Крахмал или крахмал — полимерный углевод , состоящий из множества единиц глюкозы , соединенных гликозидными связями . Этот полисахарид вырабатывается большинством зеленых растений для хранения энергии. Во всем мире это наиболее распространенный углевод в рационе человека, и он содержится в больших количествах в основных продуктах питания , таких как пшеница , картофель , кукуруза (кукуруза), рис и маниока (маниока).
Чистый крахмал представляет собой белый порошок без вкуса и запаха, нерастворимый в холодной воде или спирте. Он состоит из двух типов молекул: линейной и спиральной амилозы и разветвленного амилопектина . В зависимости от растения крахмал обычно содержит от 20 до 25% амилозы и от 75 до 80% амилопектина по весу. [4] Гликоген , энергетический запас животных, представляет собой более разветвленную версию амилопектина.
В промышленности крахмал часто перерабатывают в сахара, например, путем соложения . Эти сахара могут быть ферментированы для получения этанола при производстве пива , виски и биотоплива . Кроме того, сахара, полученные из переработанного крахмала, используются во многих обработанных пищевых продуктах.
При смешивании большинства крахмалов с теплой водой получается паста, например пшеничная , которую можно использовать в качестве загустителя, придающего жесткость или склеивающего вещества. Основное промышленное использование крахмала в непищевых целях – это использование его в качестве клея в процессе производства бумаги . Подобную пасту, крахмал для одежды, можно наносить на некоторые текстильные изделия перед глажкой, чтобы придать им жесткость.
Слово «крахмал» происходит от германского корня и означает «крепкий, жесткий, укреплять, придавать жесткость». [5] Современный немецкий Stärke (сила) связан и на протяжении веков относится к основному применению, использованию в текстиле: проклейке пряжи для ткачества и крахмаления белья . Греческий термин, обозначающий крахмал, «амилон» (ἄμυλον), что означает «неизмельченный», также связан с ним . Он обеспечивает корневой амил, который используется в качестве префикса для нескольких 5-углеродных соединений, родственных крахмалу или полученных из него (например, амилового спирта ).
Крахмальные зерна из корневищ Typha (рогоза, камыша) как мука были идентифицированы на точильных камнях в Европе , датируемых 30 000 лет назад. [6] Крахмальные зерна из сорго были найдены на точильных камнях в пещерах Нгалуэ , Мозамбик , датируемые 100 000 лет назад. [7]
Паста из чистого пшеничного крахмала использовалась в Древнем Египте , возможно, для склеивания папируса . [8] Добыча крахмала впервые описана в « Естественной истории » Плиния Старшего около 77–79 гг . н.э. [9] Римляне также использовали его в косметических кремах, для припудривания волос и для загущения соусов. Персы и индийцы использовали его для приготовления блюд, похожих на пшеничную халву готумай . Рисовый крахмал в качестве поверхностной обработки бумаги использовался в производстве бумаги в Китае с 700 г. н.э. [10]
Растения производят глюкозу из углекислого газа и воды посредством фотосинтеза . Глюкоза используется для выработки химической энергии, необходимой для общего метаболизма , а также является предшественником множества органических строительных блоков, таких как нуклеиновые кислоты , липиды , белки и структурные полисахариды, такие как целлюлоза. . Большинство зеленых растений хранят лишнюю глюкозу в виде крахмала, который упакован в полукристаллические гранулы, называемые крахмалом или амилопластами . [11] К концу вегетационного периода крахмал накапливается в ветках деревьев возле почек. Плоды , семена , корневища и клубни запасают крахмал, необходимый для подготовки к следующему вегетационному периоду. Молодые растения живут за счет этой энергии, накопленной в их корнях, семенах и плодах, пока не найдут подходящую почву для роста. [12] Крахмал также потребляется ночью, когда фотосинтез не работает.
