Otrzymywanie i badanie właściwości fizykochemicznych hydrolizatów skrobi. 20.05.2016 r.

Hydroliza skrobi

Hydroliza (konwersja lub scukrzenie) skrobi polega na rozłożeniu wielocząsteczkowego polimeru na monomery, z których jest zbudowana skrobia, w końcowym efekcie na glukozę. Wynik hydrolizy zależy od stężenia mleczka skrobiowego, temperatury i czasu hydrolizy oraz użytego katalizatora (kwas lub enzym) i jego stężenia.

Miarą stopnia scukrzenia jest tzw. równoważnik glukozowy, oznaczany symbolem DE – jest to procentowa zawartość substancji redukujących wyrażonych, jako glukoza w rzeczywistej s.s. hydrolizatu.

Hydroliza skrobi z udziałem kwasu

Skrobia w postaci zawiesiny wodnej (mleczko skrobiowe), ogrzewana z kwasem ulega hydrolizie, przechodząc stopniowo od mieszaniny wielkich cząsteczek polisacharydowych do maltozy i glukozy. Reakcja hydrolizy skrobi polega na rozerwaniu wiązań glikozydowych, łączących ze sobą elementy glukozowe w wielkocząsteczkowych polisacharydach stanowiących skrobię.

Rozkład skrobi następuje pod wpływem HCl (rzadziej siarkowy czy fosforowy). Rozkład wiązań glikozydowych następuje przy równoczesnym przyłączeniu po jednej cząsteczce wody na każde hydrolizowane wiązanie. Proces ten przebiega stopniowo, glukoza nie tworzy się od razu z całego łańcucha. Najpierw rozpad wiązań wodorowych pomiędzy hydroksylami w łańcuchu skrobiowym oraz nieznaczna depolimeryzacja cząsteczki skrobiowej. Odbywa się przejście w stan rozpuszczalny, co charakteryzuje się znacznym obniżeniem lepkości roztworu. Kolejno następuje rozbicie cząsteczek skrobi rozpuszczalnej, połączone z utworzeniem wielu krótszych łańcuchów. Proces hydrolizy zachodzi coraz szybciej. Tworzą się dekstryny i oligosacharydy, o coraz mniejszym stopniu polimeryzacji, które stopniowo zmniejszają się w miarę przedłużania czasu procesu hydrolizy. Z wielocukrów tych ostatecznie poprzez hydrolizę powstaje glukoza, jako końcowy etap procesu.

Jedną z ubocznych reakcji hydrolizy jest reakcja rewersji cząsteczek glukozy. Polega na ponownym łączeniu się utworzonych cząsteczek cukrów prostych i powstaniu cukrów złożonych (izomaltoza, panoza).

Również w tych warunkach następuje nieodwracalny proces rozkładu powstałej glukozy z utworzeniem związku zwanego hydroksymetylofurfuralem, jak również produktów, jako polimeryzacji oraz kwasu mrówkowego i lewulinowego (w temp. powyżej 130°C, niskim pH poniżej 2 i pod koniec hydrolizy, gdy w hydrolizacie obecna jest znaczna ilość glukozy).

Ogólny schemat przemian skrobi zachodzących podczas jej hydrolizy

Mamy do czynienia z jeszcze jedną niekorzystną reakcją – Maillarda, która polega na kondensacji grupy aldehydowej cukrów z grupą aminową aminokwasów. Produktem tej reakcji są ciemno zabarwione związki – melanoidyn, które wywołują brunatne zabarwienie hydrolizatów.

Mleczko skrobiowe zakwasza się HCl (pH 1-2). Ogrzewa się je do temp. powyżej 100°C i po uzyskaniu odpowiedniego stopnia zaawansowania reakcji hydrolizy, czyli właściwego stopnia scukrzenia skrobi, reakcje hydrolizy zatrzymuje się poprzez ochłodzenie hydrolizatu. Hydrolizat ulega zobojętnieniu sodą i zostaje poddany rafinacji oraz zagęszczaniu na syrop. Rafinacja polega na filtracji roztworu przez warstwę węgla aktywnego z dodatkiem innych absorbentów celem usunięcia z roztworu zanieczyszczeń.

Użytkowymi produktami hydrolizy skrobi są: syropy skrobiowe, różne skrobie modyfikowane oraz ostateczny produkt hydrolizy – glukoza.

Intensywność i stopień zaawansowania w czasie procesu hydrolizy zależą od:

• stężenia mleczka skrobiowego

• stopnia zakwaszenia mleczka

• temperatury i czasu trwania procesu.

