مقاله تأثیرخواص‌ویسکوالاستیک نشاسته‌وتغلیظ کننده‌های‌ غیرنشاسته‌ای دربافت محصولات غذایی

بخشی از مقاله

چکیده: طراحی و تولید محصولات غذایی جدید یکی از مهمترین وظایف در صنایع غذایی می باشد.بهبودویاکنترل بافت موادغذایی منجربه محصولاتی باویژگیهای مناسب جهت تولید غذاهای آماده بلع برای سالمندان وافراد بیماروهمچنین محصولات رژیمی با استفاده از ژل های نرم ،سخت و غیره می گردد.بافت ماده غذایی از هر دو نظر دلپذیری و ایمنی خوردن غذا حائز اهمیت است.هیدرو کلوئید ها به عنوان عناصر بسیار مهم در پیشرفت آگاهانه-سلامت صنعت غذا محسوب می گردند. این مواد به گروهی از پلی ساکاریدهاو پروتئین ها اطلا ق می شود که موجب ایجاد ویژگیهای متعددی از قبیل تغلیظ کنندگی و ژلی شدن در محلولهای آبی شده،موجب پایداری فوم ها،امولسیونها و دیسپرسیونها می گردد .این ترکیبات در غلظت های بسیار کم حتی کمتر از یک در صد بر ویژگی های بافتی و ارگانولپتیکی محصولات اثرات زیادی دارند و در واقع به عنوان تغییر دهنده و کنترل کننده بافت محصولات غذایی محسوب می گردند.نشاسته متعلق به همین دسته ازهیدروکلوئیدها بوده و در طیف گسترده ای از محصولات غذایی مورد استفاده قرار می گیرد.این مقاله به بررسی خواص ویسکو الاستیک نشاسته و مخلوط آن با بعضی از هیدروکلوئیدها در کنترل بافت برخی از محصولات غذایی می پردازد.

واژه های کلیدی: بافتمحصولات،نشاسته،خواصویسکوالاستیک ،هیدروکلوئید

مقدمه:

بهبود و یا کنترل بافت مواد غذایی منجر به محصولاتی باویژگیهای مناسب جهت تولید غذاهای آماده می گردد.انواع نشاسته طبیعی حاصل از منابع مختلف هر یک دارای خواص منحصر به فردی می باشند وازاینرو تولید کنندگان مواد غذایی متناسب با نوع محصول تولیدی ،از آنها استفاده می نمایند.

گسترده شدن طیف مواد غذایی امروزه در حدی است که باید بتوان نشاسته ای که توانایی تحمل دامنه و گسترده ای از فرایندها داشته باشند،تولید نمود.نشاسته بعد از سلولز دومین ترکیبی است که به وفور در طبیعت یافت می شود.عمده ترین منابع استخراج نشاسته دانه های غلات،گیاهان غده ای نظیر انواع سیب زمینی و دانه حبوبات می باشد .

نشاستهها با توجه به محتوای آمیلوزاز نظر منشا تولید و یا ساختار اصلاح شده ی آن متفاوت می باشند. نشاسته طبیعی می تواند اثرات منفی مانند سینرزیس ژل، از هم پاشیدگی، تجزیه، به هم چسبیدگی، سس های لاستیکی و تشکیل ژل های نامطلوب ایجاد کند اما نشاسته اصلاح شده اینگونه نیست. علاوه بر این قیمت نشاسته اصلاح شده کمتر از صمغ ها و یا سایر استابیلایزرهای مواد غذایی می باشد. یکی از راه های غلبه بر کاستی های نشاسته طبیعی ، مخلوط آنها با هیدروکلوئیدهای پلی ساکاریدی است که بر خواص فیزیکی مواد غذایی نیز موثر است. با توجه به گونه های خاص نشاسته،مانند نشاسته مقاوم که می تواند به عنوان فیبرهای نامحلول در نظر گرفته شوند. علاوه بر این واکنشهای میان آنهامنجر به ویژگی های رئولوژیکی نهایی محصولات خاص مرتبط با هدف، درایجادو توسعه موفق محصول خواهد شد. کنترل بافت در غذاهای واقعی با چندین ماده تشکیل دهنده ی اولیه می تواند از طریق اندازه گیری خاصیت ویسکوالاستیک مخلوط کربوهیدراتها در غلظت های پایین بدست آید. این نتایج می تواند برای رسیدن به گسترش محصولات جدید با ویژگی های بافت خاص باشد. به عنوان مثال آزمایشات نوسانی و برخی خواص ویسکوز بر روی خاصیت های ارائه شده متمرکز شده است. نقش رئولوژی در این بررسی بیشتر نشان داده شده و از طریق آن مورد بحث قرارگرفته است.
-1  ساختار شیمیایی نشاسته:

