Что такое первичный и вторичный крахмал
Исследовательская работа на тему «Хлоропласты и первичный крахмал в листе элодеи»
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №3»
городского округа город Салават Республики Башкортостан
Хлоропласты и первичный крахмал
Выполнил ученик 6 класса
МБОУ «СОШ № 3» г. Салават
Руководитель: учитель биологии
Манаева Лариса Анатольевна
Глава 1. Фотосинтетический аппарат растения 6
Глава 2. Клеточные включения 8
2.1 Клеточные включения 8
2.2 Крахмальные зерна 8
Глава 3. Экспериментальная часть 9
Список литературы 12
Любой живой организм, как и отдельная клетка, является открытой системой, существование которой возможно только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.
Совокупность химических реакций обмена веществ, протекающих в организме, называют метаболизмом.
Метаболизм состоит из взаимосвязанных реакций энергетического обмена, называемого катаболизмом, и пластического обмена, называемого анаболизмом.
В зависимости от этого, в каком виде поступают в клетки необходимые для биосинтеза химические элементы, в первую очередь углерод, все организмы можно разделить на автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы используют в качестве источника углерода неорганическое вещество углекислый газ.
Гетеротрофы не способны синтезировать органические вещества из неорганических, они потребляют органику, созданную автотрофами.
Основным источником энергии для всех живых существ планеты Земля является энергия солнечного света, которую аккумулируют зеленые растения. Их клетки за счет энергии солнечного света способны синтезировать органические соединения: углеводы, жиры, белки, которые служат пищей для гетеротрофных организмов.
Таким образом, зеленые растения служат аккумуляторами солнечной энергии, и все органические вещества, которые потребляют животные и человек, создаются в зеленом листе.
Актуальность исследовательской работы заключается в том, что фотосинтезирующие организмы трансформируют энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений, которая используется всеми живыми организмами планеты Земля, насыщают атмосферу Земли кислородом, который служит для окисления аэробными клетками органических веществ и извлечения этим способом запасенной в них химической энергии.
Гипотеза : Хлоропласты-органеллы растительной клетки являются источником ассимилятов и АТФ.
Цель: исследовать структурную и биохимическую организацию фотосинтетического аппарата растительной клетки.
Изучить фотосинтетический аппарат растительной клетки на примере листа элодеи
2. О пределить наличие запасных веществ в клетке.
Объект исследования: клетки листа элодеи.
— изучение и анализ литературы;
— выделение и синтез главных компонентов.
Глава 1. Фотосинтетический аппарат растения
Фотосинтетический аппарат растения — сложно организованная система, обеспечивающая поглощение света и преобразование его энергии в энергию химических связей. Структурно-функциональная организация фотосинтетического аппарата может быть рассмотрена на двух уровнях:
на уровне листа как органа фотосинтеза в растении;
на уровне хлоропласта — клеточной органеллы, где сосредоточены все структуры, обеспечивающие фотосинтез.
Палисадная паренхима содержит 75-80% всех хлоропластов листа и выполняет основную работу по ассимиляции диоксида углерода.
В губчатой паренхиме интенсивность фотосинтеза ниже, чем в столбчатой, но зато активно идут процессы транспирации (испарение воды растением) и газообмена (доставка к тканям кислорода и выведение из них углекислого газа).
В одной клетке листа может находиться 15-20 и более хлоропластов. Они имеют зеленый цвет из-за присутствия фотосинтезирующего пигмента хлорофилла.
Хлорофилл обеспечивает поглощение и первичное преобразование энергии света при фотосинтезе.
Фотосинтез – процесс превращения световой энергии в химическую и использование этой энергии для синтеза органических веществ, образующихся из углекислого газа и воды. В результате воздействия света на молекулу хлорофилла выделяется энергия, за счет которой происходит расщепление воды с образованием кислорода – это световая стадия фотосинтеза. Темновая фаза осуществляется в строме хлоропластов без непосредственного участия света. Это восстановление углекислого газа до уровня органического вещества за счет использования энергии АТФ, синтезированной в световой фазе.
Глава 2. Клеточные включения
1.1 Клеточные включения
Все включения являются продуктами клеточного метаболизма. Их основная функция резервная. Они накапливаются в форме гранул, капель и кристаллов в цитоплазме, митохондриях, пластидах. Это непостоянные образования, которые в процессе жизнедеятельности клетки могут то возникать, то исчезать. Химический состав включений разнообразный, хотя состоят из одного конкретного органического вещества: белка, углевода или жира.
1.2 Крахмальные зерна
Главным и наиболее распространенным из запасных веществ растений является полисахарид крахмал. Это важный источник в рационе человека.
