Влияние различных ингредиентов на свойства крахмала в многокомпонентных пищевых системах при производстве кулинарной и кондитерской продукции

Крахмал - полисахариды линейной амилозы и разветвленного амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза. Крахмал, синтезируемый разными растениями под действием света (фотосинтез), имеет несколько различных составов и структур зёрен, размерами 1-100 мкм. Безвкусный, аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. В пищеварительном тракте человека и животного крахмал поддаётся гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом. Крахмал, как пищевая добавка, используется для загущения многих пищевых продуктов, приготовления киселей, заправок и соусов. Поскольку загущающие и гелеобразующие свойства крахмала проявляются в ходе гидротермической обработки, его считают вторичным структурообразующим агентом. В результате тепловой обработки в присутствии воды образуются системы, которые по своей природе являются коллоидными и проявляют разнообразные реологические свойства – от простых вязких жидкостей до очень упругих гелей. Именно это разнообразие способствует широкому техническому применению крахмала.

В пищевых продуктах крахмал всегда присутствует в сочетании с другими некрахмальными компонентами. Текстурные свойства пищевых продуктов с достаточно высоким содержанием крахмала в значительной степени зависят от присутствия других природных полимеров и от физико-химических взаимодействий между различными ингредиентами. С другой стороны, зачастую при промышленном производстве пищевых продуктов крахмал избирательно комбинируют с некрахмальными гидроколлоидами в целях улучшения текстуры продуктов. Наконец, специфические взаимодействия между крахмалом и небольшими молекулами, например, эмульгаторами и вкусоароматическими соединениями, также могут приводить к значительным текстурным изменениям.

Крахмал, особенно линейная фракция амилозы, может специфически взаимодействовать с небольшими молекулами. В присутствии некоторых веществ амилоза образует одиночную спираль, удерживающую в своей внутренней полости молекулу вещества, которое исполняет роль лиганда. Хорошо известным комплексом такого типа является йод – крахмальный комплекс, имеющий синий цвет. Другими распространенными лигандами являются жирные кислоты, эмульгаторы, спирты, альдегиды и различные вкусоароматические соединения (терпены, лактоны и др.). Жирные кислоты или эмульгаторы ориентированы таким образом, что их гидрофобная цепь располагается внутри спирали, а полярная часть молекулы выступает наружу. Для некоторых комплексообразующих лигандов расположение лиганда по отношению к спирали остается неопределенным. При этом также возможен перехлест между спиралями. Наряду с лигандами свой вклад в образование кристаллических агрегатов также вносят липидные вещества, присутствующие в крахмале. При содержании крахмала выше критической концентрации амилозное агрегирование может приводить к образованию регулярной сети. На макроскопическом уровне это проявляется в увеличении вязкости и образовании кинетически стабильного в неравновесном состоянии геля.

Во многих рецептурах крахмалосодержащих пищевых продуктов присутствуют эмульгаторы. В целом они снижают степень набухания и растворения крахмала, изменяя реологию системы. Скорость гелеобразования, вызываемая эмульгаторами, велика по сравнению со скоростью самопроизвольного гелеобразования.

Комбинирование крахмала с другими гидроколлоидами, которые при растворении или диспергировании в воде оказывают загущающее или гелеобразующее действие, является установившейся практикой, поскольку дает некоторые преимущества с точки зрения технологической обработки и текстуры продукта. В целом, внесение небольшого количества некрахмального гидроколлоида увеличивает вязкоупругость смеси. Путем добавки биополимеров к коллоидным крахмальным дисперсиям можно варьировать структуру и текстуру в широком диапазоне, а также повышать устойчивость пищевых систем с высоким содержанием влаги.

Поскольку крахмал уже является смесью двух полимеров, при добавлении еще одного полимера образуется система из трех фаз, которые обогащены амилопектином, амилозой и внесенным полимером. Полимерный состав и концентрации, условия и продолжительность обработки играют ключевую роль в морфологии многокомпонентных систем с разделенными фазами. Нагревание взвесей нативного крахмала в присутствии небольшого количества диспергированного некрахмального гидроколлоида (галактоманнана или ксантана), приводит к увеличению концентрации полимеров в непрерывной фазе и, как следствие, - к существенному увеличению вязкоупругости. Другим способом применения крахмала является его включение в протеиновые матрицы, образуемые мясными, рыбными, молочными или растительными белками. Нагревание крахмала в белковой матрице приводит к образованию композитной микроструктуры, при этом набухшие зерна крахмала действуют в качестве наполнителя, который изменяет реологические свойства образующегося материала. Добавки негелеобразующего биополимера к крахмальным дисперсиям дают самые разные эффекты – от ускоренного гелеобразования до его полного подавления.

