PL207800B1 - Sposób otrzymywania skrobi modyfikowanej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania fizycznie modyfikowanej skrobi ziemniaczanej o dużej stabilności reologicznej zbliżonej do skrobi sieciowanych.

Do najbardziej wielofunkcyjnych środków zagęszczających stosowanych w przemyśle spożywczym należą skrobie naturalne i modyfikowane. W niektórych aplikacjach wykorzystuje się naturalne właściwości skrobi do zagęszczania i tworzenia żeli i stosuje się je w postaci naturalnej. Istotną wadą skrobi naturalnej jest brak stabilności reologicznej tworzonych przez nią kleików, ponieważ lepkość roztworu skrobiowego zmienia się w czasie pod wpływem temperatury, mieszania, obniżonego lub podwyższonego pH, a w ochłodzonych, początkowo klarownych, kleikach bardzo szybko postępuje proces retrogradacji. Tych negatywnych cech pozbawione są, w większym lub mniejszym stopniu, skrobie modyfikowane, a co ważniejsze odpowiednio przeprowadzony proces modyfikacji może nadać skrobi odpowiednie i wybrane cechy reologiczno-teksturotwórcze np. zdolność do tworzenia zwartego żelu czy znacznie zwiększoną i niezmienną lepkość. Najbardziej wszechstronną i pożądaną modyfikacją z punktu widzenia wymagań przetwórstwa spożywczego jest sieciowanie skrobi. Proces ten polega na wprowadzeniu do struktury chemicznej skrobi dodatkowych, usztywniających wiązań poprzecznych, co powoduje zwiększoną odporność na wymienione wcześniej zagrożenia technologicznoużytkowe, ale nie daje odporności na retrogradację i w jej konsekwencji na synerezę. Odpowiednia stabilizacja skrobi sieciowanych poprzez estryfikację (acetylowanie) lub eteryfikację (hydroksypropylowanie) polegające na wprowadzeniu do biopolimeru objętościowych grup osłabiających lub eliminujących siły asocjacyjne między molekułami skrobi znakomicie znosi zagrożenia występowania synerezy w zagęszczanym produkcie.

Skrobie naturalne o strukturze granularnej zawieszone w wodzie i ogrzewane pęcznieją i w zakresie temperatur 60-95°C osiągają maksimum lepkości. Obserwowany w tym zakresie temperaturowym wzrost lepkości wynika z sił międzycząsteczkowego oddziaływania między spęczniałymi granulami. Granule w stanie maksymalnej hydratacji są jednak fizycznie nietrwałe i w zakresie temperatur ok. 90-92°C pękają, co manifestuje się spadkiem lepkości tzw. „break down”. Zjawisko to potęguje się w ś rodowiskach poddanych działaniu mechanicznych sił ścinania i w mediach kwaśnych. Niestabilność reologiczna skrobi może być zminimalizowana poprzez traktowanie skrobi bifunkcyjnymi związkami chemicznymi, które reagując z reaktywnymi grupami hydroksylowymi skrobi tworzą międzycząsteczkowe wiązania poprzeczne w ramach struktury molekularnej skrobi chroniąc granule przed fragmentacją i rozpadem.

Wyczerpujący przegląd literatury naukowej i patentowej odnoszący się do skrobi modyfikowanych a w szczególności sieciowanych zawierają monografie „Modified Starches: Properties and Uses” wyd. O.B. Wurzburg CRC Press 1996, „Starches” D.Thomas, W.Atwell wyd. Eagan Press 1999, „Starke und Starkederivate” G.Tegge wyd. Behr's Verlag 2004.

Zarysowujące się w ostatnich latach trendy konsumenckie zmierzające do preferowania tzw. „żywności naturalnej” tj. chemicznie nieprzetworzonej spowodowały rozwój badań w kierunku poszukiwań rozwiązań, które pozwoliłyby na otrzymywanie produktów modyfikowanych fizycznie posiadających cechy technologiczno-użytkowe produktów przetwarzanych metodami chemicznymi. Prowadzone w wielu ośrodkach naukowych prace zaowocowały opracowaniem termicznej procedury technologicznej jak np. podaną w opisie patentowym US nr 5,725,676, polegającej na obróbce termicznej skrobi różnego pochodzenia botanicznego w złożu fluidalnym w temperaturze powyżej 100 C (dla skrobi ziemniaczanej 160°C). Procedura ta pozwoliła na otrzymanie fizycznie modyfikowanych preparatów skrobi kukurydzianej z serii „Novation. Modyfikaty te charakteryzują się przebiegiem krzywej reologicznej wg Brabendera porównywalnym z krzywą reologiczną dla skrobi sieciowanych oraz posiadają wysoką stabilność reologiczną, odporność na wysokie i niskie temperatury, niskie pH, duże siły mechanicznego ścinania (szybkie mieszanie, homogenizacja), procesy za- i rozmrażania. Obok przywołanej wyżej procedury znane są inne metody obróbki termicznej skrobi w różnych warunkach pH i w temperaturze prażenia od 100-200°C według opisu patentowego US nr 4,303,452 i opisu patentowego Japonii nr 61-254602, jednak nie zmierzały one do nadania skrobi cech stabilności reologicznej, lecz raczej do osiągnięcia stopnia hydrolizy korzystnego dla określonych aplikacji.

