بخشی از مقاله
برخي روش هاي نوين اصلاح نشاسته
چکيده
با پيشرفت صنايع تبديلي مواد غذايي و ابداع روش هاي جديد فرآيند غذا، ساختار نشاسته دچار تغيير و تحولاتي مي گردد که منجر به از دست رفتن برخي از خواص مطلوب نشاسته طبيعي مي شود. به منظور بهبود خواص عملکردي نشاسته مي توان ساختار آن را به طرق مختلف اصلاح کرد. نشاسته اصلاح شده مي تواند جايگزين برخي ترکيبات شيميايي و صمغ هاي گران قيمت با عملکرد مشابه گردد و يا بعنوان عوامل قوام دهنده ، پوشش دهنده ، تشکيل دهنده ژل ، پايدارکننده هاي کلوئيدي، و... در محصولات مختلفي نظير فرآورده هاي نانوايي و قنادي، لبني، گوشتي، سس ها و سوپ ها کاربرد داشته باشند. به صورت کلي روش هاي اصلاح نشاسته به چهار گروه روش هاي شيميايي ، فيزيکي ، آنزيمي و ژنتيکي تقسيم مي شود. امروزه با پيشرفت فن آوري هاي نوين عمل اصلاح نشاسته را مي توان با روش هاي جديدي انجام داد. در اين تحقيق روش هاي نويني نظير استفاده از مايکرو ويو ، اصلاح شيميايي توسط مشتقات هگزامتيل دي ايزوسيانات ، اصلاح نشاسته از طريق ايجاد اتصالات عرضي توسط فسفريل کلرايد، اصلاح آنزيمي نشاسته کاساوا با استفاده از ليپاز قارچي نيز بيان مي شود. استفاده از هر يک از اين روش ها بسته به ويژگي نشاسته حاصل شده مي تواند در محصولات مختلفي کاربرد داشته باشد.
کلمات کليدي نشاسته ، اصلاح نشاسته ، اتصالات عرضي
مقدمه
ثابت شده نشاسته طبيعي گرفته شده از منابع مختلف گياهي داراي خواص منحصر به فرد مي باشد. اگرچه با پيشرفت صنايع تبديلي مواد غذايي و ابداع روش هاي جديد فرآيند غذا، ساختار نشاسته دچار تغيير و تحولاتي مي گردد که مي تواند منجر به از دست رفتن بعضي خواص مطلوب آن در غذاها گردد. براي مثال در اثر فرآيند اتوکلاو کردن غذاهاي حاوي نشاسته امکان شکسته شدن مولکولهاي نشاسته در اثر حرارت بالا وجود دارد. در نتيجه ويسکوزيته و قوام محصول مورد نظر پائين مي آيد. به منظور بهبود خواص عملکردي نشاسته ميتوان ساختار آنرا به طرق مختلف تغيير داد. چنين نشاسته اي را نشاسته اصلاح شده مي نامند. استفاده از روشهاي شيميايي قديمي ترين و متداولترين روش اصلاح نشاسته مي باشد.
١. اصلاح شيميايي
١.١.نشاسته بااتصالات عرضي
يکي از انواع بسيار متداول نشاسته اصلاح شده به روشهاي شيميايي توليد نشاسته با اتصالات عرضي است . در اين نوع نشاسته با استفاه از مواد شميايي داراي گروههاي دو عاملي ، دو شاخه از آميلوز يا آميلوپکتين را توسط پيوندهاي استري به هم متصل مي کنند و به اين ترتيب مولکولها و شاخه هاي آميلوز و آميلوپکتين در کنار هم نگه داشته مي شوند. و در نتيجه اين فرآيند باعث تقويت و افزاش يکپارچگي ساختار گرانول نشاسته مي شود . همچنين ساختار گرانول در طي فرآيند حرارت دهي ، بهم زدن و شرايط اسيدي حفظ مي شود در نتيجه در اين نوع نشاسته ها تورم گرانول به شکل کنترل شده اي انجام مي شود. اين نوع نشاسته ها در طي حرارت دادن ويسکوزيته خود را حفظ مي کنند و مي توانند مقاومت خوبي در برابر دماي بالا، شرايط اسيدي و تنشهاي مکانيکي داشته باشند. حلاليت اين نوع نشاسته ها به دليل اتصالات عرضي بوجود آمده کمتر از نشاسته طبيعي است .
