بخشی از مقاله
چکیده
فرایند حرارتی-رطوبتی از روش های فیزیکی اصلاح نشاسته است که سبب تغییر ویژگی های فیزیکوشیمیایی نشاسته ها بدون تخریب ساختار گرانولی آن ها می شود. نسبت نشاسته به آب، دما و زمان فرایند، سه عامل اصلی کنترل کننده نوع و میزان این تغییرات هستند. در طی اصلاح نشاسته به روش فرایند حرارتی-رطوبتی، نشاسته ها در حضور رطوبت کم 15-30 - درصد - تحت دما های بالا برای یک مدت زمان معین قرار می گیرند. به علت محدودیت رطوبت ساختار گرانولی نشاسته بدون تغییر باقی می ماند. در این مطالعه به بررسی تأثیر فرایند حرارتی-رطوبتی بر ویژگی های فیزیکوشیمیایی نشاسته های مختلف از جمله شکل گرانول ها، ساختار کریستالی گرانول ها، ویژگی های خمیری شدن گرانول ها، قدرت جذب آب و حلالیت گرانول ها، ویژگی های ژلاتینه شدن گرانول ها و حساسیت نشاسته به هیدرولیز آنزیمی پرداخته شد. در نهایت به برخی از کاربرد های نشاسته های نشاسته های اصلاح شده به روش فرایند حرارتی-رطوبتی اشاره شد.
کلمات کلیدی: نشاسته، فرایند حرارتی-رطوبتی، ویژگی های فیزیکوشیمیایی
1. مقدمه
نشاسته ها درشت مولکول های زیستی با ساختار نیمه کریستالی هستند که در نواحی مختلف گیاهان مانند برگ، ساقه، دانه، غده و ریشه ذخیره می شوند و در گیاه به شکل گرانول های نیمه کریستالی وجود دارد. دامنه اندازه ی این گرانول ها بین 2 تا 150 میکرون متغیر است و بسته به منشأ گیاهی در اشکال مختلف کروی، بیضی، چند وجهی و یا به صورت اشکال نامنظم وجود دارند.
نحوه ی قرارگیری آمیلوز ها و آمیلوپکتین ها در گرانول منتهی به ایجاد بخش های کریستالی و غیرکریستالی به صورت متناوب شده است به طوری که گرانول نشاسته در برش عرضی به صورت حلقه های متحدالمرکز دیده می شود . - Chiu and Solarek, 2009 -
نشاسته عمدتا از دو کربوهیدرات به نام های آمیلوز و آمیلو پکتین تشکیل شده است. آمیلوز عمدتا یک پلیمر خطی که از 800-6000 واحد گلوکز تشکیل شده است و ساختار آن به صورت مارپیچ تکی1 است که اتم های هیدروژن در بخش مرکزی این ساختار قرار دارند، لذا بخش مرکزی این ساختار دارای خاصیت آبگریز2 است. بنابر این می تواند با ملکول هایی که خاصیت غیر قطبی دارند مانند ید، برخی الکل ها، اسید های چرب آزاد و همچنین مونو و دی گلیسرید ها تشکیل کمپلکس دهد. تشکیل این کمپلکس و همچنین مقدار این کمپلکس ها در نشاسته می تواند روی خواص فیزیکوشیمیایی نشاسته مانند دمای ژلاتینه شدن3 و رفتار رئولوژیکی4 و بافت تاثیر گذار باشد. از آنجا که کمپلکس آمیلوز با ید، رنگ آبی ایجاد می کند می توان از این خاصیت جهت تعیین مقدار آمیلوز موجود در نشاسته استفاده کرد . - Richmond et al., 1996 -
آمیلوپکتین پلیمری بسیار منشعب است که درجه پلیمریزاسیون5 آن بین 300 هزار تا 3 میلیون بوده و اتصالات α - 1,6 - حدود %4-6 کل اتصالات را تشکیل می دهند و بطور متوسط باعث بوجود آمدن 20 هزار شاخه می شوند. طول زنجیر ها بین 20-60 واحد گلوکز است. ساختار هر شاخه به صورت مارپیچ دوتایی است و ساختار کلی آمیلوپکتین به صورت نیمه کریستالی است. این پلیمر قدرت ایجاد بافت چسبنده و صمغی را دارد - مجذوبی و
همکاران.، . - 8317
خواص کاربردی نشاسته های طبیعی - حساس به بیاتی، مقاومت کم به حرارت، شرایط اسیدی و نیرو های برشی - منتهی به محدودیت مصرف این نوع نشاسته ها در صنعت می شود. بنابر این اکثر نشاسته هایی که امروزه در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند با روش های مختلف شیمیایی - ایجاد اتصالات عرضی، هیدروکسی پروپیله کردن و غیره - ، فیزیکی - فرایند حرارتی-رطوبتی، واپسگرایی تدریجی و غیره - ، آنزیمی و ژنتیکی اصلاح شده اند. روش های فیزیکی اصلاح نشاسته - توسط اعمال حرارت، رطوبت، نیرو های برشی و یا اشعه دهی - امروزه در بین تولید کنندگان و مصرف کنندگان مقبولیت بیشتری پیدا کرده اند. چرا که در نشاسته های اصلاح شده با روش های فیزیکی اثری از محصولات جانبی ناشی از مصرف واکنشگر های شیمیایی وجود ندارد. و نشاسته حاصل یک محصول کاملا طبیعی و ایمن است که می تواند به دور از محدودیت های قانونی در صنعت و بخصوص در تولید مواد غذایی به کار گرفته شود - . - Chung et al., 2009
از جمله روش های فیزیکی اصلاح نشاسته می توان به فرایند حرارتی-رطوبتی6 و واپسگرایی تدریجی - انیل کردن - 7 اشاره کرد. که در هر دو مورد نشاسته به صورت کنترل شده در معرض رطوبت و حرارت برای یک مدت زمان معین قرار می گیرد. در هر دو روش اصلاح فیزیکی مذکور ساختار گرانولی نشاسته ها دست نخورده باقی می ماند. در ادامه به بررسی تأثیر فرایند حرارتی-رطوبتی بر ویژگی های فیزیکی و شیمیایی نشاسته های مختلف پرداخته می شود و درنهایت به برخی از کاربرد های نشاسته های اصلاح شده با فرایند حرارتی-رطوبتی اشاره شده است. در تمام متن از واژه HMT برای نشاسته های اصلاح شده به روش فرایند حرارتی-رطوبتی استفاده شده است.
