1.2 Строение крахмала зерновых культур

В хлебопечении используются различные зерновые культуры. С физико-химической точки зрения хлеб представляет собой сложную многофазную систему. Одним из главных компонентов, оказывающим влияние на качество и различные свойства хлеба, является крахмал, содержание которого в муке достигает 75%. В последнее время всё больше исследований посвящены разработке технологий производства хлеба не только из традиционных ингредиентов - пшеничной, ржаной муки, но и с использованием не столь распространенных как, например, овсяная мука.

Хорошо известно, что существует взаимосвязь между структурными и термодинамическими свойствами частично-кристаллических полимеров, к которым относится и крахмал. Это означает, что при соответствующем использовании тех или иных физико-химических приближений из ДСК-данных могут быть получены структурные параметры полимеров, была получена оценка термодинамических параметров плавления крахмалов, экстрагированных из различных источников, в частности, ржаной, овсяной и пшеничной муки[11].

Крахмал – сложное вещество, состоящее из двух полимеров: амилозы (рис.1) и амилопектина (рис.2). Химическая формула (C₆H₁₀O₅)n. Крахмал образуется в процессе фотосинтеза в виде гранул, располагаемых в клеточных органеллах (амилопластах). Форма и размер гранул зависят от ботанического источника крахмала [4].

Зерновые крахмалы (кукурузные, пшеничные) имеют небольшие многогранные по форме гранулы, картофельные – овальные гранулы, а крахмалльные гранулы бобовых, например, гороха – яйцевидную форму гранул. Размер гранул варьируется от <5 мкм (рисовый крахмал) до >80 мкм (картофельный крахмал) в диаметре. Амилоза построена из длинных, преимущественно неразветвленных цепей, звенья которой соединены α-(1,4) связями. Они скручены в спираль, на один виток которой приходится около шести остатков глюкозы (степень полимеризации макромолекулы - 500-6000 глюкозных остатков). Амилопектин – сильно разветвленная макромолекула со степенью полимеризации от 3∙105 до 3∙106 глюкозных остатков[7].

Рисунок 1.1 Строение Амилозы

Рисунок 1.2 Строение Амилопектина

Соотношение полисахаридов в крахмале различно и зависит от источника крахмала. В связи с этим различают восковидные крахмалы, содержание амилозы в которых меньше 15%, нормальные (20-25% амилозы) и высокоамилозные крахмалы (более 40% амилозы)[ ].

Представление о формировании двойных спиралей амилозных цепей и кластерных (гроздевых) амилопектиновых образований в крахмале развил D.French[ ].

Гранулы нативных крахмалов имеют кольца роста, которые представляют собой чередующиеся слои различной плотности, кристалличности и сопротивляемости химическим и ферментным воздействиям. Широкие слои образуются в результате альтернативного наполнения и отвода молекул в пластидах с последовательным отложением больших нерастворимых и малых растворимых молекул; при этом в плотных слоях превалируют высокомолекулярные фракции амилопектина.

Рисунок1.3 Схематическое представление структуры крахмальной гранулы:

а) чередующиеся аморфные и частично-кристаллические слои в грануле крахмала (кольца роста); б) увеличенное изображение частично-кристаллических колец роста, состоящих из чередующихся аморфных и кристаллических ламелей; в) кластерная структура амилопектина, сформированная двойными спиралями (в частично-кристаллической ламели) и В-цепями амилопектина (в аморфной ламели)[ ].

Степень кристалличности зерен крахмала находится в пределах 14- 42% и зависит от соотношения содержания амилозы и амилопектина. Короткие цепи в молекуле амилопектина образуют двойные спирали, которые формируют кристаллические ламели (кристаллиты). Свободные двойные спирали и кристаллиты создают так называемые полукристаллы[32].

Остальные молекулы амилозы и длинные цепи амилопектина формируют аморфную часть крахмальных зерен.

Для амилопектиновых и нормальных нативных крахмалов размер кластера, т.е. общая толщина одной кристаллической и одной аморфной ламели, составляет примерно 9-10 нм, при этом толщина кристаллической ламели равна 5-6 нм , а аморфной 3-4 нм[12].

Рисунок 4 Одинарная спираль, образованная глюкозными остатками амилозы, и амилозо-липидный комплекс (1-глюкозный остаток,

2-спираль, 3-липид )

При формировании и росте гранул крахмала в кристаллической их части линейные цепи амилозы образуют одиночные спирали по 6 глюкозных остатков в каждом витке (рис.4) и создают структуру Vh , боковые цепи амилопектина образуют двойные спирали с плотной (рис.5, структура А) и разреженной (рис.5, структура В) укладкой [16].

Рисунок 1.5 Трехмерная структура кристаллитов крахмала типа А, В и Vh

А-форма кристаллов крахмала образована двойными спиралями боковых ветвей амилопектина с плотной упаковкой; В-форма полиморфной части гранул свойственна картофельному крахмалу с более разреженной структурой упаковки ламелей и, следовательно, содержит большее количество связанных молекул воды; Vh -форма состоит из одинарных спиралей амилозы и, как правило, включает липиды[44].

Термодинамические характеристики микроструктуры крахмала

Степень кристалличности гранул крахмала можно определить при использовании современных дифференциально-сканирующих калориметров, анализируя получаемые термодинамические характеристики. Одна из них представлена на рис.6, где: Тт - максимальная температура плавления кристаллических ламелей; АСР - изменение теплоёмкости; при плавлении; ∆Срexp - разница теплоёмкостей между расплавленным и нативным состояниями зерен в эксперименте; ∆Нexp -энтальпия плавления кристаллических ламелей[4].

Рисунок 1.6 Термограмма плавления гранул крахмала

Описать рисунок, дать ссылки.