Какие химические свойства характерны для крахмала

Формула крахмала – (С6Н10О5)n. Это полисахарид, состоящий из амилозы и амилопектина. Мономером ее является альфа-глюкоза. Крахмал в природе производится растениями в процессе фотосинтеза, но в разных культурах он отличается по структуре, полимеризации и строению цепей. А иногда и по своим свойствам.

Физические свойства

Крахмал (формула (С6Н10О5)n) представляет собой белый аморфный порошок, который не растворяется в холодной воде, но при нагревании равномерно распределяется в жидкости, образуя мутную клейкую субстанцию.

Если положить небольшое количество порошка под микроскоп, то можно увидеть, что он состоит из небольших отдельных кристалликов или зерен, которые при сжатии издают характерный скрип. Вкуса и запаха не имеет, температура воспламенения равняется четырёхстам десяти градусам по Цельсию.

Химические свойства

Структурная формула крахмала представляет собой соединение глюкозных остатков, которые образуют две комбинации – амилозу и амилопектин. Молекулы его могут быть расположены не только линейно, но и разветвленно, что объясняет его зернистую структуру.

В горячей воде крахмал набухает и превращается в клейстер, но после добавления сильных кислот гидролизуется и полностью растворяется, вплоть до образования молекул глюкозы.

Химическая формула крахмала – С6Н10О5, то есть он относится к органическим веществам. Чтобы выявить его наличие в растворе, необходимо добавить в колбу несколько капель йода. Если жидкость поменяет цвет на синий, значит, реакция положительная. Есть и другие качественные реакции. Так, например, крахмал не восстанавливает серебро из его аммиачного раствора и не проделывает то же самое с трехвалентным оксидом меди.

Биосинтез

Крахмал (формула С6Н10О5), как уже говорилось выше, синтезируется в растительных клетках в процессе фотосинтеза. Глюкоза соединяется с молекулами воды, в результате этой реакции получается молекула крахмала и кислород.

Это вещество является хорошим энергетическим материалом для растений, поэтому они накапливают его на случай возникновения сложных условий жизни. Обычно они хранят его в клубнях (картофель), плодах и семенах (злаковые). Наибольшее количество крахмала находится в зернах риса, на втором месте кукуруза, затем пшеница и только потом – картофель.

Пищевое значение

Крахмал (формула С6Н10О5), попадая в желудок человека или животного, подвергается воздействию соляной кислоты и распадается на молекулы глюкозы, которые способны усваиваться организмом.

В пищевой промышленности он используется для загустения киселей, соусов, различных заправок и так далее. Наиболее распространенными и простыми блюдами, содержащими крахмал, являются хлеб, блины, лапша, каши и многие другие изделия из семян злаковых растений или их производных.

Крахмал в неизмененном виде плохо переваривается в желудке и тонком кишечнике. Для его расщепления необходимы бактерии, которые колонизируют толстую кишку. Но даже в таком виде этот продукт может снижать уровень глюкозы в крови, а также образует органические кислоты, необходимые для построения эпителия толстого кишечника. Поэтому для лучшей усваиваемости необходимо термически обрабатывать продукты, содержащие крахмал.

Применение в промышленных масштабах

Крахмал (химическая формула – С6Р10О5) широко применяется в производстве бумаги, обоев, картона и другой подобной продукции. Ежегодно выпускаются десятки миллионов метрических тонн целлюлозно-бумажной продукции.

Пищевая промышленность использует крахмал как загуститель, а также в качестве сырья для получения глюкозы, патоки и этилового спирта. Известно, что это вещество входит в состав колбасных изделий, майонеза, кетчупа и других соусов. На текстильном производстве крахмалом обрабатывают ткани, делая их более жесткими и прочными.

Модифицированный вариант крахмала широко применяется для производства обойного клея. В фармацевтической отрасли его используют в качестве наполнителя для таблетированных форм лекарственных средств. А также для изготовления оболочек капсул и таких растворов, как гемодез, реополиглюкин и других.

Модификация крахмала

Для того чтобы крахмал превратился обратно в глюкозу, его несколько часов кипятят в растворе серной кислоты. Когда гидролиз произошел, из полученной массы необходимо убрать катализатор. Для этого в жидкость добавляют мел. Серная кислота осаждается, превращаясь в нерастворимый сульфат кальция, а глюкоза остается в виде раствора.

После этого жидкость несколько раз переливают и отфильтровывают, затем выпаривают. В конце процесса получается густая и очень сладкая жидкость – патока. Она используется в дальнейшем для кондитерских и технических нужд.

