Тема 6: Применение крахмалов в пищевой промышленности

План:

1. Производство глюкозы, патоки из крахмалов методом кислотного и ферментативного гидролиза.

2. Основные функциональные свойства крахмалопродуктов.

3. Применения крахмалов в пищевой промышленности

1.

Крахмалопаточная промышленность вырабатывает крахмалопродукты более сотни наименований. К крахмалопродуктам, используемым для пищевых целей, относятся: саго искусственное, модифицированные крахмалы, сахаристые гидролизаты крахмала — крахмальная патока, глюкоза и т. д.

Саго выпускают трех видов: натуральное — получают из сердцевины саговых пальм; искусственное — из картофельного и кукурузного крахмала высшего и 1-го сортов; саго-тапиока — из крахмала корней маниоки.

Саго имеет нежный вкус и хорошо усваивается. Из него готовят каши, начинки и др. Выпускают искусственное саго с зернами диаметром (в мм): мелкое — от 1,5 до 2,1 и крупное — от 2,1 до 3,1. Крупного саго в мелком и мелкого в крупном допускается не более 10%.

По качеству саго делят на высший и 1-й сорта. Саго высшего сорта из картофельного крахмала матово-белое, 1-го сорта может иметь сероватый оттенок. Саго из кукурузного крахмала имеет желтоватый оттенок. В саго не допускаются посторонние привкусы, запахи, хруст при кулинарной пробе. Нормируются влажность (картофельного саго — не более 16%, кукурузного — не более 13%), зольность,, кислотность, набухаемость саго, содержание в нем мелочи (частичек менее 1,4 мм).

Упаковывают саго в мешки массой по 50 кг или фасуют в мелкую тару.

Модифицированный крахмал — с направленно измененными свойствами, бывает следующих разновидностей.

Патока продукт неполного кислотного или ферментативного гидролиза крахмала. Это густая, вязкая, бесцветная или с желтоватым оттенком жидкость сладковатого вкуса. Используется только для промышленной переработки как антикристаллизатор сахарозы, повышает вязкость сиропов, задерживает черствение и высыхание хлеба и пряников, уменьшает сладость. Патоку также используют при приготовлении карамели, халвы, варенья, ликеров.

Крахмальную патоку вырабатывают из злакового и картофельного крахмала. Представляет собой сладкую, очень густую и вязкую жидкость, бесцветную с желтоватым оттенком. Вырабатывают патоку кислотного гидролиза (гидролиз крахмала под действием соляной кислоты при избыточном давлении и температуре около 140 °С) и патоку ферментативного гидролиза (гидролиз под действием ферментов проросших зерен злаковых культур, плесневых грибов и бактерий при температуре около 60 °С). Используют патоку в основном в кондитерском производстве.

Крахмал является ценным питательным продуктом. Чтобы облегчить его усвоение, содержащие крахмал продукты подвергают действию высокой температуры, то есть картофель варят, хлеб пекут. В этих условиях происходит частичный гидролиз крахмала и образуются декстрины, растворимые в воде. Декстрины в пищеварительном тракте подвергаются дальнейшему гидролизу до глюкозы, которая усваивается организмом. Избыток глюкозы превращается в гликоген (животный крахмал). Состав гликогена такой же, как у крахмала, - (C₆H₁₀O₅)n, но его молекулы более разветвленные. Особенно много гликогена содержится в печени (до 10%). В организме гликоген является резервным веществом, которое превращается в глюкозу по мере ее расходования в клетках.

Мальтодекстрины относятся к продуктам ферментативного гидролиза крахмала. Они представляют собой полимеры, молекула которых составлена из пяти—десяти глюкозных остатков. Мальтодекстрины не имеют вкуса и запаха, при концентрации свыше 30% образуют вязкие растворы, способные замедлять кристаллизацию. Их используют при производстве пищевых продуктов в качестве наполнителей, как добавку при выработке мороженого, кремов.

Глюкоза — продукт полного гидролиза крахмала. Вырабатывают глюкозу кристаллическую, медицинскую, пищевую, техническую. Используют при производстве детских кондитерских изделий, напитков, мороженого.

Гидролиз углеводов – это процесс взаимодействия сложных углеводов с молекулами воды в присутствие кислот или ферментов. В результате гидролиза происходит разрыв гликозидных связей и разложение сложных углеводов на более простые.

