Для обработки зерновых с целью «раскрытия крахмала» на практике используются различные технологии.
Термическая обработка (например, инфракрасное облучение, обработка горячим воздухом) использует факторы температура и время, гидротермическая обработка (например, тостирование), дополнительно использует влагу. Комбинация гидротермических процессов (факторы температура, влага, время) и механической обработки (факторы давление и движение) являют собой процесс экструдации.
Глагол «экструдировать» происходит из итальянского языка и означает «выталкивать, выдавливать». Материал подается в канал экструдера в зависимости от устройства через один или два спиральных вала различной конфигурации и выдавливается через маленькие отверстия в конце канала. При этом в канале экструдера в зависимости от конструкции образуется высокое давление (возможно до 100 бар). Как только продукт покидает экструдер, происходит мгновенный разрыв материала. Под влиянием движения, давления, специфической температуры и эффекта взрыва структура материала сильно изменяется, и достигается характерное, визуально определяемое текстурирование.
Повышение температуры в процессе экструдации происходит следующим образом:
- Переход механической энергии из спиральных валов в изменение вязкости материала
- Перенос теплоты через пар или нагрев с помощью электрического оборудования снаружи экструзионного канала.
- Прямая подача пара к обрабатываемому материалу или в экструдер.
Выше описанным образом в процессе экструдации может возникать температура до 200°С, но при этом время действия на материал очень маленькое (несколько секунд). Такой экструзионный процесс обозначают сокращением HTST (high temperature, short time). Еще оно отличие – когда перед экструдацией происходит кондиционирование материала, когда оно обогащается содержащейся в паре влагой. При «влажной экструдации» с добавлением воды и пара через кондиционер (до 30% влаги в материале) после процесса экструдации обязательна сушка материала. Это очень энергозатратный, а значит и дорогой шаг процесса.
Процесс экструзии используется для улучшения питательной ценности различных кормовых компонентов для кормления сельскохозяйственных и домашних животных. Так, различные виды зерновых культур обрабатываются с целью «раскрытия» крахмала. Следующая область применения – значительное снижение расщепляемости протеина в рубце жвачных животных смеси из соевого и рапсового шрота (защищенный от расщепления в рубце протеин). Также экструдирование используют для инактивации уреазы в сырой сое, что позволяет полноценно и качественно заменить применяемый до этого процесс тостирования.
Крахмал и уровень «раскрытия» крахмала – химия и методика
Для понимания того, на что влияет «раскрытие» крахмала в зерне, необходимо вспомнить морфологию и химическую структуру крахмала.
Зерновые содержат в зависимости от вида от 40 до 60% крахмала. Чисто химически крахмал можно разделить на амилозу и амилопектин. Амилоза (около 20-30% крахмала из зерновых) состоит из 1,4-альфа-гликозидин связей молекул глюкозы, которые образуют длинные цепочки в форме винтов. Амилопектин (около 70-80% крахмала) – разветвленный полисахарид, в котором связны от 2.000 до 200.000 молекул глюкозы 1,4-1,6-альфа-гликозид. 1,6-соединения образуют ответвленные цепочки и таким образом происходит разветвление молекул. Соотношение амилозы к амилопектину, длина цепочек и степень разветвления глюкозных цепочек значительно влияют на технические свойства различных видов зерновых культур и перевариваемость крахмала в них.
Крахмал содержится в мучнистых телах зерновки в форме отдельных гранул длиной между 2 и 200 микрометров. Такие крахмальные гранулы очень хорошо распознаются в электронный микроскоп с 1000-м увеличением. На рисунке 1 представлена необработанная пшеница, на рисунке 3 – необработанный ячмень, на рисунке 5 – необработанная кукуруза.
Гранулы крахмала плотно удерживаются изнутри благодаря кислородным мостикам. Разветвленные цепочки молекул амилопектина могут образовывать в таких гранулах совместно с не разветвленными молекулами амилозы семикристаллические и кристаллические области. Эти твёрдые структуры являются водонерастворимыми и в природной, не измельченной форме достаточно устойчивы к расщеплению посредством энзимов. Благодаря интенсивной механической и гидротермической обработке зерна (обычный размол и экструдация) эти структуры модифицируются вплоть до молекулярной структуры, крахмал становится «раскрытым», расщепляемость крахмала увеличивается, что особенно важно для молодых животных с ограниченной активностью амилазы в тонком кишечнике. Главный эффект возникает благодаря значительному увеличению площади и распаду семикристаллических и кристаллических областей амилопектина и амилозы. Такие структурные изменения очень хорошо видны в микроскоп (рисунки 2, 4 и 6). Типичные гранулы крахмала в процессе обработки разрушаются и в большинстве превращаются в плоские, напоминающие разлившуюся пластмассу ареалы.
Метод определения степени «раскрытия» крахмала
Степень модификации крахмала зависит от оборудования и тех физических параметров, которым подвергается материал. Эта модификация может быть определена аналитически посредством так называемого амилоглюкозидазного метода (AMG-Methode) как «степень раскрытия крахмала». Исследуемый материал после нескольких подготовительных шагов обрабатывается энзимом амилоглюкозидаза. Этот энзим расщепляет молекулы крахмала до конца цепочки глюкозы. Количество полученной глюкозы измеряется после инкубационного периода 15 минут, и из нее рассчитывается содержание гидролизованного крахмала, а также отношение к сырому крахмалу.
Почему в этом методе используется энзим амилоглюкозидаза а не альфа-амилаза, которая присутствует в пищеварительном тракте, например, поросят? Альфа-амилаза по сравнению с амилоглюкозидазой разрушает цепочки на соединения из нескольких молекул, и это ведет к тому, что цепочки разрушаются на фрагменты из молекул. Янсен (1989) приводит доводы, что за счет механической обработки крахмала возникают такие же фрагменты и поэтому способ определения с альфа-амилазой или со смесью альфа-амилазы и амилоглюкозидазы не подходит. Эффекты от обработки и воздействия энзимов смешаются и на результаты исследования нельзя будет опираться. Метод амилоглюкозидазы многие годы считается более достоверным для определения степени модификации крахмала.
Для определяемых показателей и возможности сравнения степени модификации крахмала в зерновых при различных способах обработки решающими при этом методе являются длительность инкубации под воздействием энзима амилоглюкозидаза и температурные условия, при которых происходит инкубация.
Определение степени «раскрытия» крахмала по описываемому здесь методу происходит при длительности инкубации 15 минут и температуре 50°С. Эти параметры являются ключевыми для получения достоверных результатов. При этом, проводя интерпретацию результатов, важно знать, что по рекомендациям из лаборатории Lufa-Nord-West полученные показатели можно сравнивать между собой только между одинаковыми видами зерновых.
Автор: доктор Хайнрих Кляйне Клаусинг. Перевод Елены Бабенко
Источник: soft-agro.com