Зеленые водоросли и наземные растения хранят крахмал в пластидах , тогда как красные водоросли , глаукофиты , криптомонады , динофлагелляты и паразитические апикомплексы хранят аналогичный тип полисахарида, называемый флоридским крахмалом, в цитозоле или перипласте . [13]
Глюкоза, особенно в гидратированном виде, занимает много места и осмотически активна. Атарх, с другой стороны, нерастворим и, следовательно, осмотически неактивен, и его можно хранить гораздо компактнее. Полукристаллические гранулы обычно состоят из концентрических слоев амилозы и амилопектина, которые могут стать биодоступными по требованию клеток растения. [14]
Амилоза состоит из длинных цепей, полученных из молекул глюкозы, соединенных α-1,4- гликозидной связью . Амилопектин сильно разветвлен, но также образуется из глюкозы, соединенной α-1,6- гликозидными связями. Тот же тип связи обнаружен в запасном полисахариде животных гликогене . Напротив, многие структурные полисахариды, такие как хитин , целлюлоза и пептидогликан , связаны β-гликозидными связями , которые более устойчивы к гидролизу. [15]
В растениях крахмал хранится в полукристаллических гранулах. Каждый вид растений имеет особый размер гранул крахмала: рисовый крахмал относительно мал (около 2 мкм), картофельный крахмал имеет более крупные гранулы (до 100 мкм), а пшеничный и тапиоковый находятся между ними. [16] В отличие от других растительных источников крахмала, пшеничный крахмал имеет бимодальное распределение размеров: гранулы как меньшего, так и большего размера варьируются от 2 до 55 мкм. [16]
Некоторые сорта культивируемых растений содержат чистый амилопектиновый крахмал без амилозы, известный как восковой крахмал . Наиболее часто используется восковая кукуруза , другие - клейкий рис и восковой картофельный крахмал . Воскообразные крахмалы подвергаются меньшей ретроградации , в результате чего получается более стабильная паста. Сорт кукурузы с относительно высокой долей амилозного крахмала, амиломаиз , выращивают для использования его гелевой прочности и для использования в качестве резистентного крахмала (крахмал, который сопротивляется перевариванию) в пищевых продуктах.
Растения синтезируют крахмал в тканях двух типов. Первый тип — это запасающие ткани, например, эндосперм злаков, а также запасающие корни и стебли, такие как маниока и картофель. Второй тип — зеленая ткань, например листья, где многие виды растений ежедневно синтезируют переходный крахмал. В обоих типах тканей крахмал синтезируется в пластидах (амилопластах и хлоропластах).
Биохимический путь включает превращение глюкозо-1-фосфата в АДФ -глюкозу с помощью фермента глюкозо-1-фосфатаденилилтрансферазы . Этот шаг требует энергии в виде АТФ . Ряд синтаз крахмала , имеющихся в пластидах, затем присоединяют АДФ-глюкозу через α-1,4- гликозидную связь к растущей цепи остатков глюкозы, высвобождая АДФ . АДФ-глюкоза почти наверняка добавляется к невосстанавливающему концу полимера амилозы, так же как УДФ-глюкоза добавляется к невосстанавливающему концу гликогена во время синтеза гликогена . [17] Небольшая глюкановая цепочка далее агломерируется с образованием инициальных гранул крахмала.
