ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: 419-426 SKROBIA MODYFIKOWANA ALKALICZNO-TERMICZNIE - STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI 1 * Aleksander Walkowski 1, GraŜyna Lewandowicz 2 1 Oddział Koncentratów SpoŜywczych i Produktów Skrobiowych w Poznaniu, Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-SpoŜywczego w Warszawie 2 Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii śywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Wstęp Skrobia jest głównym rezerwuarem węgla w roślinach stanowiąc ponad 50% suchej masy ziaren czy bulw roślin, z których się ją pozyskuje w skali przemysłowej. Jako wielofunkcyjny, odnawialny, biodegradowalny, łatwo dostępny i relatywnie tani surowiec, dzięki swym unikalnym właściwościom fizykochemicznym i reologicznym, jest szeroko stosowana do zagęszczania i stabilizacji wielu produktów spoŝywczych i przemysłowych. RóŜnorodność technologii w obrębie przemysłu spoŝywczego, a co za tym idzie, olbrzymia ilość produktów finalnych fortyfikowanych skrobią, stały się przesłanką ciągłych poszukiwań skrobiowych preparatów zagęszczających funkcjonalnie niezawodnych w róŝnych, często drastycznie trudnych, warunkach technologicznych, przechowalniczych, a takŝe końcowego przygotowania produktu finalnego do spoŝycia. Skrobie natywne tworzą kleiki o lepkości uwarunkowanej przede wszystkim ich pochodzeniem botanicznym (skrobia ziemniaczana, kukurydziana, tapiokowa, pszenna, ryŝowa itp.) oraz w mniejszym stopniu odmianowym. PowaŜną ich wadą technologiczno-uŝytkową jest brak stabilności reologicznej tworzonych przez nie kleików. Ich lepkość zmienia się w czasie pod wpływem temperatury, mieszania czy obniŝonego lub podwyŝszonego ph. Tych negatywnych cech pozbawione są w mniejszym lub większym stopniu skrobie modyfikowane, a co najwaŝniejsze, odpowiednio przeprowadzony proces modyfikacji moŝe nadać skrobi odpowiednie, wybrane cechy reologiczno-teksturotwórcze, np. zdolność do tworzenia Ŝelu, krótką teksturę kleiku czy znacznie podwyŝszoną lepkość. Najbardziej wszechstronną i poŝądaną modyfikacją z punktu widzenia wymagań przetwórstwa spoŝywczego jest sieciowanie skrobi [THOMAS, ATWELL 1999; TEGGE 2004]. Proces ten polega na wprowadzeniu do struktury chemicznej skrobi dodatkowych, usztywniających strukturę molekularną, wiązań poprzecznych wzmacniających istniejące wiązania wodorowe utrzymujące w nienaruszonym stanie strukturę granularną skrobi. W wyniku bardzo subtelnych zmian strukturalnych w istotny sposób zmniejsza się tendencja granul do pęcznienia i dezintegracji, co z kolei przyczynia się do stabilizacji reologicznej skrobi w całym procesie kleikowania. Zastosowanie reakcji chemicznych do modyfikacji skrobi wiąŝe się z konie- 1 * Badania finansowano z grantu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa WyŜszego Nr N312 024 31/2005.
