ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КРАХМАЛА В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Основано на материале статьи: Applications of modified starch in food, Conference: 3rd international congress on engineering, April 2021

#POPOVER1#Крахмал#/POPOVER# является одним из основных соединений злаков, обладающих ценными технологическими свойствами. Он также является самым распространенным углеводом и основным источником углерода и энергии в растениях. Крахмальная цепочка включает молекулы глюкозы в растении, которая образуется после фотосинтеза. Крахмал образован двумя типами полимеров: #POPOVER2#амилозой#/POPOVER# и #POPOVER3#амилопектином#/POPOVER#.

Амилоза представляет собой линейную цепь с α 1,4 глюканами с ограниченными точками разветвления и составляет от 20% от общего количества крахмала. Амилопектин состоит из глюкозных единиц с α-1,4 гликозидными связями и сильно разветвлен на α 1,6 позиции небольшими глюкозными цепочками и составляет от 75% обычного крахмала. 

Модификация крахмала

Крахмал редко потребляется в своей первоначальной нативной форме. Большинство нативных крахмалов ограничены в своем прямом применении, поскольку они нестабильны при изменении температуры, pH и сдвиговых сил. Нативные крахмалы имеют тенденцию к #POPOVER4#ретроградации#/POPOVER# и разложению. Также они нерастворимы в воде, устойчивы к ферментативному гидролизу и теряют свои функциональные свойства. Нативные крахмалы модифицируются для развития их специфических свойств, таких как растворимость, текстура, устойчивость к температурам нагрева, используемым в промышленных процессах, и #POPOVER5#адгезия#/POPOVER#.

Было разработано несколько методов получения модифицированных крахмалов с различными характеристиками и применением. Все эти методы изменяют полимер крахмала, делая его более гибким и обладающим лучшими физико-химическими свойствами. Модификации крахмала в основном включают физические и химические методы.

Физическая модификация крахмала

Физические модификации крахмала изменяют размер гранул крахмала и улучшают его растворимость в воде. Физические методы обработки нативного крахмала включают различные комбинации влажности, давления, сдвига, температуры и облучения. Этот тип модификации прост, безопасен и дешев. Эти методы не требуют применения химических или биологических агентов, поэтому они предпочтительны для потребления человеком. Некоторые распространенные методы физической модификации крахмала объясняются следующим образом:

Прежелатинизированный крахмал (PGS)

Предварительно желатинизированный крахмал (PGS) - это крахмал, прошедший процесс приготовления до полной желатинизации и сушки с помощью барабанной сушки, распылительной сушки или экструзии. Основным объектом этой обработки является повреждение структуры гранул. Основными свойствами PGS являются повышение способности к набуханию и растворимости, а также дисперсии в холодной воде.

Функции PGS зависят от условий сушки и источника крахмала. Он в основном используется в детском питании, супах и десертах в качестве загустителя для образования паст и растворения в холодной воде.

Нетермическая физическая модификация

Традиционная тепловая обработка приводит к потере витаминов, питательных веществ и изменяет органолептические свойства пищевых продуктов. Нетермические модификации являются желательной альтернативой традиционным процессам. Нетермические методы включают использование высокого давления, ультразвука, микроволн и электрических импульсов. Технология высокого давления в пищевой промышленности предполагает применение давления от 400 до 900 МПа. Высокое давление обычно ограничивает способность к набуханию и увеличивает вязкость пасты.

Некоторые другие технологии используют более низкое давление, например, состояние плазмы для модификации гранул крахмала. #POPOVER6#Плазма#/POPOVER# - это ионизированный газ с активными ионными видами: возбужденными атомами, протонами, электронами и ионами. Обычно используются такие газы, как этилен, водород, кислород, метан или аргон в состоянии плазмы.

#POPOVER7#Ультразвук#/POPOVER# также является физическим методом модификации крахмала. Эта обработка используется для приостановки крахмала, который ранее прошел желатинизацию. Ультразвук воздействует на аморфные гранулы, сохраняя их форму и размер. При этом изменяются такие свойства крахмала, как набухаемость, растворимость и вязкость пасты. Этот метод модификации зависит от звука, частоты, температуры и времени процесса.