Sposób otrzymywania skrobi modyfikowanej według wynalazku polega na tym, że skrobię poddaje się procesowi alkalizacji do pH 11,0-12,3, korzystnie 12,0-12,2 i przetrzymuje w temperaturze pokojowej w czasie 0,1-3 godzin, korzystnie 0,5-1,5 godziny, następnie odwadnia, neutralizuje do pH 5,0-9,5, korzystnie 8,0-9,0 i przemywa wodą technologiczną oraz ewentualnie poddaje ją procesowi

PL 207 800 B1 suszenia. Środkami alkalizującymi są wodorotlenki i węglany metali alkalicznych sodu, potasu, wapnia i magnezu oraz metakrzemian sodu. Proces obróbki alkalicznej można prowadzić w obecności soli nieorganicznych. W celu otrzymania skrobi o obniżonej wilgotności skrobię zmodyfikowaną poddaje się procesowi prażenia w prażalniku obrotowym w temperaturze 100-150°C, korzystnie 125-135°C przez okres 0,5-2 godzin, korzystnie 1 godzinę. Procesowi alkalizacji poddaje się skrobię ziemniaczaną naturalną i wysokoamylopektynową.

Jak się nieoczekiwanie okazało, w wyniku procesu według wynalazku, dochodzi do zmian reologicznych skrobi w kierunku uzyskania wysokiego stopnia stabilności reologicznej porównywalnej do cech reologicznych skrobi chemicznie sieciowanych. Precyzyjne dozowanie czynnika alkalizującego w podanym wyż ej zakresie utrzymuje strukturę granularną skrobi w stanie nienaruszonym i strukturalnie na tyle wzmocnionym, że w temperaturach powyżej 90°C nie następuje gwałtowny rozpad granul, a tym samym spadek lepkości kleiku. Fakt ten w znakomitym stopniu upraszcza proces technologiczny otrzymywania skrobi stabilizowanej reologicznie, nie wymaga bowiem koniecznej według opisu patentowego US nr 5,725,676 procedury prażenia skrobi w złożu fluidalnym. Ponadto nieoczekiwanie okazało się, że preparaty skrobiowe otrzymane w taki sposób charakteryzują się obniżoną strawnością. Strawność rozumiana jest jako stosunek ilości glukozy wydzielonej po 16 godzinnej inkubacji preparatu z α-amylazą trzustkową i glukoamylazą do teoretycznie możliwej do wytworzenia.

W opracowanym według wynalazku sposobie można uwzględnić również etap prażenia skrobi w obrotowych prażalnikach bez wmuszonego obiegu powietrza. Nie jest to jednak proces konieczny do uzyskania skrobi stabilizowanej reologicznie o wysokim stopniu podsuszenia (6-9% wody), która ze względów higieniczno-sanitarnych i technologicznych jest na szeroką skalę stosowana w instatyzowanych koncentratach spożywczych.

Najkorzystniej proces modyfikacji skrobi prowadzi się w temperaturze pokojowej w czasie 0,5-2 godzin przy pH 12,0-12,2. Okazało się, że dłuższy okres przetrzymywania skrobi zmodyfikowanej według wynalazku nie wpływa na stabilizację reologiczną, a jedynie intensyfikuje procesy hydrolizy skrobi, wskutek czego obserwuje się stabilizację reologiczną na znacznie niższym poziomie lepkości. Obróbkę alkaliczną można prowadzić w obecności soli nieorganicznych, w celu zapobiegania kleikowania skrobi.

Przebieg krzywej kleikowania modyfikowanej skrobi ziemniaczanej według wynalazku wskazuje wyraźnie, że w wyniku procesu modyfikacji zanika charakterystyczny dla skrobi naturalnych spadek lepkości po osiągnięciu maksimum kleikowania (tzw. „break down”), a charakterystyka przebiegu odpowiada skrobi sieciowanej.

Otrzymane preparaty skrobi stabilizowanej według rozwiązania cechują się stabilnością termiczną, szczególnie widoczną w procesach sterylizacji preparatów. Cykl badawczy obejmujący przetrzymywanie preparatu w temp. 126°C w ciągu 11 minut nie spowodował obniżenia lepkości skrobi, co wskazuje na istotny wzrost jej termicznej odporności. Na uwagę zasługuje również ważny z technologicznego i użytkowego punktu widzenia fakt znaczącego wzrostu lepkości kleików skrobi alkalizowanych oraz alkalizowanych i pra ż onych.

Preparaty skrobi modyfikowanej według wynalazku z uwagi na posiadane unikalne właściwości reologiczne mogą być rekomendowane do zastosowania w aplikacjach, w których do tej pory były używane skrobie sieciowane. Dodatkowym korzystnym aspektem rozwiązania to prostota procesu według wynalazku, w tym oszczędności kosztów, czasu i eliminacja chemikaliów.