Если необходимо получить абсолютно чистую глюкозу, без других продуктов гидролиза крахмала, то кипятить его нужно гораздо дольше. Серную кислоту вновь осаждают, раствор фильтруют и сгущают до того момента, пока на стенках посуды не начнут появляться кристаллы глюкозы. На современном этапе чистую глюкозу также можно получить ферментированием. Для этого в раствор крахмала добавляют альфа-амилазу. Она расщепляет молекулы вещества на более простые цепи, получая декстрины и глюкоамилазы.

Если нагреть сухой крахмал до температуры более двухсот градусов Цельсия, то он частично распадется на полисахариды, такие как декстрин. Некоторые физические изменения позволяют получить крахмал, который хорошо впитывает и удерживает влагу. Это позволяет загустить продукт до желаемой консистенции.

Безвкусный аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. Под микроскопом видно, что это зернистый порошок; при сжатии порошка крахмала в руке он издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц.

Энергетическая ценность 100 г крахмала (в ккал/кДж): картофельного -299/1251; кукурузного – 329/1377. Крахмал хорошо усваивается организмом.

Основные виды крахмала: картофельный — получают из клубней картофеля, образует вязкий прозрачный клейстер; кукурузный — молочно-белый непрозрачный клейстер, имеет невысокую взякость, с запахом и привкусом, характерными для зерна кукурузы; пшеничный — обладает невысокой вязкостью, клейстер более прозрачный по сравнению с кукурузным.

Амилопектиновый крахмал получают из восковидной кукурузы. Клейстер из такого крахмала обладает хорошей вязкостью и влаго-удерживающей способностью. С раствором йода амилопектиновый крахмал дает характерное красно-коричневое окрашивание.

Высокоамилозный крахмал получают из высокоамилозных сортов кукурузы. Такой крахмал применяется в виде прозрачных пленок и съедобной пищевой оболочки в пищевой промышленности.

Кроме традиционных видов сырья (Картофеля, кукурузы, пшеницы) для производства крахмала в некоторых регионах используют и такие виды крахмалосодержащего сырья, как ячмень, рожь, рис (рисовая дробленка), горох.

В горячей воде набухает (растворяется), образуя коллоидный раствор -клейстер. В воде, при добавлении кислот (разбавленная H2SO4 и др.) как катализатора, постепенно гидролизуется с уменьшением молекулярной массы, с образованием т. н. «растворимого крахмала», декстринов, вплоть до глюкозы.

Молекулы крахмала неоднородны по размерам. Крахмал представляет собой смесь линейных и разветвлённых макромолекул.

При действии ферментов или нагревании с кислотами подвергается гидролизу. Уравнение:

Крахмал – растительный полисахарид со сложным строением. Он состоит из амилозы и амилопектина; их соотношение различно в различных крахмалах (амилозы 13 – 30%; амилопектина 70 – 85%).

Амилоза и амилопектин (их свойства приведены в таблице 1) в растениях формируются в виде крахмальных зерен, структура которых до конца не выяснена.

Таблица 1. Свойства амилозы и амилопектина

Крахмал является важным компонентом пищевых продуктов, исполняя роль загустителя и связывающего агента.

В одних случаях он присутствует в сырье, которое перерабатывается в пищевые продукты (например, хлебобулочные изделия).

В других его добавляют для придания продукту тех или иных свойств – он используется широко при производстве пудингов, концентратов супов, киселей, соусов, салатных приправ, начинок, майонеза; один из компонентов крахмала – амилоза используется для пищевых оболочек и покрытий.

К основным физико-химическим свойствам крахмала, имеющим большое значение для пищевых продуктов относятся способность крахмала к клейстеризации, вязкость клейстеризованных растворов и их способность давать студни.

Неповрежденные крахмальные зерна нерастворимы в воде, но могут обратимо впитывать влагу и легко набухают. Увеличение диаметра зерен при набухании зависит от вида крахмала. Например, для обычного кукурузного крахмала – 9,1%, для восковидного – 22,7%.

Клейстеризация крахмала проявляется при его нагревании в воде, и эта его способность к клейстерообразованию обусловлена наличием в нем амилопектина. крахмал клейстерообразование амилоза

В первой фазе нагревания вода медленно и обратимо поглощается зернами крахмала, причем происходит их ограниченное набухание.

Вторая фаза характеризуется тем, что зерна быстро набухают, во много раз увеличиваясь, поглощая большое количество влаги и быстро теряя двойное лучепреломление, т. е. свою кристаллическую структуру.

При этом вязкость крахмальной суспензии быстро возрастает, и небольшое количество крахмала растворяется в воде.

В третьей фазе набухания, протекающей при повышенных температурах, зерна становятся почти бесформенными мешочками, из которых вымылась наиболее растворимая часть крахмала.

Как правило, большие крахмальные зерна клейстеризуются при более низкой температуре, чем мелкие.

Температуру, соответствующую разрушению внутренней структуры крахмальных зерен, называют температурой клейстеризации. Она зависит от источника получения крахмала (табл. 2).

