СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ НАТИВНОГО И МОДИФИЦИРОВАННЫХ КАРТОФЕЛЬНЫХ КРАХМАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ

На сегодняшней день модифицированные крахмалы являются наиболее важными пищевыми наполнителями, которые применяются во многих сферах продовольственного производства. Отказ от использования в пищевой промышленности природных крахмалов в пользу модифицированных обусловлен повышенной студнеобразующей, влагоудерживающей и клейстеризующей способностью последних [10, 25, 31, 33, 52, 57].

В настоящее время на рынке модифицированных крахмалов существует огромное разнообразие химически модифицированных крахмалов. Однако вещества, получаемые искусственно, как правило, имеют ограничения к применению. Так, среди модифицированных крахмалов Комитет экспертов по пищевым добавкам ФАО/ВОЗ рекомендовал применять только ферментированные крахмалы [27, 66]. К другим видам химически обработанных крахмалов должны предъявляться более высокие в гигиеническом аспекте требования и проявляться повышенная осторожность в отношении их выбора и концентрации. Отмечено, что некоторые химически модифицированные крахмалы (картофельный желирующий марки Б, кукурузный фосфатный) по сравнению с натуральными вызывают снижение пищевой ценности продукта [27]. В связи с этим был предпринят комплексный сравнительный подход к изучению свойств химически модифицированных и ферментированных картофельных крахмалов, а также мясных рубленых изделий, выработанных с их использованием.

Физико-химические, морфологические свойства и резистентность изучаемых видов крахмалов

С целью выявления картофельного крахмала, наиболее перспективного для применения в мясной отрасли, в том числе при производстве мясных рубленых изделий, был проведен сравнительный анализ свойств нативного, химически модифицированных и ферментированных картофельных крахмалов.

Известно, что при введении крахмалов в рецептуру мясных изделий наблюдается повышение их кинетической стабильности благодаря увеличению вязкости эмульсии. Это явление наблюдается вследствие образования элементов структуры трёхмерной сетки гелей и диффузии в них молекул воды. Так как крахмал участвует в процессе стабилизации эмульсии, то его можно назвать стабилизатором, несмотря на то что он выполняет в этом процессе роль загустителя водной фазы эмульсии [97]. Высокая вязкость и низкая растворимость в воде природных крахмалов нередко создают сложности при использовании их в производстве мясных изделий, что проявляется в неравномерном распределении крахмала в структуре изделий и соответственно в ухудшении товарных качеств готового продукта.

Среди исследуемых видов крахмалов наибольшей вязкостью обладал нативный картофельный крахмал (28 единиц). Вязкость снижалась в ряду химически модифицированных крахмалов: оксиамильный ОПВ-1, гидролизованный и набухающий (табл. 4.1). Следует отметить, что вязкость химически модифицированных крахмалов отличалась незначительно.

Вязкость ферментированных крахмалов снижалась в ряду: а-амилазный-8, р-амилазный-8, а-амилазный-12, р-амилазный-12. (табл. 4.1). Установлено, что при увеличении времени обработки нативного крахмала ферментами до 12 часов (а-амилазный-12 и р-амилазный-12 крахмалы) наблюдалось снижение вязкости крахмального клейстера, что, по-видимому, объясняется интенсивным расщеплением полисахаридных цепочек. Известно, что вязкость крахмалов уменьшается экспоненциально уменьшению длины крахмальной цепи [104, 95]. Биологическая модификация крахмалов может приводить и к снижению температуры желирования, гелеобразования и биодоступности крахмалов в результате уменьшения размеров крахмальных зерен [101, 138, 164, 190, 192].

Одним из важных функциональных показателей, который необходимо учитывать и улучшать в модифицированных крахмалах в целях использования их в изделиях с высоким содержанием жира, является эмульгирующая активность. Для гидроколлоидов углеводного ряда высокая эмульгирующая активность нехарактерна. Однако даже незначительное увеличение способности образовывать эмульсии будет положительно сказываться на технологических свойствах крахмалов.

Таблица 4.1

Физико-химические свойства химически модифицированных и ______________ферментированных крахмалов_____________

Вид крахмала

Вязкость

Содержание амилозы, %

Эмульгирующая активность, опт. ед.

