ORIGINAL SCIENTIFIC PAPER Utjecaj hidrokoloida na reološka svojstva Sveučilište J. J. Strossmayer u Osijeku, Prehrambeno-tehnološki fakultet, Kuhačeva 18, 31000 Osijek, Hrvatska (e-mail: jbabic@ptfos.hr) Sažetak U radu je provedeno istraživanje utjecaja karagena, guara, brašna sjemenki rogača i pektina (0,2 i 0,5%) na viskoznost paste te utjecaj spomenutih hidrokoloida na viskoznost škrobne suspenzije tijekom zagrijavanja od 25 do 90 ºC. Rezultati istraživanja pokazali su da je dodatak hidrokoloida voštanom kukuruznom škrobu značajno utjecao na njegova svojstva, pri čemu je utjecaj ovisio o udjelu i vrsti dodanog hidrokoloida. Hidrokoloidi su povisili viskoznost tijekom zagrijavanja suspenzije škroba kao i vrijednost koeficijenta konzistencije i prividne viskoznosti škrobnih pasti. Najveći utjecaj na navedena svojstva imao je dodatak brašna sjemenki rogača i guara. Dodatak 0,2% pektina doveo je do pada vrijednosti reoloških parametara pasti. Ključne riječi: voštani kukuruzni škrob, hidrokoloidi, želatinizacija, reološka svojstva Influence of the Hydrocolloids on the Rheological Properties of Waxy Maize Starch Abstract The objective of this study was to investigate influence of carrageenan, guar gum, locust bean gum and pectin (0.2 and 0.5%) on viscosity of waxy maize starch pastes, as well as influence of mentioned hydrocolloids on viscosity of starch suspensions during heating from 25 ºC to 90 ºC. Results showed that the addition of hydrocolloids to waxy maize starch promotes a great effect on the rheological properties of the hydrocolloid-starch mixture, and the extent of this variation is dependent on the concentration and type of the hydrocolloid added. Hydrocolloids increase the viscosity during heating, as well as consistency coefficient and apparent viscosity of starch pastes. The greatest influence on mentioned properties had addition of locust bean gum and guar gum. Addition of 0.2% pectin decreased rheological parameters values of waxy maize starch paste. Key words: waxy maize starch, hydrocolloids, gelatinisation, rheological properties. Zahvala Prikazani rezultati proizašli su iz znanstvenog projekta Razvoj novih modificiranih škrobova i primjena u prehrambenoj industriji, provođenog uz potporu Ministarstva znanosti, obrazovanja i športa Republike Hrvatske. Proceedings. 43 rd Croatian and 3 rd International Symposium on Agriculture. Opatija. Croatia (558-562) XXX) 558
Influence of the Hydrocolloids on the Rheological Properties of Waxy Maize Starch Uvod Škrob je ugljikohidrat koji ima značajnu primjenu kao sirovina u prehrambenoj industriji, gdje se koristi u svrhu postizanja određenih svojstava proizvoda, kao npr. ugušćivanja, stabilizacije koloidnih sustava, kao sredstvo za želiranje, vezanje vode, tvorbu filmova i vezanje arome (Funami i sur., 2005; Babić i sur., 2007). Škrob se u prirodi javlja u obliku granula koje se sastoje od dva polisaharida, amiloze i amilopektina. Oblik, veličina granule te udio amiloze i amilopektina ovise o botaničkom porijeklu škroba (Parker i Ring, 2001). Zagrijavanjem škrobne suspenzije dolazi do otapanja škrobnih granula, procesa koji se naziva želatinizacija škroba. Želatinizacijom škroba dolazi do nastanka paste. Pasta se sastoji od otopljene amiloze i/ili