Биосинтез и расширение гранул представляют собой сложное молекулярное событие, которое можно разделить на четыре основных этапа, а именно: инициирование гранул, слияние мелких гранул, [18] фазовый переход и расширение. Было охарактеризовано несколько белков по их участию в каждом из этих процессов. Например, белок, ассоциированный с мембраной хлоропластов, MFP1, определяет места инициации гранул. [19] Другой белок, названный PTST2, связывается с небольшими цепями глюкана и образует агломераты, чтобы рекрутировать синтазу крахмала 4 (SS4). [20] Также известно, что три других белка, а именно, PTST3, SS5 и MRC, участвуют в процессе инициации крахмальных гранул. [21] [22] [23] Кроме того, два белка, названные ESV и LESV, играют роль в фазовом переходе глюкановых цепей из водного состояния в кристаллическое. [24] Несколько каталитически активных синтаз крахмала, таких как SS1, SS2, SS3 и GBSS, имеют решающее значение для биосинтеза крахмальных гранул и играют каталитическую роль на каждом этапе биогенеза и расширения гранул. [25]
В дополнение к вышеуказанным белкам ферменты разветвления крахмала (BE) вводят α-1,6-гликозидные связи между цепями глюкозы, создавая разветвленный амилопектин. Фермент разветвления крахмала (DBE) изоамилаза удаляет некоторые из этих разветвлений. Существует несколько изоформ этих ферментов, что приводит к очень сложному процессу синтеза. [26]
Крахмал, синтезирующийся в листьях растений в течение дня, является преходящим: ночью он служит источником энергии. Ферменты катализируют высвобождение глюкозы из гранул. Нерастворимые, сильно разветвленные цепи крахмала требуют фосфорилирования , чтобы быть доступными для разлагающих ферментов. Фермент глюкан, водная дикиназа (GWD), устанавливает фосфат в положении C-6 глюкозы, рядом с разветвляющимися связями 1,6-альфа цепи. Второй фермент, фосфоглюкан, водная дикиназа (PWD), фосфорилирует молекулу глюкозы в положении C-3. После второго фосфорилирования первый разрушающий фермент бета-амилаза (БАМ) атакует цепь глюкозы на ее невосстанавливающем конце. Мальтоза является основным выпускаемым продуктом. Если цепь глюкозы состоит из трех или менее молекул, БАМ не может высвободить мальтозу. Второй фермент, диспропорционирующий фермент-1 (DPE1), объединяет две молекулы мальтотриозы. Из этой цепочки высвобождается молекула глюкозы. Теперь БАМ может высвободить еще одну молекулу мальтозы из оставшейся цепи. Этот цикл повторяется до тех пор, пока крахмал не разложится полностью. Если БАМ приближается к фосфорилированной точке разветвления цепи глюкозы, он больше не может выделять мальтозу. Для разрушения фосфорилированной цепи необходим фермент изоамилаза (ISA). [27]
Продуктами деградации крахмала являются преимущественно мальтоза [28] и меньшее количество глюкозы. Эти молекулы экспортируются из пластиды в цитозоль, мальтоза – через мальтозный транспортер, а глюкоза – через пластидный транслокатор глюкозы (pGlcT). [29] Эти два сахара используются для синтеза сахарозы. Затем сахарозу можно использовать в окислительном пентозофосфатном пути в митохондриях для генерации АТФ в ночное время. [27]
Помимо непосредственно потребляемых крахмалосодержащих растений, в 2008 году промышленно переработано 66 миллионов тонн крахмала. К 2011 году производство выросло до 73 миллионов тонн. [30]
В ЕС крахмальная промышленность произвела около 11 миллионов тонн в 2011 году, из которых около 40% использовалось для промышленного применения и 60% для пищевых целей, [31] большая часть которых представляла собой сиропы глюкозы . [32] В 2017 году производство в ЕС составило 11 миллионов тонн, из которых 9,4 миллиона тонн было потреблено в ЕС и из которых 54% составили крахмальные подсластители. [33]
В 2017 году в США было произведено около 27,5 миллионов тонн крахмала, из которых около 8,2 миллиона тонн составили сироп с высоким содержанием фруктозы , 6,2 миллиона тонн — сиропы глюкозы и 2,5 миллиона тонн — продукты из крахмала. [ нужны разъяснения ] Остальная часть крахмала была использована для производства этанола (1,6 миллиарда галлонов). [34] [35]
Крахмальная промышленность извлекает и очищает крахмалы из сельскохозяйственных культур путем мокрого измельчения, промывания, просеивания и сушки. Сегодня основными коммерческими рафинированными крахмалами являются кукурузный крахмал , тапиока , аррорут [36] , а также пшеничный, рисовый и картофельный крахмалы . В меньшей степени источниками рафинированного крахмала являются сладкий картофель, саго и маш. По сей день крахмал добывают более чем из 50 видов растений.
