Возможности трансформации фракций нативного крахмала для получения сырьевых ингредиентов целевого назначения

Для решения проблемы продовольственной безопасности правительством Российской Федерации применяются принципиальные меры, которые направлены на создание условий для производителей в части замещения импортных товаров и сырья отечественными аналогами, а также создание новых инновационных технологий для решения проблемы дефицита пищевых добавок для обеспечения процессов производства.

Безусловно, отечественные сырьевые компоненты должны стать достойной альтернативой и смогут не только обеспечить пищевые производства бесперебойными поставками необходимого сырья, но и существенно снизить себестоимость конечного продукта в сложных санкционных условиях.

Наиболее уязвимы в текущих момент кондитерская, мясная и молочная отрасли, производственные процессы которых выстроены на применении пищевых добавок для обеспечения структуры конечного продукта. Основными поставщиками загустителей, структурообразователей в нашей стране являются предприятия крахмалопаточной отрасли, которые в последние десятилетия интенсивно развиваются, однако этого недостаточно для удовлетворения всех потребностей пищевой промышленности. В этой связи основным направлением должно быть не столько увеличение объемов производимого сырья, сколько инновационные подходы в модификации свойств определенных сырьевых компонентов с ориентацией на запросы переработчиков для дальнейшего внедрения их в пищевые системы.

Пищевые структурообразующие добавки на основе крахмалов в пищевых производствах традиционно используется в технологиях соусов и кетчупов, хлебобулочных изделий, мучных кондитерских изделиях, а также в формировании реологических свойств молочных и мясных продуктов.

Кроме того, к инновационным областям применения крахмала относят технологии получения низкокалорийных эмульсий, биоразлагаемых упаковочных материалов, пленочных и термопластичных материалов, которые обладают улучшенными термическими, механическими свойствами, а также являются экологически безопасными для окружающей среды и человека [4].

Нативные крахмалы уникальны по своей природе, ресурсно высоко возобновляемые, но для применения в качестве структурных ингредиентов требуется проведения процессов их модификации, не изменяющих их экологичности. В настоящее время известны различные подходы в области модификации крахмалов – это развивающаяся область с многочисленными возможностями, ориентированная на получение крахмалов с новыми и/или улучшенными функциональными свойства в соответствии с требованиями отрасли.

Развитие промышленной модификации крахмалов для пищевых производств привело к появлению новых производственных технологий переработки сырья и созданию новых сырьевых компонентов с улучшенными функциональными свойствами для дальнейшего внедрения их в пищевые системы продукта. Эти высокотехнологичные производства разрабатываются специально для создания конкурентных преимуществ продукта, в том числе улучшения его сенсорных характеристик, снижения затрат на рецептуру и на производство и в то же время продлевают его срок годности, явно делая крахмал преимущественным компонентом на всех этапах производственного цикла пищевого продукта [13].

Нативные крахмалы в технологических процессах при использовании для пищевых и технических целей, как правило, подвергаются воздействию высоких температур в присутствии воды. Характер происходящих при этом изменений структуры зерен крахмала является отличительным признаком вида крахмала. Так, при повышении температуры водных крахмальных суспензий более 30 °С происходит частичный разрыв водородных, самых непрочных связей в молекулах зерен крахмала, ведущий к изменению его микроструктуры. При этом наблюдается резкое возрастание гидратации амилозы и амилопектина, что соответственно обусловливает увеличение размера зерен – происходит их так называемое «набухание». При дальнейшем повышении температуры амилоза частично из аморфной части зерен переходит в раствор, а амилопектин остается в основном в нераство-ренном состоянии. При разрушении зерен происходит деструкция кристаллической части зерен, полисахариды переходят в раствор, и начинается процесс клейстеризации [1, 17].

Как известно, крахмалы относятся к усвояемым полисахаридам, состоят из двух фракций: амилозы (рис. 1а), которая состоит из a -1,4 D-гликопиранозильных звеньев, и амилопектина (рис. 1б), который состоит из большого количества коротких цепей, соединенных вместе a-1,6-связью.

Согласно сведениям Халикова Р.М, полученным при изучении процессов трансформации фракций, амилоза и амилопектин формируют структурный комплекс зерен, а-1,4-В-СЕЯзн

Рис. 1. Строение молекул фракций крахмала: а) амилоза; б) амилопектин

который состоит из кристаллической и аморфной частей. Степень кристалличности зерен крахмала зависит от соотношения содержания амилозы и амилопектина. Кристаллическую часть формируют короткие цепи амилопектина. Аморфную часть крахмальных зерен формируют молекулы амилозы и длинные цепи амилопектина. Молекулы амилозы и амилопектина трудно совместимы и могут быть фракционированы при определенных условиях [5].

Учитывая, что именно соотношение амилозы и амилопектина в молекуле определяет различные свойства крахмала, можно достоверно понимать, какие подходы следует применять для получения ингредиентов для целевого назначения на основе крахмала.