همچنين دماي ژلاتينه شدن در نشاسته هاي با اتصالات عرضي بالاتر است و رتروگراده شدن در آنها کمتر اتفاق مي افتد.
براي توليد نشاسته هاي با اتصالات عرضي از سديم تري متا فسفات ( STMP) ، فسفوس اکسي کلرايد يا مخلوط اديپيک انهيدريد واستيک انهيدريد به عنوان عامل ايجا کننده اتصالات عرضي استفاده مي شود.
به اين منظور از مخلوط آب و گرانولهاي نشاسته ، در ١٢-٧.٥ =pH و دماي ̇C ٥٠-٢٥ به مدت ٣٠ دقيقه تا ٢٤ ساعت استفاده مي شود. سپس به حالت خنثي در مي آيد و نشاسته با عبور از فيلتر ، چندين بار شستشو مي شود و سپس خشک و بازيافت مي شود. نمکها و ترکيبات توليد شده در اثر فرآيند در اثر شستشو جدا مي شوند.
٢.١.نشاسته هاي جايگزين شده
ويسکوزيته خمير نشاسته در اثر ماندگاري يا کاهش دما افزايش مي يابد که نتيجه عمل بياتي نشاسته است . به منظور تعويق يا پيشگيري از اين پديده که خصوصا موکلولهاي آميلوز در بروز آن در زمان کوتاه نقش دارند نشاسته جايگزين شده توليد مي شود. به منظور توليد اين نوع نشاسته از ترکيبات جايگزين کننده مختلفي مي توان استفاده کرد که شامل استات ، منوفسفات ، سوکسينات ، سديم اکتنيل سوکسينات و هيدروکسي پروپيل مي باشد.
اين ترکيبات به جاي يک گروه هيدروکسيل واحدهاي گلوکز سازنده نشاسته جايگزين مي شوند. اين جايگزيني بوسيله تشکيل استر يا اتر بوجود مي آيد و گروههاي قرار گرفته روي زنجيره هاي آميلوز يا آميلوپکتين به عنوان يک عامل ممانعت کنند فضايي عمل کرده و باعث دور نگه داشتن زنجيرها از هم مي شوند.
١.٢.١.نشاسته استري
انواع اين نشاسته ها شامل نشاسته استاته ، فسفاته و سوکسينيله شده مي باشند.
بعنوان مثال نشاسته فسفاته در حضور اورتوفسفات قليايي و يا تري پلي فسفات قليايي در دماي ̇C ١٧٥-١٢٠ حرارت مي بيند و محصول نهايي نشاسته مونوفسفاته استري مي باشد.
٣.١.نشاسته هاي تبديل يافته
١.٣.١.هيدروليز اسيدي
در اين فرآيند از مخلوط آب و گرانولهاي نشاسته استفاده مي شود و سپس اسيد به آن اضافه شده و ضمن مخلوط کردن در دماي ̇C ٥٥-٢٥ فرآيند تا رسيدن به درجه هيدروليز مناسب ادامه مي يابد . مقدار هيدروليز مي تواند تعيين کننده بافت و خصوصيات نهايي فرآورده باشد. در اين فرآيند چون از دماهاي ير دماي ژلاتينه شدن استفاده مي شود، اسيد بيشتر به قمستهاي غير کريستالي و بي شکل نشاسته حمله مي کند ودر نتيجه قسمتهاي کريستالي باقي مي ماند. بنابراين به علت از بين رفتن قسمت هاي بي شکل در نتيجه افزايش ساختار کريستالي امکان بياتي اين نشاسته افزايش مي يابد . همچنين دماي ژلاتينه شدن افزايش مي يابد، ويسکوزيته کم مي شود و حلاليت افزايش پيدا مي کند . از اين نوع نشاسته ها تحت عنوان نشاسته رقيق جوشيده يا نشاسته رقيق شده با اسيد ياد مي شود. اين مواردي که غلظتهاي زياد نشاسته مورد نظر است اما ويسکوزيته بالا در دماهاي بالا مطلوب نمي باشد.مثل بعضي محصولات قنادي و انواع آبنبات هاي ژله اي استفاده کرد. در اين محصولات مخلوطي از اجزاء سازنده در دماي بالامخلوط مي شوند. در صورت استفاده از نشاسته معمولي با افزايش دما ويسکوزيته بالامي رود و مخلوط کردن مواد با مشکل روبرو مي شود، در حالي که در صورت استفاده از نشاسته رقيق جوشيده اين مشکل ايجاد نمي شود، بعلاوه مي توان از مقدار زيادي از نشاسته هم استفاده کرد. در اثر سرد نمودن ، اين نشاسته ايجاد يک ژل محکم مي کند و لذا افت مطلوبي را در محصول ايجاد مي کند.