По способу образования различают два типа крахмала: первичный (ассимиляционный) и вторичный. Первичный крахмал образуется только в хлоропластах на свету в процессе фотосинтеза и откладывается в виде мелких зерен при избытке растворимых углеводов клетки. Ночью, когда фотосинтез не происходит, ассимиляционный крахмал под действием ферментов гидролизуется до сахара и транспортирует в другие части растений. Вторичный крахмал синтезируется из продуктов гидролиза первичного крахмала.
Крахмал химически неоднороден. В основном состоит из амилозы и амилопектина, которые под действием раствора йода окрашиваются в темно-синий цвет.
Глава 2. Экспериментальная часть
Реактивы: реактив Люголя (раствор йода в растворе иодида калия).
1.Пинцетом оторвать лист злодеи и положить в каплю воды морфологически верхней стороной под покровное стекло. Рассмотреть при малом и большом увеличении микроскопа.
2.Сняв препарат со столика микроскопа, приподнять покровное стекло. прибавить каплю реактива Люголя и снова наложить стекло. Отметить окраску зерен крахмала внутри хлоропластов.
2. При большом увеличении (х280) в клетке видны зеленые овальные пластиды – хлоропласты, которые маскируют ядро, и это еще одна причина почему его трудно обнаружить в клетке. Хлоропласты имеют овальную форму. Они погружены в цитоплазму и прижаты к стенкам клетки. Все хлоропласты имеют почти одинаковые размеры. В вытянутых клетках жилки хорошо заметно, как хлоропласты быстро перемещаются вдоль боковых стенок клетки, хотя сами хлоропласты не имеют активных органов движения (ресничек, жгутиков). Их движение связано с движением цитоплазмы. О наличии цитоплазмы и об условных границах клеточной вакуоли можно судить лишь по перемещению пластид вдоль клеточных стенок. В клетках цитоплазма, окружающая крупную центральную вакуоль, занимает постенное положение и наблюдается круговое движение, или ротационное движение цитоплазмы. (Приложение 2)
Изучение микроскопического строения листа элодеи показало наличие хлоропластов как органов, отвечающих за процесс фотосинтеза в зеленых растениях.
Биохимическое исследование выявило наличие первичного (ассимиляционного) крахмала в хлоропластах элодеи. Таким образом, гипотеза об органеллах растительной клетки хлоропластах, как источниках ассимилятов, подтверждена.
Фотосинтезу принадлежит ведущая роль в биохимическом процессе. В хлоропластах в ходе фотохимических реакций, процессов ассимиляции и восстановления углекислого газа СО 2 образуются органические вещества и активные метаболиты, необходимые для энергетического и пластического обмена растений, для осуществления их физиологических функций. Жизнь на Земле возможно только благодаря зеленым растениям. Улавливая солнечные лучи и преобразуя их в энергию органических веществ, зеленые растения обеспечивают сохранение и развитие жизни на Земле.
В этом заключается космическая роль зеленого растения как посредника между Солнцем и всем живым на Земле.
2. Белл Л.Н. Энергетика фотосинтезирующей растительной клетки-М.: Наука,1980;
5. Курсанов А.Л.: Транспорт ассимилятов в растении.- М.: Наука,1976
ГК «Униконс»
Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.
«Антисептики Септоцил»
Септоцил. Бытовая химия, антисептики.
«Петритест»
Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.
«АльтерСтарт»
Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.
ВНИМАНИЕ: Уважаемые клиенты и дистрибьюторы!
2.4. КРАХМАЛ
Никакой другой пищевой ингредиент не может конкурировать с крахмалом по своей абсолютной универсальности применения в пищевой промышленности. Второй после целлюлозы по распространенности в природе, этот полимерный углевод был спроектирован ею в качестве энергетического запаса растений. Однако сейчас человек значительно расширил первоначальную область применения крахмала.
Сырьем для получения крахмала являются клубни картофеля, зерно кукурузы, пшеницы, риса и других растений. Содержание его зависит от вида сырья. Крахмалы могут различаться не только соотношением массовой доли амилозы и амилопектина, но и средней молекулярной массой в целом и распределением молекулярных масс в каждом из полимеров. Кроме того, молекулы крахмала, помимо глюкозных остатков, могут содержать и другие группы. Так, например, картофельный крахмал содержит ортофосфаты, составляющие концевые группы молекул. От химического состава крахмала зависят его физико-химические свойства. Крахмальные зерна при обычной температуре не растворяются в воде, а при повышении температуры набухают, образуя вязкий коллоидный раствор, который при охлаждении превращается в устойчивый гель, известный под названием клейстер.
Крахмал, его отдельные фракции (амилопектин и амилоза) и продукты частичного гидролиза находят применение в пищевой промышленности в качестве загустителей и гелеобразователей при производстве кондитерских и хлебобулочных изделий, а также мороженого.
