نشاسته اصلاح شده

نشاسته یک پلی‌ساکارید پیچیده و کربوهیدرات طبیعی زیست تخریب پذیر است که به عنوان  منبع غذایی ذخیره در گیاهان عمل می کند.نشاسته از دو جزء اصلی به نام‌های آمیلوز(محلول در آب)  و آمیلوپکتین (نامحلول در آب)تشکیل شده است. آمیلوز دارای ساختار خطی و بدون شاخه است، در حالی که آمیلوپکتین یک ساختار شاخه‌دار و پیچیده دارد. این ساختارهای متفاوت باعث می‌شوند نشاسته ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی داشته باشد. به طور کلی، نشاسته نامحلول در آب سرد است اما با حرارت دادن در آب، ژلاتینه می‌شود و یک محلول غلیظ و چسبناک تشکیل می‌دهد که این ویژگی‌ها نشاسته را به یک ماده مهم در صنایع غذایی و غیر غذایی تبدیل کرده است. 

ویژگی های نشاسته به ترکیب مولکولی و ساختاری آمیلوز و آمیلوپکتین، درصد ترکیب آن ها و آرایش این دو همو پلی ساکارید در دانه های نشاسته بستگی دارد ولی به طور کلی از ویژگی های آن میتوان به موارد زیر اشاره کرد.

• قدرت تورم بالا

• کاهش ظرفیت جذب آب 

• ایجاد ویسکوزیته بالا

• امولسیفایر 

• توانایی تشکیل ژل 

به طور کلی نشاسته به 2 صورت نشاسته خام و یا نشاسته اصلاح شده وجود دارد.

نشاسته های خام کربوهیدرات هایی با زنجیره بلند هستند که اشکال خالص نشاسته هستند که در منابع گیاهی مانند ذرت، برنج، گندم، سیب زمینی، کاساوا و تاپیوکا وجود دارد. در این گروه، نشاسته از هیچ اصلاح فیزیکی، شیمیایی و یا آنزیمی استفاده نشده است. علیرغم استفاده از آن در صنایع غذایی برای چندین دهه، کاربرد صنعتی آن به دلیل خواص ذاتی آن، مانند مقاومت در برابر دمای بالا یا اسید و پایداری حرارتی ضعیف، محدود است. نشاسته‌های خام دارای خواص فوق‌العاده‌ای مانند غلیظ‌ کنندگی، بافت‌دهندگی، ژل‌کنندگی، حفظ رطوبت، خاصیت ضد بیاتی، تثبیت‌کننده، تشکیل فیلم و.. هستند.

در نشاسته اصلاح شده خواص فیزیکوشیمیایی و عملکردی نشاسته خام با هر تیمار دیگری مانند فیزیکی، شیمیایی، آنزیمی یا ترکیبی از اینها به منظور بهبود ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی، عملکردی و کیفیت‌ تغذیه‌ای،  تقویت، تغییر یا اصلاح شده است. به همین دلیل، تغییراتی در خواصی مانند دمای ژلاتینه شدن، ویسکوزیته، رتروگریداسیون (یک واکنش در نشاسته ژلاتینه شده که زمانی رخ می دهد که زنجیره های آمیلوز و آمیلوپکتین مجدداً قرار گیرند)، شفافیت ژل، بافت و طعم نشاسته خام ایجاد می شود.

به طور کلی سه نوع روش اصلاح وجود دارد:

1. اصلاح فیزیکی

2. اصلاح شیمیایی

3. اصلاح آنزیمی

اصلاح فیزیکی

عواملی فیزیکی مانند رطوبت، دما، فشار، تغییر pH، تابش اشعه و امواج فراصوت بر ویژگی‌های عملکردی، مورفولوژیکی، فیزیکی و ساختاری نشاسته از جمله حلالیت، تبلور، قدرت تورم، ویسکوزیته و پایداری حرارتی آن تأثیر می‌گذارد. این عوامل می‌توانند باعث تورم و حلالیت نشاسته در آب سرد شوند.روش‌های رایج اصلاح نشاسته عبارتند از: گرما دهی شدید، تابش اشعه ماوراء بنفش و گاما، امواج مایکروویو، فشار بالا، فشار اسمزی، فعال‌سازی مکانیکی ، میدان الکتریکی پالسی، انجماد و ذوب مجدد.

