Kleikowanie skrobi, oraz znaczenie praktyczne tego zjawiska.

Skrobia - węglowodan, polimer glukozy, polisacharyd roślinny, jest substancją higroskopijną i może wchłaniać do 30% wody. Składa się wyłącznie z merów glukozy (jej cząsteczka składa się z około 1000 cząsteczek glukozy), pełni w roślinach rolę magazynu energii (czyli substancji zapasowej). Skrobia powstaje podczas asymilacji w zielonych częściach roślin, jak tzw. Skrobia asymilacyjna. Po przekształceniu się w tzw. Cukier transportowy przemieszcza się do organów zapasowych roślin, tam zostaje zmagazynowana. Skrobia występuje w postaci ziaren skrobiowych złożonych z dwóch różnych polisacharydów:
? nierozgałęzionej amylozy rozpuszczalnej w wodzie w temperaturze 70-800C i nie tworzy ona kleiku (występuje wewnątrz ziaren skrobi w ilości 17-25%). Jest wielocukrem - jej cząsteczki składają się z wielu reszt glukozowych połączonych ze sobą atomami tlenu. Amyloza ma strukturę krystaliczną. W obecności odczynników kompleksowych (np. jodu) wykazuje konformację spiralną, występuje w kształcie podwójnego heliosu, w których na 1 skręt przypada 6 reszt glukozowych.
? rozgałęzionej amylopektyny, nierozpuszczalnej w wodzie, jest substancją o charakterze gumy, podczas ogrzewania z wodą daję roztwór koloidalny (występuję w zewnętrznej części ziaren skrobi w ilości 75-83%), Reszty glukozowe w łańcuchach prostych powiązane są wiązaniami -1,4-glikozydowymi, natomiast w pkt. rozgałęzień występują wiązania -1,6-glikozydowe. Ze względu na liczne rozgałęzienia amylopektyna przedstawia sferyczny, nieuporządkowany kłębek, w których jedynie zew. łańcuchy mogą wykazywać strukturę spiralną.
Ziarno skrobi:
Czysta skrobia jest białą, bezpostaciową (nie krystaliczną), amorficzną substancją bez smaku i zapachu, nierozpuszczalną w zimnej wodzie, oraz w większości rozpuszczalników organicznych. Skrobia jest głównym składnikiem węglowodanowym pokarmu człowieka obecnym w większości warzyw, a także we wszystkich potrawach mącznych (ziarnach zbóż, ziemniakach, nasionach roślin strączkowych: grochu, czy fasoli). Jest substancją zapasową roślin, zbudowana z jednostek ? - glukozy. Skrobia magazynowana jest u roślin w postaci ziaren lub granulek w organellach zwanych plastydami, których wielkość i kształt są charakterystyczne dla poszczególnych gatunków roślin i na podstawie ich obrazu mikroskopowego można określić ich pochodzenie. Ziarna skrobi mają średnicę 2-120 ?m, zależnie od pochodzenia mają różne właściwości. Rozróżnia się skrobię ziemniaczaną, pszenną, kukurydzianą itp. Hydroliza skrobii i uwalnianie glukozy zaspokaja zapotrzebowanie komórki na energię niezbędną do aktywności metabolicznej. W roślinie skrobia może występować w 2 postaciach:
a)skrobia asymilacyjna- jest końcowym efektem procesu fotosyntezy, jest to forma w liściach,
b)skrobia zapasowa- występuje w nasionach i ziarniakach, w organach zapasowych.

