Клейстеризация крахмала

Клейстеризация крахмала определила его повсеместное использование в промышленности.

Несмотря на большое количество работ, в вопросе о механизме клейстеризации крахмала нет достаточной ясности. Некоторые исследователи предполагают , что при клейстеризации должен происходить распад больших молекул крахмала. Существует взгляд, что клейстеризация обязательно приводит к дезагрегации. Высказывается предположение, что механизм клейстеризации может быть вначале представлен химической реакцией между крахмалом и водой, в результате которой образуется амилопектин и амилоза, а затем - дальнейшим набуханием этих продуктов, т.е. образованием гидратов полисахаридов.

Горбачев считает, что процесс клейстеризации можно рассматривать как адсорбционное воздействие крахмала с водой и считает, чо клейстеризация возможна не только в воде, но и в других растворителях, обладающих более активным электроположительным полем, т.е. уменьшение температуры клейстеризации связано с возрастанием количества адсорбированной воды.

Исследования Николаева показали, что при клейстеризацим происходит уменьшение объема суспензии крахмала на 4,5%, что соответствует 0,029 см³ на 1 грамм крахмала. Уменьшение объема при клейстеризации зависит от концентрации крахмала в суспензии и при определенной концентрации перестает зависеть от количества воды (на единицу веса крахмала).

Кроит [62] рассматривает клейстеризацию как внутримицеллярное явление. До клейстеризации крахмальное зерно представляет собой систему, определенным образом построенную из отрицательно заряженных частиц, соединенных между собой определенными местами поверхности. Места соединения обладают способностью к взаимодействию с водой, ибо, по теории Кройта, вокруг них имеется оболочка, прочно связанной воды, будто бы препятствующая клейстеризации.

Клейстеризация, по Кройту, наступает в том случае, когда энергия взаимодействия гидрофильных участков крахмала значительно превысит энергию гидрофобных участков. В результате клейстеризации происходит ослабление связи между мицеллами и разрушение архитектоники (морфологии) зерна.

Теория Кройта была всесторонне подвергнута критике Назаровым [6, 7, 63], указавшим на упрощенность взглядов Кройта, не учитывающего ван-дер-ваальсовых сил к мостичных связей, а также разветвленности крахмала. Назаров, подробно иследовавший клейстеризацию крахмала термографическим методом, пришел к выводу, что при клейстеризации наступает скачкообразное изменение морфологической структуры крахмального зерна. Ослабление общей прочности крахмального зерна приводит к резкому увеличению набухаемости.

Рассмотрим подробнее отдельные теории клейстеризации.

Назаров [63] указывает, что Пейен в 1836 г. один из первых исследовал механизм гидратации, набухания и разрыва зерен крахмала.

Негели в монографии «Die Starkekorner», 100-летие которой отмечалось в 1958 г. [90], считал, что при клейстеризации происходит распад больших мицелл крахмала на меньшие.

Арциховский [7] указал на влияние величины крахмальных зерен на температуру клейстеризации. Он установил, что мелкие зерна клейстеризуются при более высоких температурах, чем крупные.

Лепешкин [56] полагает, что процесс клейстеризации должен состоять из двух стадий: химической реакции между полисахаридом крахмала и водой, в результате которой образуются амилопектин и амилоза, и набухания образовавшихся продуктов в воде. Он считает, что амилоза и амилопектин являются гидратами первоначальных полисахаридов крахмальных зерен.

По мнению Лепешкина, следует говорить не о температуре клейстеризации, а о времени, которое необходимо, чтобы при некоторой определенной температуре вызвать определенную фазу клейстеризации.

При нагревании (в термостате) крахмала с большим количеством воды (20-кратным) в течение 1,5—2 часов только часть крахмальных зерен теряет оптическую анизотропию. Для каждого зерна можно точно установить потерю анизотропных свойств, а затем построить кривые распределения, характеризующие образцы крахмала.