Х=500 нм

Нативный картофельный

28,07+0,03

16,63+0,05

0,233+0,007

Химически модифицированные крахмалы:

Оксиамил ОПВ-1

1,55+0,05

27,16+0,03

0,364+0,003

Г идролизованный

1,21+0,02

27,90+0,07

0,420±0,005

Набухающий по ТУ

1,21+0,03

21,06+0,04

0,540+0,007

Ферментированные крахмалы:

а-Амилазный-8

9,74±0,02

19,24+0,03

0,254±0,002

р-Амилазный-8

7,96+0,01

17,95+0,02

0,323+0,005

а-Амилазный -12

1,785+0,07

0,61 ±0,005

0,208±0,002

0-Амилазный-12

1,452+0,06

0,005+0,001

0,202+0,004

У исследуемых видов крахмалов наибольшая эмульгирующая активность выявлена у набухающего и гидролизованного крахмалов -0,54 и 0,42 опт.ед. соответственно (табл. 4.1) [140]. Причем наблюдалась обратная зависимость между вязкостью и эмульгирующей способностью крахмальных клейстеров. Подобная обратно пропорциональная корреляция свидетельствует об уменьшении длины молекул крахмала, что, в свою очередь, улучшает способность более коротких полисахаридных цепочек образовывать эмульсионные агрегаты, мицеллы.

В отличие от химически модифицированных крахмалов, у которых отмечалась обратно пропорциональная зависимость между вязкостью и эмульгирующей активностью, для ферментированных крахмалов этой корреляции не выявлено. Наибольшей эмульгирующей активностью среди ферментированных крахмалов обладали р-амилазный-8 и а-амилазный-8 образцы, имеющие большую вязкость, чем ферментированные 12-часовые крахмалы.

Физические свойства крахмалов напрямую зависят от содержания в них амилозы и амилопектина [186, 194]. Выявлено, что относительно нативного картофельного крахмала в химически модифицированных крахмалах количество линейной фракции большее (табл. 4.1), а самое большое содержание амилозы наблюдали в образце набухающего крахмала.

По сравнению с нативным крахмалом в ферментированных крахмалах 8-часовой обработки увеличивалась доля амилозной фракции, однако увеличение времени обработки до 12 часов (а -амилазный-12, р-амилазный-12 крахмалы) приводило к снижению доли амилозной фракции, которая составила менее 1 %, что, видимо, связано со ступенчатостью ферментативной гидратации и особенностью строения крахмальных зерен.

Как известно, в растениях крахмал откладывается в виде гранул. Крахмальные гранулы разных растений различаются размерами, формой и строением [136]. В частности, размер гранул картофельного крахмала может превышать 100 мкм, по форме они напоминают вытянутые шарики. Гранулы кукурузного крахмала в несколько раз меньше (10-20 мкм) и более плоские [2, 185]. Морфологические свойства крахмальных гранул определяют устойчивость крахмальных суспензий, адсорбционные свойства крахмала, интенсивность набухаемости в воде, способность к клейстеризации и декстринизации.

В литературе имеются данные о том, что содержание амилозы в крахмале непосредственно зависит от размеров крахмальных гранул. Крахмал, содержащий более мелкую фракцию гранул, характеризуется повышенным содержанием амилозы, что, в свою очередь, связано с водопоглащением и температурой желатинизации. Молекулы амилозы, будучи линейными, располагаются так, что образуют между собой большое число водородных связей. Следовательно, требуется больше энергии для разрыва этих связей и желатинизации такого крахмала. Обычно, чем больше содержание амилозы, тем выше температура желатинизации. [82]. С увеличением размеров гранул крахмала при нагреве в воде начальная температура его клейстеризации и температура максимальной вязкости уменьшаются, а максимальная вязкость клейстера возрастает [2, 88]. Следовательно, морфологические свойства крахмала важны при его получении и использовании в технологии изготовления пищевых продуктов.

На рис. 4.1 представлены фотографии крахмальных клейстеров. Гранулы химически модифицированных крахмалов имели овальные, округленные или обрезанные формы, у некоторых гранул были нарушенные структуры; в случае оксиамильного ОПВ-1 крахмала поверхность гранул была гладкой и без зазубрин.

Количество гранул с нарушенной структурой оказалось больше в набухающем крахмале, чем в остальных химически модифицированных крахмалах. Фактически присутствие нарушенных или поврежденных форм может свидетельствовать о легком проникновении воды в такие гранулы и об интенсивном образовании гелей (рис. 4.1 г). Кроме того, зерна набухающего крахмала после окраски раствором Люголя имели не голубой, а фиолетовый цвет, что свидетельствует о большей доли амилопектиновой фракции в них.

Морфологические свойства нативного (а) и химически модифицированных картофельных крахмалов (6 - гидролизованный, в - оксиамильный ОПВ-1, г -набухающий по ТУ 9187-016-5747146-95)

Рис. 4.1. Морфологические свойства нативного (а) и химически модифицированных картофельных крахмалов (6 - гидролизованный, в - оксиамильный ОПВ-1, г -набухающий по ТУ 9187-016-5747146-95)

г

Разветвленная амилопектиновая фракция может отвечать за способность полимера образовывать мицеллы эмульсии. Преобладание амилопектиновой фракции в совокупности с высокой разрыхленностью граничных зон крахмальных зерен обусловливает высокую эмульгирующую способность клейстера данного вида крахмала. Морфологические исследования химически модифицированных крахмалов подтверждают данные, полученные при исследовании их вязкости и эмульгирующей активности (рис. 4.1).

