Формирование крахмальной гранулы и механизм химической модификации крахмала

Формирование крахмальной гранулы

и механизм химической модификации крахмала

УДК 664.282

Резюме. Предложена гипотеза формирования крахмальных гранул и описаны особенности химической модификации полимерных цепей крахмала в грануле. На основании сравнительного исследования молекулярной динамики установлено, что амилоза является разрыхляющим фактором крахмальной гранулы и приводит к образованию аморфных участков в ней, а амилопектин, напротив, способствует кристаллизации. Ключевые слова: молекулярная динамика, крахмал, амилоза, амилопектин, гранулы, химическая модификация.

Крахмал и крахмалопродукты широко используются во многих отраслях пищевой промышленности - кондитерской, хлебопекарной,консервной, пищеконцентратной, молочной, мясной, а также в текстильной, бумажной, кожевенной, полиграфической, нефтегазовой, фармацевтической, в металлургии и в быту. Кроме того крахмал и его производные применяют в химической отрасли при выпуске сорбита, молочной кислоты, глицерина, ацетона, бутанола, лаков, различных пленок и т.д. [1-8].

А

ссортимент продукции крахмало-паточно-го производства разнообразен и включает несколько сот наименований. Основным сырьем при получении крахмала и крахмалопродук-тов служат картофель, кукуруза, пшеница, рожь, ячмень, рис, гречиха, тапиока и др. Помимо нативного крахмала вырабатываются патоки различного углеводного состава (низко- и высокоосахаренная, карамельная, мальтозная, декстрин-мальтозная), мальтоза, мальтин, кристаллическая глюкоза, а также глю-козные, глюкозо-фруктозные и фруктозные сиропы. В мире выпускается широкая гамма модифицированных крахмалов и декстринов. Их классификация приведена на рис. 1.

Вследствие особенностей химического строения крахмал играет решающую роль в формировании структуры и потребительских характеристик многих продуктов, в том числе из картофеля. Физико-химические свойства нативного крахмала во многом зависят от особенностей крахмалосодер-жащего сырья и не всегда удовлетворяют требованиям потребителей. За последние годы в странах Европы и в России наметился общий подъем выпуска и потребления крахмала и его производных. Данная тенденция связана прежде всего с увеличением изготовления модифицированных крахмалов [1, 2, 7].

С целью изучения особенностей формирования крахмальной гранулы и поиска механизма химической модификации крахмала в качестве объектов исследований выбраны гранула нативного крахмала и полимерные цепи амилозы и амилопектина. При этом использовались методы моделирования молекулярной динамики (осуществлялось в программе АМВЕК.12). Модели полисахаридов создавались в АшЬегТоок 12, программа Йеар. Для моделирования свойств полисахаридов использовалось силовое поле 0ЬУСАМ-06. Построены две модели: 40-мерная цепочка (1^4) а-глюкана без ветвлений и полисахарид из двух цепей равной длины по 20 остатков глюкозы с одной точкой ветвления. Остаток, образующий (1^6)-а-связь, имеет номер 11.

Начальные модели характеризовались напряженной пространственной структурой и формировали правозакрученную спираль с шагом 6 остатков на 1 виток. Угол С1-04-С4-Н4 составлял 0°, угол С1-04-С4 - около 115°.

Первый этап, минимизацию потенциала методами градиентного спуска и сопряженного градиента, как и последующее моделирование молекулярной динамики, проводили с неявным учетом растворителя по обобщенному методу Борна, без периодических условий, без отсечения взаимодействий (максимальная длина 999 А). На каждый из итерационных алгоритмов отводили по 100 шагов.

Рис. 1.

Классификация крахмала и крахмало-продуктов

Крахмалы и крахмалопродукты

Нативные крахмалы

Из традиционного растительного сырья:

• картофельный крахмал •кукурузный (маисовый) крахмал

• крахмал из восковидной кукурузы •пшеничный крахмал

• тапиоковый крахмал

• крахмал арроурут •саговый крахмал

• крахмал из восковидного саго

• рисовый крахмал

Из нетрадиционного растительного сырья:

