SVEUČILIŠTE J. J. STROSSMAYERA U OSIJEKUPREHRAMBENO-TEHNOLOŠKI FAKULTET

Škrob i sirovine za proizvodnju škroba

Prof. dr. sc. Jurislav Babić

ŠKROB Škrob je polisaharid koji ima jedinstvena fizikalna i

nutritivna svojstva koja ga razlikuju od svih ostalih ugljikohidrata.

Većina škroba unosi se konzumacijom žitarica (proizvodi na bazi brašna), voća, povrća i njihovih prerađevina.

Sladila na bazi škroba (glukozni, fruktozni i dr. sirupi) konditorski proizvodi, bezalkoholna pića i dr.

ŠKROB

Ugljikohidrat - Polisaharid (opće formule (C6H10O5)n).

Izgrađen od jedinica glukoze povezanih α-1→4 i α-1→6 vezama

Nastaje kao produkt asimilacije (fotosinteze) u lišću zelenih biljaka.

Biljke ga skladište kao rezervnu hranu.

U prirodi se javlja u obliku granula (zrnaca).

Škrob se u prirodi javlja u obliku granula (zrnaca) koje se sastoje od dva polisaharida, amiloze i amilopektina, koji čine 98-99 % suhe tvari.

AmilopektinAmilopektin

70 - 70 - 80 %80 %Razgranati polimer. Jedna od najvećih molekula u prirodi sa molekulskom masom 107 - 109

AmilopektinAmilopektin

70 - 70 - 80 %80 %Razgranati polimer. Jedna od najvećih molekula u prirodi sa molekulskom masom 107 - 109

AmilozaAmiloza

2020 - 30 - 30 % %Gotovo ravnolančana molekula 500 – 1500 jedinica glukoze

AmilozaAmiloza

2020 - 30 - 30 % %Gotovo ravnolančana molekula 500 – 1500 jedinica glukoze

ŠKROBŠKROBŠKROBŠKROB

Posebne vrste škroba:

Voštani škrobovi (sadrže preko 85 % amilopektina)

Visokoamilozni (sadrže 50 - 80 % amiloze)

Amilopektin

Razgranati polimer.

Jedna od najvećih molekula u prirodi sa molekulskom masom 107 - 109

α-1→4 glikozidnim vezama u strukturu ravnog lanca,

α-1→6 vezama na mjestima grananja.

Amiloza

Gotovo ravnolančana molekula 500 – 1500 jedinica glukoze

α-1→4 glikozidnim vezama.

Amiloza sadrži mali udio i bočnih lanaca stupnja polimerizacije između 4 i 100, vezanih na glavni lanac α-1→6 glikozidnim vezama.

Škrobna granula

Molekule amiloze i amilopektina povezane vodikovim vezama (kompaktna struktura).

Jedan dio molekula amilopektina izgrađuju kristalna, a drugi dio zajedno sa amilozom amorfna područja.

Oblik i veličina razlikuju se s obzirom na botaničko porijeklo škroba.

Veličina škrobna granule iznosi od 1 do 100 μm.

Mikroskopski izgled granula različitih vrsta škrobova

Raspodjela amorfnih i kristalnih područja

• Nativni škrobovi nisu topljivi u hladnoj vodi, što omogućava laku ekstrakciju granula škroba iz biljnog materijala (kukuruz, pšenica,…).

• Škrobna granula, ovisno o porijeklu sadrži: lipide, slobodne masne kiseline, proteine i minerale.

• Granula može sadržavati 1 do 2 % navedenih komponenti.

Škrobna granula

Škrob - izvor energije

Škrob kao i šećeri razgrađuju se u organizmu do jednostavnog šećera - glukoze uz pomoć enzima

Organizam koristi Glukozu kao izvor energije (otopina glukoze se koristi kao infuzija)C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energija

Škrob zbog složenije molekularne strukture duže se (sporije) razgrađuju do glukoze Razgradnjom škroba-postepeno se povisuje koncentracija glukoze u krvi, postupno povećavaju lučenje inzulina i osiguranje energije tijekom dužeg razdoblja

ŽELATINIZACIJA I RETROGRADACIJA ŠKROBA

Želatinizacija škroba

Škrob se prilikom industrijske primjene u većini slučajeva mora otopiti.

Otapanje škroba u vodi moguće je jedinu uz zagrijavanje – želatinizacija škroba.

Želatinizacija je jedno od najvažnijih fizikalnih svojstava za karakterizaciju škroba.

Složen proces koji se odvija u više faza.

Na početku zagrijavanja suspenzije škroba dolazi do apsorpcije vode u granulu – bubrenje granule (reverzibilne hidratacije u amorfnim dijelovima granule škroba gdje su prisutne slabe vodikove veze).