٢.٣.١.نشاسته اکسيد شده يا کلرينه شده
براي توليد اين نشاسته ها هيپوکلريت سديم به مقدار حداکثر ٥.٥% کلر قابل دسترس به آرامي به مخلوطي از گرانولهاي نشاسته در آب اضافه مي شود، البته مقدار مذکور بسته به عملکرد مورد نظر نشاسته حاصل دارد. معمولاض محلول هيپوکلريت استفاده شده قليايي ، خنثي يا اسيدي مي شود يا در دماي بالا به کار مي رود تا تبديل هيپوکلريت به کلرات را تسريع کند. پس از افزودن تمامي هيپوکلريت و رسيدن به مقدار موردنظر از نشاسته تبديل شده ،pH محصول خنثي يا کمي اسيدي مي شود و مقادير اضاي هيپوکلريت با افزودن يک ماده احيا کننده مانند بي سولفيت از بين مي رود . گرانولهاي نشاسته سپس شسته آبگيري و خشک مي شوند.
از آنجا که اکسيد کردن يک فرآيند گرمازا است لذا بايستي از افزايش بيش از حد درجه حرارت جلوگيري کرد، خصوصا وقتي نشاسته اي به شدت اکسيده توليد مي شود. زيرا ممکن است که افزايش دما تا حدي باشد که نشاسته تا حدي محلول يا متورم شود و باعث بروز مشکلاتي در مراحل شستشو و آبگيري نشاسته گردد. به اين منظور بهتر است مخلوط نشاسته در آب اوليه در دماي پايين باشد.
٣.٣.١.دکسترينيزه کردن
اين فرآيند شامل شکسته شدن پليمرها وتشکيل اتصالات و پليمرها جديد مي باشد که در اثر حرارتهاي بالا و در حضور و يا عدم حضور کاتاليست ها بوجود مي آيد. توليد صنعتي آنهاتوسط حرارت دهي خشک در دماهاي ̇C ١٨٠-١١٠و به مدت ٢٤-٣ساعت انجام مي شود. با توجه به شرايط از نظر صنعتي، دکسترينها را به سه دسته شامل دکسترينهاي زرد ، دکسترينهاي سفيد و صمغهاي انگليسي تقسيم بندي مي کنند که توليد هر يک داراي شرايط متفاوتي است .
٢.اصلاح فيزيکي
١.٢.نشاسته فوري يا پيش ژلاتينه
براي توليد اين نوع نشاسته ها ابتدا نشاسته ژلاتينه مي شود و سپس سريع آن را خشک و پودر مي کنند. بمنظور خشک کردن آنها مي توان از روش هاي خشک کردن غلطکي، خشک کن پاششي و اکستروژن استفاده کرد. در اثر ژلاتينه شدن ،زنجيرهاي آميلوز و آميلوپکتين از يکديگر دور شده و آب بين آنها قرار مي گيرد. در اثر خشک شدن سريع ، آب بين زنجيرها به سرعت تبخير شده در نتيجه مولکولهاي آميلوز وآميلوپکتن نمي توانند کريستاليزه شوند و به همان صورت باقي مانده و تويد يک ماده با حالت شيشه اي مي کنند که به محض قرار گرفتن در آب مي توانند آب را به درون ساختار خود جذب کرده و ويسکوزيته بالايي ايجاد کنند در طي فرآيند توليد نشاسته پري ژل معمولا ساختار گرانول از بين مي رود. اين نشاسته ها تحت عنوان نشاسته فوري نيز شناخته مي شوند.