Накопление амилозы внутри крахмальных зерен особенно выражено для гидролизованного картофельного крахмала (рис. 4.16). Амилозообогащенные участки, имеющие синий цвет, находились в межкристаллическом пространстве и в центре гранул крахмала.

а-Амилазный-8 и р-амилазный-8 крахмалы имеют четко выраженные границы гранул, крахмальные зерна крупные, большинство из них имеет правильную форму (рис. 4.2).

Нативный

Альфа-амилазный-12

действии а- и 0-амилаз (увеличение 400 раз)

У нативного крахмала размеры гранул визуально меньше, края гранул аморфной структуры. Увеличение времени обработки крахмалов (а-амилазный-12 и р-амилазный-12 крахмалы) ферментами ведет к уменьшению размеров гранул и утрате четких границ. Стоит также отметить большую гетерогенность в размерах крахмальных зерен у Р-амилазного-12 крахмала по сравнению с а-амилазным-12 крахмалом.

Одним из аспектов перспективности технологического использования крахмалов в пищевой промышленности, тем более в случае пищевых продуктов, подвергающихся термообработке, контакту с веществами кислотной природы, является их стабильность к физическим и химическим воздействиям, сохранение структуры и свойств. Кроме того, как показано в исследованиях зарубежных ученых, ряд природных и модифицированных крахмалов можно считать пищевыми волокнами ввиду их высокой стабильности к действию ферментов амилолитического ряда [116, 117, 122]. О стабильности крахмалов к кислотному гидролизу судили по увеличению концентрации глюкозы в реакционной смеси под воздействием серной кислоты. Исследование устойчивости картофельных крахмалов к действию минеральной кислоты выявило большую устойчивость модифицированных крахмалов по сравнению с нативным (рис. 4.3).

-А— Гидролизованный Набухающий по ТУ

О—Бета-амилазный-8

X • - Альфа-амилазный -12

Ж Бета-амилазный-12

а б

Рис. 4.3. Устойчивость химически модифицированных (а) и ферментированных (б) крахмалов к кислотному гидролизу

Наибольшая концентрация глюкозы (11,5 мг/мл) наблюдалась для нативного крахмала через 20 мин воздействия, что, видимо, связано с повышенной рыхлостью крахмальных зерен. В случае набухающего крахмала отмечалось запаздывание накопления глюкозы на 20 мин по сравнению с нативным крахмалом. Однако через 40 мин концентрация глюкозы увеличилась и составила 9,7 мг/мл, что свидетельствует о малой устойчивости этого вида крахмала. Среди химически модифицированных крахмалов наибольшей устойчивостью обладали оксиамильный и гидролизованный крахмалы, здесь была наименьшая концентрация глюкозы в начальный период воздействия - 1 и 1,4 мг глюкозы/ мл соответственно (рис. 4.3).

Крахмалы, ферментированные а-амилазой и р-амилазой, проявили разную степень устойчивости к химическому агенту. Резистентность к действию кислот у а-амилазных крахмалов независимо от времени модификации примерно одинакова и значительно выше, чем у нативного крахмала, т.е. количество глюкозы, выделившейся во время обработки, меньше, р-амилазные крахмалы оказались менее устойчивы, начало накопления глюкозы в среде наблюдали уже через 40 мин, однако это количество меньше, чем у нативного крахмала. Таким образом, наиболее устойчивыми к кислотному гидролизу среди ферментированных крахмалов оказались а-амилазные крахмалы (8 и 12 часов).

Картофельный крахмал имеет широкое применение в мясоперерабатывающей промышленности [35, 80, 88]. В

технологическом цикле производства мясных рубленых изделий существует стадия нагревания, что соответствует технологическому процессу варки, жарки или запекания. В связи с этим исследование устойчивости крахмалов к высоким температурам весьма актуально. Термостабильность крахмалов определяли по накоплению глюкозы как продукта разрушения крахмала после воздействия высоких температур [65]. После обработки крахмальных клейстеров при температуре 80 °C в течение 30 мин наименьшее количество глюкозы было выявлено в случае нативного крахмала (рис. 4.4 а). Повышение температуры до 100 °C привело к уравниванию количества накапливающейся глюкозы в нативном крахмале с такими видами крахмалов, как оксиамильный и гидролизованный (10-10,7 мг/мл). Эти же образцы оказались наиболее неустойчивы к более высокой температуре - 150 °C. Набухающий крахмал проявил одинаковый ответ на воздействие всех температур, что, видимо, связано с устойчивостью его структуры в виде клейстера.