Известно, что в нативных крахмалах, получаемых промышленным способом, соотношение амилозы и амилопектина составляет в среднем 1:3, т. е. содержание амилозы находится на уровне 24–28 %. Если же оно превышает 30 %, то крахмал считается высоко-амилозными и на реологические характеристики крахмала существенное влияние проявляют свойства амилозы. Как правило, высоко-амилозным крахмалам присущи следующие свойства: повышенная растворимость в воде; более ограниченное по сравнению с обычными крахмалами набухание зерен; низкая вязкость клейстеров, склонность полисахаридов к ретроградации и быстрому студнеобразова-нию. В то же время исследования по определению влияния содержания амилозы на такие параметры, как начальная температура клей-стеризации, температура плавления зерен и соотношение вязкостей клейстеров, не выявили четкой зависимости между ними. Кроме того, для высокоамилозных крахмалов отмечены явно пониженные значения степени кристалличности [17].

Научным коллективом ученых Yasuo Iida, Toru Tuziuti и др. установлено, что амилопектиновые крахмалы характеризуются более высокими значениями температуры клейстериза-ции, максимальной вязкостью клейстеров и значительной набухающей способностью. При приготовлении клейстеров амилопектин образует вязкие и относительно стойкие коллоидные растворы, препятствует ретроградации амилозы, играя роль защитного коллоида [18].

Учеными кафедры «Пищевые и биотехнологии» ЮУрГУ проведен массив исследований, направленный на изучение воздействия низкочастотного ультразвука на гранулы крахмала в двухфазной жидкостно-твердой системе с использованием воды в качестве среды [2–4, 6, 14, 15]. Механизм действия ультразвука основан на излучении звуковых волн и образовании гидроксильных радикалов во время кавитации, которые повреждают и/или гидролизуют крахмал, также может вызывать эрозию и образование пор на поверхности гранул, а это, в свою очередь, приводит к увеличению адсорбции воды и способности к набуханию, что наглядно отражают результаты исследования с применением СЭМ (рис. 2).

а                                              б

Рис. 2 . Электронная микроскопия нативных (а) и обработанных УЗ крахмальных зерен (б)

В исследованиях BeMiller J.N. сказано, что вода является хорошей пузырькообразующей жидкостью из-за ее низкого давления пара и вязкости. По мнению Monika Sujka, Jerzy Jamroz пористость и диаметр частиц зерен крахмала связаны с текстурой пищевых сырьевых компонентов, что может повлиять на технологические и сенсорные свойства продуктов. Наличие пор может обеспечить большую реакционную поверхность, что способствует сокращению времени обработки и, если это необходимо, меньшему количеству веществ, используемых при химической модификации [8, 11, 12].

Учеными Bhupinder Kaur, Fazilah Ariffin, Rajeev Bhat, Alias A. Karim показано влияние размеров частиц гранул крахмала на пористость, то есть крахмалы с более крупными гранулами более восприимчивы к воздействию звуковых волн [9, 10], что было также подтверждено многими учеными, в том числе Monika Sujka, который установил, что наиболее высокую пористость имеют гранулы крахмала картофельного по сравнению с пшеничным, кукурузным и рисовым крахмалами [11, 12].

Кавитационные эффекты УЗВ, используемые для модификации крахмала, могут влиять на изменение соотношения амилозы и амилопектина, при этом амилопектиновые модифицированные крахмалы могут приобрести следующие свойства: легче желатинизироваться; крахмальные гели могут иметь более прозрачную структуру; улучшаться стабилизирующие, эмульгирующие и загустительные свойства, а также улучшаться стабильность фазы замораживания–оттаивания [19].

В свою очередь высокоамилозные крахмалы будут обладать высокой гелеобразующей способностью и способностью к пленко-образованию. Возможно, при изменении структуры амилопектина (рис. 3) происходит разрушение α-1,6-связей и разрушение кристаллической структуры, при этом может меняться размер крахмальных гранул, так как часть выделившейся амилозы переходит в раствор, здесь будет иметь место эффект мик-ронизации, при этом желатинизация крахмальной суспензии будет происходить при более низких температурах.

Влияние ультразвуковой обработки на усвояемость крахмала было подтверждено исследованиями таких ученых, как Ferreria da

Silva и др. Авторы исследований это связывают с увеличением кристалличности молекул крахмала от 25 до 33 % и перегруппировкой аморфной области, что делает крахмалы более компактными, при этом ухудшается ферментативный гидролиз, что приводит к медленному разрушению цепей амилопектина. При этом происходит уменьшение структуры гранул крахмала, что может привести к увеличению содержания нерастворимых (неусвояемых) углеводов [7, 16].

Рис. 3. Трансформация амилопектина. Разрушение α-1,6-связей

Представленный материал дает обобщенное представление о возможности трансформации фракций нативного крахмала для получения сырьевых ингредиентов целевого назначения и требует расширенного исследования с учетом установления механизмов течения процессов.

Выводы

Полученные из анализа открытых источников научной литературы данные позволяют говорить, что физическая модификация крахмала, к которой относится и ультразвуковая, является перспективным направлением развития не только как научного направления, но и в первую очередь является альтернативой химической модификации крахмала для дальнейшего применения, особенно в пищевых отраслях. При этом ультразвуковая модификация крахмалов способна обеспечивать воздействие определенным образом на крахмальное зерно, придавая крахмалу заданные свойства, которые определяются эффектом кавитации.