٢.٢.انيلينگ
در اين روش نشاسته در دمايي پاين تر از دماي ژلاتينه شدن ، در دماي
̇C ٥٥-٥٠ به مدت چند روز حرارت داده مي شود. نشاسته بدست آمده داراي ويسکوزيته و دماي ژلاتينه شدن بيشتري نسبت به نشاسته اوليه مي باشد.
٣.٢.فرآيند حرارتي – رطوبتي
در اين فرآيند نشاسته در دمايي بالاتر از دماي ژلاتينه شدن ،حرارت داده مي شود اما به علت استفاده از رطوبت کم از ژلاتينه شدن نشاسته جلوگيري مي شود. مدت زمان انجام فرآيند هم مي تواند ٧٢-١ ساعت باشد. محصول بدست آمده داراي دماي ژلاتينه شدن و ويسکوزيته بالاتري مي باشد.
٣. اصلاح آنزيمي
معمولا از آنزيم هاي هيدروليز کننده براي تغيير ساختار نشاسته استفاده مي شود. آنيزمهاي متداول ومورد استفاده شامل آنزيمهاي آلفا –آميلاز ، بتا – آميلاز ، گلوکو آميلاز، ايزوآميلاز ، پلولاناز و سيکلوآميلوز گلوکوترانسفراز مي باشند. اين فرآيند بر روي نشاسته ژلاتينه شده انجام مي شود و کنترل دما و pH مناسب ، بسيار مهم و ضروري است . آنزيم آلفا – آميلاز مي تواند اتصالات را بصورت تصادفي در قسمتهاي داخلي مولکول تجزيه مي کند و در نتيجه محصول اثر اين آنيزم رشته هاي کوتاه پليمري يا قسمتهاي شاخه دار با طول کوتاه است . آنزيم بتا – آميلاز مي تواند اتصالات را از انتخاي غير احيا کننده زنجيره ها بصورت يک در ميان شکسته و در نتيجه محصول اين آنيزم مالتوز است . از آنجا که اين آنزيم نيز شاخه ها را باقي مي گذارد لذا محصول ديگر پلي ساکاريدهايي به نام دکسترين محدود بتا است . آنزيم گلوکوآميلاز مي تواند مولکولهاي آميلوز و آميلوپکتين را از قسمت انتهاي غير احيا کننده آنها مورد حمله قرار دهد و باندها را پشت سر هم شکسته و مولکولهاي گلوکز راآزاد کند درنتيجه زمان کافي اين آنزيم مي تواند تمام مولکولهاي نشاسته را به گلوکز تبديل کند. آنزيم هاي ايزوآميلاز و پلولاناز که تحت عنوان آنزيم هاي شکننده شاخه ها شناخته مي شوند مي توانند اتصالات را شکسته و در نيتجه پليمرهاي بدون شاخه بوجود آورند.
آنزيم سيکلوآميلوز گلوکوترانسفراز مي تواند زنجير طولاني اتصالات را به زنجيرهاي ٧،٦و٨ تايي شکسته و سپس انتهاي آنها را به هم متصل مي کند در نتيجه يک ساختار حلقوي با تعداد ٧،٦و٨ واحد گلوکز بوجود مي آيد که تحت عنوان آميلوز حلقيو يا دکسترين حلقوي مطرح هستند.
٤. اصلاح ژنتيکي
توسط روشهاي به نژادي و هيبريداسيون يا تغيير ساختار ژنتيکي گياهان مي توان خواص مطلوب و مورد نظر را بصورت طبيعي در نشاسته ايجاد کرد، براي مثال نسبت آميلوز به آميلوپکتين را تغيير داد يا اندازه مولکولهاي آميلوز را افزايش داد که اين عمل مي تواند باعث کاهش بياتي و بهبود خواص مکانيک و تشکيل ژل نشاسته را بهبود بخشيد. بعلاوه مي توان گروههاي فسفات را که بطور طبيعي به مقدار کم در ساختار نشاسته وجود دارند را زياد کرد و در نتيجه نشاسته فسفاته توليد کرد.