• крахмал из батата

• ржаной крахмал •ячменный крахмал •овсяный крахмал

• гречишный крахмал

•крахмал, полученный из другого растительного сырья

Сахаристые крахмалопродукты

Крахмальная патока

Сиропы

Дисахариды

Моносахариды

Мальтодекстрины

низкоосахаренная высокоосахаренная карамельная мальтозная

глюкозные фруктозные глюкозо-фруктозные мальтозные

мальтоза другие дисахариды

глюкоза фруктоза другие моносахариды

декстрозный эквивалент

• высокий

• средний

• малый

Модифицированные

алы

Крахмальные фракции

амилоза амилопектин

Физически модифицированные

Расщепленные:

• предварительно клейстеризованные контактной сушкой

• экструзионные

• облученные

• электромодифицированные

Химически модифицированные

Расщепленные:

• гидролизованные кислотой

• гидролизованные щелочью

• гидролизованные амилолитическими ферментами

• окисленные

• декстрины

Замещенные:

простые эфиры:

• оксиалкилкрахмалы

• карбоксиметилкрахмалы

• катионные

• анионные

• амфотерные

сложные эфиры:

• фосфатные

• ацетатные

Поперечно-связанные

Две модели создавались в двух видах водных растворов - с концентрацией однозарядных пар ионов соли 10 мкМ и 1 М. Нагревание системы проводили в два этапа. Первый, короткий этап, во время которого рассеивалась основная часть потенциальной энергии, внесенной стерическим напряжением в структуре, длился 12,5 пикосекунды (пс). Шаг интегрирования составлял 0,2 фемтосекунды (фс), температура за это время поднималась посредством термостата Ланжевена с 0 до 10 К. Благодаря малому шагу интегрирования система оставалась стабильной, несмотря на возникновение больших по значению сил и, соответственно, ускорения. Второй этап нагревания длился 50 пс, шаг интегрирования составил 2 фс. Температура системы линейно поднималась до 300 К. Собственно моделирование молекулярной

динамики проводилось при постоянной температуре 300 К (время - 1 микросекунда (мкс)), частота столкновений термостата Ланжевена составляла 2 пс-1. Кадры системы сохранялись каждые 50 пс.

Расчет молекулярной динамики производился на рабочих станциях, оборудованных видеоускорителями GeForce GTX 580 c процессором GF110 (512 ядер CUDA) и 3 Гб памяти. Все вычисления оптимизированы для использования CUDA-устройств. Полученные траектории выравнивались в программе ptraj по атомам углерода относительно начального положения.

Квантово-химические расчеты производили на кластерном суперкомпьютере СКИФ, установленном в Объединенном институте проблем информатики НАН Беларуси.

Для вычислений использовалась программа GAMESS 2012 г1. Потоки на каждом процессорном ядре кластера запускались средствами mvapich 1.4.1p1 для расчетов ab initio. На каждом узле кластера установлены два четырехъядерных процессора Xeon E5472 и 8 Гб оперативной памяти. Взаимодействие потоков осуществлялось по сети Infiniband QDR. В качестве оператора очереди заданий применялась программа PBS Torque. Узлы находились под управлением Fedora Linux с версией ядра 2.6.32, менеджмент потоков MPI велся с помощью Hydra.

Механизм протекания химической модификации крахмала определяется, прежде всего, особенностями строения последнего. Так, нативный крахмал - природный полимер, в котором мономеры (остатки a-D-глюкопиранозы) связаны a-(1^4)- и а-(1^6)-глюкозидными связями, образуя амилозу (полимер линейного строения) и амилопектин (полисахарид разветвленного строения) [9-12].

Кислородный мостик а-(1^4)-глюкозидной связи возникает в результате взаимодействия гликозидного гидроксила первого атома углерода одной молекулы a-D-глюкопирано-зы и спиртового гидроксила при четвертом атоме углерода другой. Глюкозидная а-(1^6)-связь образуется за счет присоединения гидроксильного атома кислорода, расположенного при углероде в шестом положении a-D-глюкопиранозы одной цепи, к первому углероду глюкозного остатка другой.

Крахмальные фракции (амилоза и амилопектин) компактно упакованы в крахмальные зерна (или гранулы) (рис. 2). Последние представляют в виде концентрических слоев, в каждом из которых высоковетвистые молекулы переплетены в сетчатую или решетчатую структуру. Линейные отрезки амилопектина ориентированы в радиальном направлении, боковые цепи расположены между ветвями других молекул, а вторичные связи (водородные) действуют тангенциально и придают механическую жесткость этим основным структурам. В центре гранул находятся цепи амилозы, свернутые в спираль с шестью остатками глюкозы на виток. Полое пространство спирали занято линейной амилозой, и вся структура стабилизирована водородными связями.

