Исследование морфологических свойств картофельного крахмала

ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 547.458.61

Д. Ш. Ягофаров, А. В. Канарский, Ю. Д. Сидоров

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРТОФЕЛЬНОГО КРАХМАЛА

Ключевые слова: Крахмал, гранулы, морфологические свойства, средние размеры.

Дана сравнительная оценка морфологических свойств крахмала полученного из сортового картофеля и его модифицированного (трансгенного) аналога. Методом рассеяния света и оптической микроскопии классифицированы гранулы крахмала по размерам и условной площади поверхности гранул. Установлено, что средний размер гранул крахмала, выделенного из генетически модифицированного картофеля, меньше чем гранулы крахмала, выделенного из контрольного картофеля.

Keywords: Starch, granules, morphological properties, mean values.

^mparative evaluation of the morphological properties of starch derived from profiled potato and it's modified (transgenic) analog have been shown. By light scattering and optical microscopic methods have been classified granule sizes of starch and reference surface area of the granules. It's established that mean values of granules, derived from modified potato, are smaller than granules , derived from control potato.

Актуальность

В растениях крахмал откладывается в виде гранул. Крахмальные гранулы разных растений отличаются по размерам, форме, строению [1, 2]. В частности, размер гранул картофельного крахмала может превышать 100 мкм, по форме они напоминают слегка вытянутые шарики. Гранулы кукурузного крахмала в несколько раз меньше в поперечнике — 10— 20 мкм и более плоские [3, 4, 5].

Морфологические свойства крахмальных гранул определяют устойчивость крахмальных суспензий, адсорбционные свойства крахмала, интенсивность набухаемости в воде, клейстеризации и декстринизации.

По сведениям некоторых авторов содержание амилозы в крахмале непосредственно зависит от размеров крахмальных гранул. Крахмал, содержащий более мелкую фракцию гранул, характеризуется повышенным содержанием амилозы, что в свою очередь связано с водопоглощением и температурой желатинизации. Молекулы амилозы, будучи линейными, располагаются так, что образуют между собой большее число водородных связей. Следовательно, требуется больше энергии для разрыва этих связей и желатинизации такого крахмала. Обычно, чем больше содержание амилозы, тем выше температура желатинизации. Мелкие гранулы крахмала более устойчивы к кислотному и ферментативному гидролизу [6, 7].

С увеличением размеров гранул крахмала при нагревании в воде начальная температура его клейстеризации и температура максимальной вязкости уменьшаются и максимальная вязкость клейстера возрастают [4].

Формы и размеры гранул имеют существенное значение при извлечении крахмала и установлении параметров разделяющих ситовых и осаждающих центрифугальных аппаратов. Известно, что в соответствии с законом Стокса, скорость седиментации гранул крахмала пропорциональна квадрату радиуса гранул и поэтому крахмал, обладающий большими по размерам гранулами , будет быстрей осаждаться из растворов и это имеет значение при его производстве . Мелкие и неправильной формы гранулы крахмала имеют большее

гидравлическое сопротивление и осаждаются медленнее, что требует при извлечении крахмала многократного ситования и значительного увеличения фактора разделения центрифуг [8, 9].

Следовательно, морфологические свойства крахмала важны при его получении и переработке и в технологии изготовления пищевых продуктов и изделий технического назначения.

Целью работы являлось исследование морфологических характеристик крахмала, полученного из картофеля сорта «Луговской» и его генетически модифицированного аналога. Критерием оценки морфологических характеристик крахмала взяты средний размер гранул крахмала и их условная поверхность.

Методическая часть

В работе исследовался крахмал, выделенный из картофеля сорта Луговской, генетически модифицированного и контрольного образцов осеннего урожая 2008 года [10, 11]. Крахмал выделялся принятыми в лабораторной практике методами [3, 4]. Для осуществления измерений размеров гранул, образцы крахмала предварительно были суспендированы в воде с концентрацией 0,04 - 0,05 %. Полученные суспензии использовались для измерений методами рассеяния света и оптической микроскопии. Температура при измерениях поддерживалась постоянной. Предварительными исследованиями показано, что при определении морфологических свойств крахмальных гранул оказывают влияние примеси (белки и примеси механического характера). У гистограммы, построенной по результатам измерений образцов загрязненного крахмала, имеется ветвь с левой и с правой частях. Эти ветви говорят о том, что в данной суспензии, кроме гранул крахмала, присутствуют более мелкие и крупные частицы - механические загрязнения (рис.1а). Примеси удалялись дополнительной промывкой крахмала на центрифуге Beckman Coulter Allegra Х-15К центрифугированием в течение 10 минут с фактором разделения 3000 x g. После очистки эти ветви исчезли, это доказывает гистограмма, полученная после очистки крахмала (рис.1б).

