1.1 Крохмаль

Крохмаль є кінцевим продуктом асиміляції вуглецю рослинами, їхньою резервною поживною речовиною. Найбільше його накопичується у зерні злакових, бульбах і корінні багатьох рослин, які є джерелами надходження продукту в організм людини і сировиною для виділення товарного крохмалю.

Виробництво крохмалю з пшениці було відоме ще у Стародавній Греції і Римі. Мануфактурне виготовлення пшеничного крохмалю в Європі освоєно в XVI ст., а картопляного — в XVII ст. Після відкриття в 1811 р. акад. К. Кірхгофом реакції кислотного гідролізу крохмалю частина його пішла на виготовлення крохмальної патоки і глюкози. В 1842 р. у Північній Америці розробили спосіб одержання крохмалю з кукурудзи.

Близько 2,45 млн т або 72 % світового випуску крохмалю забезпечує ЄС. Картопляний крохмаль отримують із спеціальних сортів картоплі з вмістом крохмалю 17—20 %.

У багатьох країнах цукор у щоденному раціоні харчування активно замінюється цукристими продуктами, які виробляються з рослинної крохмалевмісної сировини.

Світове виробництво крохмалю і крохмалепродуктів за останнє десятиліття подвоїлося і на даний час складає близько 60 млн т, у тому числі у США 36 млн т, а країнах Євросою-зу — 9 млн т. З кукурудзи виробляють 45 млн т (74 %), з мані-оки і пшениці — 6 і 4,8 млн т (10 і 8 %), а з картоплі близько 4,2 млн т (7 %).

Асортимент крохмалю в різних країнах базується на місцевих видах крохмалевмісної сировини. У країнах Євросоюзу кукурудзяного крохмалю виготовляють 4,5 млн т (50 %), пшеничного — 2,43 млн т (27 %), картопляного — 2,07 млн т (23 %).

Основна кількість крохмалю та крохмалепродуктів припадає на США, Канаду, Японію, Таїланд, Німеччину, Францію, Данію і Голландію. У цих країнах виробництво крохмалю на одну особу становить понад 20 кг. У США крохмалю і цукристих продуктів

із нього виробляється 50 кг на одну особу в рік, а в решта згаданих країн — понад 20 кг, в Україні — близько 1 кг на рік.

За останні роки в Європі намітилась тенденція збільшення виробництва і споживання крохмалю, що зумовлено зростанням попиту на модифікований крохмаль. Основна частка приросту припадає на пшеничний крохмаль. Щорічне світове виробництво глюкозо-фруктозного сиропу складає 14—15 млн т, більша частина якого припадає на США.

Крохмаль використовують у кулінарії, для виготовлення кондитерських виробів, окремих видів ковбас, концентратів, у побуті, у харчовій, фармацевтичній, текстильній, паперовій, шкіряній та інших галузях промисловості. З крохмалю одержують різні види модифікованого крохмалю, саго, патоку, глюкозу, глюкозо-фруктозний сироп.

Крохмаль природний (С6Н10О5)п - поліцукрид, який характеризується однорідністю складу, з наявністю домішок білка від 0,1 (картопляний) до 1 % (кукурудзяний), мінеральних речовин 0,21 % (залежно від сорту і виду), жиру до 0,6 % (кукурудзяний). Енергетична цінність 100 г крохмалю картопляного, вологість якого 20%, становить 299 ккал (1251 кДж), а кукурудзяного — вологістю 13 % — 329 ккал (1377 кДж).

Крохмаль складається з a-D-ангідроглюкозних залишків у формі а-амілози (20—30 %) і амілопектину (70—80 %). а-Амілоза міститься у вигляді довгих нерозгалужених ланцюгів, зв'язаних між собою a (1 —> 4) — зв'язками. Молекулярна маса її залежить від виду крохмалю і може бути від 2000 до 500 000. Вона утворює в гарячій воді гідратовані міцели низької в'язкості, в яких скручена у спіраль, а з йодом дає синє забарвлення. Завдяки впорядкованій структурі амілоза утворює еластичні плівки.