توليد نشاسته اصلاح شده گندم با استفاده از مايکروويو
در اين روش نشاسته گندم را بمدت ١٠ دقيقه در معرض مايکروويو با فرکانس ٢٤٥٠ مگاهرتز قرار دادند. بررسي ويسکوزيته ذاتي اين نشاسته نشان داد که حرارت مايکروويو موجب تجزيه پليمرهاي نشاسته شده است و قابليت تشکيل ژل را ندارند. ولي حلاليت و جذب آب شبيه به نشاسته اصلاح نشده نشان داد.الگوي اشعه ايکس نيز افت ساختار کريستالي نشاسته را نشان داد.
همچنين حرارت مايکروويو موجب تغيير ساختار گرانول هاي نشاسته مي شود و متعاقبا تغييرات کاربردي اين نوع نشاسته را بهمراه دارد.
اصلاح آنزيمي نشاسته کاساوا با استفاده از ليپاز قارچي(Candida rugosa)
در اين تحقيق استريفيکاسيون نشاسته کاساوا به دو روش مايکروويو و محلول سازي انجام شد. محلول سازي به اين صورت انجام شد که نشاسته کاساوا را با روغن نارگيل هيدروليز شده به نسبت مساوي و ١ميلي ليتر حلال و ١٠٠ ميلي گرم پودر ليپاز قارچي مخلوط شد و بمدت ٤ ساعت در حرارت ̇C ٧٠ انکوباسيون شد. در روش استريفيکاسيون با مايکروويو مخلوط نشاسته و روغن و
٢٠٠ميلي گرم آنزيم ليپاز قارچي در فرکانس ٢٤٥٠ مگاهرتز بمدت ٢ دقيقه و ١٥ثانيه قرار گرفتند. مقايسه اين دو روش نشان داد که درجه جانشيني چربي در نشاسته توسط استريفيکاسيون با مايکروويو بيشتر از محلول سازي بود . در نتيجه استريفيکاسيون نشاسته با اسيدهاي چرب طويل زنجير نظير پالمتيک اسيد موجود در روغن نارگيل موجب ايجاد خاصيت ترموپلاستيکي در نشاسته مي شود که امکان کاربرد آن را بطور وسيعي در صنايع پلاستيک و داروسازي فراهم مي کند. خاصيت تورم در آب نشاسته کاهش مي يابد بنابراين در موارديکه جذب آب بايد حداقل باشد، کاربرد اين نوع نشاسته ها مناسب است .
اصلاح شيميايي توسط مشتقات هگزامتيل دي ايزوسيانات
در اين تحقيق طي دو مرحله مشتقات هگزامتيل دي ايزوسيانات آماده شد.مرحله اول هگزامتيلن در ايزوسيانات با مونوالکل يا مونو آمين مخلوط شد و مشتقات ايزوسيانات حاصل شد. در مرحله بعد نشاسته سيب زميني با محلول ان -متيل پيروليدين ترکيب شد و بمدت ٣٠ دقيقه در معرض حرارت اوليه ̇C٩٠ تحت اتمسفر نيتروژن قرار گرفت سپس در دماي ̇C١١٥ بمدت ٦ ساعت قرار گرفت و سه مرتبه با متانول شست و شو داده شد و در دماي ̇C٦٠ خشک شد.
نشاسته بدست آمده از اين طريق تحت hot press moulding قرار گرفت و مشاهده شد که نشاسته اصلاح شده با مشتق ايزوسيانات ويژگي جريان يافتگي مطلوبي نشان مي دهد. همچنين انديس تورم اين نوع نشاسته نشان داد که قابليت حلاليت و متورم شدن محدودي دارد. بنابراين مي توان گفت نشاسته اصلاح شده با مشتق ايزوسيانات بمنظور استفاده در فرآيند اکستروژن گزينه مناسبي مي باشد.
