Набухание и клейстеризация крахмала

Взаимодействие полимеров крахмала с водой в значительной степени предопределяет структуру и конси­стенцию продукции общественного питания, содержащую крахмал (соусы, кисели, каши, мучные изделия и т. д.). Характер выраженности изменений структуры и физико-химических свойств крахмала зависит от количества воды в системе, температуры и продолжительности на­гревания. Вода легко проникает в помещенные в воду крахмальные зерна. При гидратации (при комнатной температуре) крахмал может удерживать до 30 % воды от сухой массы, но зерна крахмала при этом набухают не­значительно. Их объем увеличивается примерно на 5 %.

Термодинамические свойства воды как растворителя усиливаются с повышением температуры, которое усиливает колебание крахмаль­ных молекул, приводящее к ослаблению мест связывания для взаимо­действия с молекулами воды через водородные связи. Это вызывает возрастание степени разрушения водородных связей, обеспечивающих внутреннюю структуру молекул крахмала. Поэтому нагревание крахма­ла в воде способствует набуханию и растворению крахмала (главным образом амилозы), что приводит к значительному увеличению вяз­кости.

Заметное набухание крахмала начи­нается при температуре около 60 °С с некоторыми колебаниями в ту и другую сторону у разных видов крахмала. Однако в начальной фазе набухания высвобождение растворимых веществ относительно не­велико. Оно увеличивается с повышением температуры. Нагревание до 100 °С при избыточном количестве воды приводит к полной утрате упорядоченности, что подтверждают результаты измерения двойного лучепреломления.

При повышении температуры зерна крахмала деформируются, и растворимый крахмал (главным образом амилоза) оказывается в рас­творе. Увеличение вязкости объясняется поступлением в воду раство­ренной амилозы и поглощением воды оставшимися после ее выделе­ния зернами крахмала.

Изменения, происходящие в крахмале после исчезновения двойно­го лучепреломления, называются клейстеризацией, а температура, при которой это явление происходит, называется температурой клейстерязации. В процессе клейстеризации происходит разрушение нативной структуры крахмальных зерен, вызываемое набуханием. Отмечается, что крупные зерна крахмала клейстеризуются при более низкой тем­пературе, чем мелкие. Поскольку этот процесс протекает неодновре­менно у всех зерен крахмала, фиксируют начальную и конечную тем­пературы клейстеризации.

Образующийся в процессе нагревания крахмала клейстер представ­ляет собой коллоидную систему (крахмальную дисперсию), в которой дисперсной фазой являются набухшие зерна крахмала, а дисперсион­ную среду образует растворенный в воде крахмал (главным образом амилоза). Вязкость крахмальной дисперсии тесно связана с объемной долей и деформируемостью диспергированных набухших зерен крах­мала. При этом вязкость непрерывной фазы и взаимодействие между фазами определяют реологические свойства всей системы.

Гелеобразование и ретроградация

При охлаждении крахмального клейстера, содержание крахмала в котором превышает критические концентрации, происходит агрегирование амилозных цепей, приводящее к образованию регулярной сети, удерживающей в своей структуре всю воду.

На ма­кроскопическом уровне это проявляется в увеличении вязкости и об­разовании кинетически стабильного в неравновесном состоянии геля.

Система проявляет макроскопическое гелеобразование при усло­вии наличия значительного количества амилозы в непрерывной фазе, а это означает, что она должна быть высвобождена из зерен крахма­ла без нарушения их целостности. Поэтому длительное кипячение и интенсивное перемешивание крахмального клейстера, вызывающие дезинтеграцию крахмальных зерен с переходом в непрерывную фазу амилопектина, препятствуют гелеобразованию. Крахмальные гели представляют собой амилозные сети, в которые вкраплены набухшие зерна, богатые амилопектином.

Гелеобразующая способность при охлаждении крахмальных клей­стеров характеризуется его критической концентрацией гелеобразования, причем уровень ККГ зависит как от вида крахмала, так и от условий среды гидратации. При низких концентрациях крахмала разветвленность структуры ами­лопектина препятствует образованию гелей.

Взаимодействие цепей крахмала в процессе длительного хранения гелей приводит к образованию кристаллов. Процесс кристаллизации крахмальных цепей в геле называется ретроградацией. Область кристалличности отличается от некристаллизованной области коэффициентом преломления, поэтому в процессе ретроградации гель постепенно теряет свою прозрачность. Прочность гелей возрастает, они становятся твердыми и резиноподобными.

Крахмальные гели можно рассматривать 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.