Nişasta: kimyasal yapı Nişasta bir homopolisakkarittir: -D-glukoz polimeri MW: 50.000-1000000 Yapısında iki tür polimer bulunur; 1. Amiloz: -1,4 bağlı glukoz polimeridir (amorf) Düz zincir halinde (500-2000 glukoz birimi) MW:250.000 İyot ile mavi renk verir. Amiloz, suda heliks şekli oluşturur. İyot, bu heliksin ortasına girerek karakteristik mavi renk görünmesine neden olur. Bu renk, çözelti ısıtılınca kaybolurlar soğutulunca tekrar ortaya çıkar. 1 2 2. Amilopektin: -1,4 bağlı glukoz birimleri ile -1,6 bağlı dallanma noktalarından oluşur (kristalin) Her 24-30 glukoz kalıntısında bir dallanma görülür Her dalda 20-30 glukoz bulunur. MW: 10 8 İyot ile mavi renk vermez Amiloz miktarı: %17 (pirinç) - %38 (mercimek) %20-27 (hububat ve yumru) Normal nişastalar: Amiloz/ Amilopektin = %23 / %77 Amilotip nişasta: yüksek oranda amiloz içerir mısırın yüksek amiloz (%55-70) içeren çeşitli mutantları bulunmaktadır Mumsu (waxy) nişastalar: %100 amilopektin 3 normal ve mumsu mısır nişastası = A-tipi X-ray amilotip mısır nişastası= B-tipi X-ray 4 Amilopektin molekülünde 3 zincir bulunur: A-zinciri: α -1,4 bağlı glucose (PD12-20) B-zinciri: α -1,4 and α -1,6 bağlı glucose (PD 30-45) C-zinciri: α -1,4 and α -1,6 bağlı glucose ve indirgen uç (PD >60) Bu zincirler yanyana gelerek paraalel yığınlar şeklinde 5-7 nm kalınlığında kristal bölgeleri oluşturmaktadır 5 6 1
Amilopektinin yapısını tam olarak belirlemek imkansızdır. Molekülün tanımlanmasında gerekli olan zincir uzunluğu ve dallanma noktalarının yerlerinin belirlenmesi için enzimatik yöntemler kullanılmaktadır. β-amilaz nişasta molekülünün indirgen olmayan ucundaki α-1,4 glikozitik bağları kırarak 1 birim maltozu uzaklaştıran enzimdir. Dallanma noktalarına geldiğinde ise bu noktaları geçemez, o nedenle amilopektin β-amilaz ile %55 oranında degrade olabilir. Maltoz ve β-limit dekstrinler oluşur. Dallanma Noktalarına Etki Eden (Debranching) Enzimler: İsoamilaz, Pullulanaz α-1,6 glikozitik bağları hidrolize eder, α-1,4 bağlarını kıramaz. Sonuçta kısa lineer zincirler oluşur. 7 Isoamilaz ile pullulanaz arasında küçük bir fark vardır. Isoamilaz hidrolizi gerçekleştirmek için en az 3 glukozdan oluşan zincire ihtiyaç duyar, pullulanaz için ise 2 glukoz yeterlidir. Bu farktan yararlanılarak amilopektindeki A ve B zincirlerinin oranları bulunabilmektedir. β-limit dekstrin + pullulanaz: A ve B zincirlerinin hidrolize eder β-limit dekstrin + isoamilaz: B zincirinin hepsini, A zincirinin ise yarısını hidrolize eder. Zincir uzunlukları jel filtrasyon tekniği ile belirlenir ve aradaki farktan A zincirinin yarısı bulunur, A ve B hesaplanır. 8 Nişasta bileşimindeki diğer maddeler Nişastanın bileşiminde çok düşük miktarlarda bazı maddeler de bulunur. Miktarları az olmasına rağmen nişastanın özelliklerini etkileyebilirler. Tahıl nişastalarında düşük düzeyde (%0.5-1.0) yağ içerirler (polar lipidler). Tahıl haricindeki kaynaklardan elde edilen nişastalarda yağ yoktur. Fosfor ve Azot içerirler. Fosforun çoğu fosfolipid şeklindedir. Patates nişastasındaki fosfor glukoz ile esterleşmiş formdadır. 