В последние годы в пищевой промышленности все больше применяют модифицированные крахмалы, свойства которых в результате разнообразных способов обработки (физического, химического, биологического) заметно отличаются от свойств обычного крахмала. Так, модифицированные крахмалы существенно отличаются от обычного крахмала по степени гидрофильности, способности к клейстеризации и гелеобразованию. Модифицированные крахмалы используют в хлебопекарной и кондитерской промышленности, в том числе и для получения безбелковых диетических продуктов питания.
Модифицированным крахмалам в литературе уделено большое внимание. Вопросы их применения в качестве пищевых добавок подробно обсуждались комитетом JECFA.
Экспериментально было показано, что однократно и многократно обработанные крахмалы существенно не отличаются по биологическому действию на организм. Если эти вещества применяются в умеренных количествах, то они хорошо усваиваются и не оказывают отрицательного действия на организм. Однако если их содержание в пище превышает 10%, то они вызывают диарею и расширение слепой кишки, что расценивается учеными как нормальная физиологическая реакция организма на потребление пищи с большим содержанием крахмала. В этой связи было предложено ограничить потребление модифицированных крахмалов.
Впоследствии, однако, комитет JECFA рекомендовал применять без ограничений лишь крахмалы, обработанные ферментами. Другие же виды химически обработанных крахмалов рекомендованы для дальнейшего изучения. Это прежде всего касается гидроксипропилкрахмалфосфата и крахмала янтарнокислого натрия.
Следует также отметить, что модифицированные крахмалы не идентичны по своему биологическому действию, особенно на растущий организм. В связи с этим комитет JECFA рекомендует по мере возможности исключать применение модифицированных крахмалов в качестве пищевой добавки в продуктах детского питания. Однако если применение модифицированного крахмала все же становится необходимым, следует проявлять осторожность в выборе,типа крахмала и его концентрации. Например, крахмалы, модифицированные с использованием связывающего агента эпихлоргидрина, в качестве пищевой добавки не рекомендуются. Вместе с тем считается безопасным применение крахмалов, модифицированных с помощью оксида пропилена.
Приведенные данные свидетельствуют о целесообразности нормирования модифицированных крахмалов в пищевых продуктах.
В нашей стране разрешено использование только окисленного и диальдегидного (степень окисления не более 10%) модифицированных крахмалов при производстве пшеничного хлеба в количестве, не превышающем 0,5% и 0,7-20,0% к массе муки соответственно.
2.4.1. КРАТКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА КРАХМАЛА
Несмотря на широкое распространение крахмала в природе, количество коммерчески приемлемых сырьевых источников очень невелико.
Наиболее важными являются кукуруза, картофель, пшеница, тапиока и рис. Американский термин corn и европейский maize означают одну и ту же разновидность крахмала. Такие зерновые культуры, как кукуруза, воскообразная кукуруза и пшеница, выращиваются в Америке и Европе, картофель же распространен в более холодных местностях Северной Европы. Кассава (cassava) – основной источник крахмала тапиоки – выращивается главным образом в Бразилии, Таиланде и Индонезии. Родиной риса является Азия.
Производство крахмала включает в себя разнообразные процессы, в ходе которых очищенный крахмал отделяется от других компонентов сырья. Например, экстрагирование кукурузного крахмала из зерна кукурузы представляет собой процесс, известный как мокрый помол, при котором крахмал отделяется от волокон, масла и прочно связанного протеина. Независимо от того, какой способ используется для экстрагирования, его целью является получение нерастворимого крахмала в виде неповрежденных или цельных гранул. В такой форме он известен как нативный крахмал. Его можно мыть, сушить или хранить в виде суспензии для дальнейшей обработки с целью получения модифицированного крахмала.
Нативные крахмалы, не подвергавшиеся обработке, обладают слишком слабой структурой, и в настоящее время их применение в прогрессивных пищевых технологиях весьма ограничено. Чтобы расширить диапазон возможного применения, крахмал модифицируют. Модификация может быть химической, биохимической или физической.
В табл. 2.6 приведена информация по типам модификации, их воздействию на нативный крахмал (цель) и формируемым функциям (преимущества). Химически модифицированные крахмалы в большинстве случаев указываются при маркировке продукции как «модифицированные крахмалы». Физически измененные (без дополнительной химической модификации) маркируются как «крахмалы».
Основные типы модификации нативного крахмала
2.4.2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КРАХМАЛОВ
Полимеры глюкозы, входящие в состав крахмала, находятся в двух молекулярных формах: линейной и разветвленной. Первая известна как амилоза, а вторая – как амилопектин. Молекула глюкозы, представляющей собой основной строительный блок макромолекулы крахмала, имеет циклическую структуру с шестью атомами в кольце (рис. 2.7).