2. فرایند حرارتی-رطوبتی - HMT -
این فرایند شامل اعمال حرارت های بالا - 90-120˚C - در حضور رطوبت کم - 10-30% - برای یک مدت زمان معین 15 - دقیقه تا 16 ساعت - است . در مقادیر کم محتوای رطوبتی دمای ژلاتینه شدن گرانول ها افزایش می یابد به طوری که می توان نشاسته را تا دما های بالا بدون اینکه گرانول های آن ژلاتینه شود، حرارت داد . - Gunaratne & Hoover, 2002 - در فرایند حرارتی رطوبتی هر چند گرانول ها تحت دما های بالا قرار گرفته اند اما به علت میزان کم رطوبت ژلاتینه نمی شوند اما دما های مورد استفاده از دمای انتقال شیشه ای گرانول ها1 بالاتر است. فرایند حرارتی-رطوبتی باعث تخریب ساختار های کریستالی و باز شدن مارپیچ های دو گانه در نواحی آمورف گرانول ها می شود. که در ادامه این زنجیره های باز شده مجددا به یکدیگر پیوسته و ساختار های منظم تری را ایجاد می کنند. فرایند حرارتی-رطوبتی نیز همانند واپسگرایی تدریجی - انیل کردن - ، تغییری در ساختار گرانولی نشاسته ها ایجاد نمی کند. در اعمال فرایند حرارتی-رطوبتی اعمال فشار های بالاتر از فشار اتمسفر می تواند گزینه مناسبی به منظور تأمین دمای فرایند باشد - Lim et al., . - 2001
نتایج محققین مختلف نشان می دهد نشاسته های غده ای نسبت به نشاسته غلات بیشتر تحت تأثیر اصلاح HMT قرار می گیرند. اثر عمده این روش بر تقویت و گسترش ساختار کریستالی درون گرانول ها و تسهیل ایجاد اتصالات بین زنجیره هاست. نشاسته های تولید شده با این روش دارای حلالیت2، قدرت تورم3 و دمای خمیری شدن4 کمتری نسبت به نشاسته های طبیعی هستند. و بیاتی خمیر حاصل از این نشاسته ها کمتر است - Chiu and Solarek, . - 2009 قدرت ژل حاصل از این نشاسته ها بیشتر، حساسیت به اسید و آنزیم بالاتر، پایداری حرارتی و مقاومت به نیرو های برشی ژل آن ها بیشتر است. تخریب ساختار های کریستالی در بخش های سطحی گرانول ها می تواند سبب تسهیل نفوذ آلفا آمیلاز به داخل گرانول ها شود، بنابراین در حالی که ساختار کریستالی گرانول ها تخریب نشده است، حساسیت آن ها به آنزیم افزایش پیدا می کند . - Zavareza and Guerra dias, 2011 -
.1-2 تأثیر HMT بر قدرت جذب آب گرانول نشاسته های مختلف
قدرت تورم گرانول های نشاسته می تواند تحت تأثیر اندازه گرانول ها - Sasaki and Matsuki, 1998 - ، میزان آمیلوپکتین موجود در گرانول page8 - Waduge et al., 2006 - ، ساختار آمیلوپکتین - میزان انشعابات و طول زنجیره های جانبی - - Sasaki and Matsuki, 1998 - ، محتوای آمیلوز گرانول ها - Tester et al., 2004 - ، میزان و قدرت پیوند های بین ماکرومولکول های درون گرانول - Dias et al., 2010 - و نحوه ی حضور آمیلوز درون گرانول - که هم می تواند به فرم آزاد حضور پیدا کرده و منتهی به افزایش قدرت جذب آب گرانول شود و یا اینکه به صورت کمپلکس های آمیلوز لیپیدی تأثیر منفی بر قدرت جذب آب گرانول ها داشته باشد - - Knutson, 1990 - ، قرار گیرد.
بررسی های انجام شده توسط محققین روی نشاسته های مختلف مانند سیب زمینی، کاساوا، سورگوم و ذرت، نشان می دهد اصلاح HMT سبب کاهش قدرت جذب آب گرانول ها می شود. کاهش قدرت جذب آب گرانول ها می تواند در ارتباط با کاهش آبگیری گرانول ها، افزایش برهمکنش بین آمیلوز ها و
