Otrzymywanie oraz charakterystyka fizykochemiczna skrobi różnego pochodzenia. 13.05.2016 r.
Struktura cząsteczkowa skrobi
Skrobia jest polisacharydem (glukanem) zbudowanym z elementów glukozowych i jest wytworem roślinnym. Polisacharydy skrobiowe mogą być zgrupowane w dwóch zasadniczych frakcjach: glukany o cząsteczkach łańcuchowych, nierozgałęzionych – amyloza, glukany o cząsteczkach przestrzennie rozgałęzionych – amylopektyna.
Amyloza – łańcuchy amylozy różniące się długością zbudowane są z elementów glukozowych powiązanych ze sobą wiązaniami glikozydowymi α-1,4. Amyloza jest substancją czysto węglowodanową bez domieszek innych atomów poza C, O, H.
Amylopektyna składa się z bardzo wielu krótkich łańcuchów utworzonych przez połączenie elementów glukozowych wiązaniami α – 1,4 – glikozydowymi, w miejscach licznych przestrzennie ułożonych rozgałęzień łańcuchy te są połączone wiązaniami α – 1,6 – glikozydowymi. W amylopektynie znajduje się niewielka zawartość chemicznie związanych substancji mineralnych występujących, jako fosforany potasu, sodu, wapnia, magnezu, lub jako związany, lecz niezobojętniony kwas fosforowy. Wiązanie między amylopektyną, a anionem fosforanowym ma charakter wiązania estrowego utworzonego przez grupę hydroksylową reszty fosforanowej oraz grupę przy szóstym węglu średnio, co dwusetny element glukozowy. Amylopektyna, jako kwas amylofosforanowy jest anionem, zależnie od pH środowiska i obecności kationów, wysycanych (zobojętnianym) tworzącym różnorodne sole.
Średnia masa cząsteczkowa amylopektyny jest znacznie większa od masy cząsteczkowej amylozy.
Proporcje w zawartości amylozy i amylopektyny w skrobi są zróżnicowane i zależne od pochodzenie i warunków wzrostu. W większości skrobi zawartość amylozy wynosi 20 – 25%, a pozostałe 80 – 75% to amylopektyna.
Drugorzędowa struktura cząsteczek skrobi, tj. układ przestrzenny.
`Łańcuchy glukanowe amylozy (długie) i amylopektyny (krótkie) tworzą przestrzenne spirale. Wymiary tych spiral uwarunkowane są udziałem 6-8 reszt glukozowych w tworzeniu 1 uzwojenia tych spirali. Dzięki spiralnej strukturze łańcuchów skrobiowych możliwe jest zaistnienie szeregu zjawisk m.in. zdolności skrobi do tworzenia kompleksów z jodem.
Kompleksy fizyczne skrobi z jodem tworzą się w ten sposób, że dwuatomowe cząsteczki jodu wchodzą szeregiem do wnętrza spirali amylozy i amylopektyny i zostają w ich wnętrzu unieruchomione. W ten sposób tworzy się w kompleksie struktura uporządkowana, zdolna do selektywnej absorpcji światła. Wynikiem takiej selektywnej absorpcji światła jest powstanie barwy. Tak, więc z chwilą wytworzenia kompleksu amylozy z jodem powstaje barwa niebieska, a krótkie i przestrzenne usytuowanie spiralki amylopektyny tworzą kompleksy zabarwiające roztwór na czerwono. Wykorzystuje się to w praktyce analitycznej, gdzie skrobia służy, jako wskaźnik w jodometrii.
Tworzenie kompleksów fizycznych skrobi z jodem oraz samo istnienie struktury spiralnej glukanów skrobiowych zależy od temperatury. Spiralna struktura i barwa kompleksów ma miejsce wyłącznie w temperaturach bliskich temperaturze pokojowej.
W miarę podwyższania temperatury na skutek wzrostu energii intensyfikują się drgania atomów i całych cząsteczek, a przez to struktura spiralna ulega destrukcji i łańcuchy skrobiowe rozprostowują się, a przez to zanikają kompleksy barwne. Proces ten jest odwracalny.
Długie spirale amylozy pozbawione w swych cząsteczkach jonowych elementów nie są zdolne do tworzenia trwałych koloidów wodnych. Roztwory wodne amylozy w miarę upływu czasu ulegają tzw. starzeniu, które objawia się zmętnieniem wywołanych przez wytrącanie się cząsteczek amylozy z roztworu i tworzeniem zawiesiny z nierozpuszczalnych cząsteczek amylozy. Zjawisko to nazywa się retrogradacją i jest zjawiskiem częściowo odwracalnym. Przestrzenie rozbudowane i zdysocjowanie cząsteczki amylopektyny są znacznie lepiej uwodnione, a przez to tworzą trwałe koloidy wodne i nie podlegają zjawisku retrogradacji.
Struktura mikroskopowa skrobi
Skrobia jest syntetyzowana w procesie fotosyntezy w zielonych częściach roślin i gromadzona w specjalnych przechowalniach (np. ziarnach, bulwach, kłączach). Skrobia gromadząca się w roślinach występuje w postaci gałeczek (ziarenek) nierozpuszczalnych w zimnej wodzie.