Несмотря на то что для простоты кольцо часто изображают плоским, на самом деле оно является подвижным и, изгибаясь, может принимать много различных форм. Из всего этого многообразия возможных форм, или конформаций, энергетически выгодной является одна, известная как форма «кресла».
Кроме того, эта форма существует в виде двух стереоизомеров:
α-D-глюкозы и β-D-глюкозы. Два эти стереоизомера склонны к взаимным переходам при нагревании, и один превращается в другой путем ряда изгибов шестичленного цикла, что на молекулярном уровне вызывает последовательное колебание групп так называемой мексиканской волной вокруг глюкозного цикла.
Рис. 2.7. Структура крахмала:
а – амилоза с характерной для нее спиральной структурой;
б – амилопектин, образующий в точках ветвления связи типа 1-6
Фактически, «линейная» амилоза имеет небольшую степень разветвления, но преимущественно ее рассматривают как линейную цепь. Длина цепи может варьироваться в зависимости от ботанического происхождения крахмала, но находится в границах от 500 до 6000 глюкозных звеньев. Вследствие своей более простой полимерной структуры амилоза имеет большую склонность в стандартных условиях выпадать в осадок с образованием кристаллов.
В природе в зависимости от источника крахмала существует три кристаллические формы амилозы – А, В и С: злаки (А), клубни (В) и определенные разновидности гороха и бобов (С). Осажденные крахмальные комплексы (с йодом, с длинноцепочечными спиртами и жирными кислотами) существуют в V-форме. Так называемая линейность амилозы еще больше усложняется закручиванием полимера в спираль. Именно разная степень гидратации спирали способствует образованию А-, В- и С-форм.
В противоположность амилозе каждая боковая цепь молекулы амилопектина содержит только до 30 остатков глюкозы. Однако из-за множества ответвлений в амилопектине его молекулярная масса в 1000 раз больше молекулярной массы амилозы.
Модификации крахмала – это средства изменения структуры и влияния на водородную связь контролируемым способом с целью улучшения и расширения их применения. Все химические и биохимические модификации крахмала, описанные ниже, представлены схематически на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Химические и биохимические модификации крахмала
Сшивание – важнейшая химическая модификация в производстве крахмала. Она состоит в замене водородных связей между цепями крахмала более сильными, постоянными ковалентными связями. Таким способом ингибируется набухание гранул крахмала, что препятствует расщеплению молекулы при химическом и механическом воздействии (сдвиге) или в процессе приготовления пищи. Наиболее часто встречаемыми типами сшитых крахмалов являются дикрахмалфосфаты и дикрахмаладипаты, в которых присутствуют фосфатный или адипатный мосты; в последнем случае мост длиннее, чем в первом.
Стабилизация, вторая важнейшая модификация крахмалов, обычно используется вместе со сшиванием. При этой модификации в крахмале происходит замена на массивные группы, которые занимают пространство и затрудняют (пространственное затруднение) попытки диспергированных (обработанных в процессе приготовления) линейных участков молекул заново выравниваться и подвергаться ретроградации.
Эффективность стабилизации зависит от количества и природы замещающих групп.
Наиболее выгодными с коммерческих позиций являются крахмалы с низкой степенью замещения, такие как крахмалы со степенью замещения менее 0,2 (т.е. 2 заместителя на 10 звеньев ангидроглюкозы). Такие крахмалы выигрывают благодаря простоте приготовления и являются наиболее удобными при использовании в средах с низкой влажностью, а также там, где уровень влажности ограничен условиями применения других ингредиентов.
Декстринизация, известная также как пироконверсия, касается двух аспектов структурной модификации крахмала. Первой является частичная деполимеризация, которую вызывает гидролиз. Он заключается в действии на связь молекулы воды, что приводит к разрыву этой связи. Обычно этот процесс осуществляется при сухом прокаливании либо чистого крахмала с извлечением из него влаги, содержащейся в крахмале в количестве 10-20%, либо при прокаливании крахмала с добавлением каталитического количества кислоты. Это приводит к образованию ряда полимерных фракций с различной длиной цепи (низкая конверсия). Второй аспект заключается в рекомбинации этих фрагментов (реполимеризации), но на этот раз с формированием разветвленных структур (высокая конверсия). Крахмалы, полученные таким способом, называются декстринами или пиродекстринами. Обычно их подразделяют на белые декстрины, желтые декстрины или британские камеди, в зависимости от уровня их вязкости, растворимости в холодной воде, цвета, уменьшения содержания сахара и стабильности.
Кислотный гидролиз. Разжижаемые в кислой среде и при кипячении, текучие крахмалы – все эти определения относятся к крахмалам, подвергнутым кислотному гидролизу. Этот вид гидролиза отличается от декстринизации тем, что он проводится в водных условиях. Кислота преимущественно атакует и деполимеризует аморфные области крахмальной гранулы таким образом, что при нагревании крахмала до температуры, превышающей температуру клейстеризации, гранулы быстро разрываются. Эффектом тепловой обработки является более низкая вязкость горячих клейстеров, и благодаря большему в пропорциональном отношении количеству меньших по размеру линейных молекул образование более прочного, по сравнению с исходным нативным крахмалом, геля при охлаждении.
