Крахмал

Крахмал — это полисахарид, запасной углевод растений, состоящий из остатков глюкозы. В промышленности и быту крахмал используется как загуститель, стабилизатор, связующее вещество, а также как сырьё для производства сахаристых веществ, спирта и биоразлагаемых полимеров. Является основным энергетическим резервом многих растений, накапливаясь в клубнях, корневищах, семенах и плодах.

Химическое строение и свойства

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов — амилозы и амилопектина. Амилоза — линейный полимер, в котором остатки α-D-глюкозы соединены α-1,4-гликозидными связями. Амилопектин имеет разветвлённую структуру за счёт дополнительных α-1,6-связей. Соотношение амилозы и амилопектина зависит от вида растения: в картофельном крахмале содержится около 20 % амилозы, в кукурузном — 25–28 %, в рисовом — 17–20 %, а в «восковых» сортах кукурузы и риса амилоза практически отсутствует.

Физические свойства

В чистом виде крахмал — белый или слегка желтоватый аморфный порошок без вкуса и запаха. Он нерастворим в холодной воде, этаноле и большинстве органических растворителей. При нагревании с водой крахмальные зёрна набухают, образуя вязкий коллоидный раствор — крахмальный клейстер. Температура клейстеризации (разрушения кристаллической структуры гранул) для разных видов крахмала составляет от 55 до 80 °C.

Химические свойства

Под действием кислот или ферментов (амилаз) крахмал гидролизуется до декстринов, затем до мальтозы и, в конечном итоге, до глюкозы. Качественной реакцией на крахмал является его окрашивание в синий цвет при добавлении раствора йода (образуется комплекс включения амилозы с йодом). При нагревании синий цвет исчезает, а при охлаждении восстанавливается.

История

Крахмал известен человечеству с глубокой древности. Первые свидетельства его использования относятся к неолиту: люди добывали крахмал из корнеплодов и злаков, используя его в пищу и для технических нужд. В Древнем Египте крахмал применяли для проклейки папируса, в Древнем Риме — как косметическое средство и загуститель для соусов.

В Европе промышленное производство крахмала началось в XVI–XVII веках. В 1841 году в США был запатентован способ получения крахмала из кукурузы, что положило начало массовому производству. В России крахмальное производство активно развивалось с XIX века: основным сырьём служил картофель, который давал крахмал высокого качества.

Классификация и виды

Крахмал классифицируют по нескольким признакам: по происхождению, степени очистки, модификации.

По происхождению

• Картофельный крахмал — традиционный для России и Европы вид. Обладает высокой вязкостью клейстера, прозрачностью, нейтральным вкусом. Используется в пищевой промышленности (кисели, соусы, кондитерские изделия), в текстильной и бумажной отраслях.
• Кукурузный крахмал — самый распространённый в мире. Клейстер менее вязкий, мутный, с характерным привкусом. Применяется в хлебопечении, производстве крахмалопатоки, глюкозы, в качестве загустителя в соусах и супах.
• Пшеничный крахмал — получают из пшеничной муки. Обладает высокой стабильностью клейстера, используется в хлебобулочной и кондитерской промышленности, а также для технических целей.
• Рисовый крахмал — мелкозернистый, с низкой температурой клейстеризации. Применяется в производстве детского питания, пудингов, в косметике (тальк, пудра).
• Тапиоковый (маниоковый) крахмал — получают из корней маниоки. Клейстер прозрачный, эластичный, устойчивый к замораживанию. Широко используется в Азии и Латинской Америке для приготовления десертов, соусов, а также как загуститель.
• Сорговый, ячменный, овсяный крахмалы — менее распространены, имеют специфические свойства, применяются в регионах произрастания этих культур.

По степени очистки

• Крахмал сырец — неочищенный продукт, содержащий примеси (белки, клетчатку, минеральные вещества). Используется для технических целей.
• Очищенный крахмал — стандартный продукт, прошедший мойку, сепарирование, сушку. Применяется в пищевой промышленности.
• Высокоочищенный крахмал — дополнительно обработанный для удаления остаточных белков и жиров. Используется в фармацевтике и производстве глюкозы.