Крахмальная гранула имеет аморфно-кристаллическое строение. В зависимости от структурной организации кристаллические участки гранул подразделяют на А- и В-тип. К первому относится крахмал зерновых злаков, ко второму -клубней и луковиц.

По-видимому, при формировании кристаллитов крахмала большое значение принадлежит воде, которая обусловливает их шестигранную форму. В молекуле воды атом кислорода имеет четыре электронные пары, две из которых участвуют в образовании двух полярных ковалентных связей Н-О, то есть являются связывающими, а две другие - несвя-зывающими. Ковалентные связи воды образованы за счет перекрывания двух одноэлектронных p-облаков атома кислорода и одноэлектронных s-облаков двух атомов водорода. Угол между связями в молекуле воды - 104,5°, в ней имеется четыре полюса зарядов: два положительных и два отрицательных. Положительные сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательней водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две несвязывающие

(а Спираль амилозы

а - спиралеобразное строение амилозы; б - упаковка полисахаридов:1 - спирали амилопектина,

2 - гибридные спирали амилозы и амилопектина, 3 - свободные липиды, 4 - свободная амилоза, 5 - У-структуры амилозы;

в - крахмальная гранула: 1 - аморфная ламель, 2 - кристаллическая ламель,

3 - аморфное ростовое кольцо, 4 - один кластер;

Г - строение кристаллитов крахмала и воды: 1 - кристаллит типа А, 2 - кристаллит типа В, 3 - вода Рис. 2. Особенности строения крахмальной гранулы

электронные пары кислорода. Известно, что кластеры структурированной воды имеют преимущественно форму шестигранника (рис. 2).

Химическая модификация (в том числе и кислотный гидролиз) в крахмальной грануле осуществляется следующим образом. Изначально в ней имеются как кристаллические, так и аморфные участки. Особенности такого строения определены прежде всего генетически, а также условиями ее формирования. В крахмальной грануле есть соединенные водородными связями молекулы воды. Водородная связь способна появляться между атомами водорода и кислорода гидроксильных групп О-глюкопиранозных остатков посредством присутствующих в крахмале молекул воды:

yi > V> *НЧ

* t (ЩИ«"-О О О-

V н'

А  * * к; пиал * ti

То есть она образуется между гидроксильными группами О-глюкопиранозных остатков крахмала через одну и более молекул воды, которые удерживают их отдельно, в результате чего повышается их доступность, что приводит к увеличению реакционной способности этих ОН-групп. Количество связанной влаги зависит от особенностей технологии получения крахмала.

б

— 1 М Nntl 10mkMN.H1 1 Ср«дам, 1 М NaQ -t'pc.jHfc, Ш мкМ ¡Mut']

R]IF.siiIL ш

21НИНН1 JIM HM Kl {»{НННШ К1МММЫ1 МИНИН Hl

а - линейная цепочка амилозы (а-глюкан из 40 остатков);

б - сравнение расстояния между атомами 01 восстанавливающего конца и 04 концевого остатка с противоположной стороны цепочки

Рис. 3. Молекулярная динамика амилозы

и Чу jiJiÊ, i^ljiJTLX 1

а в

лМгт

г д Pf е

Цвет атомов на модели: зеленый - углерод, белый - водород, красный - кислород Mолекулярная динамика в разные промежутки времени: а - 100 ООО пс, б - 200 ООО пс,

в - 4ОО ООО пс, г - 6ОО ООО пс, д - 8ОО ООО пс, е - 1 ООО ООО пс

Рис. 4. Молекулярная динамика амилозы

Цепь В - 43 остатка, отмечена зеленым цветом; 6 цепей А по 15 остатков

Рис. 5. Структура амилопектина

Химическая модификация, как правило, осуществляется в водной среде. Вначале происходит набухание крахмальной гранулы, в результате чего в нее проникают свободные молекулы воды и частицы растворенного в воде химического агента (минеральной кислоты). Иногда в качестве растворителя используют органическое вещество.

По достижении определенного критического момента набухания крахмальной гранулы (то есть при критическом содержании молекул воды и химического агента в ее полости),

по-видимому, начинается процесс разрыхления кристаллических участков, что делает их доступными для воздействия химического агента и усиливает химическую модификацию. Разрыхление катализируется при повышении температуры.