  • 40
  • 35
  • 30

^25

m

§20

2

^15

  • ?iiilk
  • 8СГС 100ГС 150ГС

Температура

  • ? Нативный ? Оксиамил ОПВ-1
  • ? Гидролизованный ? Набухающий по ТУ

> Ал ьфа -а милазный-12 ? Бета -а мил а зный-12

Рис. 4.4. Изменение концентрации глюкозы после термообработки химически модифицированных (а) и ферментированных (б) крахмалов

По сравнению с нативным для ферментированных крахмалов характерна более высокая концентрация глюкозы после обработки некритической температурой (80 °C). Это, возможно, связано с тем, что после ферментации крахмалов амилазами температура набухания крахмалов снижается, что приводит к более легкому отщеплению глюкозы от полимерной цепочки (рис. 4.4 б).

а-Амилазный-8 и 0-амилазный-8 крахмалы, также как и нативный, проявили устойчивость к высоким температурам, что можно объяснить отжигом крахмальных гранул, вследствие чего распад крахмала на более мелкие единицы практически невозможен. а-Амилазный-12 крахмал проявил неустойчивость к температуре при 100 и 150 °C, а |3-амилазный-12 - при 150 °C.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке продуктов функционального назначения. Резистентные к действию ферментов амилолитического ряда крахмалы рассматриваются также как компонент функционального питания [3, 29, 116]. В связи с этим была исследована ферментная устойчивость крахмалов, для чего были выбраны амилолитические ферменты: а- и (3-амилаза. Механизм действия а-амилазы: гидролизует внутренние а-1,4-гликозидные связи крахмала. Механизм действия р-амилазы (экзоамилаза): гидролизует внешние а-1,4-гликозидные связи крахмала.

При воздействии а-амилазы на крахмалы наибольшая концентрация глюкозы наблюдалась уже через 20 мин: при тестировании как нативного крахмала (12,4 мг глюкозы/ мл), так и химически модифицированных - оксиамильного ОПВ-1 и набухающего, однако на меньшем абсолютном уровне (3 и 6 мг глюкозы/ мл соответственно) (рис. 4.5 а). В случае гидролизованного крахмала наибольшая концентрация глюкозы наблюдалась через 40 мин эксперимента и составляла 7 мг/ мл.

—А—Гидролизованный —•—Набухающий по ТУ

а

  • —X— Альфа-амилазный-12
  • —Ж— Бета-амилазный-12

Рис. 4.5. Устойчивость химически модифицированных (а) и ферментированных (б) крахмалов к действию а-амилазы

Ферментированные 8-часовые крахмалы проявили большую устойчивость к действию эндоамилазы по сравнению с 12-часовыми образцами, причем а-амилазный-8 крахмал проявил себя как наиболее устойчивый к действию а-амилазы среди изученных ферментированных крахмалов (рис. 4.5 б). Это может быть обусловлено исчерпанием высокодоступных для а-амилазы эндо-а-1,4-гликозидных связей, разорванных в процессе биотехнологической обработки. Низкая устойчивость а-амилазного-12 и р-амилазного-12 крахмалов, видимо, обусловлена снижением их молекулярной массы во время получения и, как следствие этого, высокой доступностью гликозидных связей действию амилаз.

При воздействии Р-амилазы на крахмалы наибольшая концентрация глюкозы отмечалась через 20 мин в случае гидролизованного (10,6 мг глюкозы/ мл) и нативного крахмалов (9,5 мг глюкозы/ мл) (рис. 4.5 а). Наименьшую доступность внешних а-1,4-гликозидных связей наблюдали в случае набухающего и оксиамильного крахмалов: концентрация глюкозы составила 3 и 5 мг/мл соответственно. Таким образом, среди химически модифицированных крахмалов самым устойчивым к действию амилолитических ферментов был оксиамильный крахмал, что может свидетельствовать о меньшей биодоступности как внешних, так и внутренних а-1,4-гликозидных связей данного полисахарида.

Устойчивость химически модифицированных (а) и ферментированных (б) крахмалов к действию Р-амилазы

Рис. 4.6. Устойчивость химически модифицированных (а) и ферментированных (б) крахмалов к действию Р-амилазы

Исследование устойчивости ферментированных крахмалов к действию экзоамилазы выявило большую устойчивость

  • —А— Бета-амилазный-8
  • —X— Альфа-амилазный-12
  • —Ж— Бета-амилазный-12

ферментированных 8-часовых крахмалов (рис. 4.6 б). Менее устойчивыми оказались 12-часовые крахмалы, что свидетельствует о доступности концевых частей данных крахмальных цепочек к действию р-амилазы. Однако необходимо отметить, что изучаемые виды ферментированных крахмалов были более устойчивыми к действию р-амилазы по сравнению с нативным и гидролизованным крахмалами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >