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 tworzą żele. Skrobia sklei kowana może ulegać retrogradacji. Zjawisko to polega na wytworzeniu pomiędzy 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.