Для понимания механизма химической модификации полимерных цепей амилозы и амилопектина в крахмальной грануле важно выяснить пути образования ее аморфно-кристаллической структуры. Особенности молекулярной динамики амилозы представлены на рис. 3 и 4, а амилопектина - на рис. 5-7.

Молекулярная динамика - вычислительный метод, позволяющий моделировать подвижность химических соединений от самых простых до супрамолекулярных комплексов массой более 1 МДа. Его основу составляет численное решение классических уравнений Ньютона для системы взаимодействующих частиц, подсчет изменения положения атомов молекул с течением времени в заданных физических условиях: температуре, давлении, типе растворителя, ионной силе. Метод успешно используется в теоретических исследованиях структуры и динамики биологических и других молекулярных систем. Рассчитываются классические (ньютоновские) траектории движения атомов макромолекулы в силовом поле эмпирического атом-атомного потенциала, то есть моделируется детальная микроскопическая картина внутренней тепловой подвижности макромолекулы в интервалах времени от пикосекунд до микросекунд (в отдельных исследованиях - миллисекунд).

65

Hpt^lH,llL

О I 1||МЮ 2НИНШ JIH)i:ih .(INMHl i [IIN]ftfsftlKHP TIHI4IO#41001]4HI|>IHII 1ЦНН1П

Рис. 6. Расстояния между свободными концами двух А-цепей амилопектина

Цвет атомов на модели: зеленый - углерод, белый - водород, красный - кислород Молекулярная динамика в разные промежутки времени: а - 1О ООО пс, б - 2О ООО пс,

в - 3О ООО пс, г - 5О ООО пс, д - 7О ООО пс, е - 8О ООО пс, ж - 9О ООО пс, з - 1ОО ООО пс

Рис. 7. Молекулярная динамика амилопектина

Задав координаты и скорости всех частиц в начальный момент времени, решают уравнения движения, вычисляя на каждом шаге все силы и новые координаты и скорости частиц. Температура определяется как средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну степень свободы системы. В случае изолирования системы сохраняется ее полный импульс и момент импульса. Кроме того, в этом случае сберегается полная энергия системы, а температура получается усреднением ее мгновенных значений по некоторому интервалу времени.

Использование в качестве моделей амилозы и амилопек-тина представляет интерес для объяснения процессов формирования крахмальной гранулы, взаимодействия полисахаридов с гидролитическими ферментами, модификации крахмала в жестких условиях.

Свойства амилозы и амилопектина определяются их строением. Известно, что цепочка a-глюкана имеет тенденцию к образованию спиральной структуры, поддерживаемой полярными взаимодействиями и водородными связями. В ходе моделирования молекулярной динамики амилозы из 40 остатков глюкозы нами обнаружено, что изменение ионной силы не оказывает значимого влияния на среднее расстояние между концами цепочки (рис. 3 и 4).

Образование спиральной структуры «выпрямляет» a-глюкан, увеличивая стабильность его строения и уменьшая подвижность. В ходе молекулярной динамики выявлено, что изолированная цепь амилозы не обладает стабильной структурой. За отрезок в 1 мкс мы пронаблюдали «биение» цепочки и общую конформационную нестабильность расположения звеньев. Ионная сила раствора не оказала влияния на характер движений цепочки.

Длина идеальной одиночной спирали для исследуемой молекулы составляет около 117 А. Как видно из рис. 3 и 4, большую часть времени моделирования молекула амилозы оказалась далека от этого значения.

Увеличение молекулярной массы и ветвление структуры кардинально меняют характер движения отдельных участков цепи. Так, на рис. 5 представлена модель амилопектина, состоящая из одной якорной В-цепи (43 глюкопиранозных остатка) и шести боковых A-цепей (15 глюкопиранозных остатков). Среднее расстояние для А-цепей составляет 53,6 А. На диаграмме показано среднее расстояние между свободными концами двух боковых А-цепей амилопектина (рис. 5-7). Различие среднего для двух цепей незначимо. Амплитуда движений полимерных цепей амилопектина, по сравнению с амилозой, намного более узкая.