Окисление. Производство окисленных крахмалов предполагает использование в качестве реагента гипохлорита щелочного металла. Это приводит к образованию двух важных модификаций: достаточно больших карбоксильных (СООН) и карбонильных (С=0) групп, которые вводятся на фоне одновременной частичной деполимеризации крахмальных цепочек.
Ферментативный гидролиз. Одной из форм биохимической модификации является селективный ферментативный пиролиз. Этот гидролиз присутствует во многих пищевых технологиях, так как является многофункциональным. В зависимости от степени ферментативного гидролиза можно получить ряд молекулярных цепей разной длины, соответствующей глюкозе (декстрозе), мальтозе, олигосахаридам и полисахаридам. Для получения такого спектра гидролизатов используется большое количество разных ферментов. Обычно они включают амилазы, расщепляющие линейные молекулярные цепи, а также другие ферменты, которые отщепляют разветвленные сегменты крахмала. α-Амилаза селективно и беспорядочно атакует (1→4)-связи крахмала с образованием мальтодекстринов и сиропов.
(З-Амилаза атакует каждую вторую (1→4)-связь с образованием фрагментов меньшей молекулярной массы. Используют и другие ферменты, например изоамилазу.
Липофильное замещение. Гидрофильность крахмала, его склонность к взаимодействию с водой, может быть преобразована в необычный гидрофильно-гидрофобный комплекс. Это является особенно ценным для стабилизации взаимодействий между такими веществами, как, например, масло и вода.
Преклейстеризация – это скорее физическая, чем химическая модификация. Определенные виды крахмалов проявляют свои технологические свойства только при термической обработке и относятся к крахмалам, «требующим нагревания». Процесс преклейстеризации проводят с целью исключить необходимость нагревания. Процесс можно применять как к нативным, так и к уже модифицированным крахмалам, что позволяет иметь большое количество различных крахмалов, обладающих способностью набухать и растворяться в холодной воде (крахмалы, загущающие в холодной воде). Крахмал подвергается предварительной обработке, заключающейся в одновременном нагревании и последующем высушивании.
Рыночные разработки в пищевом секторе, касающиеся проблем «диеты» и «пользы для здоровья», бросают новые вызовы пищевой индустрии. Надежда, которая возлагается в этом направлении на технологии получения крахмала, связана с обеспечением условий создания полноценной и сбалансированной пищи без потери при этом превосходных органолептических характеристик, которые ассоциируются с традиционными высококалорийными жиросодержащими пищевыми продуктами. В программах по снижению количества жиров в продуктах ключевой функцией крахмалов являются значительное снижение калорийности при восстановлении свойств, которые до сих пор обеспечивались в продукте за счет присутствия жиров. Этими свойствами являются вязкость, «тело» продукта и вкусовое ощущение.
Традиционный подход заключается в частичной замене жиров крахмалами, которые при растворении в воде создают стабильные термообратимые гели. Мягкие, похожие на жир гели могут быть образованы модификациями крахмалов со степенью превращения, достаточной для производства термообратимых, обладающих характерной способностью намазываться гелей. Обычно 25-30% твердых веществ (т.е. крахмала в воде) образуют оптимальную стабильную структуру, способную заменить жир.
В современном обществе большое внимание уделяется взаимосвязи между здоровьем, стилем жизни и диетой. Наличие прививок против основных инфекционных заболеваний позволило сосредоточиться не на лечении уже имеющегося заболевания, а на его профилактике. В соответствии с высказыванием «вы – это то, что вы едите» сейчас ведутся дискуссии, посвященные фортификации («усилению») пищи, т.е. добавлению в нее питательных веществ с целью обогащения.
Резистентный крахмал (РК) играет важную роль в отношении пищевой ценности в части фортификации продуктов пищевыми волокнами. По сравнению с такими источниками целлюлозного волокна, как, например, отруби, он обладает рядом преимуществ. Он обеспечивает низкую водосвязывающую способность, тем самым облегчая обработку; являясь заменителем натурального волокна или его дополнением, он улучшает органолептические свойства пищи, и он может быть позиционирован как «пищевое волокно».
