۹۰۵/۰ ۵۹۱/۰ ۵۸/۰
۲۰-۱۹ ۲۶-۲۵ ۲۲-۲۰ ۲۶ ۲۴
(۱) (۲)
شکل ۲-۳: (۱) ساختار خطی آمیلوز و (۲) ساختار انشعابی آمیلوپکتین
کریستالهای نشاسته بر اساس نحوهی آرایش زنجیرها و میزان فشردگی بین آنها، به ۴ نوع مختلف طبقهبندی میشوند:
کریستال نوع A که بیشتر در نشاسته غلات (نظیر گندم و ذرت) یافت میشود.
کریستال نوع B که بیشتر در نشاستهی گیاهان غدهای (به ویژه سیبزمینی) یافت میشود.
کریستال نوع C که ترکیبی از کریستالهای نوع A و B بوده و در همهی انواع نشاستهها در مقادیر کم یافت میشوند.
کریستال نوعV حاصل تشکیل کمپلکس بین ترکیبات لیپیدی و زنجیرهای آمیلوز میباشد. این نوع کریستال، در نشاستههای طبیعی به ندرت مشاهده میشود و تنها در نشاستههای برخی از غلات که دارای اسیدچرب یا مونوگلیسرید هستند یافت میشود.
شایان ذکر است که همهی انواع کریستالها قابلیت تبدیل به یکدیگر را دارند و در شرایط مختلف ممکن است انواع خاصی از آنها تشکیل شود. به عنوان مثال، در طی فرایند رتروگراداسیون یا برگشت، صرفنظر از نوع منبع نشاسته، قسمت اعظم کریستالهای تشکیلشده، از نوع B خواهد بود. نوع کریستال نشاسته در هر گیاه، به طول زنجیرهای آمیلوز و درجه هیدراسیون بستگی دارد. زنجیرهای آمیلوز با درجه پلیمریزاسیون کمتر از ۱۰، قادر به تشکیل کریستال نیستند درحالیکه اگر زنجیرهای آمیلوز دارای درجهی پلیمریزاسیون بین ۱۰ تا ۱۲ باشند، کریستال نوع A و اگر دارای درجهی پلیمریزاسیون بیشتر از ۱۲ باشند، کریستال نوع B تشکیل خواهد شد.
عامل دوم یعنی درجهی هیدراسیون نیز از اهمیّت زیادی در نوع کریستال تشکیل شده برخوردار است. در شرایط آزمایشگاهی، تشکیل کریستال نوع B، در آب خالص و در دمای پایین امکان پذیر است. امّا برای تشکیل کریستال نوع A، شرایط دهیدراسیون نظیر استفاده از الکل، نمک و یا افزایش دما مورد نیاز است. به همین دلیل است که در گیاهان مختلف، نوع کریستالها متفاوت میباشد. در گیاهان غدهای که در شرایط آب و هوایی خنک و مرطوب رشد میکنند، کریستال نوع B تشکیل میشود امّا در غلات که در شرایط محیطی گرم وخشک رشد میکنند و درجهی هیدراسیون نشاسته در آنها پایین است، شرایط برای تشکیل کریستال نوع A مساعدتر است.
فشردگی زنجیرها در کریستال نوع A بیشتر از نوع B میباشد. در نوع B، فضاهای آزاد بین زنجیرها زیاد بوده و مولکولهای آب زیادی میتوانند در فضای بین زنجیرها قرار گیرند. اما این فضاهای خالی در کریستال نوع A وجود ندارد (جنکینز و دونالد، ۱۹۹۵).
۲-۳- خواص شیمیایی نشاسته سیبزمینی
رفتار خمیر نشاسته در محیطهای آبکی بستگی به خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نشاسته از قبیل متوسط سایز گرانول، توزیع سایز گرانول، نسبت آمیلوز به آمیلو پکتین و میزان مواد معدنی دارد. نشاسته سیبزمینی خواص تعویض یونی دارد و این خاصیت به پیوندهای استری اسید فسفریک مربوط میشود. نشاسته سیبزمینی از این نظر نسبت به سایر نشاستهها اهمیّت دارد که میزان بالایی فسفر داشته و به همین دلیل ژلهای حاصل از آن ویسکوزیته بالایی دارند.