amilopektina i neotopljenih dijelova granula. Proces želatinizacije odvija se u određenom temperaturnom rasponu. Temperatura, odnosno temperaturni raspon želatinizacije prije svega ovisi o vrsti škroba i količini vode te prisutnosti različitih tvari u otopini (šećeri, hidrokoloidi i dr.) (Spigno i De Faveri, 2004, Babić i sur., 2006a). Mnoga istraživanja sustava škrob-hidrokoloid pokazala su sinergistički učinak koji se očituje u znatno višoj viskoznosti smjese u usporedbi sa pojedinačnim otopinama škroba i hidrokoloida (Babić i sur., 2006b, Sudhakar i sur., 1995). Škrob se samostalno ili u kombinaciji sa drugim hidrokoloidima često koristi kao sredstvo za postizanje određenih reoloških svojstava proizvoda. Poznavanje reoloških svojstava te utjecaja pojedinih sastojaka i dodataka na reološka svojstva hrane od velikog je značenja za vođenje procesa proizvodnje hrane, kontrolu kvalitete proizvoda, stabilnost tijekom skladištenja i općenito prihvatljivost gotovog proizvoda od strane potrošača. Cilj ovog rada bio je istražiti utjecaja karagena, guara, brašna sjemenki rogača i pektina (0,2 i 0,5%) na viskoznost paste (4%) pri 25 ºC te utjecaj spomenutih hidrokoloida na viskoznost škrobne suspenzije (4%) tijekom zagrijavanja od 25 do 90 ºC. Materijali i metode Škrob kukuruza, udio vode 9,02%; proizvođač Maisita, Agrana, Austria. Pektin, Classic AU 202; stupanj esterifikacije: 68-76%; udio vode 4,08% i karagen Aquagel GU 805; udio vode 3,95%, proizvođač Herbstreith & Fox KG Neuenbürg, Austria. Guar; udio vode 9,29% i brašno sjemenki rogača; udio vode 12,37%, proizvođač Giulini Chemie Ludvigshafen, Njemačka. Mjerenje reoloških svojstava provedeno je na rotacijskom viskozimetru, model DV III+ Digital Rheometer, Brookfield Engineering Laboratories (SAD), primjenom koncentričnog cilindra SC4-27 i SC4-29. Viskozimetar je povezan sa računalom, koje preko software-a Rheocalc 2.4 upravlja mjerenjem i vrši obradu podataka. Suspenzija (4%) pripremljena je dodavanjem škroba u destiliranu vodu ili odgovarajuću otopinu hidrokoloida (karagena, brašna sjemenki rogača guara ili pektina) kako bi se dobila smjesa sa udjelom 0,2%, odnosno 0,5% hidrokoloida. Suspenzija je prije mjerenja miješana na magnetskoj miješalici u trajanju od 30 minuta pri 400 o/min. Nakon miješanja, uzorak je odmah podvrgnut mjerenju reoloških svojstava. Mjerenje utjecaja zagrijavanja na viskoznost uzoraka škrobnih suspenzija provođeno je zagrijavanjem suspenzija od 25 do 66 C brzinom od 3,3 C/min, zatim od 66 do 90 C brzinom od 1 C/min, pri brzini okretanja mjernog tijela viskozimetra od 220 o/min. Odmah nakon zagrijavanja nastala pasta ohlađena je na 25 C te je pri toj temperaturi provedeno mjerenje reoloških svojstava tako da se brzina smicanja povećavala od 1 do 250 o/min. Nakon provedenog uzlaznog mjerenja provedeno je i povratno mjerenje. Za svaki uzorak provedena su dva mjerenja. Reološki parametri (koeficijent konzinstencije i indeks tečenja) izračunati su na osnovi ovisnosti smičnog naprezanja o brzini smicanja. Power-low model korišten je za izračun reoloških parametara škrobnih pasti pri 25 C: τ = k γ n gdje je: τ napon smicanja (Pa); k koeficijent konzinstencije (Pas n ); γ brzina smicanja (s -1 ); n indeks tečenja. Field Crop Production 559
