 |
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.
|
|
|