Таблица 2. Зависимость температуры клейстеризации крахмала от источника получения

Вязкость крахмальных клейстеров имеет очень важное практическое значение. При этом вязкость амилопектиновой фракции выше, чем амилозной, вследствие своего ветвистого строения молекулы амилопектина (внутреннее трение, у растворов с такими объемистыми молекулами больше).

Кривые вязкости, полученные на ротационном вискозиметре, показывают, что сначала увеличение температуры ведет к крутому подъему вязкости, что связано с набуханием крахмальных зерен.

Затем набухшие крахмальные зерна разрываются и дезинтегрируют, вызывая падение вязкости (рис. 1). Наклон кривых сильно различается для различных краxмалов.

Пищевые кулинарные изделия, получаемые из крахмала (соусы, подливки, кисели и пр.), должны обладать необходимой вязкостью.

Чем большую вязкость имеет клейстер, содержащий определенное количество крахмала, тем меньше его надо расходовать для получения продуктов с требуемой вязкостью.

Картофельный крахмал дает клейстеры со значительно большей (в среднем) вязкостью, чем кукурузный.

Для получения клейстеров с одинаковой вязкостью нужно брать разные количества того или иного крахмала.

Рис. 1. Изменение вязкости в процессе клейстеризации крахмальной суспензии.

Клейстеризация крахмала, вязкость крахмальных растворов, характеристика крахмальных гелей зависят не только от температуры, но и от вида и количества других присутствующих компонентов. С этим необходимо считаться, поскольку в процессе производства пищевых продуктов крахмал находится в присутствии таких веществ, как сахар, белки, жиры, пищевые кислоты и вода.

Высокие содержания сахара уменьшают скорость клейстеризации крахмала, снижают пик вязкости. Дисахариды являются более эффективными с точки зрения замедления клейстеризации и снижения пика вязкости, чем моносахариды. Кроме того, сахара уменьшают силу крахмальных гелей, играя роль пластификатора и вмешиваясь в образование зон связывания.

На клейстеризацию крахмала при производстве пищевых продуктов оказывают влияние и липиды – триглицериды (жиры, масла), моно- и диглицериды. Жиры, которые могут давать комплексы с амилозой, тормозят набухание крахмальных зерен. Вследствие этого в белом хлебе, в котором мало жира, 96% крахмала обычно полностью клейстеризовано. При производстве пекарских изделий эти два фактора (большие концентрации жира и низкая аw) вносят большой вклад в неклейстеризацию крахмала.

Моноглицериды жирных кислот (С16 – С18) приводят к увеличению температуры клейстеризации, увеличению температуры, соответствующей пику вязкости, уменьшению силы геля. Это связано с тем, что компоненты жирных кислот в моноацилглицеридах могут образовывать соединения включения с амилозой, а, возможно, и с длинными внешними цепями амилопектина.

Кислоты присутствуют во многих продуктах, где используется крахмал в качестве загустителя. При низких рН (салатные приправы, фруктовые начинки) имеет место значительное снижение пика вязкости крахмальных клейстеров и быстрое снижение вязкости при нагревании.

Поскольку при низких рН имеет место интенсивный гидролиз с образованием незагустевающих декстринов, необходимо, чтобы избежать кислотного разжижения, использовать в качестве загустителя в кислых продуктах модифицированные поперечно-сшитые крахмалы.

Студнеобразующая способность проявляется при достаточном содержании крахмала в клейстерах, а образование и свойства студней из них зависят, в основном, от амилозной фракции. Известно, что студни образуются в тех случаях, когда молекулы имеют цепочное (линейное) строение.

Образование студней используется, например, при изготовлении киселей, запеканок, конфет, колбас и др.

Свойства крахмальных студней зависят от концентрации крахмала, продолжительности выстойки и других факторов. Прочность студней быстро возрастает при их хранении и выстойке, причем наиболее быстро у концентрированных студней.

Студни из крахмалов разных видов по своим свойствам не одинаковы.

Студни, изменившие первоначальную прочность во время хранения, после вторичного нагревания приобретают ее снова, т. е. явления структурообразования обратимы при нагревании, причем у рисовых и пшеничных крахмалов наблюдается полная обратимость, а у картофельных – ограниченная.

У крахмальных студней, особенно из картофельного крахмала, с течением времени наблюдается синерезис, проявляющийся в том, что в результате уплотнения гелевой структуры выделяется свободная вода на поверхности.

В молекуле крахмала имеется много свободных гидроксильных групп, которые способны вступать в химические реакции со многими соединениями и давать эфиры и различные производные. На этом основано получение различных модифицированных его производных.

Модифицированные, или измененные, крахмалы, обладающие новыми свойствами, находят все большее и разнообразное применение в различных отраслях пищевой промышленности.