میزان فسفر نشاسته ارقام مختلف متفاوت میباشد به طوری که کمترین آن مربوط به رقم ریباکا و بیشترین آن مربوط رقم مافونا میباشد (پشین، ۲۰۰۱). محققین متعددی نیز گزارش کردهاند که نشاسته سیبزمینی، فسفر قابل توجهی نسبت به سایر منابع گیاهی دارد. فسفر در نشاسته سیبزمینی بصورت منواسترهای فسفات وجود دارد (موریسون و همکاران، ۲۰۰۰). در حالی که در غلاتی مانند گندم و برنج بصورت فسفولیپید وجود دارد. شکل فسفولیپیدی باعث تیرگی خمیر نشاسته میشود و ویسکوزیته را کاهش میدهد. در حالی که منواسترهای فسفات با پیوندهای کووالانت به آمیلوپکتین متصل و باعث افزایش شفافیت و ویسکوزیته خمیر نشاسته میشوند. به همین دلیل خمیر نشاسته سیبزمینی از شفافیت و ویسکوزیته بالاتری نسبت به سایر نشاسته ها برخوردار است.
ویسکوزیته خمیر نشاسته سیبزمینی بسیار بیشتر از ویسکوزیته خمیر نشاسته گندم میباشد. پشین(۲۰۰۱) بیان داشت که ویسکوزیته بالای نشاسته سیبزمینی و نیز قدرت بالای ژل حاصل از آن به دلیل اتصالات جانبی فسفات میباشد که به سختی شکسته میشوند.
وقتی نشاسته با محلول نمک یا هر نوع کاتیون (یا اسید رقیق) شستشو شود، کاتیون نمک با سایر کاتیونهای موجود در نشاسته قابل تعویض خواهد بود و در نتیجه ظرفیتهای خالی اسید فسفوریک را اشباع میکند. با اجرای روش فوق نشاستههای کلسیم، پتاسیم، آمونیوم، آهن یا هیدروژن تولید میشود. خواص این نشاستهها با خواص نشاستههای اشباع نشده با کاتیون فرق دارد (موریسون و همکاران، ۲۰۰۰).
نشاسته با توجه به این که یک پلیالکل است، میتواند با اسیدهای آلی مانند اسید استیک، اسید فرومیک، تریکلرواستیک اسید و اسیدهای چرب استریفیه شود. استرها را از اسیدهای غیرآلی مانند اسید فسفوریک، اسید سولفوریک و سایر اسیدها میتوان تشکیل داد (فلاحی، ۱۳۷۶).
نشاسته یک محصول اکسید شونده است. اسید نیتریک و هیپوکلریت سدیم عامل هیدروکسیل (در کربن شماره ۶) را به عامل کربوکسیل و اسید گلوکونیک تبدیل میکند و در همان حین هیدرولیز اتصالات گلیکوزیدی در زنجیرهی نشاسته اتفاق میافتد.
نشاسته سیبزمینی بطور ذاتی چندین خصوصیت مطلوب دارد که به منظور بهبود و افزایش پایداری و سفتی ژلها در بعضی مواد غذایی، به عنوان یک جزء مهم و اساسی بر نشاسته ذرت، گندم و سایر نشاستهها ترجیح داده میشود. علاوه بر این در مقایسه با سایر نشاستهها قدرت تورم و قدرت باندشدن بالایی از خود نشان میدهد در حالی که دمای ژلاتینه شدن پایینی دارد.
دانههای نشاسته اگر در آب گرم شوند ابتدا متورم شده و حجم آنها به مقدار زیاد افزایش مییابد. دمای زیاد آب سبب تجزیه محدود ماکرومولکولهای نشاسته میشود. فرآیندی که موجب تغییرات ساختمان دانههای نشاسته در آب میشود ژلهای شدن نام دارد. در آغاز روند ژلهای شدن دانههای نشاسته سیبزمینی به سرعت باد میکنند و حجم آنها تا ۱۰۰۰ برابر افزایش مییابد. نشاسته سیبزمینی از سایر نشاستهها به وسیله قدرت متورم شدن آن مشخص میگردد، نشاسته سیبزمینی به میزان ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیش از سایر نشاستهها متورم میگردد. حلالیت نشاسته سیبزمینی در آب با دمای ۹۰ چند برابر بیش از سایر نشاستهها است. دانههای نشاسته سیبزمینی مقدار آب بیشتری(۱۲۰گرم آب به ازاء هر یک گرم نشاسته) از دانههای نشاستهی دیگر جذب میکنند (فلاحی، ۱۳۷۶).
اگر پالپ سیبزمینی با آبی که کلسیم زیاد داشته باشد نشاستهگیری شود، در دمای بالا نشاستهی آن ژلهای میشود و خمیری تولید میکند که در مقایسه با پالپ سیبزمینی که با آب مقطر نشاستهگیری شده، چسبندگی کمتری خواهد داشت. تغییر چسبندگی ناشی از یونهای کلسیم به خاطر ایجاد پل توسط کلسیم بین مولکولهای مجاور و نشاسته و سایر یونهای دو ظرفیتی است. یونهای یک ظرفیتی مانند سدیم یا پتاسیم و به ویژه آمونیوم موجود، چسبندگی خمیر نشاسته را افزایش میدهد. کاتیونها و آنیونهای موجود در آب نظیر (لیتیوم، منیزیوم، فلوئور، سولفات، فسفات) که برای تولید خمیر نشاسته مورد استفاده قرار میگیرند باعث افزایش روند ژلهای شدن میشوند و یونهای سدیم، باریوم، ید، برم، نیترات باعث کاهش دمای ژلهای شدن هستند. اگر اشباع شدن نشاسته با یونهای آهن انجام شود دمای ژلهای شدن افزایش یافته و خمیر تولید شده ویسکوزیته کمتری از نشاسته اشباع نشده خواهد داشت.
شمار زیادی از اجسام آلی بر فرایند ژلهای شدن تأثیر دارند برای مثال اگر الکل و قند در آب وجود داشته باشد باعث افزایش دمای ژلهایشدن در مقایسه با آب خالص خواهد شد. این تغییر به خاطر خواص آبگیری این اجسام است. در نتیجه مقدار کافی آب برای نشاسته در دسترس نخواهد بود.
افزودن مواد ازته (پروتئینها، اسیدهای آمینه) ویسکوزیته خمیر را کاهش میدهد ولی همزمان با این تغییر قدرت ژل افزایش مییابد.
نشاسته خشک تحت تاثیر دماهای زیاد (۲۰۰-۱۰۰) قرار گرفته و تجزیه میشود. این فرایند را دکسترینه شدن میگویند که پیوندهای گلیکوزیدی عمدتاً () در داخل مولکولهای نشاسته شکسته میشوند.
اگر مقدار کمی اسید اضافه شود عمل دکسترینه شدن در دمای پائینتری صورت خواهد گرفت. خواص دکسترینهای تولید شده به میزان دما و زمان گرمایش بستگی دارد. دکسترینها کاربردهای صنعتی دارند که بر حسب خواص آنها فرق میکنند.