Существует четыре типа резистентного крахмала. РК II, III и IV типов являются коммерчески доступными. РК I типа, содержащийся в зернах, семенах и овощах, получить невозможно и нельзя использовать в качестве пищевого ингредиента, так как при обработке он обычно разрушается. РК II типа является гранулированным крахмалом, который в необработанном состоянии устойчив к воздействию ферментов. Он находится в зеленых бананах, картофеле и крахмале с очень высоким содержанием амилозы. РК III и IV типов образуются посредством термической обработки, например в хлебных корках, кукурузных хлопьях и высокоамилозном крахмале после ретроградации или в результате химической модификации, в частности реполимеризации с изменением гликозидных связей таким образом, что они больше не распознаются α-амилазой. Существует преимущество использования РК в системах с низким уровнем влажности даже в отношении их текстуры. Например, сухие зерновые завтраки и легкие зерновые закуски – снеки, содержащие РК, больше увеличиваются в объеме, сохраняя при этом легкую хрустящую текстуру. Это контрастирует с текстурой овсяных хлопьев и снеков с отрубями, которая является жесткой и плотной и создает репутацию низкого вкусового качества.
2.4.3. ПРИМЕНЕНИЕ КРАХМАЛОВ
Благодаря своим многочисленным функциям и простоте применения крахмалы широко используются в пищевой промышленности при изготовлении продуктов и напитков. Выбирая тип крахмала для использования в конкретном случае, следует учитывать большое количество критериев. Выбор необходимого типа крахмала может быть упрощен, если учитывать свойства пищевого продукта, на которые крахмал может оказывать влияние, или процесс производства, который крахмал может регулировать. К ним относятся сенсорные свойства, способ производства, сопутствующие ингредиенты, ожидаемый срок хранения.
Так, многие пищевые продукты содержат кислоты, которые вводят либо для консервирования, либо для придания вкуса. В таких случаях кислотность или значение рН продукта являются важными показателями при выборе подходящего типа крахмала. Вязкость, являясь функцией рН, может существенно изменяться не только у нативного, но также у модифицированного крахмала. Кислоты разрушают естественно образующиеся водородные связи, вызывая тем самым более быстрое набухание гранул крахмала, а при низких значениях рН среды (например, рН 2,5) тепловая обработка может привести к преждевременному разрушению крахмальных гранул, которое сопровождается резким падением уровня вязкости. Чтобы преодолеть последствия действия кислоты и сохранить максимальную вязкость при минимальных уровнях использования крахмала, крахмал должен быть ингибирован, т.е. укреплен путем химического поперечного сшивания или термической обработки.
В системах с высоким содержанием сухих веществ, т.е. с большой плотностью по Бриксу, присутствие водорастворимых сухих веществ, в особенности Сахаров, может отрицательно сказаться на гидратации крахмала. Стремясь связать молекулы воды, необходимые для гидратации, сахара могут вызывать повышение температуры клейстеризации крахмала, что затрудняет его обработку и получение нужных функций. Так, рецептурный состав, включающий 60% сахара, повышает температуру клейстеризации крахмала до уровня выше 100°С. В этом случае рекомендуется применять слегка или умеренно ингибированный крахмал, который также является высоко стабилизированным, или использовать преклейстерный крахмал.
Скорость повышения вязкости часто уменьшается в продуктах и с высоким содержанием жира или масла. Это происходит вследствие образования жирового или масляного слоя на поверхности крахмала, что замедляет гидратацию. Такое свойство может быть полезным при диспергировании или повторной гидратации преклейстерных крахмалов. В пищевых эмульсиях липофильные крахмалы используются в качестве стабилизаторов эмульсий для улучшения качества продукта и стабилизации его свойств в течение срока хранения.
Области применения крахмала в пищевой промышленности достаточно широки.
Пшеничная мука является основой для многих хлебобулочных изделий. Ее использование является выгодным с экономической точки зрения, однако для ряда современных продуктов – замороженных, охлажденных, с низким содержанием жиров и без клейковины – возможности по улучшению их внешнего вида и способам обработки были бы очень ограничены без дополнительного использования крахмальных ингредиентов.
Обычными сырьевыми ингредиентами в производстве хлебных изделий, кроме крахмала, являются пшеничная мука, жиры, сахар, яйца, эмульгаторы, молоко и (или) вода. Влияние этих ингредиентов и процессов на использование крахмала или модифицированного крахмала может быть усилено, поскольку выпечные изделия имеют ограниченное содержание влаги. Клейстеризация крахмала (в пшеничной муке так же, как и в добавленном крахмале) является очень важной для структуры и текстуры выпечных изделий. Так как пшеничный крахмал густеет только в процессе выпечки, для связывания добавленного изначально ограниченного количества воды можно использовать преклейстерные крахмалы. Это создает много преимуществ: суспендирование частиц (как в смесях для булочек), снижение липкости теста, улучшение ручной и машинной обработки, увеличение объема изделия (торта, кекса), повышение связывания воды для увеличения влажности, более мягкую текстуру. Стабилизированные крахмалы, в частности гидроксипропилированные и преклейстерные, связывают воду более эффективно, тем самым продлевая срок хранения выпечного изделия за счет увеличения периода, в течение которого изделие сохраняет качество свежего продукта.