Uporządkowane ułożenie cząsteczek w gałeczkach skrobiowych polega koncentrycznym ich ułożeniu od zewnętrznej powłoki do środki ziarna. Zagęszczenie masy skrobiowej w gałeczkach nie jest ciągłe, lecz stanowi sieć przestrzenną tworzącą liczne kanaliki dające w sumie struktury gąbczaste o zróżnicowanej porowatości. Większe ziarenka są zwykle bardziej porowate niż ziarenka małe.
Uporządkowana struktura ziarenek skrobiowych daje się rozpoznać dzięki obrazowy mikroskopowemu w świetle spolaryzowanym, gdzie podobnie jak w kryształach widoczne są specjalne efekty świetle w postaci charakterystycznych krzyży. Innym potwierdzeniem tej struktury ziaren są specyficzne układy widm rentgenowskich, charakterystyczne dla różnych skrobi.
W roślin wyższych występują dwa rodzaje skrobi:
skrobia asymilacyjna – syntetyzowana w ciągu dnia w chloroplastach. Gromadzi się w postaci agregatów drobnych ziarenek, w wydzielonych obszarach pomiędzy komórkami. Wymiary i rozmieszczenie skrobi asymilacyjnej jest cechą gatunkową.
skrobia zapasowa – gromadzona w wyspecjalizowanych w tym celu leukoplastach – tzw. amyloplastach.
Zmiana skrobi asymilacyjnej w zapasową odbywa się na drodze konwersji pierwszej do cukrów prostych, ich transportu międzykomórkowego i ponownej syntezie skrobi zapasowej wokół ośrodków skrobiowych – hillum.
Ziarenka skrobiowe mają wygląd zewnętrzny charakterystyczny dla źródła pochodzenia skrobi.
Skrobia ziemniaczana ma ziarenka bardzo zróżnicowane pod względem wielkości. Cechą dużych gałeczek skrobi ziemniaczanej jest to, że są one owalne, spłaszczone i mają na powierzchni wyraźnie widoczne uwarstwienie ekscentryczne, jak ‘pawie oko’.
Skrobia zbożowa (kukurydziana i pszenna) ich gałeczki mają rozmiary bardziej wyrównane i mają kształty zbliżone do kuli.
Skrobia ryżowa – charakteryzuje się małymi ziarenkami o kształtopodobnych kształtach.
Skrobia gryki – mają różnorodny kształt, od nieregularnego, wielokątnego do owsianego.
Skrobia w jęczmieniu występuje w dwóch frakcjach.
Ziarna skrobi w kasztanie jadalnym mają kształt owalnie wydłużony, nerkowaty. Liczne ziarna posiadają przewężenia i fantazyjne kształty butelki, maczugi, półksiężyca lub serca.
Ziarna skrobi banana mają kształt od owalnych do nieregularnych, w świetle spolaryzowanym widoczne są niecentryczne krzyże polaryzacyjne.
Ziarenka skrobiowe w wodzie podczas ogrzewania pęcznieją i po przekroczeniu określonej temperatury (50-80°C) rozpływają się (kleikują) tworząc bardzo lepki roztwór koloidalny, tzw. kleik albo krochmal. Wartość temperatury w momencie kleikowania jest cechą charakterystyczną skrobi.
Właściwości skrobi
biała barwa,
rozpuszczalność w zimnej wodzie równa 0,
w wodzie o temp. powyżej 60°C skrobia kleikuje dając lepki roztwory koloidalne, opalizujące,
pH ok. 6,5,
z roztworem jodu zabarwia się na kolor niebieski,
w stężonych roztworach soli metali ciężkich, rozpuszcza się dając roztwór rzeczywisty,
w ługach nawet w temp. pokojowej rozpuszcza się,
w środowisku kwaśnym ulega hydrolizie do oligosacharydów, w końcowych etapie gając glukozę,
pod wpływem enzymów amylolitycznych ulega etapowo rozkładowi, w wyniku działania α – amylazy powstają cząsteczki mniejsze od amylozy i amylopektyny, działając na te ostatnie produkty glukoamylazą otrzymuje się glukozę.
Zastosowanie skrobi
Skrobia może być przetwarzana na następujące produkty:
dekstryny – białe i żółte otrzymuje się ze skrobi poprzez prażenie w obecności katalizatorów lub bez. Stosowane są, jako kleje i klejonki w przemyśle włókienniczym, papierniczym, poligraficznym.
syrop skrobiowy – otrzymuje się na drodze ograniczonej hydrolizy skrobi z udziałem katalizatorów kwasowych lub enzymatycznych. Zastosowanie głównie w przemyśle cukierniczym, piekarniczym, ciastkarskim.
glukozę – otrzymuje się poprzez wyczerpującą hydrolizę enzymatyczną skrobi. Zastosowanie w gospodarstwie domowym, jako środek słodzący zastępujący sacharozę oraz w przemyśle farmaceutycznym i chemicznym.
skrobia modyfikowana – do najpopularniejszych produktów modyfikowanej skrobi należą pochodne uzyskane na drodze kontrolowanego utleniania podchlorynem. Preparaty te wykorzystywane są w przemyśle włókienniczym i spożywczym.