Вигель [88], основываясь на том, что крахмальное зерно обладает внешней оболочкой, почти индифферентной к воде, и внутренней, сильно набухающей частью, считает, что процесс клейстеризации состоит в набухании.

В процессе нагревания водной суспензии картофельного крахмала до 40—45°С не удается установить набухания. Между 50 и 60°С отдельные крахмальные зерна разрывают внешнюю оболочку и соединяются в студнеобразную структуру, а затем (при повышении температуры) происходит дальнейшее диспергирование крахмального зерна. Вигель полагает, что начало набухания зерен крахмала характеризует процесс клейстеризации и представляет собой самопроизвольный разрыв внешней оболочки зерна вследствие увеличения давления внутри зерна, т. е. клейстеризация по Вигелю, связана главным образом с механическими явлениями.

В результате разрыва внешней оболочки вода чисто механически проникает внутрь крахмального зерна. Содержащиеся в крахмале растворимые вещества растворяются, а нерастворимые — набухают. Разрыв внешней оболочки крахмальных зерен происходит в результате значительного давления внутри зерна, возникающего вследствие сдвига равновесия гетерогенного процесса превращения одной модификации с малым содержанием воды в модификацию с большим содержанием воды.

Говоря о зависимости между минимумом вязкости и процессом клейстеризации, Вигель указывает, что при определенной температуре вязкость суспензии крахмала начинает увеличиваться вследствие набухания крахмальных зерен.

Исходя из этих положений следует, что минимум вязкости будет при тем более низкой температуре, чем больше удельная набухаемость и количество суспендированного крахмала, что видно из следующих данных.

Из приведенных данных следует, что минимум вязкости не является однозначной величиной, характеризующей зону клейстеризации.

На процесс клейстеризации крахмала, как указывалось выше, большое влияние оказывают электролиты.

Раковский [103] указывает, что крахмал слабо адсорбирует кислоты и значительно лучше адсорбирует щелочи.

Самец считает, что со щелочами крахмал образует гидрофильные комплексы.

Горбачев полагает, что набухание крахмала в растворах щелочей обусловлено не поглощением щелочи, которая не адсорбируется, а нейтрализуется, а возрастанием количества адсорбированной воды. Данные Горбачева противоречат исследованиям Раковского, показывающего, что щелочи хорошо адсорбируются крахмалом.

Действие различных веществ на клейстеризацию крахмала Горбачев разделяет на 2 группы:

1) активные клейстеризаторы — вещества, обладающие активными анионами (роданиды, йодиды, бромиды щелочных металлов), которые нейтрализуют силовое поле водородного иона молекулы крахмала и увеличивают тем самым электроотрицательное силовое поле крахмала, что повышает адсорбционную емкость крахмала;

2) фиксаторы — вещества, обладающие адсорбционно активным катионом или электроположительным полем, и препятствующие клейстеризации. При больших концентрациях они оказывают клейстеризующее действие.

Понижение температуры клейстеризации, как мы видели, связано с концентрацией электролитов. Было установлено, что в больших концентрациях электролита вследстве понижения осмотического давления в растворителе повышается температура клейстеризации. Кроит [62, 104], изучавший влияние электролитов на процесс клейстеризации, установил, что электролиты в больших концентрациях вызывают понижение температуры клейстеризации, а в малых концентрациях способствуют повышению ее и следуют правилу Щульца—Гарди. Это связано с тем, что малые добавки электролита способствуют уменьшению заряда и при этом ослабевают отталкивательные силы между соседними мицеллами крахмала. Исследования Назарова не подтверждают этого положения. Кроит считает также, что при больших концентрациях электролита процесс сводится к влиянию электролитов на снижение сольватации мицелл крахмала.

Действие электролитов связано не только с гидратацией, но и обусловлено, по-видимому, изменением, происходящим в связи с увеличением или уменьшением ассоциации молекул воды друг с другом.

Назаров обращает внимание на большую роль адсорбционных процессов, в результате которых происходят изменения величины притяже-