Амілопектин має сильно розгалужені ланцюги, кожний з яких містить у середньому по 12 залишків глюкози, і точки розгалуження утворюються переважно у кожного 12-го залишку. Загальна кількість глюкопіранозних ланцюгів у молекулі амілопектину значно більша, ніж у a-амілози, і може досягати 6000, а його молекулярна маса 1 млн. Частка амілопектину складає 70—83 %, а в зернах восковидної кукурудзи досягає 100 %. У гарячій воді він набрякає і утворює колоїдні розчини великої в'язкості, які з йодом забарвлюються у червоно-фіолетовий колір.

Крохмаль діє як функціональний полімер, зумовлює гелеутво-рення, підвищує в'язкість і утримує воду. Він має напівкристалі-чну структуру.

4

5

У рослинах крохмаль міститься у вигляді мікроскопічних зерен кристалічної структури різних розмірів і будови залежно від їх виду (рис. 1.1). Під мікроскопом помітна шаруватість зерен крохмалю, в центрі «вічко», навколо якого вони виросли, а також тріщини або борозенки. Внаслідок аналізу рентгенографічних спектрів в середині зерен крохмалю виявлена кристалічна решітка.

Рис. 1.1. Зернятка крохмалю під мікроскопом:

1 — картопляного; 2 — кукурудзяного;

З — пшеничного; 4 — рисового

Густина повітряно-сухого крохмалю картопляного складає 1500—1503 кг/м³, а кукурудзяного 1528—1530 кг/м³. Насипна маса їм³ картопляного крохмалю вологістю 20 % у холодному стані рівна 650 кг.

Цілі крохмальні зерна нерозчинені у воді за кімнатної температури і слабкому нагріванні. Вони характеризуються високою адсорбційною здатністю і максимальна вологість окремих видів крохмалю складає, %: рисового — 26,5* кукурудзяного 28,0, пшеничного— 30,5, картопляного 33,8. Внаслідок цього об'єм крохмалю зростає на 84,6—94,3 %. Разом з тим зменшення вологості картопляного крохмалю нижче 10—13%, а зернового — нижче 3—5 % суттєво впливає на температуру його набрякання і в'язкість клейстерів. Короткочасні зсувні і кавітаційні дії на водні дисперсії крохмалю вважаються засобом підвищення його здатності до набухання і структуроутворення. Механічний обробіток крохмалю у водному середовищі розробники пропонують для управління властивостями крохмалю у технологіях його переробки в екологічно чисті біорозкладальні матеріали конструкційного і функціонального призначення.

Сухі зерна крохмалю після термічного обробітку зберігають чітко виражений контур і за зовнішніми ознаками практично не відрізняються від зерен початкового крохмалю. Методом мікроскопічних досліджень порушень поверхні зерна і його форми не

виявлено. Як відомо, зерна природного крохмалю не розчиняються у воді, але декстринізація крохмалю приводить до значної екструзії поліцукридів з утворенням частинок, які легко переходять у розчинний стан. Із збільшенням тривалості термічного обробітку ступінь розчинності крохмалю підвищується. Мікрофотографії показують руйнування зерен крохмалю під час розчинення у воді. З підвищенням тривалості декстринізації від 30 до 90 хвилин ступінь руйнування зерен у воді збільшується внаслідок переходу частини зерна у розчин. Руйнування поверхневого шару супроводжується утворенням тріщин і порожнин у місцях розлому зерен. У зернах крохмалю є аморфні і кристалічні ділянки.

Клейстеризація крохмалю має місце під час нагрівання суспензії. Слідом за сильним набуханням, частина крохмалю клей-стеризується, проходить деструкція зерен і в розчин переходить амілоза, що сприяє зростанню в'язкості. Після повного розчинення амілози, поступово зерна крохмалю розрушуються і поліцукриди переходять у розчин. Середня температура клейстериза-ції крохмалю, °С, пшеничного— 61, картопляного— 63,5, кукурудзяного — 67, рисового — 74,5, високоамілозної кукурудзи—80.