Химическая модификация крахмала

Химическая модификация - это метод изменения функциональных групп крахмала без каких-либо изменений в размере и распределении гранул. Химические модификации вносят значительные изменения в поведение крахмала, способность к желатинизации, ретроградации и свойства пасты. В пищевой промышленности требуются различные свойства крахмала, которые улучшаются с помощью химических модификаций, как указано ниже:

Сшитый крахмал

Сшивание - это соединение линейных или разветвленных цепей. Используемые реагенты образуют эфирные или сложноэфирные связи с гидроксильными группами в молекулах крахмала. Такая модификация увеличивает жесткость крахмала, образуя трехмерную сеть. Сшивание в крахмале повышает #POPOVER8#степень полимеризации#/POPOVER# и молекулярную массу; молекулы крахмала теряют растворимость в воде и становятся растворимыми в органических растворителях. В зависимости от реагента, используемого для сшивания, конечный продукт классифицируется как монокрахмал и фосфат дистарха и фосфатированный фосфат дистарха (комбинация обработки фосфатов монокрахмала и дистарха).

Ацетилированный крахмал

Ацетилирование - это модификация молекул крахмала посредством функциональных ацетилированных групп (CH₃CO), которые реагируют со свободными гидроксильными группами в разветвленных цепях крахмального полимера с образованием специфического сложного эфира. Ацетилирование является более распространенным методом химической модификации, приводящим к этерификации нативного крахмала с использованием реактивных реагентов, таких как безводная уксусная кислота, винилацетат в присутствии щелочного катализатора. Введение ацетильных групп снижает устойчивость связей между молекулами крахмала. Ацетилированный крахмал увеличивает набухаемость и растворимость по сравнению с нативным крахмалом. Наличие водородных связей в ацетилированном крахмале ограничено из-за электростатических сил отталкивания на молекуле крахмала. В ацетилированном крахмале гидроксильные группы и безводная глюкоза преобразованы в ацетилированные группы. Ацетилированный крахмал имеет ряд применений в конформных пленках, адгезивах, загустителях, стабилизаторах, текстурирующих и инкапсулирующих агентах. В таблице 1 представлены некоторые физико-химические модификации крахмала в пищевой промышленности.

Таблица 1. Физико-химические модификации крахмала в пищевой промышленности.

Применение модифицированного крахмала в пищевой промышленности

Модифицированный крахмал может выполнять множество функций, таких как загущение, желирование, эмульгирование и т.д. Конкретное применение крахмала для того или иного продукта определяет тип модифицированного крахмала. Производители продуктов питания хотят, чтобы они имели желаемую текстуру, внешний вид, вкус и маркировку, а также были устойчивы к нагреванию, кислоте и сдвигу при обработке. Способ распределения продуктов питания также важен в отношении выбора основы и количества стабилизации. Ниже рассматривается применение модифицированного крахмала в некоторых отраслях пищевой промышленности:

Консервированные продукты

Модифицированный крахмал чаще всего используется для загущения, стабилизации и улучшения вкусовых качеств консервированных продуктов. Он также используется для повышения вязкости во время розлива для уменьшения количества взвешенных частиц и контроля разбрызгивания. Сшитые крахмалы используются для загущения многих консервированных продуктов, например, восковой кукурузный крахмал. Консервные крахмалы содержат различные уровни монозамещения в зависимости от стабильности и пищевой текстуры продукта. Модифицированные по вязкости крахмалы с монозамещением или без него, или с кислотным разжижением, оба усиливают расщепление. Они обеспечивают высокую начальную вязкость для суспендирования твердых частиц в процессе наполнения, но затем разрушаются, обеспечивая хорошее проникновение тепла.

Хлебобулочные изделия

Хлебобулочные изделия, содержащие модифицированный крахмал в качестве функционального ингредиента, включают в себя рецептуры тортов, глазури и начинки. Прежелатинизированный крахмал используется в смесях для тортов, чтобы смягчить торт и сохранить влагу в выпечке. Они также используются для обеспечения удобства. Прежелатинизированные крахмалы также используются в печенье для контроля размазывания. Пленкообразующие крахмалы добавляются в смеси для глазури для обеспечения привлекательного покрытия, защиты от влаги и снижения липкости. В качестве крахмала используются декстрины, стабилизированные гидролизаты и мальтодекстрины. Они также обеспечивают устойчивость к выкипанию во время выпечки и устойчивость к выпотеванию во время распределения. Прежелатинизированные дериватизированные крахмалы иногда используются, чтобы избежать затрат на нагрев и охлаждение начинок в хлебобулочных изделиях.