9 Nişastanın Jelatinizasyonu Nişasta granülleri suda çözünmezler, suyu adsorbe ederek granüller şişer. Su polisakkarit yapıdaki OH gruplarına H-bağı ile bağlanır ve amorf faza adsorblanır. Kristal bölgelerdeki zincirler arası bağlar çok kuvvetli olduğu için suya karşı sterik engel oluştururlar. Nişasta kuru ağırlığının %30 u kadar suyu yapısına alabilir. Granülün şişmesi ile %5 hacim artar (geri dönüşümlü değişimler) 10 Sıcaklık artırılırsa, belli bir sıcaklık değerinden sonra (jelatinizasyon sıcaklığı) granül düzenli yapısını ve çift kırınım özelliğini kaybeder (= jelatinizasyon) Normal buğday nişastası: 50-58 C Isıtmanın sürdürülmesiyle nişasta granülleri kısmen çözünür ve çözünen nişasta çözeltiye geçer. Çözünür nişasta suyu bağlayarak viskozitenin artmasına neden olur (=çirişlenme, pasting, pişme). Tüm granül çözünür hale gelinceye kadar devam eden bir aşamadır, viskozite zamanla artar. (Çözünürlük sıcaklığa bağlıdır) 11 Bir süre sonra viskozite düşmeye başlar. Bunun nedeni karıştırmanın etkisi ile amiloz zincirlerinin aynı yönde dizilimidir (=shear thinning, karıştırma ile incelme) Kıvamlı bir ürün üretimi için olumsuz bir özelliktir. (karıştırma süresi!) Pişirmenin ardından soğutma uygulandığında moleküller arasında yeni H-bağlarının oluşmasıyla sistemin viskozitesi tekrar artmaya başlar (=set back, katılaşma), sonunda jel oluşur. 12 2
Jel içinde su tutuklanmış olarak bulunmaktadır, yapıdan dışarı sızmaz. Ancak, bu jel bekletilirse nişasta zincirleri birbirleriyle etkileşime girerek aralarında yeni H-bağları oluşur, yapıdan su sızmaya başlar (= sineresis). Sadece su içeriği yüksek olan sistemlerde gözlenebilir. Nişastanın sulu sistemde sıcaklık değişimi ile viskozitesinde meydana gelen değişimler Amilograf, RVA (Rapid ViscoAnalyzer) gibi cihazlarla incelenmektedir. Bekletme devam ederse, zamanla nişasta zincirleri arasındaki etkileşim artar ve nişasta zincirleri hidrojen bağları ile kuvvetlenerek ikili sarmal yapı şeklinde yeniden dizilmeye başlar, kristal yapı oluşur (= retrogradasyon, yeniden kristalizasyon) (Bayatlama) 13 14 15 16 Normal mısır nişastası ve asit hidrolizatları Amiloz / Amilopektin oranı jelatinizasyon ve retrogradasyonu etkilemekte normal nişasta = jelatinizasyon sıcaklığı 50-60 C yumuşak, zayıf jeller amilotip nişasta = jelatinizasyon sıcaklığı 150-160 C sert, elastik ve güçlü jeller Amilotip nişastadaki amilopektinin uzun zincirlere sahip olması nedeniyle daha dirençli kristaller oluşturduğu ve böylece ısıl işlemlere daha dayanıklı hale geldiği düşünülmektedir 17 18 3
19 20 Amiloz / Amilopektin oranı fizikokimyasal özellikleri etkilemekte amilotip nişastalar; asitle hidrolize daha dirençlidir su alma, şişme ve çözünürlük değerleri normal nişastalara göre daha düşüktür mumsu nişastalar; genelde mumsu olmayanlara göre daha fazla şişmektedir Sınırlı miktarda su Nişastanın jelatinize olabilmesi için belli oranda (nişastanın 2-3 katı) suya ihtiyaç vardır. Bunun altındaki oranlarda nişasta jelatinizasyonu gecikir yada tam gerçekleşmez. DSC: Differential Scanning Calorimety Bir sisteme ısı akışını sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçer. 21 22 23 DSC; Su miktarı yeterli ise keskin bir pik gözlenir (Jelatinizasyon piki). Su miktarı azaldıkça pik genişler. Pikin başlangıç noktası birefringe ın kaybolmaya başladığı noktadır (jelatinizasyon sıcaklığını) Su miktarının azalması pik başlangıç noktasını değiştirmez, son noktayı değiştirir (tamamlanmasını etkiler) Normal buğday nişastası için yeterli miktarda su ile ısıtma yaparken pik başlangıcı ile sonu arasında yaklaşık7c fark varken, su miktarı sınırlı olduğunda bu fark 30C ye kadar çıkar. 24 4