Prividna viskoznost, (Pas) pri 100s -1 izračunata je primjenom izraza: = k γ n-1 Statistička obrada podataka Izračunate su srednje vrijednosti i standardna devijacija izmjerenih, odnosno izračunatih parametara u svim uzorcima. Za obradu podataka korišten je program Statistica 7,0. Rezultati i rasprava Na osnovi rezultata prikazanih na slici 1 vidljivo je da je od svih hidrokoloida dodanih u škrobnu suspenziju u udjelu od 0,2% najveći utjecaj na viskoznost tijekom zagrijavanja, a nakon temperature želatinizacije, imao guar, a najmanji pektin. Dodatak guara i brašna sjemenke rogača doveo je do blagog sniženja temperature želatinizacije voštanog kukruznog škroba. Dodatak hidrokoloida u udjelu od 0,5% imao je sličan učinak kao i u udjelu od 0,2%. Guar je i u ovom slučaju imao najznačajniji učinak, neznatno manji imalo je brašno sjemenki rogača, dok je najslabiji utjecaj na porast viskoznosti imao dodatak pektina (slika 2). Iz rezultata je također vidljivo je da je dodatkom guara i brašna sjemenki rogača do želatinizacije škroba došlo pri znatno nižim temperaturama u odnosu na ostale hidrokoloide i kontrolni uzorak. (mpas) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 VKŠ VKŠ + Pektin (0.2 %) VKŠ + Guar (0.2 %) VKŠ + Karagen (0.2 %) VKŠ + BSR (0.2 %) 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 T ( o C) Graf 1. Utjecaj dodatka hidrokoloida (0,2%) na promjenu viskoznosti suspenzija (4%) tijekom zagrijavanja (mpas) 1400 1200 1000 800 600 400 VKŠ VKŠ + Pektin (0.5 %) VKŠ + Guar (0.5 %) VKŠ + Karagen (0.5 %) VKŠ + BSR (0.5 %) 200 0 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 T ( o C) Graf 2. Utjecaj dodatka hidrokoloida (0,5%) na promjenu viskoznosti suspenzija (4%) tijekom zagrijavanja 560
Influence of the Hydrocolloids on the Rheological Properties of Waxy Maize Starch Paste bez i sa dodatkom pektina, karagena, guara i brašna sjemenki rogača koje su pripravljene zagrijavanjem škrobne suspenzije (od 25 do 90 C) ohlađene su te su im mjerena reološka svojstva pri 25 C. Izračunati reološki parametri dani su u tablici 1. Na osnovi prikazanih rezultata može se zaključiti da je dodatak hidrokoloida značajno utjecao i na reološka svojstva škrobnih pasta. Od hidrokoloida dodanih u udjelu od 0,2% najveći utjecaj na konzistenciju škrobne paste imao je dodatak guara. Vrijednost koeficijenta konzistencije paste škroba bez dodataka iznosila je 4,579 Pas n, dok je vrijednost koeficijenta konzistencije sustava škrob-guar iznosila 12,293 Pas n. Značajan je utjecaj i dodatka brašna sjemenki rogača, a nešto slabiji karagena. S druge strane dodatak 0,2% pektina uzrokovao je pad vrijednosti koeficijenta konzistencije paste voštanog kukruznog škroba. Dodatkom hidrokoloida u udjelu od 0,5%, došlo je do još značajnijeg porasta vrijednosti reoloških parametara (prividne viskoznosti i koeficijenta konzistencije), pri čemu je najveći utjecaj imao dodatak guara i brašna sjemenki rogača. Vrijednosti koeficijenata konzistencije pasti škroba voštanog kukruza uz dodatak 0,5% hidrokoloida iznosila je: škrob+guar; 33,788 Pas n ; škrob+bsr;,23,085 Pas n ; škrob+karagen; 17,11 Pas n ; škrob+pektin; 6,6 Pas n ; kontrolni uzorak; 4,579 Pas n. Vrijednosti prividne viskoznosti (pri 100 s -1 ) pasti povisile su se dodatkom svih hidrokoloida pri