چنانچه تعداد واحدهای قند یا منوساکارید در یک کربوهیدرات بیش از ده واحد باشد ، آن ترکیب قندی پلی ساکارید نامیده می شود . درصورتی که چنین کربوهیدراتی از یک نوع واحد قندی تشکیل شده باشد ، هموپلی ساکارید گفته می شود. صرفنظر از منبع گیاهی که نشاسته از آن استخراج می شود ، نشاسته یک پلیمر ساخته شده از واحدهای شش کربنه قند -D گلوکز می باشد . گلوکز خود یک قند ساده است که به صورت یک حلقه پیرانوز وجود دارد وآنرا -D گلوکوپیرانوز نیز می نامند . گلوکز در فرم حلقوی به شکل پیرانوز دارای حالت ترمودینامیکی پایداری می باشد . این مولکول به دلیل وجود یک گروه آلدهید بسیار فعال بر کربن شماره 1، قند احیاکننده می باشد.

چنانچه در مولکول گلوکز ، گروه OH متصل به کربن شماره 1 در پایین حلقه قرار گرفته باشد ، درصورت ایجاد اتصال با مولکول گلوکز مجاور این اتصالات از نوع آلفا می باشد و در صورتی که OH مذکور در بالای حلقه گلوکز قرار گرفته باشد ، اتصالات از نوع بتا می باشد. در نشاسته تمامی اتصالات گلوکز از نوع آلفا می باشد . عمده اتصالات نشاسته از نوع 4 و - 1 است که در تشکیل ساختار خطی و پیکره اصلی نشاسته نقش دارد . اتصالات 6 و - 1 که به تعداد محدودی وجود دارند باعث بروز ساختار شاخه ای در نشاسته می گردند وتنها در محل شاخه ها دیده می شوند . از تکرار این اتصالات پلیمر نشاسته بوجود می آید .

از آنجا که همیشه تنها یک گروه آلدهیدی آزاد در یک سر پلیمر نشاسته وجود دارد نشاسته دارای یک سر احیاکننده و یک سر غیر احیاکننده می باشد . وجود اتصالات آلفا به پلیمر نشاسته امکان ایجاد ساختاری مارپیچی را می دهد . از اتصالات گلوکز دو نوع پلیمر آمیلوز وآمیلوپکتین ایجاد می شود که دو جزء اصلی سازنده نشاسته می باشند. ساختار آمیلوز بصورت مارپیچ تکی است که قسمت داخلی این مارپیچ دارای خاصیت آب گریز است وبنابراین می تواند با مولکولهایی که خاصیت غیر قطبی دارند مانند ید ، بعضی الکل ها ، اسیدهای چرب آزاد و همچنین منو ودی گلیسریدها تشکیل کمپلکس دهد . ایجاد کمپلکس نشاسته با چربی می تواند باعث ایجاد تغییراتی درخواص نشاسته گردد . آمیلوپکتین مولکولی بسیار بزرگ با ساختاری پرشاخه می باشد . آمیلوپکتین دارای ساختمان کریستالی و منظم می باشد . اگر چه ساختار کلی نشاسته حاصل از منابع مختلف یکسان می باشد، تفاوت های موجود از لحاظ طول زنجیره آمیلوز وآمیلوپکتین و وزن مولکولی آنها ، وجود سایر ترکیبات نظیر چربی و پروتئین باعث ایجاد تفاوت های مهمی در عملکرد وخواص نشاسته های حاصل از منابع آنها می گردد.

-2هیدروکلوئیدها :

هیدروکلوئیدهابه گروهی از پلی ساکاریدهاو پروتئین ها اطلا ق می شود که موجب ایجاد ویژگیهای متعددی از قبیل تغلیظ کنندگی و ژلی شدن در محلولهای آبی شده،موجب پایداری فوم ها،امولسیونهاودیسپرسیونها می گردد .این ترکیبات در غلظت های بسیار کم حتی کمتر از یک در صد بر ویژگی های بافتی و ارگانولپتیکی محصولات اثرات زیادی دارند،برای مثال در خوراک لوبیا جهت افزایش ویسکوزیته ازنشاسته ذرت استفاده می شود در حالیکه در سس های شیرین و ترش از صمغ گوار استفاده می شود .در بسیاری از دسرها و سس مایونز از زانتان به عنوان تغلیظ کننده استفاده می شود .در سس مایونز از زانتان و گوار به طور همزمان جهت کاهش میزان چربی استفاده می شود .در ماست از ژلاتین ودر مرباها بیشتر از پکتین استفاده می شود .هیدروکلوئید های متعددی نیز به عنوان جایگزین چربی در صنعت توسعه پیدا کرده اند.