W celu otrzymania syropów skrobiowych dla cukrownictwa lub innych technologii spożywczych, mleczko skrobiowe o maksymalnie możliwym stężeniu (ok. 36%) zakwasza się do pH 2 i hydrolizuje się w temp. 130°C. Proces hydrolizy skrobi prowadzący do otrzymania syropu trwa stosunkowo krótko.

W celu prowadzenia procesu dla otrzymania glukozy, proces hydrolizy skrobi prowadzi się wychodząc z mleczka mniej stężonego niż przy produkcji syropu natomiast bardziej zakwaszonego. Proces hydrolizy skrobi do uzyskania glukozy prowadzi się przez dłuższy czas w temp. ok. 140°C, aż do uzyskania maksymalnego stopnia scukrzenia.

Enzymatyczna hydroliza skrobi

Hydrolizą enzymatyczną jest depolimeryzacja cząsteczki skrobi przy udziale wody w obecności katalizatora (enzym).

Katalizatorami rozkładu skrobi są hydrolazy glikozydowe. Ich działanie zależy od wielkości ziaren skrobi, stosunku amylozy do amylopektyny, stopnia skleikowania skrobi, interakcji skrobia – białko, obecności kompleksów amylozo – lipidowych i zawartości skrobi retrogradującej.

Zalety enzymatycznej hydrolizy skrobi w stosunku do konwersji kwasowej:

• znacznie łagodniejsze warunki technologiczne procesu,

• wyższa czystość hydrolizatów, mniejsze zabarwienie,

• mniejsza zawartość soli powstających podczas neutralizacji hydrolizatów,

• hydrolizaty wykazują wyższy stopień scukrzenia skrobi,

• wyższa wydajność glukozy,

• enzymatyczna hydroliza nie wymaga stosowania drogich urządzeń kwasoodpornych.

Najwyższą podatność na działanie enzymów wykazuje skrobia kukurydziana, następnie ziemniaczana, sorgo, ryżowa, pszenna, tapiokowa i z kukurydzy woskowej.

I faza hydrolizy (dekstrynowania, upłynniania) z udziałem α – amylazy przebiega z dużą szybkością. Tworzą się niskocząsteczkowe dekstryny.

II faza hydrolizy – proces scukrzania. Działająca scukrzająco glukoamylaza rozkłada po kolei następujące po sobie w łańcuchu skrobi wiązania zaczynając od końca nieredukującego w powstałych wcześniej, w etapie upłynniania, dekstrynach i oligosacharydach. Wynikiem jej działania są cząsteczki glukozy oraz niewielka ilość maltozy.

Produkty hydrolizy skrobi otrzymane z udziałem różnych enzymów

Kontrola przebiegu hydrolizy skrobi

W wyniku rozerwania wiązania glikozydowego w łańcuchu cząsteczki polisacharydu uwalnia się zawsze jedna grupa półacetalowa zdolna do przekształcania się w ugrupowanie aldehydowe o zdolnościach redukujących. W praktyce, więc proces hydrolizy skrobi skutkuje rozpadem cząsteczek polisacharydów nagromadzeniem cukrów o zdolnościach redukujących. A zatem przyrost zawartości substancji redukujących podczas procesu hydrolizy może być miara zaawansowania reakcji hydrolizy skrobi, czyli jej scukrzenia.

Zdolność redukującą roztworu można zmierzyć jedną z kilku metod chemicznych opartych o redukcję soli miedziowych lub innych substancji. Wynik wyraża się w % zawartości cukrów redukujących przeliczonych na s.s. próbki bezpośrednio na jej masę.

W przypadku hydrolizy skrobi, której wynikiem ostatecznym jest glukoza, zdolność redukującą roztworu wyraża się w postaci DE.

Procedura wykonania tego oznaczenia jest długotrwała i proces hydrolizy ulega dalszemu przetworzeniu.

Możliwość zbadania zaawansowania reakcji hydrolizy skrobi jest możliwa dzięki jodowemu testowi barwnemu opartemu na tworzeniu fizykochemicznych kompleksów barwnych skrobi z jodem.

Skrobia tworzy fizyczny kompleks barwny polegający na tym, że dwuatomowe cząsteczki jodu, wchodzą do wnętrza długich spiralnych łańcuchów amylozy i zostaje w niej unieruchomiona. Powstaje w ten sposób układ uporządkowany, zdolny do selektywnej absorpcji światła.

Kompleksy barwne z jodem muszą, zatem być dobrym testem do szybkiego określania stopnia degradacji cząsteczek skrobi, czyli do śledzenia postępów procesu hydrolizy.