Крохмаль

Крохма́ль (лат. amylum),(С6Н10О5)n  —рослинний високомолекулярний компонент полісахарид амілози і амілопектину, мономером яких є глюкоза.[1] Резервний гомополісахарид рослин. Нагромаджується в результаті фотосинтезу у плодах, зерні, коренях ібульбах деяких рослин як запасна форма вуглеводів.

Види крохмалю: картопляний, кукурудзяний, амілопектиновий, пшеничний, рисовий, гороховий, тапіоковий, модифікований і ін.

Біологічні особливості. Найбагатше крохмалем зерно злакових рослин: рису (до 86%), пшениці (до 75%), кукурудзи (до 72%), а також бульби картоплі(до 24%) та зерно ячменю.

Для організму людини крохмаль поряд з сахарозою служить основним постачальником вуглеводів — одного з найважливіших компонентів їжі. Під дією ферментів крохмаль гідролізується до глюкози, яка окислюється в клітинах до вуглекислого газу і води з виділенням енергії, необхідної для функціонування живого організму[4].

Відомо, що крохмаль активізує обмін жовчних кислот та сприяє виведенню холестерину з організму.[4]

Фізичні властивості. Білий, хрусткий, аморфний і дуже гігроскопічний порошок без смаку і запаху. Зазвичай містить 10-20% зв'язаної води, яку можна видалити висушуванням при 100–110 °C. Під мікроскопом — зернистий (гранули) порошок. Нерозчинний у холодній воді, ефірі,спирті; у гарячій воді набухає, і утворює колоїдний розчин, при охолодженні якого утворюється стійкий гель — крохмальний клейстер;[5] із розчином йоду дає синє забарвлення (амілоза дає синє забарвлення, а амілопектин — від червоного до фіолетового). Реакція з йодом дає змогу виявити навіть мільйонну частину крохмалю в розчині.[6] Молекули крохмалю неоднакові за розмірами.

Хімічний склад крохмалю. Крохмаль містить полісахариду 97-99%, білкових речовин 0,3-1,5%, клітковини 0,2-0,7%, зольних речовин (фосфати, силікатні кислоти) 0,3-0,6%.

В складі товарного крохмалю можуть бути наявними другорядні компоненти, але вони присутні в настільки малих кількостях, що не зовсім ясно, чи є вони складовими крохмалю, представленими в ньому дуже малих кількостях, чи домішками, недостатньо ретельно видаленими в процесі виділення.[8] Тим не менш, такі другорядні компоненти, незважаючи на їх надзвичайно малу кількість, можуть суттєво впливати на якості крохмалю.

В крохмалі знайдено 0,6% жирних кислот (пальмітинову, стеаринову і ін.).[6] В крохмалях, які випускаються промисловим способом із зернових культур, міститься мала кількість ліпідів, які, як правило, є полярними.[8] Для їх виділення необхідні полярні розчинники, водний розчин метилового спирту. Зазвичай, вміст ліпідів в крохмалі із зернових культур складає 0,5-1%, а виготовлених із незернової сировини — майже не містить.

Крім того, в склад крохмалю входять в незначних кількостях фосфор і азот. В зернових культурах основна маса фосфору представлена у вигляді фосфоліпідів. Відомо, що картопляний крохмаль етерифікується до глюкозних залишків, тоді як з крохмалями зернових культур цього не відбувається. У всіх видах крохмалів міститься дуже невелика кількість азоту (менше 0,05%), частина якого входить в склад ліпідів, частина — в склад білків і, можливо, в склад залишків ферментів, які беруть участь в синтезікрохмалю.[8]

Крохмаль в основному являє собою полімери α-D-глюкози, які з хімічної точки зору можна розділити як мінімум на два типи: амілозу (в цілому лінійний полімер) іамілопектин (сильно розгалужений полімер). Тобто, молекула крохмалю складається з двох хімічно-незалежних частин (полісахариди): амілози (20-30%) і амілопектину(70-80%), співвідношення яких залежить від природи рослин:

— у кукурудзяному крохмалі амілоза становить 25% всієї маси речовини, а амілопектин — 75%. У восковидній кукурудзі — більш 95% амілопектину.[6] Вирощують кукурудзу і з 75% амілози. 
 — у картопляному крохмалі амілози — 20%, а амілопектину — 80%, що надає йому специфічних властивостей. 
 — крохмаль яблук — із 100% амілози.[6]

Амілоза та амілопектин різняться між собою хімічною будовою. Проте, обидва полісахариди складаються із глюкозних залишків, з'єднаних між собою утворюючи лінійні або розгалужені ланцюги. У зернах крохмалю молекули амілози та амілопектину утворюють прошарки із кристалічною та аморфною будовою. Енергія взаємодії окремих груп атомів у зерні крохмалю залежить від розташування амілози та амілопектину та іх співвідношення[9][10][11].