На сравнительном изучении молекулярной динамики показано, что амилоза является разрыхляющим фактором крахмальной гранулы и приводит к образованию аморфных участков в ней, а амилопектин, напротив, способствует формированию кристаллических участков.

Таким образом, можно сделать следующие выводы. Крахмальная гранула имеет аморфно-кристаллическое строение, в ней присутствуют связанные молекулы воды. Количество такой влаги определяется генетически и зависит от особенностей технологии получения крахмала. В процессе химической модификации происходит набухание крахмальной гранулы

и в нее проникают свободные молекулы воды и молекулы растворенного в воде химического агента или органического вещества. При критическом содержании молекул Н2О или другого растворителя и химического агента в полости гранулы начинается процесс разрыхления кристаллических участков, что усиливает химическую модификацию. С повышением температуры разрыхление катализируется. Установлено, что амилоза является разрыхляющим фактором крахмальной гранулы и приводит к образованию в ней аморфных участков, а амилопектин - вызывает кристаллизацию (рис. 3-7). ЕН

Статья поступила в редакцию 02.03.2015 г.

Владимир Литвяк,

главный научный сотрудник отдела технологий продукции из корнеклубнеплодов

НПЦ НАН Беларуси по продовольствию,

доктор технических наук, кандидат химических наук, доцент

Маргарита Алексеенко,

инженер-химик 1-й категории

Республиканского контрольно-испытательного комплекса по качеству и безопасности продуктов питания, лаборатории физико-химических исследований НПЦ НАН Беларуси по продовольствию, аспирант

Альберт Канарский,

профессор Казанского национального исследовательского технологического

университета (Россия),

доктор технических наук, профессор

Summary

The hypothesis of formation of starched granules is offered and features of chemical updating of polymeric chains of starch in a granule are described. On the basis of comparative research of molecular dynamics it is established, that amylase is loosening factor of a starched granule and leads to formation of amorphous sites in it, and the amylopectin, on the contrary, promotes formation of crystal sites.

See: http://innosfera.by/2016/03/STARCHED_GRANULE Литература

1. Андреев Н. Р. Основы производства нативных крахмалов.- М.,2001.

2. Жушман А. И. Модифицированные крахмалы.- М., 2007.

3. Бутрим С. М. Изучение физико-химических свойств экструзионных крахмалов различного биологического происхождения / С. М. Бутрим, В. В. Литвяк, В. В. Москва // Журнал прикладной химии/Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Т. 82, №7. С. 1099-1103.

4. Лпвяк В. В. Порiвняльна ощнка властивостей деяких видiв крохмалю та iх вплив на яисть хлiбних виробiв / В. В. Л™к, Д. П. Лгсовська, О. В. Грабовська // Цукар Украни. 2011, №4(64). С. 48-53.

5. Литвяк В. В. Модифицированный картофельный крахмал как студнеобразующая основа для желейных кондитерских изделий / В. В. Литвяк, Д. П. Лисовская, Ю. Ф. Росляков // Известия высших учебных заведений. Сер. «Пищевая технология». 2012, №2-3. С. 47-51.

6. Паскару К. Г. Модифицированные крахмалсодержащие продукты для бурения / К. Г. Паскару, В. В. Литвяк,

B. В. Москва, З. В. Ловкис, Н. Н. Петюшев и др. // Достижения науки и техники АПК. 2013, №12. С. 82-84.

7. Литвяк В. В. Развитие теории и практики модификации крахмалосодержащего сырья для создания новых продуктов: автореф.дис....д-ра техн.наук:05.18.05 / ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».- Краснодар,2013.

8. Бутрим С. М. Особенности катионизации 3-хлор-2-гидроксипропилтриметил аммоний хлоридом тапио-кового крахмала / С. М. Бутрим, В. В. Литвяк // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2014. Т. 57, №4.

C. 90-94.

9. Гудвин Т. Введение в биохимию растений / Т. Гудвин, Э. Мерсер.- М., 1986. Т. 1-2.

10. Кретович В. Л. Биохимия растений: учеб.- М.., 1986.

11. Химия пищевых продуктов / Ш. Дамодаран, К. Л. Паркин, О. Р. Феннема; пер. с англ.- СПб., 2012.

12. Литвяк В. В. Механизм химической модификации крахмала / В. В. Литвяк, Ю. Ф. Росляков // Известия высших учебных заведений. Серия «Пищевая технология». 2013, №2-3. С. 31-35.