Pik altında kalan alan, düzenli bir yapının düzensiz hale geçmesi (kristal bölgenin erimesi) için gereken enerji miktarını verir (entalpi) Ayrıca sınırlı miktarda su ile nişasta granülünün şişmesi ve parçalanması daha az olacaktır. 25 26 Nişastalar, enzim inkübasyonu sırasındaki davranışlarına göre; Hızlı sindirilebilen nişasta : ekmek, patates (Rapidly digestible starch) Yavaş sindirilebilen nişasta : tahıllar (Slowly digestible starch) Enzime Dirençli Nişasta (EDN) Enzyme Resistant Starch (RS) sağlıklı bireylerin ince bağırsağında sindirilemeyen nişasta ve nişasta parçalanma ürünleridir RS1, RS2, RS3, RS4 Dirençli nişasta (Resistant starch) 27 28 29 30 5
Nişastanın Tatlılaştırılması Nişasta glukoz birimlerinden oluştuğu için nişastanın hidrolizi ile glukoz şurupları elde edilebilmektedir. Şeker Sakaroz 100 Glukoz 70 Maltoz 30 Fruktoz 180 İnvert şeker 130 Tatlılık derecesi DE (dextrose equivalent): hidrolize olmuş glikozidik bağların yüzdesidir (indirgenlik derecesi) Glukoz : DE=100% (1 indirgen uç/1 molekül) Maltoz: DE= 50% (1 indirgen uç/ 2 molekül) %10 (1/10) %20 (1/5 yada 2/10) 31 32 katı yüksek viskozite tatlı değil fermente edilemez sıvı düşük viskozite tatlı fermente edilebilir 33 Asit rasgele hidroliz α-amilaz Sadece düz zincirdeki α-1,4 bağını hidrolize eder. Amilopektinin dallanma noktasındaki α-1,6 bağını hidrolize edemez β-amilaz nişasta molekülünün indirgen olmayan ucundaki α- 1,4 bağlarını kırarak her seferinde 1 birim maltozu uzaklaştırır Glukoamilaz nişasta molekülünün indirgen olmayan ucundan glukoz birimlerini uzaklaştırır. Hem α-1,4 hemde α-1,6 bağlarını kırar. Fakat α-1,4 bağlarını daha hızlı hidroliz eder. Dallanma Noktalarına Etki Eden (Debranching) Enzimler α-1,6 bağları hidrolize eder. En sık kullanılan iki tanesi isomeraz ve pullulanaz dır. 34 Asit hidrolizi ile 40 DE şurup elde edilir (yan ürünler oluşmakta) α-amilaz ile düşük DE (10-25) değerli dekstrinler α-amilaz + β-amilaz ile yüksek DE (40-45) değerli maltoz şurupları β-amilaz + dallanma noktalarına etki eden enzimler (pullulanaz) ile 90-95 DE şuruplar glukoz izomeraz ile glukoz fruktoza dönüştürülerek yüksek fruktozlu şuruplar elde edilir (HFCS: %50 Glu, %42 Fru) Diğer Tahıllardaki Nişasta Tahıllardaki nişastanın şekli, büyüklüğü ve jelatinizasyon özellikleri kaynağına göre değişmektedir. Buğday, arpa ve çavdar iki farklı granül içerir: büyük-lentiküler ve küçük-yuvarlak. İkisinin de kimyasal yapısı ve özellikleri aynıdır. Bu üç tahılın jelatinizasyon özellikleri de benzerdir. DE değeri değiştikçe hidroskopi, çözünürlük, tatlılık, viskozite, jelleşme ve su bağlama kapasitesi değişmektedir. 35 36 6
Pirinç ve Yulaf bileşik nişasta granüllerine sahiptirler. (Birçok küçük granülden oluşan büyük bir granül) Pirinç; küçük, poligonal jeletinizasyın sıcaklığı ~70 C Yulaf; büyük, yuvarlak jeletinizasyın sıcaklığı ~55 C Tahıl Jelatinizasyon sıcaklığı (ºC) Granül şekli Arpa 51-60 Lentiküler Yuvarlak Buğday 55-62 Lentiküler Yuvarlak Çavdar 57-70 Lentiküler Yuvarlak Granül büyüklüğü (μm) 20-25 2-6 20-35 2-10 Mısır 62-72 poligonal 15 Yulaf 53-59 Poligonal 3-10 Pirinç 68-78 Poligonal 3-8 28 37 38 