Daljnjim zagrijavanjem započinje razaranje amorfnih dijelova granule te dolazi do dodatnog bubrenja.

Želatinizacija škroba

ZAGRIJAVANJE

Daljnjim povišenjem temperature granule kontinuirano primaju vodu do određene granice nakon koje granule naglo ekspandiraju.

Djelovanjem naprezanja (miješanjem) dolazi do raskidanja veza i u kristalnom području, potpuna razgradnja granule i otapanja molekula.

Promjene tijekom zagrijavanja suspenzije kukuruznog škroba promatrano http://www.dnatube.com/video/6236/Gelatinization-of-potato-starch

Želatinizacija škroba

Proces želatinizacije se odvija u određenom temperaturnom rasponu.

Temperatura, odnosno temperaturni raspon u kojem dolazi do želatinizacije prije svega ovisi o:

vrsti škroba i količini vode.

Želatinizacija škroba

Parametri želiranja različitih škrobova (DSC).

Izvor

škroba

T0

(°C)

Tp

(°C)

Tc

(°C)

ΔHgel

(J/g)

Krumpir 59,72-66,2 62,9-69,6 67,28-75,4 12,55-17,9

Kukuruz 62,3 67,7 84,3 14,0

Voštani kukuruz 66,6 73,6 - 14,2

Amilozni kukuruz 66,8 73,7 - 13,7

Riža 66,0-67,26 69,74-71,94 74,08-78,04 8,16-10,88

Pšenica 46,0-52,4 5,2-57,6 57,8-66,1 14,8-17,9

Proces želatinizacije se odvija u određenom temperaturnom rasponu.

• IZ RAZLOGA ŠTO SE GRANULE RAZLIČITE VELIČINE OTAPAJU PRI RAZLIČITIM TEMPERATURI

• VEĆE GRANULE SE POČINJU OTAPATI PRI NIŽIM TEMPERATURAMA-MANJE pri višim

• SMANJENJEM KOLIČINE VODE POMIČE SE TEMPERATURA ŽELATINIZACIJE PREMA VIŠIM VRIJEDNOSTIMA

• ŠKROBOVI PRI DOVOLJNOJ KOLIČINI VODE POČINJU ŽELATINIZIRATI NA TEMP OKO 60 C A ZAVRŠETAK ŽELATINIZACIJE JE 70-80

Želatinizacija škroba

TEMPERATURA

ŽELATINIZACIJE

VEĆE

GRANULE

VEĆA KOLIČINA VODE

MANJE

GRANULE

MANJA

KOLIČINA VODE

0,5 L Hladnog mlijeka

0,5 L Vrelog mlijeka

Gustoća ? = Gustoća ?

Otapanjem škrobnih granula dolazi do povećanja viskoznosti pri čemu nastaje pasta (primjer priprema pudinga).

Pasta se sastoji od otopljenih molekula amiloze i/ili amilopektina i neotopljenih dijelova granula.

Potpuno otapanje svih dijelova može se postići pri visokim temperaturama uz snažno miješanje i dovoljnu količinu vode.

Hlađenjem paste dolazi do povećanja viskoznosti gdje pri dovoljnoj koncentraciji škroba nastaje GEL

(primjer: Puding)

Želatinizacija škroba

• Slika 33. Krivulje mjerenja reoloških svojstava paste nativnog i modificiranih škrobova krumpira tijekom zagrijavanja

• Hlađenjem želatiniziranog sustava škrob/voda sustav spontano prelazi u stanje s manjim sadržajem energije.

• Molekularne interakcije između otopljenih molekula škroba POVEZIVANJE MOLEKULA nazivaju se retrogradacija.

• Povezivanje i kristalizacija otopljenih molekula škroba UZROKUJE razdvajanje faza polimera i otapala (odvajanje škroba i vode - sinereza).

• Molekule amiloze imaju znatno veću tendenciju retrogradacije zbog ravno lančane strukture

Retrogradacija škroba

Retrogradacija je vrlo složen proces na koji utječe mnoštvo čimbenika:

Vrsta škroba. Koncentracija škroba. Temperatura želatinizacije. Temperatura skladištenja. pH. Prisutnost drugih tvari (lipida, hidrokoloida i šećera).

Retrogradacija škroba

Retrogradacija škroba može imati slijedeće učinke:

porast viskoznosti u početku-kasnije sniženje viskoznosti proporcionalno retrogradaciji,

pojava neprozirnosti i mutnoće,nastajanje taloga,stvaranje gela iizlučivanje vode (sinereza).

Retrogradacija škroba

Sirovine za proizvodnju škroba

Kukuruz.