-3روش های رئولوژیکی نوسانی و رفتار هیدروکلوئیدها:

در میان روش های مختلف که برای تشخیص بین مواد جامد و مایع مانند خصوصیات یک ماده غذایی کلوئیدی مورد استفاه قرار می گیرد، بهترین روش استفاده از رئولوژی نوسانی است. با روابط بین تنش و کرنش ، مدول ذخیره و مدول اتلاف و مدول های ترکیبی برشی به خوبی می توان اندازه گیری ویسکوزیته دینامیک را شرح داد. مدول ذخیره - ' - G از انرژی ذخیره شده در مواد اندازه گیری می شود و جهت برگشت پذیری سیکل می باشد. در حالی که مدول اتلاف - G'' - انرژی تلف شده یا از دست رفته سیکل جهت تغییر شکل سینوسی می باشد. - فری 1980، استنلی و همکاران . - 1996 نسبت انرژی اتلاف به انرژی ذخیره شده برای هر سیکل را می توان با WDQ تعریف کرد. رفتار ویسکو الاستیک یک ساختار ساده ویا پیچیده تر را می توان از راه فوق بدست آورد. علاوه بر این ساختار موادی که مختل نشده است مانند تغییرات انتقال سل ژل ، ژل سخت - عمل آوری شده - دانه بندی شده، ایجاد فلاکس و غیره را می توان مانیتوری به نمایش گذاشت.

به طوری کلی از خصوصیات رئولوژیکی می توان در موارد - a خصوصیات محصول با کیفیت - b طراحی فرآیند و شرایط تجزیه و تحلیل شرایط - مانند سایز پمپ، فیلتراسیون و اکستراکشن و .. - - c طراحی جدید مواد غذایی - d تحقیقات پایه در فعل و انفعالات مواد تشکیل دهنده ،بهره برد. طبق گفته روس - مورفی - 1984 - ، محلولها و ژل ها به محلولهای دارای گره خوردگی ، ژل های ضعیف و ژل های قوی دسته بندی می شوند. هیدروکلوئیدها از جمله نشاسته می تواندبه طیف گسترده ساختاری سه دسته فوق با توجه به حالت طبیعی و شرایط محیطی خود تعلق بگیرد. درمحلول های دارای گره خوردگی - مانند محلولهای صمغ گوار - که دارای هر دو مدول اتلاف وذخیره می باشد، رفتار ژل ضعیف است - مانند صمغ زانتان - که مشخصه طیف مکانیکی، نوع ژل می باشد. در حالی که ژل ها قوی مانند - آمیلوکپتین و آمیلوز - صرف نظر از فرکانس دارای مقادیر مدول ذخیره بالا می باشند و به عنوان اتصال میان مولکول ها در مقیاس زمانی نسبتاً طولانی، پایدار هستند. هیدروکلوئیدها در غلظت ها ی مختلف طیف های متفاوتی دارند .هنگامی که در فرکانس های کم مدول اتلاف از مدول ذخیره بیشتراست هر دو پارامتر به شدت فرکانس متفاوت می باشد. - - '' *' - 2 - ' * این رفتار به نوعی از مواد مایع مانند گفته می شود. در فرکانس های بالا - - *' مانند *'' - - می باشدکه در موارد شبه جامد پاسخ مواد فراتر از این فرکانس های هم عرض می باشد. محلولهای ماکرو مولکولی گره خورده می تواند نتیجه چنین رفتاری باشد.

.4 نشاسته تحت حرارت خواص رئولوژی انواع نشاسته متفاوت است زیرا ترکیبات و مورفولوژی گرانول ها متفاوت است. به این ترتیب به منظور دستیابی به عملکرد و خواصمنحصر به فرد نشاسته باید به شناسایی منابع گونه های نشاسته پرداخت علاوه بر این به وسیله خواص رئولوژیکی می توان اثرات غلظت، دما، نرخ حرارت و اثرات سرعت برشی را یافت و اندازه گیری کرد. در مورد نشاسته تحت حرارت با استفاده ازآزمایش نوسانی تغییرات زیر اندازه گیری می شود: -1 ژلاتینه شدن -2 خمیری شدن -3 ژل -4 رتروگرادسیون .4-1 رئولوژی دینامکی و ژلاتیه شدندر اولین مرحله حرارت، گرانول های نشاسته برای رسیدن به ژلاتینه شدن متورم می شوند. و خواص رئولوژیکی از قبیل مدول ذخیره - G' - و مدول اتلاف - G'' - با افزایش نشاسته به حداکثر می رسد.