آلفا آمیلاز به آنزیم دکسترینه کننده موسوم است. خمیر نشاستهای که با آلفا آمیلاز فرآوری شود شفاف و هیدرولیز آن طولانیتر میشود. بتا آمیلاز آنزیم ساکاریفید کننده نام دارد که بر قسمت انتهایی غیر احیاء کننده زنجیره نشاسته اثر میکند. فعالیت توأم این دو آنزیم موجب تولید مالتودکسترین میشود. مخلوط آلفا و بتا آمیلاز دیاستاز نام دارد، برای مثال از این آنزیمها سالها است که در صنایع الکلکشی استفاده میشود. در صنایع نشاسته سازی آلفا آمیلاز را از منابع میکروبی به دست میآورند. که باعث عمل روانسازی[۲۶] در دکسترنیزاسیون نشاسته میشود (فلاحی، ۱۳۷۶).
۲-۴- قابلیت نشاسته سیبزمینی
اگر چه هزینه تولید نشاسته از سیبزمینی بالاتر از سایر منابع میباشد لیکن خواص عملکردی[۲۷] آن ممکن است مصرف آن را در محصولات خاصی توجیه سازد. به عنوان مثال افزودن نشاسته سیبزمینی به ماکارونی باعث بهبود قوام و احساس دهانی آنها میشود. همچنین در عملیات استخراج نفت از نشاسته سیبزمینی بدلیل بزرگتر بودن اندازه گرانول، بعنوان گل حفاری استفاده میشود. امروزه با توجه به کاربردهای گسترده نشاسته، تولید آن در هلند، اروپای شرقی، ژاپن و آمریکا گسترش زیادی پیدا کرده است. تجارب بازار در آسیا نشان میدهد که محصولات غدهای و ریشهای میتواند در مصارف صنعتی با غلات رقابت نماید. نتایج یک بررسی در چین نشان داد چنانچه واریتههای جدید سیبزمینی شیرین با میزان بالاتر نشاسته توسعه یابد، این محصول پتانسیل قابل توجهی به عنوان منبع نشاسته دارد. در جنوب شرق آسیا نیز کاساوا به عنوان منبع مهمی از نشاسته برای صنعت مطرح میباشد. در هر صورت قابلیت استفاده از این محصول به عنوان منبع نشاسته در شرق آسیا تنها در صورتی امکان پذیر خواهد بود که هزینههای تولید و قیمت تمام شده آن بطور قابل توجهی پایین آورده شود. در میان منابع نشاسته هنگامی که صرفاً به عنوان منبعی از انرژی یا گلوکز استفاده می شود، فاکتور کلیدی قیمت میباشد. در بسیاری از نقاط جهان، ذرت ارزانترین منبع نشاسته بوده بطوری که ۷۷ درصد از نشاسته مورد نیاز جهان را فراهم میکند. اما هنگامی که خصوصیات عملکردی نشاسته مد نظر باشد، سایر منابع نشاسته نظیر سیبزمینی و کاساوا ممکن است مورد استفاده قرار بگیرند. اگر چه این امکان وجود دارد که همان منابع ارزان نشاسته را بطور شیمیایی یا فیزیکی اصلاح[۲۸] نمود لیکن این اقدام نیاز به هزینههای اضافی دارد و از طرف دیگر مصرف کنندگان در برخی کشورها ممکن است محصولاتی را ترجیح دهند که در ساخت آنها نشاسته اصلاح شده بکار نرفته باشد. بنابراین نشاستههای اصلاح نشدهای که خواص عملکردی ویژهایی دارند، ممکن است با قیمت بیشتری در بازار به فروش برسند (یقبانی و محمدزاده، ۱۳۸۷).
لامرز و بیناکرز(۱۹۸۰) نشان دادند درجه حرارت ژلاتینه شدن، ویسکوزیته، میزان آمیلوز و آمیلوپکتین نیز از ویژگیهای هر واریته میباشد و ویسکوزیته خمیر نشاسته به مقدار فسفر نشاسته و نوع کاتیونهای تجمع یافته در آن بستگی دارد. مالچر و مدال (۱۹۸۹) جهت استخراج گلوکز از نشاسته سیبزمینی از طریق آنزیمی تحقیقاتی انجام دادند. آنها با بکارگیری آسپرژیلوس نیگر، مولد آنزیم آمیلوگلوکوزیداز توانستند تولید شربت گلوکز نمایند و از نشاسته خام سیبزمینی در نانوایی و صنایع قنادی و از نشاستههای اصلاح شده آن جهت تغلیظ و ژلکنندگی، تهیه سسها و دسرها استفاده کردند که نتایج رضایت بخشی در مقایسه با نشاسته ذرت و گندم بدست آوردند.