Сырой крахмал перерабатывается в промышленных масштабах с получением мальтодекстрина , глюкозных сиропов и фруктозных сиропов. Эти массовые превращения опосредуются различными ферментами, которые в разной степени расщепляют крахмал. Здесь расщепление включает гидролиз, т. е. разрыв связей между субъединицами сахара за счет добавления воды. Некоторые сахара изомеризуются. Было описано, что эти процессы происходят в две фазы: разжижение и осахаривание. Разжижение превращает крахмал в [[декстрин]s. Амилаза является ключевым ферментом для производства декстрина. В результате осахаривания декстрин превращается в мальтозу и глюкозу. На этой второй фазе используются различные ферменты, включая пулланазу и другие амилазы. [37]
Если крахмал подвергается воздействию сухого тепла, он распадается с образованием декстринов , также называемых в этом контексте «пиродекстринами». Этот процесс распада известен как декстринизация. (Пиро)декстрины в основном имеют цвет от желтого до коричневого, и декстринизация частично ответственна за потемнение поджаренного хлеба. [38]
Крахмал является наиболее распространенным углеводом в рационе человека и содержится во многих основных продуктах питания . Основными источниками потребления крахмала во всем мире являются зерновые ( рис , пшеница и кукуруза ) и корнеплоды ( картофель и маниока ). [39] Выращиваются многие другие крахмалистые продукты, некоторые только в определенных климатических условиях, в том числе желуди , маранта , арракача , бананы , ячмень , плоды хлебного дерева , гречиха , канна , колоказия , катакури , кудзу , маланга , просо , овес , ока , полинезийская маранта , саго , сорго , сладкий картофель , рожь , таро , каштаны , водяные каштаны и ямс , а также многие виды фасоли , такие как фава , чечевица , маш , горох и нут .
До появления обработанных пищевых продуктов люди потребляли большое количество сырых и необработанных крахмалосодержащих растений, которые содержали большое количество резистентного крахмала . Микробы в толстой кишке ферментируют или потребляют крахмал, производя короткоцепочечные жирные кислоты , которые используются в качестве энергии и поддерживают поддержание и рост микробов. При приготовлении крахмал превращается из нерастворимых, трудно перевариваемых гранул в легкодоступные цепи глюкозы с совершенно разными питательными и функциональными свойствами. [40]
В современных диетах продукты с высокой степенью переработки легче перевариваются и выделяют больше глюкозы в тонком кишечнике — меньше крахмала достигает толстого кишечника, а организм усваивает больше энергии. Считается, что этот сдвиг в доставке энергии (в результате употребления большего количества обработанных пищевых продуктов) может быть одним из факторов, способствующих развитию метаболических нарушений в современной жизни, включая ожирение и диабет. [41]
Соотношение амилоза/амилопектин, молекулярная масса и тонкая молекулярная структура влияют на физико-химические свойства, а также на энерговыделение различных типов крахмалов. [42] Кроме того, приготовление пищи и обработка пищевых продуктов существенно влияют на усвояемость крахмала и высвобождение энергии. Крахмал классифицируют на быстроусвояемый крахмал, медленно усвояемый крахмал и резистентный крахмал, в зависимости от профиля его переваривания. [43] Гранулы сырого крахмала сопротивляются перевариванию ферментами человека и не расщепляются на глюкозу в тонком кишечнике — вместо этого они достигают толстого кишечника и действуют как пребиотические пищевые волокна . [44] Когда крахмальные гранулы полностью желатинизированы и приготовлены, крахмал становится легко усваиваемым и быстро высвобождает глюкозу в тонком кишечнике. Когда крахмалистые продукты готовятся и охлаждаются, некоторые цепи глюкозы перекристаллизовываются и снова становятся устойчивыми к перевариванию. Медленно усваиваемый крахмал можно найти в сырых злаках, переваривание которых происходит медленно, но относительно полно в тонком кишечнике. [45] Широко используемыми готовыми продуктами, содержащими крахмал, являются хлеб , блины , крупы , лапша , макароны , каши и лепешки .
Во время приготовления на сильном огне сахара, выделяющиеся из крахмала, могут вступать в реакцию с аминокислотами посредством реакции Майяра , образуя конечные продукты гликирования (AGE), придающие продуктам аромат, вкус и текстуру. [46] Одним из примеров диетического AGE является акриламид . Недавние данные свидетельствуют о том, что кишечная ферментация пищевых КПГ может быть связана с резистентностью к инсулину , атеросклерозом , диабетом и другими воспалительными заболеваниями. [47] [48] Это может быть связано с влиянием КПГ на проницаемость кишечника. [49]
Желатинизация крахмала во время выпечки торта может быть нарушена из-за того, что сахар конкурирует за воду , предотвращая желатинизацию и улучшая текстуру.