افزایش شدید در مدول ذخیره G' بین دمای 60-80 درجه سانتی گراد ایجاد می شود - آحمد و همکارانش . - 2008 گرانولهای متورم نشاسته از هر دو نظر افزایش ویسکوزیته و ویسکوالاستیک در تشکیل دسپورسیون نقش مهمی دارند .مورفولوژی و سختی گرانولها و کمپلکس آنها با دیگر ترکیبات مانند - آمیلوز- چربی - مقدار آمیلوزو مقدار پروتئین، برخی از عوملی هستند که تعیین کننده دو نقطه ی ویسکوالاستیک و نقطه شکست آنهامی باشند. با توجه به منابع تولیدی نشاسته، درمیان نشاسته های طبیعی - ذرت، برنج، گندم، سیب زمینی - ، نشاسته سیب زمینی بالاترین قدرت تورم و مقادیرنهایی ویسکوالاستیک را دارا می باشد.

گرانولهای نشاسته سیب زمینی به صورت صاف، شکل های مختلف بیضی و شکل های نامنظم مکعبی شکل وجود دارند. گرانولهای نشاسته ذرت به شکل زاویه ای بوده و برخی از گونه های برنج به شکل های پنج ضلعی زاویه ای می باشند. گرانول نشاسته گندم کروی بوده - گرانول - B و عدسی شکل - گرانول - A می باشند. علاوه بر این نشاسته سیب زمینی از نظر اندازه بزرگترین سایز - - < 110 Pو پس از آن سایزنشاسته گندم - 30 P - ، نشاسته ذرت - < 25 P - و نشاسته برنج - - < 20 Pمی باشد. اندازه گرانول نشاسته سیب زمینی متغیر و محدوده ی 1- 20 Pبرای گرانول های کوچک و 20- 110 P برای گرانول های بزرگ تعیین شده است. در حالی که اندازه ی گرانول های نشاسته برنج به طور معمول 3- 5 P می باشد. - هوور 2001،سینگ و همکاران . - 2003گرانول های بزرگ و مکعبی یا نامنظم نشاسته سیب زمینی مدول اتلاف و ذخیره بیشتر و WDQ کمتری را از گرانول های کوچک و بیضی شکل به نمایش می گذارد. - سینگ و سینگ - 2001 .بنابراین در طی سیکل حرارتی نشاسته سیب زمینی G'' , G'بالاتر و WDQ کمتری از نشاسته های ذرت،برنج و گندم را دارا می باشد. علاوه بر این، دیسپرسیونهای نشاسته ممکن است مقادیر قابل توجه بالاتری از مدول ذخیره - حدوداً 100 برابر - در مقایسه با دسپرسیون های آردی در اولین مدت حرارت - 40-60 - را از خود نشان دهد. - آحمد و همکاران - 2008 برای کنترل خواص ویسکوالاستیک دیسپرسیونهای نشاسته مقدارآمیلوز بسیار مهم است.

نتایج آمیلوز در مدول ذخیره بالا - ' - G نشان دهنده اتصالات عرضی خوب و طبیعی است. به طور خاص مدول ذخیره - G' - می تواند مانند یک تابع نمایی نسبت به محتوای آمیلوز افزایش یابد. - بیلاردیس و جولینو - 1993 تاثیرات غلظت در محدوده ی % 6-30 برای نشاسته گندم و ذرت خطی می باشد. - رینگ - 1985 و نشاسته برنج با غلظت - 8-40% - نیز همین نتیجه را به دنبال دارد. نشاسته یک ساختار ویسکو الاستیک پیچیده است. تحت حرارت می توان آن را به عنوان یک سیستم مرکب توصیف کرد. که در درجه اول به وسیله کسری از حجم اشغال شده به ذرات متورم نشاسته بدست می آید در حالی که فاز پیوسته خود باعث افزایش خواص ویسکو الاستیک می باشد.