420 A. Walkowski, G. Lewandowicz cznością etykietowania ich, tak jak innych dodatków do Ŝywności, odpowiednim numerem E co w konsekwencji budzi zastrzeŝenia ze strony konsumentów, zniechęcając ich do zakupu. Zastąpienie reakcji chemicznych procesami fizycznymi pozwala na wyeliminowanie powyŝszych obaw, jak równieŝ wychodzi naprzeciw wysokim wymaganiom specjalistów od Ŝywienia człowieka. Celem pracy było opracowanie sposobu modyfikacji fizycznej skrobi ziemniaczanej w zasadniczy sposób zmieniającą jej charakterystykę reologiczną, tak aby krzywa kleikowania odpowiadała przebiegowi tego procesu dla skrobi sieciowanych. Materiały i metody Materiałem do badań była handlowa skrobia ziemniaczana Superior Standard wyprodukowana w kampanii ziemniaczanej 2006 r. w WPPZ Luboń S.A. Modyfikację fizyczną skrobi ziemniaczanej przeprowadzono wg oryginalnej procedury opracowanej w Centralnym Laboratorium Przemysłu Ziemniaczanego w Poznaniu, zgłoszonej do ochrony patentowej w Polskim Biurze Patentowym [WALKOWSKI i in. 2007]. Handlowe próbki skrobi ziemniaczanej Superior Standard alkalizowano do ph w przedziale ph = 12,0 12,3 i przetrzymywano w czasie 1,0 godziny. Alkaliczne zawiesiny zakwaszano do ph = 8,5 i przemywano wodą. Po 48- godzinnym suszeniu w temperaturze 20 C część próby poddano procesowi praŝenia w praŝalniku obrotowym w temp. 135 C w czasie 1,0 godziny. Przebieg krzywej kleikowania wyznaczono przy pomocy aparatu Brabendera przy zastosowaniu następujących warunków pomiaru: puszka pomiarowa 0,07 Nm, szybkość ogrzewania/chłodzenia 1,5 C/min, termostatowanie w 92,5 C przez 20 min. Lepkość kleików skrobiowych określano za pomocą wiskozymetru Brookfielda Digital Viscometer Model DV II przy szybkości ścinania 50 obrotów/minutę. Kleiki sporządzano przez ogrzewanie zawiesiny skrobiowej w temp. 90 C w czasie 20 minut i ochłodzenie do temperatury pokojowej. Kleiki do badania ich odporności na obróbkę termiczną, po zakończeniu procesu ogrzewania w temp. 90 C, przenoszono w zamkniętym naczyniu do autoklawu i przetrzymywano w temp. 126 C w czasie 11 minut. Badania struktury krystalicznej przeprowadzono przy pomocy dyfraktometru TUR 62 Carl Zeiss produkcji niemieckiej przy następujących warunkach pomiaru: lampa rentgenowska CuK 2 (filtr Ni); napięcie 30 kv, natęŝenie prądu 15 ma, skanowanie w zakresie kątów odbłysku θ = 2 18. W celu uniknięcia wpływu wilgotności skrobi na stopień krystaliczności badane próbki kondycjonowano w atmosferze o wilgotności względnej 92% przez 48 godzin. Widma w podczerwieni wykonano na aparacie FTIR Bruker IFS 113 V, pastylki KBr (200 mg 1,5 g -1 ), rozdzielczość 2 cm -1. Strawność otrzymanych preparatów oceniano na podstawie ilości glukozy wydzielonej po 16-to godzinnej inkubacji z α-amylazą trzustkową oraz glikoamylazą w temperaturze 37 C zgodnie z metodyką opisaną przez Le THANH i in. [LE THANH i in. 2007]. Wyniki dyskusja Natywna skrobia ziemniaczana cechuje się charakterystycznym przebiegiem krzywej kleikowania (rys. 1) z ostro zaznaczonym wzrostem lepkości w wąskim zakresie temperatury kleikowania. Zastosowana w pracy modyfikacja fizyczna
SKROBIA MODYFIKOWANA ALKALICZNO-TERMICZNIE... 421 w zasadniczy sposób zmieniła charakterystykę reologiczną skrobi. Zarówno skrobia alkalizowana, jak i alkalizowana i następnie praŝona, w całym zakresie temperatur ogrzewania i chłodzenia, wykazywały ciągły wzrost lepkości, bez spadku lepkości w toku termostatowania w temp. 92,5 C (brak charakterystycznie zaznaczonego w przypadku skrobi natywnej spadku lepkości tzw. break down ). Wyznaczona dla badanych skrobi charakterystyka reologiczna całkowicie zbieŝna jest z charakterystyką reologiczną skrobi modyfikowanych chemicznie w wyniku procesu sieciowania [LEWANDOWICZ i in. 2004]. 