Крахмал можно гидролизовать до более простых углеводов кислотами , различными ферментами или их комбинацией. Полученные фрагменты известны как декстрины . Степень превращения обычно определяют количественно с помощью декстрозного эквивалента (DE), который примерно представляет собой долю разорванных гликозидных связей в крахмале.
Эти крахмальные сахара на сегодняшний день являются наиболее распространенным пищевым ингредиентом на основе крахмала и используются в качестве подсластителей во многих напитках и продуктах питания. Они включают:
Модифицированные пищевые крахмалы имеют код E в соответствии с Европейским управлением по безопасности пищевых продуктов и пищевые добавки с кодом INS в соответствии с Кодексом Алиментариус : [53]
INS 1400, 1401, 1402, 1403 и 1405 относятся к пищевым ингредиентам ЕС без электронного номера. [54] Типичными модифицированными крахмалами для технического применения являются катионные крахмалы , гидроксиэтилкрахмал, карбоксиметилированные крахмалы и тиолированные крахмалы. [55]
В качестве добавки при обработке пищевых продуктов пищевые крахмалы обычно используются в качестве загустителей и стабилизаторов в таких продуктах, как пудинги, заварные кремы, супы, соусы, подливки, начинки для пирогов и заправки для салатов, а также для приготовления лапши и пасты. Они действуют как загустители, наполнители, стабилизаторы эмульсии и являются исключительными связующими веществами в обработанном мясе.
Гуммированные конфеты, такие как жевательные конфеты и винные жевательные резинки , не производятся с использованием форм в обычном смысле этого слова. Лоток наполняют нативным крахмалом и разравнивают. Затем в крахмал вдавливается позитивная форма, оставляя впечатление примерно 1000 мармеладных драже. Затем желейную смесь выливают в оттиски и ставят на плиту для застывания. Этот метод значительно сокращает количество форм, которые необходимо изготовить.
Резистентный крахмал – это крахмал, который не переваривается в тонком кишечнике здоровых людей. Крахмал с высоким содержанием амилозы из пшеницы или кукурузы имеет более высокую температуру желатинизации , чем другие виды крахмала, и сохраняет содержание устойчивого крахмала при выпечке , мягкой экструзии и других методах обработки пищевых продуктов. Он используется в качестве нерастворимого пищевого волокна в обработанных пищевых продуктах, таких как хлеб, макароны, печенье, крекеры, крендели и другие продукты с низким содержанием влаги. Он также используется в качестве пищевой добавки из-за его пользы для здоровья. Опубликованные исследования показали, что резистентный крахмал помогает улучшить чувствительность к инсулину, [56] [57] снижает провоспалительные биомаркеры интерлейкина 6 и фактора некроза опухоли альфа [58] [59] и улучшает маркеры функции толстой кишки. [60] Было высказано предположение, что резистентный крахмал повышает пользу для здоровья цельного зерна. [61]
Было продемонстрировано , что бесклеточный химиоферментативный процесс синтезирует крахмал из CO 2 и водорода. Химический путь 11 основных реакций был разработан с помощью компьютерного проектирования и превращает CO 2 в крахмал со скоростью, которая примерно в 8,5 раз выше, чем синтез крахмала в кукурузе . [62] [63]
Производство бумаги является крупнейшим непищевым применением крахмала в мире, ежегодно потребляя многие миллионы метрических тонн. [31] Например, в типичном листе копировальной бумаги содержание крахмала может достигать 8%. В производстве бумаги используются как химически модифицированные, так и немодифицированные крахмалы. На мокрой части процесса изготовления бумаги, обычно называемой «мокрой частью», используемые крахмалы являются катионными и имеют положительный заряд, связанный с полимером крахмала. Эти производные крахмала связываются с анионными или отрицательно заряженными волокнами бумаги/ целлюлозой и неорганическими наполнителями. Катионные крахмалы вместе с другими удерживающими и внутренними проклеивающими веществами помогают придать необходимые прочностные свойства бумажному полотну, образующемуся в процессе изготовления бумаги ( прочность во влажном состоянии ), и обеспечить прочность конечному бумажному листу (прочность в сухом состоянии).