Рис. 1 - Гистограмма распределения гранул крахмала, полученного из картофеля Луговской трансгенный, по размерам: а - до очистки крахмала; б - после очистки крахмала *

*- метод оптического рассеяния света

Методом рассеяния света и микроскопическим методом определялся дисперсный состав гранул крахмала выделенного из генетически модифицированного картофеля [12, 13]. Оба эти метода достаточно объективны, метрологически и аппаратурно обеспечены и, соответственно, пригодны для оценки морфологических свойств в требуемом интервале размеров гранул крахмала.

При определении морфологических свойств крахмальных гранул методом рассеяния света использован прибор Light Scattering Coulter (LS 130), который включает в себя оптический модуль, жидкостной модуль с термостатом, в который помещался исследуемый образец, компьютер и принтер.

В оптическом модуле имеется линза Фурье, которая фокусирует свет, рассеянный образцом, на так называемую Фурье-плоскость, где наблюдается картина спектра плоских волн. На этой плоскости расположены фотодиоды, регистрирующие интенсивность рассеянного света. Сигналы с фотодиодов усиливаются и передаются в компьютер для построения индикатрисы рассеяния. По индикатрисе рассеяния рассчитываются среднеарифметический размер гранул крахмала, дисперсия, коэффициент вариации и медиана. Результаты расчетов выводятся в табличном виде и в форме гистограммы. Гистограммы показывают долю количества гранул определенного размера или долю их площади от общего количества измеренных гранул.

При изучении морфологических свойств крахмальных гранул применялся также оптический микроскоп Olympus BX-50. Это микроскоп бинокулярного типа для изучения объектов в проходящем свете, с возможностью кратности увеличения до 1000х. В нашем эксперименте кратность увеличения составляла 200х [13]. При использовании метода оптической микроскопии образец суспензии наносили на предметное стекло и помещали под объектив микроскопа [14, 15].

Изображение можно рассматривать через окуляры микроскопа. Параллельно, через встроенную камеру, изображение выводится на экран монитора компьютера. В компьютере установлена программа оценки изображений с построением гистограммы распределения. Из гистограммы определяется средний арифметический размер гранул, дисперсия и коэффициент вариации, численные значения которых выводятся на экран монитора.

Результаты и обсуждение

Наиболее характерные полученные результаты исследований представлены в виде гистограмм распределений гранул крахмала по размерам на рисунках 2, 3, 4 и 5 и в таблицах

1, 2, 3.

Как видно из представленных результатов исследований, среднеарифметический размер гранул крахмала, выделенного из контрольного картофеля, превышает среднеарифметический размер модифицированного аналога. Медиана, построенная только для доверительного интервала, является той величиной, выше и ниже которой находится равное количество гранул крахмала. Значение медианы практически совпадает с максимумом графика распределения гранул крахмала по размерам, но не совпадает с наиболее вероятным значением размеров гранул крахмала. Значения медианы и коэффициента асимметрии подчеркивают, что у крахмала, выделенного из генетически модифицированного картофеля, превалирует более мелкодисперсная фракция. Коэффициент асимметрии показывает, насколько гистограмма распределения гранул крахмала по размерам отличается от Гауссовской. Значения коэффициента эксцесса и вариации показывают, что гистограммы имеют остро выраженный максимум и крахмал, выделенный из генетически модифицированного картофеля, характеризуется большей степенью полидисперсности гранул крахмала.

В таблице 2 показана условная поверхность гранул крахмала определенных размеров в процентах от общей поверхности измеренных гранул.