Модифицированные крахмалы имеют, как правило, такой же внешний вид, как и обычный (нативный) крахмал. Однако, воздействуя на него различными физическими, химическими и биологическими реагентами, изменяющими направленно такие его свойства, как растворимость, вязкость, прозрачность, стабильность клейстеров и другие физико-химические параметры, получают крахмалы с удивительными свойствами. Крахмалы, свойства которых изменены в результате специальной обработки, называют модифицированными крахмалами.

Основными превращениями, которые претерпевают крахмалы:

• 1. Расщепление (деполимеризация) полисахаридных компонентов крахмала с сохранением или без сохранения зернистой структуры.
• 2. Увеличение количества существующих или появление новых функциональных групп, перестройка структуры полисахаридных цепей в результате трансгликолизирования.
• 3. Потеря зернами крахмала первоначальной структуры и приобретение ими после дегидратации новой структуры.
• 4. Взаимодействие гидроксильных групп крахмала с различными химическими веществами с образованием эфирных связей и присоединением их остатков.
• 5. Одновременная полимеризация блоков частичного гидролиза крахмала и других мономеров (сополимеризация) с образованием новых соединений.

Модифицированные крахмалы могут быть получены путем одного из указанных превращений или в результате двух и более превращений, протекающих одновременно или последовательно.

Набухающие крахмалы получают полной или частичной клейстеризацией нативного или модифицированного крахмала в воде при нагревании с последующим высушиванием клейстера и измельчением. Они способны набухать в холодной воде, полностью или частично переходить в растворимое состояние. Набухающие крахмалы вводят в сухие смеси мороженного, пудингов, кремов и других изделий быстрого приготовления.

Крахмал, модифицированный кислотой, получают при нагревании слабо подкисленной водной суспензии крахмальных зерен до температуры 45 – 50 °С. В зернах ослабляются межмолекулярные связи и происходит частичное расщепление гликозидных связей. Молекулы амилопектина становятся менее разветвленными, вследствие чего крахмал дает более прозрачные студни. Этот крахмал практически нерастворим в холодной воде, но хорошо растворим в кипящей воде. Для этого крахмала, по сравнению с исходным, характерна более низкая вязкость горячих клейстеров, уменьшение силы геля, увеличение температуры клейстеризации. Крахмал, модифицированный кислотой, широко применяют в пищевой промышленности: кукурузный и пшеничный – для приготовления конфет, рахат-лукума и других кондитерских изделий; картофельный – для пудинговых смесей.

Этерифицированные крахмалы. Известно, что крахмал может быть подвергнут этерификации. В пищевой промышленности чаще применяют крахмалофосфаты – эфиры крахмала и солей фосфорной кислоты. Их используют в качестве загустителей, стабилизаторов, эмульгаторов, не имеющих запаха и вкуса

Монофосфаты получают при нагревании крахмала с водорастворимыми фосфатами, солями орто-, пиро- или метафосфорной кислоты в течение 1 – 6 ч при повышенной температуре (обычно 50 – 60 °С). По сравнению с обычным крахмалом этот крахмал имеет более низкую температуру клейстеризации, набухает в холодной воде (СЗ = 0,07 и выше), имеет пониженную способность к ретроградации. Характеристика фосфатных зерновых крахмалов в принципе подобна картофельному крахмалу, который тоже содержит фосфатные группы. Монофосфатный крахмал применяют в замороженных продуктах в качестве загустителя, благодаря его исключительной стабильности при замораживании-оттаивании. Предварительно клейстеризованныи фосфатный крахмал диспергируется в холодной воде, благодаря чему может успешно использоваться в инстант-десертных порошкообразных продуктах и в мороженом.

В отличие от монофосфатного крахмала, в дифосфатном крахмале фосфат этерифицируется с двумя гидроксильными группами, часто из двух соседних крахмальных цепей. Таким образом, образуется химический мост между близлежащими цепями, и эти крахмалы относят к поперечно-сшитым крахмалам. Наличие ковалентной связи между двумя крахмальными цепями предохраняет крахмальные зерна от набухания, дает большую стабильность при нагревании и возможном гидролизе.

Поперечно-сшитые крахмалы могут быть получены реакцией крахмала (R-ОН) с би- и полифункциональными агентами, такими как триметафосфат натрия, оксихлорид фосфора, смешанные ангидриды уксусной и дикарбоновой (например, адипиновой) кислот.

Наиболее значительное изменение в свойствах поперечно-сшитого крахмала – высокая стабильность при повышенных температурах, низких значениях рН, механических воздействиях, снижение способности к ретроградации, стабильность при замораживании – оттаивании; при хранении клейстеров поперечно-сшитых крахмалов не наблюдае