Pšenica.

Krumpir.

Tapioka.

Riža.

Proizvodnja škroba

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1995 2000 2005 2010 2015

Godina

Škr

ob

(m

iliju

ni t

on

a)

EUOstatak svijetaSADJapanUkupno

Proizvodnja škroba

Od ukupne količine proizvedenog škroba

20 % koristi se izravno kao nativni

škrob

50 % prevodi se u hidrolizate

30 % različiti derivati škroba (modificirani

škrobovi)

M o d i f i c i r a n i š k r o b o v i predstavljaju različite proizvode koji nastaju kemijskim, fizikalnim ili enzimskim djelovanjem na prirodni škrob. Pri tome dolazi do promjena na fizikalnoj i/ili kemijskoj strukturi škroba.

Proizvodi na bazi škroba

H i d r o l i z a t i š k r o b a su derivati koji nastaju hidrolitičkom razgradnjom molekula škroba (enzimska, kemijska, enzimsko-kemijska hidroliza).

Proizvodnja ekspandiranih proizvoda (flips,...)

Pekarskih proizvoda (izvor lako-fermentirajućih šećera, okus, boja kore).

Kao zamjenske masti u pekarskoj industriji, u proizvodnji sladoleda, umaka, preljeva, pudinga, …

PRIMIJENA ŠKROBA I PROIZVODA NA BAZI ŠKROBA

Žvakaćih guma,

Zaštitni preljevi za kandirano voće, čokoladne bombone, glazure za različite grickalice, keksi…

Majoneze, preljevi za salate, umaci.Proizvodnja mliječnih prerađevina (jogurt, vrhnje, deserti)

Bomboni, karamele,...

PRIMIJENA ŠKROBA I PROIZVODA NA BAZI ŠKROBA

Rezistentni škrobovi

Imaju svojstva vlakana - prebiotici.

Dodaju se za proizvodnja visokokvalitetnih funkcionalnih konditorskih proizvoda.

Prebiotici su neprobavljivi ugljikohidrati koji služe kao hrana „dobrim” bakterijama u debelom crijevu i time pospješuju probavu i imaju još niz drugih pozitivnih učinaka na ljudsko zdravlje

Proizvodi hidrolize škroba

Maltozni sirup (maltodekstrini) Glukozni sirup i glukozni sirup osušeni Dekstroza monohidrat, Bezvodna dekstroza Fruktozni sirup Kristalna fruktoza

Škrobni hidrolizati-primjena

• Sladila u proizvodnji napitaka, konditorskih proizvoda, voćnih prerađevina, voćni jogurti, punjenja za pekarske proizvode...

• Konditorska industrija - sprječavanje kristalizacije saharoze u bombonskoj masi, poboljšanje konzistencije i okusa bombonskih proizvoda, sladoleda

• Kao zamjena za arabic gumu u proizvodnji žvakaćih guma• Proizvodnji dječje hrane.

Osim u prehrambenoj industriji škrob i njegovi derivati imaju veliku primjenu i u:

tekstilnoj,

farmaceutskoj,

kozmetičkoj (They are used in creams, lotions, body washes, shower gels and hair care product, powders, sun

care products, antiperspirant sticks,…),

Proizvodnja građevinskih materijala

industriji papira

ambalaže

Kukuruz

Kukuruz je jednogodišnja biljka botaničkog naziva Zea Mays.

Na osnovi povijesnih istraživanja, smatra se da je kukuruz bio poznat 5000 god. pr. nove ere.

Američki indijanci su tradicionalno uzgajali kukuruz, kasnije prenesen u ostatak svijeta, danas praktički uzgaja na svim kontinentima

Kukuruz

Prinosi kukuruza mogu znatno varirati jer ovise o mnogo čimbenika (vrsta, klima, voda, agrotehničke mjere, ....),

8-15 t/ha, a silažne mase 40-60 t/ha.

Slika 2.2. Proizvodnja i potrošnja kukuruza u svijetu.

Država 2002/03 2003/04 2004/05 2005/06

Argentina 15,500 15,000 20,500 15,800

Brazil 44,500 42,000 35,000 41,700

Kanada 8,999 9,600 8,840 9,461

Kina 121,300 115,830 130,290 139,365

EU-25 49,360 39,876 52,968 48,838

Indija 11,100 14,720 14,180 14,710

Meksiko 19,280 21,800 22,050 19,500

Rumunjska 7,300 7,020 12,000 10,300

SAD 227,767 256,278 299,914 282,311

Ukupna svjetska proizv. 602,974 625,690 712,209 695,404

Tablica 2.1. Najznačajniji svjetski proizvođači kukuruza (milijuni tona).