В итоге можно сказать, что реологические свойства крахмала в многокомпонентных системах в большей степени связаны с его микроструктурой и разделением полимеров, чем с концентрацией. Это особенно наглядно проявляется в случае богатого крахмалом растительного материала, обработка которого приводит к ограниченной дезинтеграции растительных клеток. Примером может служить картофель (Solarium tuberosum). В результате его переработки в картофельное пюре образуется продукт, в котором крахмал в значительной степени инкапсулирован в паранхематозных клетках. При промышленной обработке сухих хлопьев картофельного пюре в барабанной сушилке следует соблюдать меры предосторожности для предотвращения излишнего высвобождения крахмала. Предварительный этап варки при температуре 50…70⁰С с последующим охлаждением перед окончательной варкой снижает количество внеклеточного крахмала в восстановленных хлопьях. Этот эффект обусловлен последовательным действием двух механизмов: уплотнением клеточных стенок вследствие активизации пектин – метилэстеразы и последующим их укреплением за счет образования связей с атомами кальция и увеличения упорядоченности частично клейстеризованной крахмальной фракции о время охлаждения.

Картофельное пюре можно рассматривать как концентрированную взвесь клеток в вязкоупругой жидкости. Продукт ведет себя как вязкопластичный материал, который мало или совсем не подвержен деформации при уровне напряжения ниже предела текучести, но легко течет после превышения этого предела. Изменения при малой амплитуде колебаний показывают, что при малых деформациях упругие свойства картофельного пюре значительно превосходят вязкостные, но при этом предел линейной вязкоупругости очень мал, что указывает на высокую чувствительность структуры к приложенной нагрузке. Благодаря такой особенности реологического поведения картофельные хлопья зачастую используются в качестве связывающего вещества в пищевых системах, для которых требуется высокая водосвязывающая способность без формирования гелеобразной структуры.

Уникальность крахмала обусловлена сочетанием двух полимеров - амилозы и амилопектина и их упаковкой в частично кристаллических зернах. Широкая технологическая функциональность крахмала объясняется разнообразием крахмальных структур, образующихся в результате технологической обработки. Различия в размерах структурных элементов крахмала в пищевых продуктах достигает семи порядков: полимеры крахмал, упорядоченные полимерные структуры, структуры с разделенными фазами, зерна крахмала, растительные клетки, сети с разветвлениями, пищевые продукты. Основным структурным элементом, который в значительной степени определяет реологические и текстурные свойства пищевых продуктов, являются зерна крахмала, размеры которых в зависимости от стадии набухания и дезинтеграции находятся в диапазоне 1…100 мкм. Морфология структур набухшего крахмала варьируется от почти шаровидных до сильно искривленных и складчатых структур. Содержащие крахмал клетки, имеющие диаметр около 200 мкм, сохраняют свою целостность в течение обработки и представляют следующий важный структурный элемент во многих пищевых системах растительного происхождения. И, наконец, непрерывные крахмальные фазы могут распространяться до макроскопического уровня и участвовать в гелеобразовании пищевых систем. Крахмальные гели можно описать как разветвленные сети, которые удерживаются вместе поперечными связями и содержат большой объем воды в качестве растворителя. Объемные свойства гелей зависят от вклада различных структурных элементов и их взаимодействия между собой. Манипулирование одним или несколькими структурными уровнями предоставляет различные возможности для регулирования текстуры пищевого продукта, содержащего крахмал.

Одним из ключевых аспектов исследований крахмала было применение к нему понятий и принципов науки о полимерах. Эта тенденция обязательно сохранится и в дальнейшем. Теоретический и экспериментальный прогресс обязательно расширит знания о взаимосвязях обработки, структуры и реологии крахмала в пищевом продукте.

Одними из основных источников сырья для производства крахмала в настоящее время являются кукуруза и картофель – культуры, широко возделываемые во всем мире и также широко подвергаемые генной модификации.