Различные глазури, включая сахарные, используются для улучшения внешнего вида, а также придают продукту дополнительную ценность. Глазурь обычно представляет собой тонкий слой смеси, состоящей из сахара, воды и (или) молока, в то время как слой сахарной глазури обычно толще и в ее состав входят жиры. Здесь находят применение преклейстерные крахмалы и, особенно, декстрины, так как они контролируют уровень вязкости, цвет, мягкость и текстуру.
Использование кляра и панировки для мяса, рыбы, морепродуктов и овощей служит для придания дополнительной ценности. Нативные виды муки являются основным составляющим компонентом таких покрытий, но для производителей пищевых продуктов большой проблемой является нестабильность их качественных характеристик. Специальные крахмалы помогают решить эту проблему и расширить область применения нативной муки. Богатый выбор ингредиентов, составляющих основу для приготовления таких продуктов, а также текстурные свойства ведут к разнообразию методов восстановления и хранения продуктов, а следовательно, оказывают решающее влияние на выбор типа крахмала.
В клярах крахмалы обеспечивают нужный уровень вязкости, который, в свою очередь, создает необходимую толщину слоя покрытия и регулирует его количество; обеспечивает эффективность адгезии, внешний вид (гладкое покрытие или с пузырями), текстуру, хранение и стабильность восстановления. Преклейстерные крахмалы используются для контроля вязкости при низких температурах. Они могут быть сшитыми или стабилизированными, чтобы обеспечить стабильность при сдвиге и замораживании/оттаивании в смесях, которые будут использованы либо повторно, либо в охлажденных или замороженных продуктах. Текстурные свойства жареной или запеченной домашней птицы и мясных продуктов могут улучшить высокоамилозные крахмалы.
Липофилъные крахмалы пришли на смену гуммиарабику, традиционному стабилизатору эмульсий, который широко использовался в концентрированных ароматических эмульсиях для безалкогольных напитков и в инкапсулированных ингредиентах, например в высушенных распылением ароматических добавках и порошкообразных молочных продуктах. В действительности применение липофильных крахмалов намного шире, чем области применения гуммиарабика. Их можно использовать даже для инкапсулирования высококонцентрированных эфирных масел. Обычно такие крахмалы обеспечивают повышение устойчивости к окислению и стабильности эмульсии при низких температурах.
Крахмалы используются во многих кондитерских изделиях в силу своей способности образовывать весь спектр гелей – от мягких до твердых – и формировать разнообразные текстуры – от хрупких до резиноподобных, требующих продолжительного жевания.
Расщепленные крахмалы используются в кондитерском производстве на поверхности продуктов (например, в формах для выпечки). Декстрины, обладающие хорошими пленкообразующими свойствами, используются в растворах с большим содержанием сахара с целью создания устойчивых эластичных покрытий, таких как в желейных или в покрытых оболочкой шоколадных изделиях. Текстуру можно существенно модифицировать, используя крахмалы в комбинации с другими гидроколлоидами.
В производстве кондитерских изделий крахмалы используются также в качестве технологического средства, причем даже чаще, чем в качестве ингредиента. Формование кондитерских масс обычно происходит в крахмальные матрицы, образованные оттиском штампов определенной формы и дизайна в крахмале, заполняющем лотки для формования. В крахмал, используемый для этой цели, обычно добавляют немного минерального масла, которое позволяет ему сохранять нужную форму и минимизировать образование пыли, происходящее во время процесса.
Гидроксипропилированные крахмалы обеспечивают лучшую стабильность к замораживанию – оттаиванию и формируют более насыщенные, мягкие текстуры. Благодаря совместимости с молочным белком они являются более эффективными загустителями и стабилизаторами в продуктах с низким содержанием жиров или низкокалорийных молочных продуктах. Стерилизованные (консервированные) молочные продукты также могут служить подтверждением преимуществ использования гидроксипропилированных крахмалов. Для сравнения, ацетилированные крахмалы могут деацетилироваться, вызывая существенные изменения рН, что приведет к свертыванию белка или выпадению осадка.
Выбор крахмала определяется не только условиями процесса обработки, но и характеристиками продукта. Почти безвкусные крахмалы (из тапиоки или некоторые термически обработанные крахмалы) особенно подходят для молочных продуктов, поскольку уровень их содержания в этих продуктах является достаточно высоким. При приготовлении крахмала в цельном молоке (3,5% жира) он формирует более высокую вязкость по сравнению с обезжиренным молоком (0,5% жира) или водой. Обычно используется 1-3% крахмала для получения жидких консистенций, 3-4% – для консистенций средней вязкости и 4-6% – для густых текстур. Гелевые текстуры можно получить при использовании расщепленных крахмалов или крахмалов с высоким содержанием амилозы.