1

2

3

4

5

• Zrna kukuruza rastu na klipu kukuruza. • Klip sadrži do 1000 zrna koja sazrijevaju krajem

ljeta i u prosjeku teže oko 350 mg.

Zrno kukuruza se sastoji od četiri osnovna dijela:

• ljuska,

• klica te

• brašnasti endosperm i

• staklasti endosperm.

Endosperm čini najveći udio zrna (oko 82 %) te time sadrži i najviše škroba,

sastoji se od dva dijela: brašnastog i staklastog (rožastog) endosperma. Obično je odnos brašnastog i staklastog endosperma

0,35:0,65 te može varirati ovisno o sadržaju proteina i vrsti kukuruza.

Endosperm prosječno sadrži 98 % škroba, 0,74 % proteina te 0,16 % masti od ukupno prisutno u zrnu.

• Brašnasti endosperm ima znatno veće stanice, veće granule škroba i tanku proteinsku mrežu.

• Tanka proteinska mreža puca tijekom sušenja zrna, pri čemu nastaju praznine koje ovom dijelu daju bijeli „brašnasti“ izgled.

• U staklastom endospermu proteinska mreža je deblja te ne puca tijekom sušenja, nego se skuplja i vrši pritisak na škrobne granule zbog čega one poprimaju zbijeniju strukturu.

• Škrob iz brašnastog dijela, u odnosu na staklasti, izdvaja se znatno lakše.

• Dovoljno je namočiti zrno, usitniti ga i škrob isprati vodom.

• prilikom močenja-izdvajanja škroba iz staklastog endosperma potrebno je dodati i određene pomoćne tvari kako bi olakšali mekšanje čvrste i zbijene strukture.

Raspon Prosječno

Vlaga 7-23 14

Škrob 64-78 71,1

Proteini 8-14 9,91

Masti 3,1-5,7 4,45

Pepeo 1,1-3,9 1,42

Pentozani 5,8-6,6 6,2

Kruta vlakna 1,8-3,5 2,66

Vlakna 8,3-11,9 9,5

Celuloza 3,3-4,3 3,3

Šećeri 1,0-3,0 2,58

Tablica 2.3. Kemijski sastav kukuruznog zrna

Godina Visoko fruktozni sirup Glukoza Škrob Alkohol za gorivo Alkohol za pića

2006. 537 227 285 2150 135

2005. 535 225 280 1600 135

2004. 521 222 278 1323 133

2003. 530 228 271 1168 132

2002. 532 219 256 996 131

2001. 541 217 246 706 131

2000. 530 218 247 628 130

1999. 540 222 251 566 130

1998. 530 219 240 526 127

1997. 513 229 246 481 133

1996. 492 233 238 429 130

Tablica 2.4. Najznačajniji proizvodi industrijske prerade kukuruza u milijunima bushela (1 bushels=35,24 litre)

• Nakon berbe, kukuruz koji se skladišti mora se osušiti do udjela vlage ispod 14 %, kako bi se sprječio razvoj plijesni.

• Za industriju škroba najbolju kvalitetu ima kukuruz odmah nakon berbe.

• Sušenjem se snižava kvaliteta kukuruza, a time se poskupljuje proces prerade i iskorištenje.

• Kvaliteta kukuruza se naročito narušava ukoliko je temperatura tijekom sušenja visoka.

• Kukuruz oštećen mehanički ili mikrobiološki te napadnut insektima, naročito u većim razmjerima, nije pogodan za mokru preradu.

KRUMPIRKRUMPIR

Kemijski sastav krumpira ovisi o više čimbenika:Kemijski sastav krumpira ovisi o više čimbenika:

• sorta krumpirasorta krumpira

• uvjeti uzgojauvjeti uzgoja

• uvjeti i vrijeme čuvanjauvjeti i vrijeme čuvanja

Prosječni sastav krumpiraProsječni sastav krumpira

25% suhe tvari25% suhe tvariškrob 18,5%škrob 18,5% tvari s dušikom 2,1%tvari s dušikom 2,1%vlakna 1,1%vlakna 1,1%pepeo 0,9%pepeo 0,9%masti 0,2%masti 0,2%ostalo 2,2%ostalo 2,2%

KOLIKI JE UDIO ŠKROBA U SUHOJ TVARI?

Tapioka

Tropska područja

Najznačajnija područja uzgojaJužna AmerikaZapadna Indija

Tapioka

Grm – do 2,4 m visineKorijen – promjera oko 8 cm, duljina do 90 cm

Sadrži: 20 – 30 % škroba do 70 % vodeŠećera 5%Proiteina 1 %Vlakana 1 %Masti 0.5 % te pepela 0.5 %