У гарячій воді крохмаль набрякає. При цьому амілоза переходить у розчин, а амілопектин утворює колоїдний розчин (клейстер). Амілоза розчиняється у гарячій воді, не утворює клейстеру; з йодом дає синій колір. Амілопектин не розчиняється у воді, а набухає та утворює клейстер. При забарвлюванні амілопектину йодом він приймає від червоного до фіолетового колір. Молекули цих двох полісахаридів складаються з залишків глюкози, які з'єднані в довгі ланцюжки. Чим довші ланцюжки амілози, тим гірше вона розчиняється. В молекулі амілози таких залишків у середньому більше 1000, у молекулі амілопектину — набагато більше.[12]

Під дією ферментів або нагрівання з кислотами — піддається гідролізу.

В якості розчинників крохмалю використовують холодну соляну, надхлорну, трихлороцтову, сульфосаліцилову кислоти, розчини CaCl2, ZnCl2, MgCl2, луги, гліцерин,формамід і ін..

При повному гідролізі у промисловості одержують глюкозу, а проміжними продуктами можуть бути олігосахариди, мальтоза (К.Кірхгофф, 1814 р.):

(С6Н10О5)n

Н2О    180 °C

(С6Н10О5)m    Декстрини

Т°C

n/2 С12Н22О11      Мальтоза

Н+

nС6Н12О6    Глюкоза

Під дією амілаз у травному каналі людини і тварин крохмаль піддається гідролізу та розщеплюється з утворенням глюкози та мальтози, що розщеплюється мальтазоюдо глюкози, яка засвоюється організмом.

Отримання крохмалю. Крохмаль одержують з картоплі і рису, рідше — з інших зернових. Саго — крохмалистий продукт з деревини сагової пальми, а також деяких саговників[2].

У тропіках вирощують багато крохмалоносних рослин: батат, ямс, таро, маніок та інші[2].

Щоб добути крохмаль, потрібно зруйнувати клітинні стінки й добути сік. Для цього сировину подрібнюють на терках, отримуючи кашку. Щоб виділити вільний крохмаль, кашку багаторазово промивають на ситах в ситових апаратах. Ситові апарати в п'ять ступенів проводять розділення продукту на мезгу та крохмальну суспензію(крохмальне молоко) різної концентрації. Крохмальне молоко рафінують (очищують). Після цього виділений крохмаль багаторазово промивають чистою водою на спеціальних центрифугах-пурифікаторах або гідроциклонах.

У виробництві картопляного крохмалю застосовують процеси очищення картоплі від легких і важких домішок, мийки, подрібнення, виділення клітинного соку, ситування і промивання, центрифугування і сушки.

З картопляного крохмалю можна отримати окремо амілозу (суперлозу) і амілопектин (ромалін). Для цього на крохмаль діють розчинами солей MgSO4, (NH4)2SO4, Na2SO4, які містять н-бутиловий спирт, при 120°С. Після цього амілозу осаджують при 70°С, а амілопектин — при 20°С.[6]

У виробництві кукурудзяного крохмалю існує два способи: сірчистокислотний і лужний. По першому способу кукурудзяне зерно замочують в 0,1-0,2% водному розчині сірчистої кислоти при 48-50°С протягом двох діб, зерно промивають, грубо подрібнюють, виділяють зародок, тонко подрібнюють, промивають крохмаль на ситових апаратах, відокремлюють від дрібної і крупної мезги, глютену (на сепараторах), промивають на вакуум-фільтрах, центрифугують, висушують або переробляють на крохмало-продукти. За другим способом кукурудзу замочують у водному розчині лугу, промивають, подрібнюють, крохмаль виділяють і проминають на ситових апаратах, центрифугують, висушують або направляють без висушування на переробку.

Зберігання крохмалю. Зберігають крохмаль у чистих, сухих, добре провітрюваних складах, без стороннього запаху, не заражених шкідниками. Оптимальною для зберігання вважають 70%-ну відносну вологість повітря, хоч допускається до 75%, і температуру близько 10 °C. У цих умовах стандарти передбачають зберігання картопляного та кукурудзяного крохмалю 2 роки, а пшеничного — 1 рік. Триваліше зберігання суттєво знижує клейстеризуючу здатність крохмалю. У приміщеннях з підвищеною відносною вологістю повітря він зволожується, а внаслідок мікробіологічних процесів і псування набуває спочатку кислуватого, затхлого, а потім і гнильного запаху.