کاربردهای اصلاح فیزیکی نشاسته

اصلاح فیزیکی نشاسته به تولید نشاسته اصلاح شده و نشاسته هیدرولیز شده کمک می کند. این فرآیند باعث می شود نشاسته دارای خواصی مانند:

• عامل غلیظ کننده و اتصال دهنده: نشاسته اصلاح شده با تغییر ویژگی های ژلاتینه شدن به عنوان یک غلیظ کننده و اتصال دهنده عمل می کند. این امر در صنایع غذایی برای بهبود بافت و قوام محصولات مختلف کاربرد دارد.

• کمک به کنترل رطوبت: برخی از انواع اصلاح فیزیکی نشاسته می توانند رطوبت را جذب و نگه دارند. این خاصیت در محصولاتی مانند سس سالاد و تاپینگ ها مفید است زیرا به حفظ تازگی و کیفیت آنها کمک می کند.

• شربت ها: نشاسته اصلاح شده با داشتن ویژگی های خاص می تواند به غلیظ شدن شربت ها کمک کند و بافت مطلوبی به آنها بدهد.

• ماست: از نشاسته اصلاح شده می توان برای بهبود بافت و قوام ماست استفاده کرد.

اصلاح شیمیایی

در کنار اصلاح فیزیکی، روشی دیگر برای تغییر خواص نشاسته، اصلاح شیمیایی آن است. این روش با افزودن گروه‌های شیمیایی یا عملکردی جدید به مولکول نشاسته، بدون تغییر شکل و اندازه گرانول‌های نشاسته (ذخایر نشاسته در گیاهان به شکل گرانول هستند) صورت می‌گیرد.

هر واحد آنهیدروز گلوکز (AGU) در نشاسته، دارای سه گروه هیدروکسیل متصل به اتم‌های کربن در موقعیت‌های ۲، ۳ و ۶ است. این آرایش، امکان تغییر آسان نشاسته را از طریق واکنش شیمیایی با گروه‌های عملکردی مختلف فراهم می‌کند.

اصلاح شیمیایی نشاسته شامل موارد زیر است:

• استری شدن: این روش‌ها باعث تغییر در حلالیت، ویسکوزیته و پایداری نشاسته می‌شوند.

• امولسیفیکاسیون: این فرآیند باعث بهبود پایداری امولسیون‌ها ( مخلوط‌های غیر قابل حل ) در مواد غذایی می‌شود.

• کاتیونیزاسیون: با ایجاد بار مثبت روی مولکول نشاسته، خاصیت جذب آب و برهمکنش با سایر مواد افزایش می‌یابد.

• اکسیداسیون: این روش باعث تغییر در خواص ژلاتینه شدن (فرآیند غلیظ شدن نشاسته با حرارت) و افزایش مقاومت نشاسته در برابر تجزیه می‌شود.

• اسیدی کردن: این روش باعث شکستن برخی پیوندهای نشاسته و تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی آن می‌شود.

• پیوند عرضی: این فرآیند باعث ایجاد پیوندهای جدید بین مولکول‌های نشاسته شده و مقاومت حرارتی نشاسته را افزایش می‌دهد.

روش‌های متداول شیمیایی برای اصلاح نشاسته شامل استفاده از اسیدها و استات‌ها، هیپوکلریت‌ها و فسفات‌ها است. رایج‌ترین انواع نشاسته اصلاح شده شیمیایی در صنایع غذایی، نشاسته با پیوند عرضی است.

این اصلاحات باعث گسترش قابل توجه کاربردهای بالقوه نشاسته از جمله کاهش دمای ژلاتینه شدن، کاهش بیاتی و افزایش پایداری در حین ذخیره سازی به صورت منجمد در صنایع غذایی می‌شوند. با این حال، روش‌های شیمیایی می‌توانند برای محیط زیست مضر باشند و نیازمند بازیافت هستند. به همین دلیل، روش‌های آنزیمی برای اصلاح نشاسته، به دلیل سازگاری بیشتر با محیط زیست، ترجیح داده می‌شوند.

