Пищевые биополимеры, крахмалы и полисахариды

Крахмал — самый распространённый пищевой полимер, и почти всё, что он делает в еде, объясняется одной структурой и двумя переходами.

Зерно#

Крахмал запасается в растении в виде полукристаллических зёрен из двух глюкозных полимеров. Амилоза практически линейна. Амилопектин очень крупен и сильно разветвлён, а его наружные ветви попарно образуют двойные спирали, укладывающиеся в кристаллические ламели, чередующиеся с аморфными областями, — отсюда слоистая организация зерна.

Эта организация и есть причина того, что сырой крахмал нерастворим, сопротивляется ферментам и держит форму. Всё полезное делают, разрушив её и затем наблюдая, как она частично отстраивается заново.

Клейстеризация, затем ретроградация#

При нагреве в воде зерно поглощает воду и набухает, кристаллический порядок плавится в температурном интервале, характерном для ботанического источника, и амилоза вымывается наружу. Вязкость круто растёт по мере тесноты набухших зёрен; при дальнейшем воздействии зёрна дробятся и вязкость снова падает. Это клейстеризация — загущение соуса, схватывание заварного крема, превращение теста в мякиш.

При охлаждении и хранении рассеянные полимеры начинают вновь объединяться в упорядоченные структуры. Это ретроградация, и она идёт в двух временны́х масштабах. Амилоза перекристаллизовывается за часы, и именно она делает остывший крахмальный гель плотным. Амилопектин перекристаллизовывается за дни, его короткие наружные ветви медленно вновь образуют двойные спирали.

Черствение хлеба и есть этот второй процесс. Это полимерный фазовый переход, а не простая потеря влаги, — поэтому черствение идёт быстрее всего при температуре холодильника, заметно выше нуля, но ниже диапазона, в котором перекристаллизация обращается вспять, и поэтому кратковременный подогрев чёрствого хлеба во многом возвращает мягкость, снова расплавляя эти кристаллиты. Понимание этого и делает мальтогенные амилазы действенными средствами против черствения: подрезая наружные ветви амилопектина, они оставляют цепи слишком короткими, чтобы легко перекристаллизовываться.

Резистентный крахмал — категория физическая#

Крахмал, ускользнувший от переваривания в тонкой кишке, доходит до толстой и там сбраживается, ведя себя как пищевое волокно. Устойчивость возникает пятью разными путями, которые условно нумеруют: крахмал, физически заключённый в целых клеточных стенках или цельном зерне; нативные зёрна, чья кристаллическая форма сопротивляется амилазе, как в сыром картофеле и зелёном банане; ретроградированный крахмал, где перекристаллизация после варки и охлаждения сделала полимер недоступным; химически модифицированный крахмал; и крахмал в комплексе с липидом.

Третий из них и есть механистическая основа наблюдения, что варка с последующим охлаждением крахмалистой пищи повышает содержание резистентного крахмала. Эффект реален; его метаболическая значимость при обычных порциях скромна и в популярных изложениях регулярно преувеличивается.

Модификация, химическая и ферментативная#

Нативные крахмалы часто непригодны промышленно — слишком хрупки при сдвиге, в кислоте, при замораживании-оттаивании. Химическая модификация замещает или сшивает гидроксильные группы: сшивание укрепляет зерно против сдвига и кислоты, а замещение мешает ретроградации и улучшает устойчивость к замораживанию-оттаиванию. И то и другое нормируется и подлежит декларированию.

Ферментативный путь применяет ветвящие ферменты, амилазы и трансглюкозидазы, перестраивая полимер напрямую, и лежит в основе большинства «чистых» альтернатив. Он даёт менее точное управление результатом, чем химия, — и в этом состоит совершаемый размен.