Гидролиз зависит от следующих факторов: рН среды, температуры, строения углевода, фермента.

Гидролиз крахмала протекает по схеме:

(С₆Н₁₀О₅)_n + (С₆Н₁₀О₅)_х = С₁₂Н₂₂О₁₁ + С₆Н₁₂О₆

крахмал декстрины мальтоза глюкоза

Катализатор: минеральные кислоты, ферменты (амилаза, глюкоамилаза и др.). Реакция идет при нагревании.

2.

В отличие от нативных растительных крахмалов, считающихся пищевыми продуктами, модифицированные крахмалы (Е1400 – Е1451) относятся к пищевым добавкам. В эту группу пищевых добавок объединены продукты фракционирования, деструкции и различных модификаций нативных растительных крахмалов, представляющих собой преимущественно смесь фракций гомоглюканов (полимеров глюкозы) линейного и разветвленного строения – амилозы и амилопектина.

Особенности химического строения и свойств основных фракций крахмала, а также их соотношение в нативном крахмале, зависящее от вида растительного источника (картофель, рис, кукуруза и т. п.), определяют основное тех­нологическое свойство нативного крахмала - способность растворяться при нагревании в воде с образованием вязких коллоидных растворов (клейстеров). Однако свойства таких клейстеров часто не соответствуют необходимым требованиям; например, нативные кукурузные крахмалы образуют слабые, резинподобные клейстеры и нежелательные гели в процессе термической обработки.

Типичным для клейстеров, образо­ванных нативными крахмалами, является также процесс синерезиса - сокращение объема с выделением жидкой фазы в результате само­произвольного уплотнения структурной сетки.

Различные способы обработки (физические, химические, биологи­ческие) нативных крахмалов позволяют существенно изменить их стро­ение, что отражается на растворимости и свойствах клейстеров, напри­мер, их устойчивости к нагреванию, воздействию кислот и т. п.

Реакционноспособными центрами в полимерных молекулах крахма­лов являются:

а) гидроксильные группы глюкозных структурных единиц, активность которых по отношению к химическим реагентам изменяется в ряду: ОН при С₆ > ОН при С₂ > ОН при С₃;

б) α-гликозидные связи, соединяющие глюкозные структурные единицы в полимерные цепи;

в) концевые остатки D-глюкопираноз, обладающие восстанавливающей способностью.

По изменениям, происходящим в нативных крахмалах, можно выде­лить четыре основных типа модификаций, позволяющих путем физических или химических воздействий получить различные виды модифици­рованных крахмалов (табл. 1).

Таблица 1 – Основные виды модифицированных крахмалов

Тип модификации	Основные группы	Основные подгруппы
Набухание	Набухающие крахмалы	Растворимые в холодной воде (инстант-крахмалы), полученные: - вальцовой сушкой; - экструзией Набухающие в холодной воде
Деполимеризация	Расщепленные крахмалы	Декстрины Гидролизованные кислотами Гидролизованные ферментами Окисленные
Стабилизация	Стабилизированные крахмалы	Со сложной эфирной связью: - ацетилированные; - фосфатные С простой эфирной связью - оксиалкильные
Поперечное сшивание полимерных цепей	Сшитые крахмалы	Сшитые: - хлорокисью фосфора; - эпихлоргидрином; - адипиновой кислотой

Набухающие крахмалы. Инстант-крахмалы, т. е. крахмалы, способные растворяться в холодной воде, получают путем физических превращений, не вызывающих существенной деструкции крахмальных молекул. В общем случае их получают нагреванием крахмальной суспен­зии в условиях, обеспечивающих быструю клейстеризацию и последую­щее высушивание клейстера, в связи, с чем эти крахмалы называют также преклейстерными. Такие условия достигаются при вальцовой сушке или экструзии.

Инстант-крахмалы используются, например, в пудингах быстрого приготовления.

Крахмалы, набухающие в холодной воде, получают термообработкой нативного кукурузного крахмала в 75 - 90%-м этаноле при температуре 150 -175°С в течение 1,5— 2,0 ч, или высушиванием крах­мальной суспензии в распылительной сушилке.