Таблица 1 - Статистические данные размеров гранул крахмала, выделенного из контрольного и трансгенного картофеля (сорт Луговской)*

Статистика Луговской контроль Луговской трансгенный

Среднеарифметический размер гранул 44.11 35.51

крахмала, мкм

3 2 Средняя площадь, 10 • мкм 6.1 4

95 % доверительный интервал размеров гранул крахмала, мкм 19.3-101 15-84.1

Медиана, мкм 46.75 37.23

Отношение медианы к 0.944 0.954

среднеарифметическому размеру

Наиболее вероятное значение размеров гранул 51.13 42.62

крахмала, мкм

Среднее квадратическое отклонение, мкм 23.2 19.6

2 Дисперсия выборки, мкм 537 386

Коэффициент вариации, % 52.5 55.3

Коэффициент асимметрии -0.622 -0.101

Коэффициент эксцесса 0.102 -0.433

* Метод оптического рассеяния света.

Таблица 2 - Условная поверхность гранул крахмала данной фракции, отнесенная к общей поверхности измеренных гранул крахмала, выделенного из контрольного и трансгенного картофеля в зависимости от их размера *

Условная поверхность, % 4 10 20 30 36

Размер гранул крахмала, мкм контрольный 71.78 59.40 46.75 35.36 22.95

трансгенный 60.74 48.73 37.23 25.49 18.97

* Метод оптического рассеяния света.

Следует отметить, что 66 % условной поверхности определяется средним размером от 18-26 мкм гранул крахмала, выделенного из генетически модифицированного картофеля, и от 22-36 мкм гранул крахмала, выделенного из контрольного картофеля.

Рис. 2 - Гистограмма распределения гранул крахмала, выделенного из контрольного картофеля «Луговской», по размерам*

* Метод оптического рассеяния света.

Рис. 3 - Гистограмма распределения гранул крахмала, выделенного из трансгенного картофеля «Луговской», по размерам*

* Метод оптического рассеяния света.

В поляризованном свете под микроскопом гранулы крахмала выглядят как несколько искаженные сферокристаллы. Типичное лучепреломление может быть объяснено на основе кристаллической структуры, которой обладают гранулы крахмала [2, 3]. На рисунке 4 показаны фотографии гранул крахмала картофеля Луговской контроль и трансгенный соответственно в 2GG кратном увеличении.

Визуальная оценка гранул крахмала на фотографиях позволяет сделать вывод о том, что средний размер гранул крахмала, выделенного из контрольного картофеля, превышает средний размер гранул крахмала, выделенного из трансгенного аналога. Это подтверждается и гистограммами (рис.5) и статистическими данными (табл. 3), полученными с помощью оптической микроскопии.

контроль_______________________трансгенный

Рис. 4 - Фотографии гранул крахмала, выделенного из контрольного и трансгенного картофеля сорта Луговской

L

О 255 0 255

контроль трансгенный

Рис. 5 - Гистограммы распределения гранул крахмала, выделенного из контрольного и трансгенного картофеля «Луговской», по размерам*

* Метод оптического рассеяния света.

Таблица 3 - Статистические данные размеров гранул крахмала, выделенного из контрольного и трансгенного картофеля (сорт Луговской)*

Статистика Луговской контроль Луговской трансгенный

Среднеарифметический размер гранул крахмала, мкм 79.27 73.91

Общее количество измеренных гранул 3G72GG 3G72GG

Минимальный размер гранул, мкм 7 1

Максимальный размер гранул, мкм 2G9 1б2

Медиана, мкм 85 85

Наиболее вероятное значение размеров гранул крахмала, мкм 85 85

Среднее квадратическое отклонение, мкм 19.22 24.28

Коэффициент эксцесса 5.195 1.62G

* Метод оптического рассеяния света.

19В

При определении среднего размера гранул крахмала методом оптической микроскопии медиана не совпадает с максимумом графика распределения гранул крахмала по размерам. Однако, абсолютно совпадает с наиболее вероятным значением размеров гранул крахмала, что можно объяснить большим значением доверительного интервала измеряемых размеров гранул. Значения коэффициента эксцесса, как и при применении метода оптического рассеяния света, показывают, что гистограммы имеют остро выраженный максимум распределения размеров гранул крахмала и крахмал, выделенный из генетически модифицированного картофеля, характеризуется большей степенью полидисперсности гранул крахмала.