Фруктовые полуфабрикаты находят применение в йогуртах, многослойных молочных десертах и мороженом, а также в качестве начинок для выпечных изделий, например пирожков, и покрытий для таких изделий, как, например, творожные кексы (cheesecake). В состав рецептуры обычно входят 20-90% фруктов и сахар в количестве от 7% (без дополнительного введения сахара) до 70%. Если содержание сахарного песка (по Бриксу) составляет больше 40%, то температура желирования превышает 100°С. При их производстве в качестве загустителей целесообразно использовать сшитые и стабилизированные, преклейстерные крахмалы или высокостабилизированные и мало- или среднесшитые крахмалы. Крахмалы должны обладать достаточной вязкостью, чтобы обеспечить суспендирование фруктов, но в то же время они должны сохранять способность к перекачиванию и смешиванию, например, с основой йогурта.
Кусочки фруктов особенно подвержены изменениям во время тепловой обработки. Следовательно, снижение продолжительности процесса посредством повышения равномерности прогрева будет способствовать сохранению целостности плодов. Это достигается путем выбора сшитого и стабилизированного крахмалов, которые будут формировать вязкость, достаточную, чтобы обеспечить суспендирование кусочков фруктов при низком ее значении, способствующем равномерному прогреву, стабильности в кислой среде и высокой стабильности при охлаждении и в процессе замораживания/оттаивания. Высвобождение фруктового аромата в этой продукции является особенностью применения устойчивых, термически обработанных крахмалов.
При производстве майонезов и салатных соусов крахмалы выполняют функцию загустителя и стабилизатора. Обычно используются сшитые и стабилизированные крахмалы, в последнее время популярность приобрели и термически обработанные крахмалы. Два основных типа крахмалов находят применение в следующих случаях: липофильные крахмалы для стабилизации эмульсий, особенно в приправах без использования яиц, и имитаторы жиров в низкокалорийных или обезжиренных составах.
В качестве загустителя в низкокалорийных или обезжиренных соусах используются также гидроксипропилированные крахмалы. Вкус может быть улучшен при использовании имитаторов жиров, имеющих крахмальную основу. Их также можно использовать в качестве заменителя растительных масел. Они формируют уникальные реологические свойства, подходящие для жидких салатных заправок, или, являясь термообратимыми гелями, могут подходить для столовых соусов. Если добавить амилозные крахмалы, то можно улучшить структуру геля, однако обычно их используют в сочетании со сшитыми и стабилизированными крахмалами из восковой кукурузы, так как такие крахмалы обеспечивают большую устойчивость к процессу обработки и условиям хранения.
В продуктах переработки мяса крахмал используется для связывания воды с целью увеличения выхода, а также для снижения потерь при тепловой обработке, улучшения текстуры, способности нарезаться, сочности и увеличения срока годности. Применение находят липофильные крахмалы, которые используются в качестве стабилизаторов эмульсии и для повышения связывания жира и воды в мясном белке при изготовлении измельченного мяса и паштета. Крупноизмельченные преклейстерные крахмалы быстро связывают молекулы воды и повышают вязкость, что облегчает формование реструктурированного или измельченного мяса, в то же время, делая его текстуру более открытой и крупнозернистой.
Поставщики пищевых ингредиентов обязаны снабжать свою продукцию информацией, которая поможет производителям пищевых продуктов в составлении перечня ингредиентов готового продукта.
В табл. 2.7 приведена временная классификация нативных и модифицированных крахмалов.
Список пищевых крахмалов, разрешенных европейским пищевым законодательством
Термически обработанные крахмалы, нативные крахмалы, декстрины, крахмалы, обработанные кислотой или щелочью, отбеленные крахмалы, а также крахмалы, обработанные ферментными препаратами, рассматриваются как пищевые ингредиенты и, следовательно, не имеют классификационных Е-номеров. Крахмальные пищевые добавки терминологически регламентируются «Общей Директивой ЕС по пищевым добавкам, исключая подсластители и красители», 92/2/ЕС (Miscellaneous Additives Directive) и поправкой 98/72/ЕС.
Являясь большим классом добавок, модифицированные крахмалы (Е 1404-1451) приняты во всех странах ЕС для пищевого употребления. Их можно добавлять в пищевые продукты в неограниченном количестве, следуя принципу quantum satis (максимальный уровень не регламентируется), или их использование может быть ограничено в тех продуктах, которые оговорены «вертикальными» или специальными стандартами, например в таких продуктах, как шоколад, фруктовые соки, джемы, желе и т.д.
При декларировании на этикетке для информирования потребителя производители пищевых продуктов включают в перечень ингредиентов только общий термин «модифицированный крахмал».