1200 1000 800 600 400 200 0 20 40 60 80 100 A R N 100 80 60 40 20 czas; time (min) Rys. 1. Przebieg krzywej kleikowania wg Brabendera dla 3,3% kleików skrobiowych: N - skrobia natywna, A - skrobia alkalizowana, R - skrobia alkalizowana praŝona Fig. 1. Brabender viscosity curves for 3.3% suspensions of starch samples: N - native, A - alkalised, R - roasted Wyniki pomiarów profilu lepkości badanych po procesie sterylizacji modyfikatów jednocześnie wykazały, Ŝe badane skrobie odznaczają się duŝą odpornością reologiczną w warunkach utrwalania sterylizacyjnego i mogą być rekomendowane do zagęszczania stabilizacji produktów konserwowych i zapiekanych (tab. 1). Otrzymany materiał wynikowy sugeruje, Ŝe badane skrobie modyfikowane we wstępnych procesach przetwórstwa - mieszania składników recepturowych, gotowania i napełniania konserw, wskutek kreowania umiarkowanych lepkości ułatwiają procesy jednostkowe, utrzymując wysoki poziom homogeniczności zawartości zbiorników skracając czas penetracji ciepła w całej masie zalewowej, co skutkuje polepszeniem efektywności cieplnej procesu. Profil lepkości fizycznie modyfikowanych skrobi Viscosity profiles of physically modified potato starches Tabela 1; Table 1 Skrobia Starch Lepkość kleików (mpas) Viscosity of starch pastes (mpas) 3% 3% 4% 4% 5% 5%
422 Naturalna Native Alaklizowana Alkalised PraŜona Roasted pasteryzowany pasteurised A. Walkowski, G. Lewandowicz sterylizowany sterilised pasteryzowany pasteurised sterylizowany sterilised pasteryzowany pasteurised sterylizowany sterilised 3300 1200 6100 3200 8100 4600 3900 3600 7200 6800 9400 8800 4600 4200 8000 7100 10200 10000 Badania strawności skrobi fizycznie modyfikowanych wykazały, Ŝe skrobie te charakteryzowały się znacząco niŝszą podatnością na działanie enzymów amylolitycznych (rys. 2). Oznaczony spadek strawności badanych skrobi w największym stopniu widoczny był w przypadku skrobi alkalizowanych. Obróbka termiczna skrobi alkalizowanej (praŝenie) spowodowała wzrost strawności, aczkolwiek daleki od poziomu strawności skrobi natywnej. Wychodząc z załoŝenia, Ŝe szybkość i intensywność procesu trawienia skrobi w jelicie cienkim, a takŝe procesy fermentacyjne, jakim podlega przetrawiona skrobia w jelicie grubym, są waŝnymi czynnikami, które winny być uwzględniane przy tworzeniu diet specjalnych przeznaczonych dla ludzi cierpiących na róŝne schorzenia metaboliczne, badane skrobie wskutek obniŝonej strawności mogą być cennym składnikiem Ŝywności dietetycznej [BROUNS i in. 2002]. Rys. 2. Fig. 2. Strawność badanych skrobi α-amylazą trzustkową i glukoamylazą Digestibility of starches with pancreatic α-amylase and glucoamylase Wyraźnie zaznaczone zmiany we właściwościach funkcjonalnych skrobi fizycznie modyfikowanych sugerowały zmiany w strukturach molekularnych i supermolekularnych skrobi (rys. 3, 4). Jak powszechnie wiadomo natywna skrobia ziemniaczana formowana w trakcie wzrostu bulw wykazuje strukturę krystaliczną typu B. Zastosowana w pracy obróbka alkaliczna skrobi nie wywołała zmian w typie dyfrakcji promieni rentgenowskich, zaobserwowano jedynie niewielki spadek relatywnego stopnia krystaliczności (rys. 3). Z kolei obróbka termiczna skrobi alkalizowanych przy niezmienionym typie struktury w zdecydowanie większy sposób obniŝyła stopień krystaliczności (rys. 3). Zaobserwowany wyraźny spadek relatywnego stopnia krystaliczności, któremu nie towarzyszą zmiany w strukturze krystalicznej wydaje się typowy dla obróbki termicznej zarówno skrobi natywnych jak i chemicznie