Sposób modyfikowania skrobi według wynalazku obrazują następujące przykłady wykonania.

P r z y k ł a d 1.

1000 g skrobi ziemniaczanej naturalnej zawieszonej w 1200 ml wody technologicznej przy intensywnym mieszaniu poddaje się procesowi alkalizacji przy pomocy 3% roztworu NaOH do pH = 12,2 i utrzymuje w tym pH przez 1,5 godziny w temperaturze pokojowej. Alkaliczną zawiesinę skrobi odwadnia się próżniowo. Z odwodnionej alkalicznej skrobi ponownie przygotowuje się mleczko skrobiowe o gęstości 21Be i neutralizuje 5% kwasem solnym do pH = 8,5. Ponownie odwodnioną skrobię przemywa się dwukrotnie wodą technologiczną. Właściwości otrzymanego produktu przedstawiono w załączonej tabeli.

P r z y k ł a d 2.

1000 g skrobi ziemniaczanej naturalnej zawieszonej w 1200 ml wody technologicznej przy intensywnym mieszaniu poddaje się procesowi alkalizacji przy pomocy 3% roztworu NaOH do pH = 12,0 i utrzymuje w tym pH przez 1 godzinę w temperaturze pokojowej. Alkaliczną zawiesinę skrobi odwadnia się próżniowo. Z odwodnionej alkalicznej skrobi ponownie przygotowuje się mleczko skrobiowe

PL 207 800 B1 o gę stoś ci 21Be i neutralizuje 5% kwasem solnym do pH = 8,0. Ponownie odwodnioną skrobię przemywa się dwukrotnie wodą technologiczną. Skrobię zmodyfikowaną suszy się i część próby poddaje prażeniu w prażalniku obrotowym w temperaturze 130°C przez 1 godzinę. Właściwości otrzymanego produktu przedstawiono w załączonej tabeli.

P r z y k ł a d 3.

1000 g skrobi ziemniaczanej naturalnej zawieszonej w 1200 ml wody technologicznej, w której uprzednio, przy intensywnym mieszaniu, rozpuszczono 10 g siarczanu sodowego poddaje się procesowi alkalizacji przy pomocy 3% roztworu NaOH do pH = 12,3 i utrzymuje w tym pH przez 1,5 godzinę w temperaturze pokojowej. Alkaliczną zawiesinę skrobi odwadnia się próżniowo. Z odwodnionej alkalicznej skrobi ponownie przygotowuje się mleczko skrobiowe o gęstości 21Be, które neutralizuje się 5% kwasem solnym do pH = 8,5. Ponownie odwodnioną skrobię przemywa się dwukrotnie wodą technologiczną. Skrobię zmodyfikowaną suszy się i część próby poddaje prażeniu w prażalniku obrotowym w temperaturze 125°C przez 0,5 godziny. Właściwości otrzymanego produktu przedstawiono w poniższej tabeli.

T a b e l a - Właściwości funkcjonalne skrobi wg przykładów 1-3

Lp.	Rodzaj skrobi	Lepkość 5% kleiku oznaczona wg Brookfielda przy 50 obr./min [mPas]	Krzywa lepkości wg Brabendera	Strawność [%]
pasteryzacja	sterylizacja	temperatura kleikowania [°C]	lepkość max. w piku [°Be]	lepkość max. po ochłodzeniu [°Be]	„break down” [°Be]
1.	Ziemniaczana naturalna	9200	2300	64,4	599	681	250	100
2.	Produkt wg przykładu 1	8100	6500	67,1	470	987	16	75
3.	Produkt wg przykładu 2	10100	7400	66,9	416	873	5	72
4.	Produkt wg przykładu 3	9900	7400	66,5	430	860	6	78

Zastrzeżenia patentowe

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania skrobi modyfikowanej na drodze jej obróbki fizycznej, znamienny tym, że skrobię poddaje się procesowi alkalizacji do pH 11,0-12,3, korzystnie 12,0-12,2 i przetrzymuje w temperaturze pokojowej w czasie 0,1-3 godzin, korzystnie 0,5-1,5 godziny, następnie odwadnia, neutralizuje do pH 5,0-9,5, korzystnie 8,0-9,0, przemywa wodą technologiczną i poddaje procesowi suszenia.
2. 2. Sposób wg zastrzeżenia 1, znamienny tym, że środkami alkalizującymi są wodorotlenki i węglany metali alkalicznych sodu, potasu, wapnia i magnezu oraz metakrzemian sodu.
3. 3. Sposób wg zastrzeżenia 1, znamienny tym, że proces obróbki alkalicznej można prowadzić w obecności soli nieorganicznych.
4. 4. Sposób wg zastrzeżenia 1, znamienny tym, że skrobię zmodyfikowaną poddaje się procesowi prażenia w prażalniku obrotowym w temperaturze 100-150°C, korzystnie 125-135°C przez okres 0,5-2 godzin, korzystnie 1 godzinę.
5. 5. Sposób wg zastrzeżenia 1, znamienny tym, że procesowi alkalizacji poddaje się skrobię ziemniaczaną naturalną i wysokoamylopektynową.