Modifiye Nişastalar Modifiye nişastalar; doğal nişastanın fiziksel, kimyasal veya enzimatik uygulamaların bir veya birkaçının birlikte kullanılmasıyla elde edilen fakat nişasta özelliklerini tamamen kaybetmeyip, belirli ölçüde koruyan nişasta türevleridir. Ürünlerin genel kalitesinin arttırılması için kullanılmaktadırlar. gıdanın dokusal yapısında iyileştirme görünüm özelliklerinin arttırılmasına mükemmel stabiliteye erişme 39 Modifiye nişastalar bir çok gıda uygulamalarında kıvam artırıcı, jelleştirici, nem tutucu, stabilite sağlayıcı, yapı oluşturucu veya bayatlamayı geciktirici olarak kullanılabilir. Uygulama alanları; Toz karışımlar (toz içecek ve çorbalar) Et sanayii, unlu mamuller Şekerlemeler Düşük kalorili gıdalar, Dondurulmuş gıdalar, Çerez, ketçap üretimi Gıda dışı sektörler (tekstil, kâğıt ve tutkal sanayii) 40 1. Asit modifiye nişastalar Bu yöntem ile nişastadaki α-1,4 glikozidik bağları asit ile hidroliz edilir. Nişasta çözeltisi %1-3 lük HCl veya H 2 SO 4 ile 50 C de 12-14 saat bekletilir. Çözelti nötralize edilir ve nişasta filtrasyonla ayrılır. Glikozidik bağlar kısmen hidrolize olmaktadır. Asit sadece amorf bölgelere etki eder, kristal yapı zarar görmez. Jelatinizasyon sıcaklığı artar Kısa zincirler oluştuğundan viskozite doğal nişastaya göre daha düşüktür. Zincirler arası etkileşim (retrogradasyon) artar ve daha sert jel yapı oluşur. Lokum, sakız, pastil gibi sert jöleli ürünlerde kullanılır. 41 42 7
2. Çapraz bağlı nişastalar Kullanılan ajanlar: Fosfor oksiklorit, Sodyum trimetafosfat, Adipik asit ve Asetik anhidrit karışımı En yaygın kimyasal modifikasyon yöntemidir. İki nişasta molekülü kovalent bağlarla bağlanarak daha büyük molekül oluşturulması sağlanır. Kovalent yapıdaki çapraz bağlar granül yapıyı kuvvetlendirir. granüllerin su alıp şişmesini kontrol eder jelatinizasyon sıcaklığı artar asidik ortamda yüksek viskozite sağlar retrogradasyon ve sineresis önlenir dondurma-çözündürme stabilitesi yüksektir 43 44 3. Stabilize nişastalar Genellikle asetat yada fosfat monoesterleri oluşturulur. Nişastanın eterleşme yada esterleşme ajanlarıyla reaksiyonu sonucu elde edilirler. Nişasta polimer iskeletindeki monofonksiyonel kimyasal engelleyici gruplar (asetil veya hidroksipropil gruplar gibi) ikame veya stabilize edilmiş olur. jelatinizasyon sıcaklığı düşer. Yüksek derecede stabilizasyonla oda sıcaklığında jelatinizasyon sağlanır (instant ürünler) retrogradasyon engellenir. donma-çözünme stabilitesi artar 45 46 4. Okside Nişastalar Nişasta kontrollü koşullar altında oksidasyon ajanları ile modifiye edilebilir. Daha çok gıda dışı alanlarda kullanılmaktadır. Tekstil (kola nişastası) ve kağıt endüstrisinde sıklıkla kullanılır. Gıda endüstrisinde ise et ürünlerindeki kaplama materyallerinin bileşiminde kullanılmaktadır. Ürüne daha iyi yapışma sağlar. Oksidasyon ajanı olarak; kalsiyum hipoklorit sodyum hipoklorit 5. Prejelatinize nişastalar Nişasta su ile birlikte jelatinizasyon sıcaklığının biraz üzerine ısıtılır ve ardından kurutulur. Böylelikle granül yapısı bozulmuş olur. Prejelatinize nişastanın en önemli özelliği soğuk suda da şişebilir olmasıdır. bebek mamalarında, dondurmalarda, soğuk suda çözünebilen kremalarda, hazır tatlılarda, soslarda, kremalarda, çorba ve kek karışımlarında kullanılmaktadır 47 48 8