کاربردهای اصلاح شیمیایی نشاسته

صنایع دارویی، آرایشی، روکش و پوشش دهی، و استخراج روغن:

• در این صنایع از نشاسته اصلاح شده به عنوان حامل دارو برای انتقال دارو به بدن استفاده می شود.

• همچنین، در بسته بندی زیست تخریب پذیر (بسته بندی سبز) و فیلم های خوراکی کاربرد دارد.

صنایع غذایی:

• در صنایع غذایی، نشاسته اصلاح شده به عنوان غلیظ کننده و تثبیت کننده عمل می کند. برای مثال، هیدروکسی پروپیل نشاسته و نشاسته اسیدی از انواع رایج نشاسته اصلاح شده در این زمینه هستند.

• در کاغذسازی نیز از نشاسته اصلاح شده استفاده می شود.

جایگزین چربی:

• نشاسته اصلاح شده می تواند به عنوان جایگزین چربی در محصولاتی مانند بستنی، سس سالاد، پنیر، محصولات پخته شده، رویه کیک و شیرینی، و سس مایونز عمل کند. این امر باعث کاهش جذب روغن توسط غذا و در نتیجه، کاهش کالری می شود.

بهبود ویژگی های خمیر:

• برخی از انواع نشاسته اصلاح شده می توانند ویژگی های خمیر را در نان پزی بهبود بخشند.

جایگزین پکتین:

• در کنسرو غذا، محصولات پخته شده و منجمد، سس ها، سس گوجه فرنگی، مربا و ژله می توان از نشاسته اصلاح شده به عنوان جایگزین پکتین استفاده کرد.

اصلاح آنزیمی

اصلاح آنزیمی نشاسته، روشی مستقیم برای تغییر ساختار نشاسته است. این روش منجر به تغییراتی در اندازه و وزن مولکولی، نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین و توزیع طول شاخه‌های زنجیره نشاسته می‌شود.

در این روش، با کمک آنزیم‌ها و کاهش انرژی فعال سازی (انرژی مورد نیاز برای شروع واکنش)، زنجیره‌های پیچیده نشاسته تحت واکنشی ملایم به قندهای ساده مانند مالتوز تبدیل می‌شوند. این فرآیند هیدرولیز آنزیمی نشاسته یا "آنزیمولیز" نامیده می‌شود.

مزایای کلیدی اصلاح آنزیمی نشاسته عبارتند از:

• بازیابی و استفاده مجدد از آنزیم: برخلاف روش‌های شیمیایی، آنزیم‌ها قابل بازیابی و استفاده مجدد هستند که باعث کاهش هزینه‌ها می‌شود.

• جایگزین روش‌های فیزیکی و شیمیایی: اصلاح آنزیمی روشی نوین و کارآمد برای تولید نشاسته اصلاح‌شده متخلخل است و جایگزین روش‌های فیزیکی و شیمیایی قدیمی‌تر شده است.

• ایمن برای محیط زیست و مصرف کنندگان: اصلاح آنزیمی نشاسته روشی ایمن برای محیط زیست و بی ضرر برای مصرف کنندگان مواد غذایی است.

آنزیم‌های اصلاح‌کننده نشاسته به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

۱. هیدرولازهای گلیکوزیدی (Glycoside hydrolases):

این آنزیم‌ها همچنین به نام‌ها گلیکوزیدازها نیز شناخته می‌شوند. هیدرولازهای گلیکوزیدی، شکستن پیوندهای گلیکوزیدی در مولکول‌های گلیکوزید را کاتالیز می‌کنند. این شکستن منجر به تشکیل نیم استال قند (گلوکز) یا همی‌استال و آگلیکون آزاد می‌شود.

برخی از مهم‌ترین هیدرولازهای گلیکوزیدی اصلاح‌کننده نشاسته عبارتند از:

• آلفا-آمیلاز: این آنزیم پیوندهای آلفا-۱،۴-گلیکوزیدی نشاسته را هیدرولیز کرده و الیگوساکارید تولید می‌کند.

