нарастает до уровня 86 °С (образец УЗВ в режиме 10 – 100).

Таким образом, УЗВ оказывает положительное влияние на вязкость и эмульгирующую активность крахмала. Однако для более детального изучения влияния УЗВ на структурные изменения в крахмалах необходимы дополнительные исследования, которые позволят установить наиболее рациональные режимы ультразвука с целью получения модифицированных крахмалов направленной применимости в технологиях пищевых производств.