Pod względem chemicznym skrobia składa się z reszt -D- glukopiranozy powiązanych ze sobą przeważnie wiązaniami -1,4- glikozydowymi. Tylko w pkt. rozgałęzień występują połączenia -1,6- glikozydowe. Oprócz rdzenia glikozydowego skrobia zaw. jeszcze niewielkie ilości składników nie sacharydowych, takich jak: białko (0,06 - 0,5%), tłuszcze (do 0,9%), fosfor (0,05 ? 0,25%) inne składniki mineralne (K, Na, Ca, Mg, Si, Mn, Al, Fe). Są one związane ze skrobią chemiczne jak np. fosfor i niektóre kationy w skrobi ziemniaczanej, lub też w inny stanowiąc jak gdyby zanieczyszczenia skrobi. Przyjmuje się również, że strukturalnym składnikiem jest woda. Jest ona związana za pomocą wiązań wodorowych z grupami hydroksylowymi reszt glikozydowych, łańcuchów skrobiowych w wyniku solwatacji. Zawartość wody w skrobi zależy od wilgotności otoczenia, dla skrobi zbóż wynosi ok.12% dla skrobi ziemniaczanej ok.20%. W środowisku bezwodnym gęstości skrobi wynosi , a przy podwyższonej wilgotności wynosi .
Nasz organizm może wykorzystywać jedynie glukozę, dlatego spożyta skrobia musi zostać rozłożona w przewodzie pokarmowym. Trawienie następuje pod wpływem enzymów trawiennych zawartych w ślinie i soku trzustkowym, dzięki temu w jelitach z dużej cząsteczki skrobi powstaje wiele małych cząsteczek glukozy i to one są wchłaniane do krwi. Jednak układ trawienny człowieka nie potrafi rozłożyć surowej skrobi, wstępnie musi ona zostać ugotowana w odpowiedniej ilości wody, proces ten nazywany jest kleikowaniem skrobi. Jeżeli próbujemy ogrzewać ją w niedostatecznej ilości wody, następuje uszkodzenie cząsteczek, skrobia nie ulega skleikowaniu i nie poddaje się działaniu enzymów trawiennych. Powstaje tak zwana skrobia oporna (RS - resistant starch), którą zaliczać należy do błonnika pokarmowego. Wydaje się, że ok. 5 - 10 g skrobi dziennie nie jest trawione i stanowi "pokarm" bakterii jelitowych.
Wykorzystanie skrobi odbywa się na zasadzie hydrolizy i fosforolizy:
Hydroliza skrobi - dotyczy skrobi zapasowej, jest to proces enzymatyczny, dzieje się z udziałem amylaz (w przypadku silnego uwodnienia). Produktem hydrolizy są cząsteczki dwuglukozowe (maltoza).
Fosforoliza skrobi - łańcuch skrobiowy skraca się o jedną cząsteczkę glukozy. W tym procesie bierze udział enzym: fosforylaza glukanowa, do tej cząsteczki glukozy dołącza się aktywny fosforan. Glukoza jest cząsteczką wyjściową do syntezy sacharozy (dwucukier zbudowany z cząsteczki fruktozy i glukozy).
Skrobia hydrolizuje wyłącznie na ?-D-glukozę. W trakcie hydrolizy kwasowej skrobia rozpada się na coraz krótsze łańcuchy polisacharydowe tworząc kolejno:
? amylodekstryny (barwiące się z I2 na niebiesko),
? erytrodekstryny (barwiące się z I2 na czerwono),
? achrodekstryny (niebarwiące się z I2) i
? maltozę i glukozę.
Proces kleikowania skrobi poprzedza jej silne pęcznienie w zimnej wodzie, następnie w określonej dla każdego rodzaju skrobi temperatury kleikują, a w trakcie kleikowania tracą strukturą ziarnistą. Sam proces prowadzi do powstania w ziarnach rysy, po czym ziarna skrobi pękają, a ich zawartość przechodzi do roztworu, otoczka zaś pozostaje nierozpuszczona. Przebieg kleikowania skrobi charakteryzuje się zazwyczaj przez podanie początkowej (odpowiada wzrostowi lepkości kleiku) i końcowej (odpowiada spadkowi lepkości kleiku) temp. kleikowania.
Kleikowanie - czyli pęcznienie i pękanie ziaren skrobi w ciepłym wodnym roztworze. Proces kleikowania ułatwia pracę amylazom, mogą one łatwiej atakować pojedyncze, rozwinięte łańcuchy skrobiowe. W gorącej wodzie ziarna skrobi pęcznieją tworząc roztwór koloidalny tzw. kleik skrobiowy, który z życia codziennego znany jest pod postacią krochmalu. Po ostygnięciu tworzy galaretowatą masę, dzięki czemu znalazł zastosowanie do produkcji kisieli i budyni. Tkaniny nasycone kleikiem skrobiowym po wyschnięciu sztywnieją. Kleik skrobiowy pod wpływem kwasu oraz zawartych w ślinie i sokach trawiennych enzymów ulega hydrolizie (rozkładowi) na glukozę. Cechą charakterystyczną skrobi jest temperatura kleikowania. Dla jęczmienia mieści się w przedziale 510C ? 600C, temperatura kleikowania skrobi ziemniaczanej wacha się od 600C do nawet 1600C. W trakcie kleikowania zachodzi nieodwracalna dezintegracja makrocząsteczki i powstaje lepki kleik (wykazujący lepkość strukturalną). Przy odpowiednim stężeniu wodne dyspersje skrobiowe twożą żele. Skrobia sklei kowana może ulegać retrogradacji. Zjawisko to polega na wytworzeniu po między cząsteczkami amylozy mostków wodorowych i powstawaniu struktury krystalicznej. Zretrogradowany kleik staje się mętny wskutek strącanie się osadu zretrogradowanej skrobi. Taka skrobia jest odporna na działanie enzymów i dlatego retrogradacja może być w pewnych przypadkach zjawiskiem niekorzystnym (np. podczas enzymatycznej hydrolizy skrobi). Retrogradacja skrobi jest przyczyną zmian struktury skrobiowych artykułów żywnościowych (np. czerstwienie pieczywa). Retrogradacji sprzyja duże stężenie amylozy, oraz niska temperatura. Z retrogradacją związana jest synteza, która polega na wydzieleniu się wody z żeli na skutek sinych zmian w strukturze żelowej.