• بتا-آمیلاز: این آنزیم پیوندهای آلفا-۱،۴-گلیکوزیدی را در نشاسته و گلیکوژن هیدرولیز می‌کند.

• آنزیم شاخه‌دار شدن (Glucan transferase): این آنزیم باعث شاخه‌دار شدن زنجیره‌های نشاسته می‌شود.

• آنزیم‌های غیرشاخه‌دار کننده (Pullulanase, isoamylase): این آنزیم‌ها باعث شکستن شاخه‌های زنجیره نشاسته می‌شوند.

• سیکلودکسترین گلیکوزیل ترانسفراز (Cyclodextrin glycosyltransferase): این آنزیم مولکول‌های حلقوی‌شکل خاصی از نشاسته به نام سیکلودکسترین را تولید می‌کند.

• آمیلومالتاز (Amylomaltase) و ۴-آلفا-گلوکانوتراسفراز (4-α-glucanotransferase): این آنزیم‌ها در بازآرایی زنجیره‌های نشاسته نقش دارند.

۲. ترانس‌گلیکوزیلازها (Transglycosylases):

این آنزیم‌ها انتقال یک گلیکوزید را به گلیکوزید دیگر کاتالیز می‌کنند.

منابع آنزیم‌های اصلاح‌کننده نشاسته:

بیشتر این آنزیم‌ها از میکروارگانیسم‌ها جدا می‌شوند. برخی از این میکروارگانیسم‌ها عبارتند از:

• ترموس ترموفیلوس (Thermus thermophilus

• باسیلوس استئاروترموفیل (Bacillus stearothermophils)

• باسیلوس اسیدوپولوتیلیکوس (Bacillus acidopullulyticus)

• آسپرژیلوس نیجر (Aspergillus niger)

• باسیلوس سوبتیلیس (Bacillus subtilis)

• باسیلوس آلکالوفیل (Alkalophilic Bacillus)

مقایسه این 3 روش به اختصار در جدول زیر آمده است:

نتیجه گیری 

نشاسته‌های اصلاح شده، به دلیل تنوع در روش‌های اصلاح و کاربردهای گسترده، نقش بسیار مهمی در صنایع غذایی دارند. این نشاسته‌ها از طریق روش‌های آنزیمی، شیمیایی و فیزیکی بهبود یافته و ویژگی‌های منحصر به فردی کسب می‌کنند که آن‌ها را برای کاربردهای خاص مناسب‌تر می‌سازد.

مزایای اصلی استفاده از نشاسته‌های اصلاح شده شامل بهبود بافت، پایداری حرارتی، و قابلیت حفظ رطوبت در محصولات غذایی است. این ویژگی‌ها باعث افزایش کیفیت محصولات، افزایش ماندگاری و ایجاد تجربه مصرف بهتر برای مشتریان می‌شود. همچنین، نشاسته‌های اصلاح شده می‌توانند به عنوان جایگزین‌های مناسبی برای چربی‌ها و مواد افزودنی مصنوعی، در محصولات غذایی سالم‌تر و کم‌کالری‌تر استفاده شوند.

با این حال، چالش‌هایی نیز وجود دارد. استفاده از مواد شیمیایی در فرایند اصلاح، می‌تواند نگرانی‌هایی در مورد سلامت و ایمنی محصولات ایجاد کند. علاوه بر این، هزینه‌های بالاتر تولید و پیچیدگی‌های مرتبط با فرایندهای اصلاح نیز می‌تواند محدودیت‌هایی برای تولیدکنندگان ایجاد کند.

در نتیجه، استفاده از نشاسته‌های اصلاح شده در صنایع غذایی، با توجه به مزایا و معایب آن‌ها، نیازمند یک رویکرد متعادل و دقیق است. تولیدکنندگان باید با دقت به انتخاب روش‌های اصلاح مناسب بپردازند و همواره به ایمنی و کیفیت نهایی محصولات توجه داشته باشند. با تحقیقات و نوآوری‌های مستمر، می‌توان چالش‌های موجود را کاهش داد و از پتانسیل‌های کامل نشاسته‌های اصلاح شده بهره‌مند شد.

آنالیز نشاسته اصلاح شده