Застосування. Крохмаль сільськогосподарських культур є провідним компонентом раціону людини, важливою сировиною для харчової, фармацевтичної та технічних галузей промисловості: текстильній, нафтовій, паперовій і ін.

Крохмаль широко застосовується в харчовій галузі як загущувач (E1404), при виробництві патоки різного вуглеводного складу, для одержання декстринів, глюкози (кристалічної глюкози, глюкозного концентрату, глюкозно-фруктозного сиропу, етанолу, та інших продуктів бродіння. Крохмаль зі ступенем гідролізу (по глюкозі) менше 5% — мальтодекстрин — використовується в якості стабілізатора у виробництві майонезу. У виробництві цукрових кондитерських виробів крохмаль використовують як рецептурний компонент рахат-лукума, а також як формувальний компонент для цукерок і драже.

Комплексна переробка крохмалю: крохмаль гідролізується до глюкози, яка ізомеризується у фруктозу та гідруванням перетворюється у сорбіт, або йде на отримання інших продуктів — етанолу, молочної кислоти, лимонної кислоти; гідролізат змішується з волокнами для кормів худобі.[15]

Сировиною для виробництва кристалічної глюкози є крохмаль, отриманий з кукурудзи, чи пшениці, хоча може бути використаний і картопляний крохмаль. Однак картопляний крохмаль є незамінною сировиною в інших галузях промиисловості і для виробництва глюкози не використовується. Основна сировина для виробництва кристалічної глюкози — кукурудзяний крохмаль.

Крохмаль використовують як клей, як мікробіологічне середовище при одержанні різних ензимів, антибіотиків, вітамінів, а також як основа штучних біодеградабельних біополімерів.

У лікарській практиці крохмаль дуже часто використовують як наповнювач і субстрат для виготовлення таблеток (як наповнювач у твердих лікарських формах) і облаток та у пастах, у присипках та мазях застосовують при хворобах шкіри, у вигляді відвару (клейстеру) — при захворюваннях травного каналу як обволікуючий засіб. Крохмаль та декстрини (продукти неповного гідролізу лінійних полісахаридів) позитивно впливають на холестериновий обмін, поліпшують травлення. Він входить як важливий компонент практично до всіх дієт.

Основний об'єм крохмалепродуктів готують з кукурудзи, на частку якої припадає 45 млн т, решту сировинної бази складає тапіока (5 млн т), пшениця (4 млн т) і картопля (2,5 млн т)[16].

Амілопектин придатний для виробництва плівок і упаковочного матеріалу, які можна після використання повністю компостувати.

Клейстаризація крохмалю. Нагрівання крохмалю при наявності води викликає клейстеризацію, тобто руйнування нативної структури крохмальних зерен.[12] Цей процес проходить трьома стадіями:

Підчас нагрівання суспензїї до температури 50-55оС крохмальнi эерна набухають, поглинаючи до 50% води від маси крохмалю, але зберігають форму і шарову будову.[12] Порушення внутрішньої структури незначне.

При дaльшому нагріванні (до температури 60-80оС) відбувається сильне пошкодження нативної структури крохмальних зерен. Зникає шарова будова, зерна збільшуються в об'ємі вдекілька десятків разів і перетворюються в пухирці, наповнені розчином амілози і амілопектину, а в'язкість суспензії різко збільшується і вона перетворюється в клейстер. Тому цей процес називається клейстеризацією.[12] Частина розчину переходить у навколишне середовище. В результаті все більшого набухання крохмальних пухирців кількість води ззовні сильно зменшується, а клейстер стає більш в'язким. Для кожного виду крохмалю характерна своя температура клейстеризації, при якій більшість зерен у суспензїї поглинає максимальну кількість води.

Нагрівання клейстеру вище 80оС надлишком води призводить до розпаду крохмальних зерен — пухирці лопають і в'язкість клейстеру знижується.

Наявність у воді солей, цукрів, спиртів та інших речовин впливає на температуру клейстеризації.[12] Кухонна сіль навіть у малих концентраціях підвищує температуру клейстеризації і зменшує набухання зерен.[12]

В залежності від співвідношення крохмалю і води одержують клейстери у вигляді гелю або золю.