تاکاهیرو و همکاران (۲۰۰۴) در مطالعه تأثیر زمان برداشت بر خصوصیات نشاسته چندین واریته سیبزمینی بیان داشتند که برداشت دیر هنگام سبب افزایش میانگین اندازه گرانول، میزان فسفر و ویسکوزیته میشود اما آمیلوز کاهش اندکی از خود نشان میدهد. غدههای سیبزمینی اندازه و شکلهای مختلفی دارند که به نوع واریته آنها بستگی دارد .صدها نوع واریته سیبزمینی وجود دارند که برای شرایط مختلف آب و هوایی و انواع خاکهای متفاوت مناسب میباشند. این واریتهها براساس زمان رسیدگی در گروههای زودرس، متوسطرس و دیر رس طبقهبندی میشوند. در ایران این محصول از جایگاه ویژهای برخوردار بوده و کشت این محصول در استانهای مختلف بصورت کشت پائیزه و بهاره متداول میباشد. با توجه به عدم وجود صنایع تبدیلی و حتی انبارهای مناسب در منطقه، همه ساله کشاورزان ضرر و زیان سنگینی متحمل میشوند. در حالی که با استخراج نشاسته می توان ضمن تبدیل سیبزمینی به یک محصول با ارزش افزوده، از ضایعات آن نیز جلوگیری نمود. لازم به ذکر است که اولین کارخانه تهیه نشاسته از سیبزمینی، درهمدان احداث گشته و به بهره برداری رسیده است.
ارقام دراگا، مارفونا، سانته، کنکورد، آگریا و ریبارکا از جمله ارقام سیبزمینی کشت شده در اکثر استانهای کشور میباشند که طی بررسی انجام شده بر روی آنها مشخص شده است که بیشترین درصد ماده خشک مربوط به رقم کنکورد و کمترین آن مربوط به رقم دراگا میباشد.
(ج) (ب) (الف)
شکل ۲-۴: طرح شماتیک ساختار گرانول نشاسته، نمایش قسمتهای آمورف و نیمهکریستالی در گرانول (الف)، ساختار داخلی قسمت نیمهکریستالی (ب) و تطابق آن با قسمتهای خطی و انشعابی آمیلوپکتین (ج).
میزان ماده خشک سیبزمینی شاخص مهمی از کیفیت میباشد بطوری که در صنایع تبدیلی و تولید فرآوردههای مختلف در تعیین مناسب بودن آن مورد توجه قرار میگیرد. با توجه به این که ۸۰-۶۰درصد ماده خشک از نشاسته تشکیل شده است، همبستگی بالایی بین درصد نشاسته و ماده خشک غده وجود دارد .گزارش شده است که ماده خشک غدههای بزرگ معمولاً کمتر از غدههای کوچک است چراکه آب نسبتاً بیشتری دارند امّا رابطه بین اندازه غده و درصد ماده خشک، یک رابطه خطی نیست. میزان قند کاهنده نمونههای سیبزمینی نیز بین ۱۹/۰- ۱۸/۰ درصد (بر حسب وزن تازه) میباشد. لازم به ذکر است که میزان قند کاهنده در ارقام مختلف سیبزمینی در طی انبارداری تغییر می کند و به نظر میرسد که از بین عوامل تعیینکننده در میزان قندکاهنده طی انبارداری، واریته مهمترین عامل است (یقبانی و محمد زاده ،۲۰۰۵).