SKROBIA MODYFIKOWANA ALKALICZNO-TERMICZNIE... 423 modyfikowanych w stanie suchym [LEWANDOWICZ i in. 2000]. Rys. 3. kąt odbłysku 2 Theta; diffraction angle 2 Theta Widma dyfrakcji promieni Roentgena preparatów skrobi ziemniaczanej, N - skrobia natywna, A - skrobia alkalizowana, R - skrobia alkalizowana praŝona Fig. 3. X-ray diffraction patterns of potato starch preparation, N - native, A - alkalised, R - roasted liczba falowa; wave number (cm -1 ) Rys. 4. Widma w podczerwieni preparatów skrobi ziemniaczanej: N - skrobia natywna, A - skrobia alkalizowana, R - skrobia alkalizowana praŝona Fig. 4. Infrared spectra of potato starch: N - native, A - alkalised, R - roasted Badanie strukturalne w podczerwieni (rys. 4) potwierdziły, Ŝe zastosowana obróbka alkaliczna z ewentualną późniejsza obróbką termiczną nie spowodowała powstania Ŝadnego nowego wiązania chemicznego. Brak jakichkolwiek zmian odnotowano równieŝ w zakresie daktyloskopowym (1300-700 cm -1 ). Wyniki te są w pewnym stopniu zaskakujące, bowiem zakres 1400-800 cm -1 uwaŝany jest za bardzo wraŝliwy na zachodzące zmiany konformacyjne polisacharydów w roztworach wodnych, jak i zmiany w strukturze krystalicznej skrobi [RINDLAV i in. 1997]. Z kolei niektóre dane literaturowe nie uwaŝają spektroskopii IR za informacyjnie cenne narzędzie do wyznaczania struktury krystalicznej, podając jako przykład fakt, Ŝe
424 A. Walkowski, G. Lewandowicz kleikowanie i suszenie walcowe skrobi nie powoduje zmian w widmach w podczerwieni [LEWANDOWICZ, SORAL-ŚMIETANA 2004]. Podsumowanie Oznaczone właściwości reologiczne alkalicznie modyfikowanych skrobi ziemniaczanych wskazują, Ŝe skrobie te mogą z powodzeniem być stosowane w produkcji Ŝywności konserwowej. skrobie te charakteryzują się umiarkowaną lepkością, a przebieg krzywej kleikowania wykazujący ciągły wzrost lepkości w całym zakresie pomiarowym, brak wyraźnie zaznaczonego piku kleikowania oraz spadku lepkości w zakresie break down podczas inkubacji w temp. 92,5 C; skrobie te wykazują stabilną lepkość w temperaturach sterylizacyjnych. Oznaczona strawność skrobi fizycznie modyfikowanych jest o ok. 30% niŝsza niŝ skrobi natywnej, co wskazuje na moŝliwość aplikacji tych skrobi w produkcji Ŝywności niskokalorycznej. Zastosowana w pracy modyfikacja fizyczna nie wywołała zmian w strukturze molekularnej skrobi, wpłynęła natomiast na spadek jej stopnia krystaliczności. Literatura BROUNS F., KETTLITZ B., ARRIGONI E. 2002. Resistant starch and the butyrate revolution. Trends in Food Science & Technology 13: 251-261. LE THANH J., BŁASZCZAK W., LEWANDOWICZ G. 2007. Digestibility vs structure of food grade modified starches, EJPAU 10(3), #10. Dostępne on-line: http://www.ejpau. media.pl/volume10/issue3/art-10.html LEWANDOWICZ G., FORNAL J., WALKOWSKI A., MĄCZYŃSKI M., URBANIAK G., SZYMAŃ- SKA G. 2000. Starch esters obtained by microwave radiation - structure and functionality. Industrial Crops and Products 11: 249-257. LEWANDOWICZ G., SORAL-ŚMIETANA M. 2004. Starch modification by iterated syneresis. Carbohydrate Polymers 56/4: 403-413. LEWANDOWICZ G., WALKOWSKI A., BŁASZCZAK W. 2004. Degree of substitution of crosslinked starches vs. functionality in food products, w: Starch: From starch containing sources to isolation of starches and their applications. Yuryev V.P., Tomasik P., Ruck H. (Eds), Nova Science Publishers, Inc: 75-95. RINDLAV A., HULLEMAN S.D.H., GATENHOLM P. 1997. Formation of starch films with varying crystallinity. Carbohydrate Polymers 34: 25-30. TEGGE G. 2004. Stärke und Stärkederivate. Beher Verlag Hamburg: 305. THOMAS D., ATWELL W.A. 1999. Starches. Eagan Press St. Paul, Minnesota USA. WALKOWSKI A., SZYMAŃSKA G., LEWANDOWICZ G., VOLKEL E. 2007. Sposób otrzymywania skrobi modyfikowanej. Polskie Zgłoszenie Patentowe P 382720 z dnia 22.06.2008 r. Słowa kluczowe: skrobia, modyfikacja, właściwości reologiczne, struktura, strawność