Основой для получения растворимых и набухающих крахмалов могут служить как нативные, так и химически модифицированные. В послед­нем случае получаемые набухающие крахмалы сохраняют свойства, достиг­нутые при химической модификации, например, проявляют устойчивость в кислой среде, стабильность в циклах замерзания и оттаивания.

Способность крахмалов набухать в холодной воде без дополнитель­ного нагревания используют в технологии различных десертов, желей­ного мармелада, сдобного теста, содержащего ягоды, которые в отсут­ствие стабилизатора оседают на дно до начала выпечки.

Расщепленные крахмалы. Они представляют собой продукты, имею­щие, вследствие физических или химических воздействий, более корот­кие (по сравнению с нативными крахмалами) молекулярные цепи. К этой группе относятся декстрины, продукты кислотного или ферментативно­го гидролиза, а также окисленные крахмалы.

Декстрины (Е1400) получают при сухом нагревании нативных крахмалов в присутствии кислотных катализаторов или без них. В за­висимости от условий термообработки образуются белые или желтые декстрины.

Гидролизованные крахмалы получают обработкой крахмальных суспензий растворами кислот или гидролитических ферментов амилаз. Состав и свойства таких крахмалов зависят от условий гидролиза. Основная область использования этих крахмалов - кондитерские изделия: пастила и желе, жевательные резинки.

Состав и свойства окисленных крахмалов определяются вы­бором окислителей, в качестве которых могут использоваться Н₂О₂, KMnO₄, HСlO₃ и некоторые другие. Как и кислоты, окисляющие агенты приводят к образованию крахмалов с более короткими молеку­лярными цепями.

Их используют для стабилизации мороженого, при производстве мар­меладов, лукума, а также в хлебопечении. Разбавленные растворы высо­коокисленных крахмалов сохраняют прозрачность в течение длитель­ного хранения, что делает их ценными добавками при приготовлении прозрачных супов.

Стабилизированные крахмалы. Они представляют собой продукты хи­мической модификации монофункциональными реагентами с образо­ванием по гидроксильным группам производных с простой или слож­ной эфирной связью. Такие производные, несмотря на невысокую сте­пень замещения гидроксильных групп (0,002-0,2), отличаются от нативных крахмалов значительно меньшей склонностью к межмолекулярным ассоциациям и получили название стабилизированных.

Сложные эфиры крахмалов получают реакцией этерификации меж­ду спиртовыми группами молекул крахмала и ацилирующими или фосфорилирующим и агентами. В качестве ацилирующих агентов обыч­но используют ангидриды карбоновых кислот.

При получении эфира крахмала и натриевой соли октенилянтарной кислоты процесс осуществляют в две стадии. Первоначально в молекулу янтарной кислоты вводят углеводородный радикал с образованием 1-октенилпроизводного, которое затем взаимодействует с молекулой крахмала, что приводит к образованию моноэфира с низкой степенью замещения гидроксильных групп.

Введение в молекулу крахмала углеводородных (алкенильных) фрагмен­тов сопровождается возникновением разделенных между собой гидрофоб­ных участков. Вследствие этого такие молекулы становятся поверхностно-активными и приобретают способность, концентрируясь на границах раздела фаз, образовывать, а также стабилизировать (благодаря полимерному строению) различные дисперсные системы, в частности эмульсии.

Простые эфиры крахмалов для пищевых целей получают взаимодействием нативного крахмала с окисью пропилена до степени замещения гидроксильных групп, соответствующей 0,02—0,2. По своим свойствам гидроксипропилкрахмалы (Е1440) аналогичны ацетилированным модификациям, имеют пониженную температуру гелеобразования, повышенную прозрачность клейстеров, такую же устойчивость к ретроградации.

Сшитые крахмалы. Большинство модифицированных пищевых крах­малов относится к подгруппе сшитых. Поперечное сшивание отдельных крахмальных молекул между собой происходит в результате взаимодей­ствия их гидроксильных групп с бифункциональными реагентами.

Для пищевых целей используют, главным образом, три вида межмо­лекулярно-сшитых крахмалов — дикрахмальные эфиры фосфорной и адипиновой кислот, а также дикрахмалглицерины.