.4- 2 خمیری شدن و خواص ویسکوالاستیک پس از ژلاتینه شدن روند خمیری شدن به شرح ذیل می باشد. تحت شرایط حرارت، گرانولها بسیار متورم و سرانجام مختل می شوند.یک خمیر داغ ایجاد شده شامل گرانول های متورم، قطعات گرانول و مواد محلول می باشد. نوع منبع گیاهی نشاسته، محتوای آب، دما و برش در طی فرایند حرارتی در تعیین قوام خمیر موثر می باشد. شبکه ایجاد شده شامل پلیمرهای نشاسته حل شده در آب - آمیلوز و آمیلوپکتین - و یک فاز ناپیوسته ازگرانولهای متورم مجزا و بدون اتصال می باشد. رسیدن به مقادیر peak رئولوژیکی ویسکوزتیه و مدول اتلاف و ذخیره از نتایج ایجاد گرانول های با تورم زیاد می باشد. علاوه بر این ممکن است در دمای - 80-85 - درجه سانتی گراد در طی رسیدن به تورم برگشت ناپذیر و حلالیت آمیلوز مقادیر ثابتی رخ دهد. - آحمد و همکاران - 2008 که به دنبال آن ممکن است تحت شرایط حرارت زیاد، تنش برشی و زمان باعث افت ناگهانی مدول ذخیره گردد.

:4-3 رتروگرادسیون و خواص ویسکوالاستیک خمیرهای گرم به خصوص نشاسته های حاوی آمیلوز هنگامی که شروع به سرد شدن می شوند خواص الاستیک آنها بیشتر و همچنین خصوصیات جامد بودن آنها افزایش می یابد.

تغییر شکل از حالت ویسکوز به ژل الاستیک به وسیله مدول ذخیره و اتلاف اندازه گیری می شود. این عقب نشینی در هنگام تبدیل یک ویسکوز به جامد نیز بوجود می آید. - بیلر - 2011 این عقب نشینی به عنوان رتروگرادسیون شناخته شده است. در این نقطه ی بحرانی ژل، سیستم به شکل اتصال دیوار به دیوار بوده - آستانه نشت یا نفوذ - که یک رفتار بحرانی است . رفتار - *'' - - ' *' - را می توان باپیروی از قانون توان متشابهاً اینگونه تشریح کرد: *' - - a *'' - - a nدر مرحله اول رتروگرادسیون با سرد شدن خمیر ، شکل گیری و یا ایجاد نقاط اتصال بین مولکولهای آمیلوز یک ژل الاستیک بوجود می آید که ممکن است 48 ساعت طول بکشد. دومین مرحله رتروگرادسیون شامل تغییرات آمیلوپکتین می باشد که یک فرآیند بسیار آهسته است و ممکن است با توجه به ذخیره حرارتی تا چندین هفته ادامه داشته باشد. G'', G' بر اساس نوع خنک کننده افزایش می یابد و همچنین در مدت کوتاه ذخیره سازی نیز با افزایش G'' , G' ژل سفت می شود.
:5 نشاسته اصلا ح شده

اصلاح شیمیایی منجر به تغییر قابل توجهی از خواص رئولوژیکی و خمیری نشاسته می شود. مدول ذخیره - G' - و مدول اتلاف - G'' - نشاسته های منابع مختلف استیله شده، هیدروکسی پروپیلیته و اتصالات عرضی حداکثر و حداقل افت حرارتی که نشاسته طبیعی در رفتارهای رئولوژیکی خود نشان می دهد را ابتدا افزایش و سپس کاهش می دهند. دردمای حداکثر، مدول ذخیره در فرآیند استیلیشن و هیدروکسی پروپیلیشن به طور قابل توجهی کاهش می یابد در حالی که در اتصالات عرضی افزایش می یابد. نشاسته ذرت استیله شده و سیب زمینی تحت شرایط حرارتی مقادیر بالای G' و G'' را نشان می دهند اما در مقایسه با ژل های نشاسته ای طبیعی خودشان تحت شرایط سرد شدن و ژل شدن تحت شرایط حرارتی تمایل کمتری به رتروگرید شدن دارند. تقویت پیوند بین زنجیره های نشاسته توسط درجه های بالای اتصالات عرضی مقاومت گرانولها را نسبت به تورم و در نتیجه مقادیر کمتر G' افزایش می دهد. موقعیت و مقادیر اتصالات عرضی می تواندبه رئولوژیهای متفاوتی منجر شود. تأثیرات اتصالات عرضی و منبع گیاهی نشاسته سیب زمینی حساسیت بالاتری نسبت به دیگر اتصالات عرضی انواع دیگر نشاسته می باشد.
6 .فعل و انفعالات با هیدروکلوئید های دیگر