Stosowana do niedawna kwasowa hydroliza skrobi wraz z postępem w dziedzinie biotechnologii coraz częściej ustępuje miejsca procesom enzymatycznym. Enzymy stosowane do hydrolizy skrobi podzielić można na 5 grup: endoamylazy, egzoamylazy, enzymy usuwające rozgałęzienia, izomerazy oraz glikozylotransferazy cyklodekstryn.

Stopień hydrolizy a wiec rozłożenia skrobi mierzy sie z reguły przy pomocy metod fizycznych lub chemicznych. Metody fizyczne obejmują przede wszystkim pomiary związane z określeniem średnich mas cząsteczkowych polimeru oraz rozrzutu mas cząsteczkowych. Do metod takich należą pomiary:
? Wiskozymetryczne.
? Turbidymetryczne.
? Nefelometryczne.
? Osmometryczne.
? Kriometryczne.
? Jodometryczne.
? Spektroskopowe.

Do metod chemicznych należy przede wszystkim oznaczanie wytworzonych cukrów redukujących. Bezpośrednia metoda oznaczania aktywności enzymów amylolitycznych jest pomiarem szybkości tworzenia produktów hydrolizy. Ponieważ podczas amylolizy tworzą sie grupy redukujące, w oparciu o ich oznaczenie można wnioskować o ilości powstałych cukrów.
Skrobię można wykryć w surowcach żywnościowych za pomocą jodyny lub płynu Lugola, który zawiera jod. Pod wpływem jodu skrobia przyjmuje niebiesko-fioletowe zabarwienie.

Skrobia ma szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym (piekarstwo-zwiększenie zaw.cukrów z cieście, zintensyfikowanie fermentacji), w przemyśle gorzelniczym (w produkcji etanolu np.z ziemniaków ), włókienniczym, papierniczym (powlekanie papieru skrobią powoduję nierozlewanie się tuszu na kartce), poligraficznym, pralniczym (krochmal), w kosmetyce (np. produkcja pudrów sypkich) i lecznictwie, a także w przemysłach produkujących kwasy organiczne (np. mlekowy, cytrynowy). Procesy upłynniania i scukrzania skrobi, u genezy których leży enzymatyczna hydroliza skrobi, są szeroko wykorzystywane na skalę przemysłową do produkcji syropów dekstranowych, wysokomaltozowych, wysokoglukozowych oraz syropów fruktozowych. Etap enzymatycznej hydrolizy jest niezastąpiony w wielu procesach biotechnologicznych, jak chociażby produkcja piwa. Obecnie wzrasta zapotrzebowanie przemysłu na określone produkty pochodne skrobi. Przykładowe zastosowania skrobi modyfikowanej czy przetworzonej w przemyśle spożywczym i farmakologicznym.
Przykładowe zastosowania skrobi przetworzonej:
Typ skrobi przetworzonej Przykładowe zastosowania
skrobia modyfikowana przemysł piekarniczy i cukierniczy; zagęstnik (produkcja ketchupów); wypełniacz/substancja stabilizująca (zupy błyskawiczne)
syropy maltozowe przemysł cukierniczy (zapobieganie krystalizacji sacharozy, zwiększanie konsystencji, polepszenie walorów smakowych, wydłużenie trwałości produktów)
syropy glukozowo-maltozowe produkcja lodów, konfitur i dżemów, syropów owocowych, soków, ciastek, mrożonej żywności
syropy glukozowe przemysł cukierniczy i pszczelarski
syropy o wysokim wskaźniku cukrów fermentacyjnych przemysł piwowarski i piekarniczy
syropy fruktozowe produkcja napojów (Coca Cola, Pepsi Cola), produkcja żywność dla dietetyków (fruktoza metabolizowana jest bez udziału insuliny)
syropy wysokofruktozowe przetwórstwo owoców, produkcja konfitur i syropów owocowych
syropy maltodekstrynowe przemysł spożywczy (regulatory wilgotności, wypełniacze);
przemysł cukierniczy (produkcja lodów, mrożonek, cukierków),
przemysł farmakologiczny (enkapsulacja leków - ochrona przed utlenianiem)
maltoza krystaliczna wlewy dożylne u dietetyków

Enzymatyczne hydrolizaty skrobiowe to bardzo szeroki zakres produktów od niskocząsteczkowych takich jak glukoza i syropy maltozowe, aż po produkty wysokocząsteczkowe jak maltodekstryny. Te ostatnie jako produkty częściowej hydrolizy skrobi zostały wprowadzone na rynek już pod koniec lat 50 i są wykorzystywane jako neutralne wypełniacze, składniki żelotwórcze, stabilizatory emulsji, materiały tworzące powłoki: stabilizują piany, hamują tworzenie kryształów lodu w niskiej temperaturze, zapobiegają tworzenia kryształów cukrów, zwiększają lepkość cieczy i są zagęstnikami, stanowią substancje prebiotyczne, wiążą zapach i pełnią różne inne funkcje. Mogą też być materiałami pomocniczymi w produkcji żywności niskokalorycznej, mrożeniu, suszeniu rozpyłowym, pakowaniu i innych zabiegach technologicznych.