Замороженные продукты питания

Модифицированный крахмал используется в замороженных продуктах по той же причине, по которой он используется в охлажденных или консервированных продуктах, как правило, для загущения, термостабильности и контроля потока в целевом продукте. Замораживание усиливает синерезис в пищевой системе Замораживание предъявляет требования к стабильности, превосходящие другие формы распределения. Стабильность крахмала имеет решающее значение для стабильности замороженных продуктов. Модифицированный крахмал используется в замороженных продуктах в кляре для обеспечения лучшей адгезии и снижения захвата масла при жарке, а также для улучшения хрустящей корочки после восстановления в духовке или микроволновой печи. Окисленные крахмалы используются для улучшения адгезии, предположительно из-за ковалентной связи с белком на поверхности субстрата. Высокоамилозные крахмалы и мука предпочтительны для хрустящей корочки. Предварительно обработанный высокоамилозный крахмал также используется для повышения хрустящей корочки панировки.

Заправки для салатов

Заправки для салатов, приготовленные горячим способом, обычно изготавливаются путем варки крахмала, уксуса, соли, сахара и воды до состояния пасты и последующего охлаждения пасты. Масло добавляется в последнюю очередь, обычно вместе с яичными желтками, белками или другими эмульгаторами. Более стабильная эмульсия получается, если пропустить всю смесь через коллоидную мельницу - процесс с очень высоким сдвигом. Приправы, приготовленные холодным способом, проходят аналогичный процесс, но без нагревания. Чаще всего холодным способом изготавливаются пастообразные повязки. Модифицированный крахмал используется в повязках для загущения и стабилизации повязки, а также для обеспечения желаемой текучести. Из-за низкого pH, высоких температур и сильного сдвига, использование в повязках для приготовления требует, чтобы крахмал был сильно сшитым. Модифицированные продукты из воскового кукурузного крахмала сами по себе более типичны для повязок в упаковке. Картофельный и тапиоковый модифицированные крахмалы не были успешны в этом применении из-за их большей восприимчивость к кислоте и сдвигу. В повязках со сниженным содержанием жира и с заменой жира обычно используется более высокостабилизированный, сшитый восковой кукурузный крахмал.

Детское питание

Модифицированный крахмал используется в ретортированных продуктах детского питания для загущения и придания короткой текстуры. В дополнение к высокой температурной стабильности, десертные продукты на основе фруктов требуют устойчивости к низкому pH и стабильности. Соответственно, в этом чувствительном продукте предпочтение отдается сшитым ацетилированным крахмалам восковой кукурузы и тапиоки. Продукты из крахмала тапиоки предпочитают из-за вкуса и потому, что они считаются более полезными для здоровья детей.

Напитки

Эмульсия для напитков - это концентрат с добавлением сахара и газированной воды. Эмульсия "масло в воде" придает вкус, а также непрозрачность таким продуктам, как апельсиновая содовая. Модифицированный крахмал используется для стабилизации этих эмульсий и предотвращения кремообразования (разделения фаз), осаждения и потери вкуса. Концентрат изготавливается путем гомогенизации масел с равным количеством солюбилизированного крахмала, лимонной кислоты, бензоата натрия и, по желанию, красителя. Для получения тонкой эмульсии необходим модифицированный крахмал для улучшения физических и вкусовых свойств.

Заключение и будущие тенденции

Крахмал играет важную роль в пищевой промышленности не только благодаря своей питательной ценности, но и благодаря ценным технологическим функциям. Крахмал редко потребляется в натуральном виде из-за ограниченной растворимости в воде, термостойкости, желатинизации и т.д., что ограничивает его промышленное применение. Процессы модификации могут значительно улучшить характеристики нативного крахмала за счет улучшения физико-химических свойств и структурных характеристик, а также повышения технологической ценности. Характеристики крахмала зависят от используемой модификации и необходимы для его применения в промышленности; они включают растворимость в холодной воде, вязкость и способность к набуханию после варки, склонность к ретроградации, потерю структурного порядка после желатинизации и последующий синерезис систем, конформированных крахмалом. Индустрия модификации крахмала постоянно развивается. Крахмал является очень гибким полимером, и существует несколько способов модификации его структуры и получения функционального продукта с желаемыми свойствами для конкретных промышленных применений и повышения его добавленной стоимости.