В большинстве сшитых пищевых крахмалов содержится не более од­ной поперечной связи на каждую тысячу глюкопиранозных остатков, что оказывается достаточным для значительного изменения свойств модифи­цированных крахмалов но сравнению с исходными. Крахмалы этой под­группы имеют пониженную скорость набухания и клейстеризации, что создает эффект пролонгированного действия. Клейстеры поперечно-сши­тых крахмалов являются более вязкими, имеют «короткую» текстуру, устойчивы к различным внешним воздействиям - высоким температурам, длительному нагреванию, низким рН, механическим нагрузкам.

Устойчивость к подкислению и физическим воздействиям пропорциональны количеству поперечных связей.

Благодаря таким свойствам, сшитые крахмалы особенно эффективны, в пищевых технологиях, включающих продолжительную термическую обработку, интенсивные механические воздействия, а также в тех­нологиях, где требуется пролонгирование процессов набухания крахмаль­ных гранул, повышения вязкости и формирования текстуры. К таким технологиям относятся: получение экструдированных продуктов, кон­сервирование методом стерилизации, различные выпечки (например, вы­печка открытых пирогов с фруктовыми начинками), производство кон­сервированных супов и т.п.

3.

Традиционными влагосвязывающими добавками, связывающими влагу самосто­ятельно, но не влияющими на влагосвязывающую способность белков, в мясо- и ры­боперерабатывающей промышленности являются различные виды крахмала.

Нативные крахмалы характеризуются более высокой влагосвязывающей спо­собностью, чем мука. По своей химической природе это полисахариды: линейные (амилоза) и разветвленные (амилопектин). При нагревании крахмальной суспензии до 45-50 °С начинается процесс клейстеризации: крахмальные зерна начинают впи­тывать воду и набухать. Величина предельного набухания для разных крахмалов различна (табл. 2). При этом возрастает вязкость суспензии, при дальнейшем нагре­вании амилоза растворяется и образует гель. При остывании структура геля сохра­няется.

Таблица 2 – Характеристики различных видов крахмала

Нативные крахмалы образуют коллоидные структуры, склонные к синерезису и неустойчивые как к высоким, так и к низким температурам, к кислым средам, при­сутствию солей. Высокоамилозные крахмалы (кукурузный, пшеничный, картофельный) образуют хрупкие гели; крахмалы с высоким содержанием амилопектина (тапиоковый и из восковой кукурузы) — клейкие вязкие гели.

Путем химической или физической модификации крахмала можно добиться: понижения или повышения температуры его клейстеризации; понижения или по­вышения вязкости клейстера; повышения растворимости в холодной воде; появле­ния эмульгирующих свойств; устойчивости к синерезису, кислотам, высоким темпе­ратурам, циклам оттаивания/замораживания; снижения склонности к ретроградации.

С целью химической модификации свойств нативные крахмалы ацетилируют, фосфатируют, оксипропилируют, подвергают сшивке.

Благодаря ацетилированию старение крахмала замедляется, но он становится менее стойким в отношении нагревания, механического воздействия и кислот, поэтому пищевые продукты с ацетатными крахмалами Е1420, Е1421 нель­зя стерилизовать. Ацетилированные сшитые крахмалы Е1414, Е1422, Е1423 приме­няют везде, где может использоваться обычный крахмал.

В противоположность ацетилированному крахмалу оксипропилированные крахмалы Е1440, Е1442, Е1443 устойчивы при варке и стерилизации.

Высокоамилозные крахмалы, модифи­цированные оксипропилированием и поперечной сшивкой, образуют клейкие гели.

Сшитый Е 1442, кроме того, устойчив к надрезу, циклам замораживания/от­таивания и желирует. Поперечная сшивка также повышает прозрачность крахмаль­ных клейстеров.

Фосфатные крахмалы обеспечивают получение консистенции, более стойкой к ретроградации — Е1410; к воздействию температуры, кислот и надрезу — Е1412; к циклам замораживания/оттаивания — Е1413. Вследствие эте-рификации октенилянтарной кислотой крахмал Е1450 приобретает эмульгирую­щие и пеностабилизирующие свойства.

К наиболее популярным при переработке мяса модифицированным крахмалам относятся прежелатинизированные. Эти крахмалы набухают в холодной воде и об­разуют гель при более низкой температуре, чем нативные. Их получают высушива­нием дисперсии нативного или модифицированного крахмала на барабанной су­шилке, методом распылительной сушки или экструзией.