Следует отметить, что средний размер гранул крахмала, определенный методом оптической микроскопии, в 1.5 раза превышает размеры средних размеров гранул, полученных с помощью метода оптического рассеяния света. Это объясняется тем, что теория оптического рассеяния света Ми рассчитана на измерение размеров частиц шарообразной формы, а реальные формы гранул крахмала представляют из себя эллипсоиды, что влияет на форму индикатрисы рассеяния света и приводит к занижению результата - среднего размера гранул крахмала.

Выводы

Установлено, что на результаты измерений размеров гранул крахмала оказывают влияние примеси, находящиеся в крахмале, поэтому требуется специальная подготовка образцов для измерений гранулометрических характеристик, в частности, дополнительная промывка с использованием центрифуги.

Результаты измерений морфологических свойств крахмала методами оптического рассеяния света и оптической микроскопии показывают, что средние размеры гранул крахмала, выделенного из генетически модифицированного картофеля, меньше чем у крахмала, выделенного из контрольного образца. Гранулы крахмала, выделенного из генетически модифицированного картофеля, более полидисперсны.

Значения результатов средних размеров гранул крахмала, определенные методом оптической микроскопии, не противоречат ранее опубликованным данным другими авторами.

Литература

1. Jane, J. Granule morphology by scanning electron microscopy / J.Jane // Anthology of starch. - 1994.-№46. - С. 121-129.

2. Керр, Р.Ф. Химия и технология крахмала / Р.Ф. Керр.- М. :Пищепромиздат, 1956.-565 с.

3. Whistler, R.L. Starch: chemistry and technology / R.L. Whistler, J.N. BeMiller J.N.-USA: Elsevier Science, 2009.-894 с.

4. Андреев, Н.Р. Основы производства нативных крахмалов / Н.Р. Андреев. - М.: Пищепромиздат, 2001.- 289 с.

5. Seidemann, J. Starke Atlas / J. Seidmann. - Berlin: Paul Parey, 1966.-360 c.

6. Грачева, И.М. Технология ферментных препаратов / И.М. Грачева. - М.: ВО Агропромиздат, 1987.335 с.

7. Сучкова, Т.Н. Физиолого - биохимические особенности накопления углеводов и белков в семенах высокоамилозных сортов и линий гороха: автореф. дис... к-та биол. наук / Т.Н. Сучкова. - Воронеж, 2009. - 127 с.

8. Vasanthan, T. Physicochemical properties of small- and large granule starches of waxy, regular, and high-amylose barleys / T. Vasanthan // Cereal Chemistry. - 1996. - №73. - С.199-207.

9. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий. - М.: Изд-во «Химия», 1975. - 513 с.

10. Ягофаров, Д.Ш. Применение метода электродиализа для разделения амилозы и амилопектина картофельного крахмала / Д.Ш. Ягофаров [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №11. -С.331-335.

11. Закирова, А.Ш. Сравнительная оценка эффективности разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин химическими методами / А.Ш. Закирова [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С.621-625.

12. Morgan, B.B. Analysis by microscopical methods for particle size distribution of particulate substances of subsieve sizes / B.B. Morgan // Research. - 1957. - №10. - С.271-275.

13. Хюлст, Г. Рассеяние света малыми частицами / Г. Хюлст.-M.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 536 с.

14. Karls son, M. Starch in Processed Potatoes. Influence of tuber structure, thermal treatments and amylose/amylopectin ratio : дис... канд. техн. наук / M. Karlsson. - Lund, 2005. - 55 с.

15. Nilsson, L. Competitive adsorption of macromolecules during emulsification: дис. канд. техн. наук / L. Nilsson. - Lund, 2007. -31 с.

© Д. Ш. Ягофаров - асп. каф. пищевой инженерии малых предприятий КГТУ, ripper-kicker@mail.ru; А. В. Канарский - д-р техн. наук, профессор той же кафедры, alb46@mail.ru; Ю. Д. Сидоров - канд. техн. наук, ст. препод. той же кафедры, sidud@mail.ru.