oba udjela (0,2 i 0,5%). Pri udjelu od 0,2% najveći utjecaj na povišenje imao je dodatak guara; 0,575 Pas, zatim BSR; 0,496 Pas, karagena; 0,395 Pas, pektina; 0,155 Pas (kontrolni uzorak 0,143 Pas). Vrijednosti prividne viskoznosti pasti sa dodatkom 0,5% hidorokoloida iznosile su: škrob+bsr; 1,273 Pas > škrob+guar; 1,254 Pas > škrob+karagen; 0,709 Pas > škrob+pektin; 0,285 Pas. Tablica 1. Reološki parametri pasti (4%) bez i uz dodatak hidrokoloida (0,2 i 0,5%). Reološka svojstva mjerena su pri 25 C Uzorci n K [Ps n ] μ (pri 100 s -1 ) [Pas] R 2 VKŠ 0,2481±0,01 4,579±0,03 0,143±0,06 0,9786 VKŠ + Pektin (0,2%) 0,3768±0,07 2,742±0,22 0,155±0,05 0,9726 VKŠ + Pektin (0,5%) 0,3179±0,06 6,600±0,13 0,285±0,08 0,9685 VKŠ + Guar (0,2%) 0,3353±0,06 12,293±0,11 0,575±0,02 0,9898 VKŠ + Guar (0,5%) 0,2849±0,02 33,788±0,09 1,254±0,12 0,9999 VKŠ + Karagen (0,2%) 0,3164±0,02 9,216±0,08 0,395±0,09 0,9875 VKŠ + Karagen (0,5%) 0,3087±0,03 17,110±0,08 0,709±0,08 0,9922 VKŠ + BSR (0,2%) 0,3337±0,05 10,677±0,14 0,496±0,11 0,9916 VKŠ + BSR (0,5%) 0,3708±0,06 23,085±0,17 1,273±0,03 0,9990 Power-law parametri: n, indeks tečenja; k, koeficijent konzistencije; μ, prividna viskoznost; R 2, koeficijent determinacije. VKŠvoštani kukuruzni škrob. Zaključci Dodatak hidrokoloida značajno je utjecao na viskoznost voštanog kukruznog škroba tijekom želatinizacije te na reološke parametre škrobne paste pri 25 C. Najznačajniji utjecaj na viskoznost tijekom zagrijavanja, a nakon temperature želatinizacije, imao je dodatak guara, a najmanji pektina. Koeficijent konzistencije škrobne paste povisio se dodatkom hidrokoloida (osim u slučaju dodatka 0,2% pektina), pri čemu su guar i brašno sjemenki rogača imali najznačajniji utjecaj. Prividna viskoznost paste, također je porasla dodatkom hidrokoloida, pri čemu je najveći utjecaj imao dodatak brašna sjemenki rogača. Literatura Babić J., Šubarić D., Ačkar Đ., Kovačević D., Piližota V. i Kopjar M. (2007). Preparation and characterization of acetylated tapioca starches. Deutsche Lebensmittel-Rundschau. (U tisku). Babić J., Šubarić D., Nedić Tiban N. i Kopjar M. (2006a). The effect of lactose and whey powder on the gelatinization and retrogradation of tapioca starch. Proceedings of the 4 th International Symposium on Food Rheology and Structure (ISFRS 2006). (P. Fischer, P. Erni, E.J. Windhab, ur.), Zürich, 707-708. Babić J., Šubarić D., Ačkar Đ., Piližota V., Kopjar M. i Nedić Tiban N. (2006b). Effect of pectin and carrageenan on thermophysical and rheological properties of tapioca starch. Czech J. Food Sci. 24: 275-282. Field Crop Production 561
Funami T., Kataoka Y., Omoto T., Goto Y., Asai I. i Nishinari K. (2005). Effects of non-ionic polysaccharides on the gelatinization and retrogradation behaviour of wheat starch. Food Hydrocoll. 19: 1-13. Parker R. i Ring S. G. (2001). Aspects of the physical chemistry of starch. J. Cereal Sci. 34: 1-17. Spigno G. i De Faveri D. M. (2004). Gelatinization kinetics of rice starch studied by nonisothermal calorimetric technique: influence of extraction method, water concentration and heating rate. J. Food Eng. 62: 337-344. Sudhakar V., Singhal R. S. i Kulkarni, P. R. (1995). Effects of sucrose on starch-hydrocolloid interactions. Food Chem. 52: 281-284. sa2008_0507 562