SKROBIA MODYFIKOWANA ALKALICZNO-TERMICZNIE... 425 Streszczenie Określono wszechstronną charakterystykę nowego typu stabilnej reologicznie skrobi ziemniaczanej. Modyfikację fizyczną polegającą na kolejno następującej obróbce alkalicznej i termicznej, przeprowadzono wg oryginalnej metody opracowanej w centralnym Laboratorium Przemysłu Ziemniaczanego i zgłoszono do ochrony w Urzędzie Patentowym RP. Otrzymane produkty modyfikacji charakteryzowano poprzez określenie przebiegu procesu kleikowania wg Brabendera, oznaczanie lepkości wg Brookfielda, jak równieŝ ocenę strawności in vitro. Strukturę produktów badano metodą spektroskopii w podczerwieni oraz dyferencji promieni Roentgena. Stwierdzono, Ŝe skrobia ziemniaczana modyfikowana przez kolejno następującą obróbkę alkaliczną i termiczną, wykazuje podobne właściwości funkcjonalne jak skrobie sieciowane. Otrzymane preparaty kleikują (w odróŝnieniu od naturalnej skrobi ziemniaczanej) bez charakterystycznego piku lepkości przy jej progresywnym wzroście w szerokim zakresie temperatur oraz bez spadku lepkości w toku termostatowania w temp. 92,5 C. Otrzymane preparaty wykazują strawność obniŝoną do 30%, przy czym skala tego zjawiska zaleŝy od intensywności zastosowanej obróbki. Badania metodą spektroskopii IR udowodniły, Ŝe w wyniku zastosowanej obróbki nie tworzą się Ŝadne nowe grupy funkcyjne, natomiast badania metodą rentgenografii strukturalnej wykazały znaczny spadek krystaliczności względnej skrobi wywołany obróbką termiczną. Otrzymane wyniki badania właściwości funkcjonalnych otrzymanych preparatów wskazują na moŝliwości zastosowania ich w produkcji Ŝywności o obniŝonej kaloryczności. STARCH MODIFIED BY ALKALINE-THERMAL TREATMENT - STRUCTURE AND PROPERTIES Aleksander Walkowski 1, GraŜyna Lewandowicz 2 1 Department of Food Concentrates and Starch Products, Poznań Institute of Agricultural and Food Biotechnology, Warszawa 2 Department of Biotechnology and Food Microbiology, University of Life Sciences, Poznań Key words: starch, modification. rheological properties, structure, digestibility Summary The aim of the work was a versatile characteristic of a new type of rheologically stable, physically modified starches. Physical modification of starch was performed according to the original procedure which was elaborated in the Starch and Potato Research Laboratory and set for protection to the Polish Patent Office. The method consists in alkali treatment followed by the thermal processing. The structure, physicochemical properties and digestibility of experimental starch samples were examined after all stages of modification. The experimental starches were examined by the Brabender and Brookfield rheological methods, X-ray diffractometry, infrared spectroscopy, and determination of digestibility. It was found that functionality of the starch modified by alkaline and/or thermal treatment is similar to that of crosslinked starches. This physically modified starch reveals a medium type of swelling characteristics with a progressive rise in viscosity over a wide temperature range, lack of viscosity peak and no breakdown phenomenon during thermostating at the temperature of 92.5 C. X-ray analysis points to a significant decrease in crystallinity of
426 A. Walkowski, G. Lewandowicz modified starches in comparison to native starch. As a result of the applied physical processing, digestibility of the investigated starches decreases by even 30%. It points to a possibility of application of these starches in manufacturing of low calorie products. Dr Aleksanader Walkowski Oddział Koncentratów SpoŜywczych i Produktów Skrobiowych Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-SpoŜywczego ul. Starołęcka 40 61-361 POZNAŃ