В сухом конце процесса изготовления бумаги бумажное полотно повторно смачивается раствором на основе крахмала. Этот процесс называется поверхностной калибровкой . Используемые крахмалы были химически или ферментативно деполимеризованы на бумажной фабрике или в крахмальной промышленности (окисленный крахмал). Проклеивающие/крахмальные растворы наносятся на бумажное полотно с помощью различных механических прессов (клеильных прессов). Вместе с поверхностными проклеивающими веществами поверхностные крахмалы придают бумажному полотну дополнительную прочность и дополнительно обеспечивают водостойкость или «проклеивание» для превосходных печатных свойств. Крахмал также используется в покрытиях для бумаги в качестве одного из связующих для составов покрытий, которые включают смесь пигментов, связующих и загустителей. Бумага с покрытием имеет улучшенную гладкость, твердость, белизну и глянец и, таким образом, улучшает печатные характеристики.
Клеи для гофрированного картона являются следующим по величине применением непищевых крахмалов в мире. Крахмальные клеи в основном состоят из немодифицированных природных крахмалов и некоторых добавок, таких как бура и каустическая сода . Часть крахмала клейстеризуется, чтобы удержать суспензию сырых крахмалов и предотвратить седиментацию. Этот непрозрачный клей называется клеем SteinHall. Клей наносится на кончики гофра. Рифленая бумага прижимается к бумаге, называемой лайнером. Затем его сушат при сильном нагревании, в результате чего остальная часть сырого крахмала в клее набухает/желатинизируется. Такое желатинирование делает клей быстрым и прочным клеем для производства гофрированного картона.
Крахмал используется в производстве различных клеев или клеев [64] для переплета книг, клея для обоев , производства бумажных мешков , намотки трубок, клейкой бумаги , клея для конвертов, школьного клея и этикетирования бутылок. Производные крахмала, такие как желтые декстрины, можно модифицировать путем добавления некоторых химикатов с образованием твердого клея для работы с бумагой; в некоторых из этих форм используется бура или кальцинированная сода , которые смешиваются с раствором крахмала при температуре 50–70 ° C (122–158 ° F), чтобы получить очень хороший клей. Для усиления этой формулы можно добавить силикат натрия.
Аналогичным крупным применением крахмала в непищевых целях является строительная промышленность, где крахмал используется в процессе производства гипсовых стеновых плит . Химически модифицированные или немодифицированные крахмалы добавляются в штукатурку, содержащую преимущественно гипс . Верхний и нижний листы плотной бумаги наносятся на рецептуру, и процесс нагревается и отверждается с образованием окончательной жесткой стеновой панели. Крахмалы действуют как клей для затвердевшего гипса с бумажным покрытием, а также придают плите жесткость.
Раствор трийодида (I 3 - ) (полученный при смешивании йода и [йодида калия]) можно использовать для проверки на наличие крахмала. Бесцветный раствор в присутствии крахмала становится темно-синим. [68] Интенсивность полученного синего цвета зависит от количества присутствующей амилозы. Восковидные крахмалы с небольшим содержанием амилозы или без нее окрашиваются в красный цвет. Тест Бенедикта и тест Фелинга также проводятся для выявления наличия крахмала.
В США Управление по охране труда (OSHA) установило законный предел ( допустимый предел воздействия ) для воздействия крахмала на рабочем месте на уровне 15 мг/м 3 общего воздействия и 5 мг/м 3 воздействия на органы дыхания в течение восьми часов. рабочий день. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) на уровне 10 мг/м 3 общего воздействия и 5 мг/м 3 воздействия на органы дыхания в течение восьмичасового рабочего дня. [69]
Крахмал имеет различную плотность в зависимости от ботанического происхождения, предшествующей обработки и метода измерения.