Модифицированные крахмалы

Модифицированные крахмалы — это крахмалы, свойства которых изменены физической, химической или ферментативной обработкой для придания им заданных характеристик. Они широко применяются в пищевой промышленности как загустители, стабилизаторы, эмульгаторы. Примеры:

• Этерифицированные крахмалы — обработаны кислотами или щелочами, имеют пониженную вязкость, лучше растворяются в холодной воде.
• Сшитые крахмалы — обработаны сшивающими агентами (например, фосфорной кислотой), устойчивы к нагреванию, кислотам и механическому воздействию.
• Окисленные крахмалы — обработаны окислителями, имеют пониженную вязкость, используются в бумажной и текстильной промышленности.
• Декстрины — продукты термического или кислотного гидролиза крахмала, растворимы в воде, применяются как клеи, загустители, в производстве клеевых составов.

Получение

Технология получения крахмала включает несколько этапов:

1. Подготовка сырья — мойка, очистка от примесей, измельчение.
2. Извлечение крахмала — для картофеля и корнеплодов: измельчение в кашицу, промывка водой на ситах для отделения крахмальных зёрен от мезги. Для зерновых: замачивание, дробление, отделение зародыша и оболочек, последующая промывка.
3. Очистка крахмального молока — сепарирование, центрифугирование для удаления мелких примесей и белков.
4. Сушка — обезвоживание на вакуум-фильтрах или центрифугах, затем сушка горячим воздухом до влажности 12–20 %.
5. Измельчение и просеивание — получение однородного порошка.

Применение

Пищевая промышленность

Крахмал является важным ингредиентом в производстве:

• Кондитерских изделий — как загуститель в начинках, кремах, мармеладе, пастиле.
• Хлебобулочных изделий — для улучшения структуры, увеличения срока хранения.
• Соусов, кетчупов, майонезов — как загуститель и стабилизатор эмульсии.
• Молочных продуктов — йогуртов, творожных масс, пудингов.
• Мясных и колбасных изделий — для связывания влаги, улучшения консистенции.
• Детского питания — как источник углеводов и загуститель.
• Напитков — в производстве пива, кваса, безалкогольных напитков (в виде патоки).

Техническое применение

• Бумажная промышленность — крахмал используется для проклейки бумаги, повышения её прочности, улучшения печатных свойств.
• Текстильная промышленность — для шлихтования (проклейки) нитей, придания им гладкости и прочности.
• Клеевая промышленность — производство декстриновых клеев, обойных клеев.
• Фармацевтика — как наполнитель для таблеток, связующее вещество, загуститель в мазях и пастах.
• Косметика — в составе пудр, теней, масок для лица, шампуней.
• Нефтегазовая промышленность — в буровых растворах для регулирования вязкости.
• Производство биоразлагаемых полимеров — крахмал используется как основа для создания экологически чистых пластиков (полилактид, крахмал-полимерные композиты).

Биотехнология

Крахмал является сырьём для получения:

• Глюкозы — путём ферментативного гидролиза.
• Патока — смесь глюкозы, мальтозы и декстринов, используется в кондитерской промышленности и производстве напитков.
• Этанола — путём сбраживания гидролизатов крахмала.
• Лимонной, молочной, глюконовой кислот — путём микробиологического синтеза.

Физиологическое значение

Крахмал является основным источником углеводов в рационе человека. В желудочно-кишечном тракте под действием амилаз слюны и поджелудочной железы он расщепляется до глюкозы, которая всасывается в кровь и используется как источник энергии. Суточная норма потребления крахмала для взрослого человека составляет около 300–400 г (в зависимости от энергозатрат).

Избыточное потребление крахмала может приводить к ожирению, нарушению углеводного обмена, повышению риска сахарного диабета 2-го типа. Однако крахмал, содержащийся в цельных зёрнах, бобовых и овощах, усваивается медленнее и оказывает менее выраженное влияние на уровень сахара в крови, чем рафинированный крахмал.

Интересные факты

• Крахмальные зёрна разных растений имеют характерную форму и размер, что позволяет идентифицировать вид растения под микроскопом (например, картофельный крахмал — крупные овальные зёрна, рисовый — мелкие многогранные).
• В 2014 году учёные из Университета Осаки (Япония) создали «крахмальный» пластик, который разлагается в почве за 6 месяцев.
• В России ежегодно производится около 300–400 тысяч тонн крахмала, из которых около 70 % — картофельный и кукурузный.

Источники

1. Химия пищи. Учебник для вузов / под ред. А. П. Нечаева. — М.: Колос, 2007.
2. Технология крахмала и крахмалопродуктов / под ред. В. И. Крылова. — М.: Пищевая промышленность, 1980.
3. Большая российская энциклопедия. Том 15. — М.: БРЭ, 2010.
4. ГОСТ 7699-78 «Крахмал картофельный. Технические условия».
5. ГОСТ 32159-2013 «Крахмал кукурузный. Технические условия».