Серед досліджених видів крохмалю кукурудзи, картоплі, ма-ніоки, маранти найбільшим ступенем набухання за температури 90 °С характеризувався картопляний крохмаль. Самим розчинним був крохмаль маніоки, тоді як найнижча розчинність характерна для крохмалю кукурудзи. Температура максимальної в'язкості в амілографі змінюється в діапазоні 52,2—81,0°С.

На температуру клейстеризації і властивості клейстерів суттєво впливають різні домішки. Цукроза гальмує набрякання крохмальних зерен у гарячій воді, стабілізує максимальну в'язкість клейстерів, але знижує міцність драглів. Збільшення концентрації іонів водню може прискорити процес деструкції молекул крохмалю, що послаблює консистенцію і в'язкість клейстерів. Використання твердої води, чи додавання в систему «крохмаль вода» різних солей суттєво впливають на в'язкість розчинів крохмалю під час набрякання. Так, клейстер картопляного крохмалю в присутності хлористого натрію (нижче 0,00001 моль/дм) має понижену в'язкість.

В'язкість клейстерів бульбових крохмалів найбільш висока, тоді як зернових значно нижча, а амілопектинового— середня. Моногліцериди жирних кислот підвищують стабільність клейстерів, сповільняють процес утворення драглів.

6

1**

7

Прозорість клейстерів залежить від присутності в системі домішок. Цукри збільшують її, а моностеарат гліцерину спричиняє каламуть. Знижують прозорість клейстеру білки, частинки клітковини або інших нерозчинних домішок.

Утворення крохмальних драглів наступає під час охолодження крохмальних клейстерів достатньо високої концентрації, внаслідок упорядкування структури. Властивості драглів і їх міцність залежать від виду крохмалю, тривалості і температури варіння клейстеру, інтенсивності перемішування, наявності домішок, умов охолодження тощо. Внаслідок утворення драглів розгалужені молекули амілопектину утруднюють процес упорядкування структури, а лінійні молекули амілози схильні швидко асоціювати, формувати міцели з упорядкованою структурою. Амілозні розчини концентрацією більше 3 % утворюють каламутні драглі з блискучою поверхнею і добре зберігають відповідну форму.

Ретроградація крохмалю. Кукурудзяний і пшеничний крохмаль ретроградують швидше, ніж картопляний або топіоко-вий. Високоамілозний крохмаль має найбільш низьку швидкість ретроградації. Амілозна фракція у крохмальних клейстерів кукурудзи і пшениці формується у вигляді асоційованого амілозо-ліпідного комплексу з пониженою здатністю до гідратації. Ця крохмальна частка порівняно інертна і не сприяє загущенню або зв'язуванню кукурудзяних та пшеничних крохмальних клейстерів.

Встановлено, що ЫагСОз і NaOH сповільнюють процес ретроградації під час зберігання гелю крохмалю пшениці, кукурудзи, восковидної кукурудзи, рису і восковидного рису за 4°С. Порівнянням однакових концентрацій добавок більш ефективну дію проявив гідроксид натрію.

Термічні властивості картопляного крохмалю залежать від сорту, умов і тривалості зберігання бульб. Внаслідок ретроградації може бути отриманий «стійкий крохмаль», близький за властивостями до харчових волокон. Підтримання спеціальних умов температури і тривалості обробітку може суттєво підвищувати частку стійкого крохмалю. Результативність процесу ретроградації залежить від співвідношення кількості амілози і амілопектину в крохмалю.

Тривале зберігання драглів крохмалю сприяє подальшому впорядкуванню структури, підвищенню кристалічності, що приводить до зниження розчинності поліцукридів крохмалю у воді.