فرآیند شناخت نشاسته

کربوهیدراتها

فراوانترین ترکیب آلی موجود در طبیعت هستند و 4/3 ماده خشک دنیای گیاهی را تشکیل می دهند. اطلاق این واژه (کربوهیدرات) مربوط به دورانی است که تصور می شد تمام ترکیبات متعلق به این گروه از نظر فرمولی هیدراتی از کربن با فرمول (C_x(H20)_Y) می باشند. با توجه به فراوانی و همچنین ارزانی کربوهیدراتها تامین کننده بخش اعظم انرژی در رژیم غذایی انسانها می باشد. میزان انرژی حاصله از هر گرم کربوهیدرات قابل هضم 1/4 کیلو کالری می باشد. به غیر از نشاسته و فیبر گلیکوژن سایر پلی ساکاریدها (سلولز ، همی سلولز و پکتین) بدون تغییر از دستگاه گوارش خارج می شوند. این گروه تحت نام فیبرهای غذایی هستند که در دیواره های سلول های گیاهی وجود دارند اگر چه به ظاهر فاقد اهمیت تغذیه ای هستند ولی به دلیل ایجاد حجم در مواد غذایی مصرف شده به وضعیت تخلیه مواد از روده کمک موثری می نمایند. این ویژگی سبب خروج مواد تجزیه شده یا نشده و غیر قابل جذب در روده میگردو از بروز نارسایی و سرطان روده جلوگیری می نماید. همچنین با اتصال به اسیدهای صفراوی باعث کاهش جذب مجدد آنها و در نتیجه کاهش کلسترول در خون می شود.

 

میزان کربوهیدراتها در بعضی از مواد غذایی

 

 

منوساکاریدها

منوساکاریدها یا تک قندیها می توانند از دو منبع اصلی بوجود بیایند که یکی گلیسر الدئید و دیگری دی هیدروکسی استون می باشند. از همین جهت است که برای نامگذاری یا مشخص کردن آنها از پیشوند آلدو و یا کتو (به معنی داشتن ریشه الدئیدی یا کتونی) و سپس ذکر تعداد کربن موجود در منوساکارید استفاده می شود مثل آلدو هگزوز. گلوکز فراوانترین منوساکارید موجود در طبیعت است.

CHO

|

H-C-OH

|

OH-C-H

|

H-C-OH

|

H-C-OH

|

CH₂OH

 

میزان قند آزاد در بعضی از مواد بر حسب درصد وزن مرطوب

 

 

قند انورت Invert Sugar

تشکیل دو قند گلوکز و فروکتوز از ساکارز موسوم به قند انورت است. دلیل این نام بواسطه تغییر جهت چرخش می باشد که در آن ساکارز از 5/66 + پس از هیدرولیز به 8/19 – تغییر پیدا میکند. قند انورت دارای حلالیت و شیرینی بیشتری نسبت به ساکارز می باشد و خاصیت جذب رطوبت زیاد دارد.

 

شیرینی نسبی قندها بر حسب درصد وزنی

 

 

پلی ساکاریدها Polysacharide

چنانچه تعداد واحدهای قند یا منوساکارید در یک کربوهیدرات  بیش از 10 واحد باشد. آن ترکیب قندی پلی ساکارید نامیده می شود. در صورتی که چنین کربوهیدراتی از یک نوع واحد قندی تشکیل شده باشد مثل نشاسته و سلولز هموپلی ساکارید گفته می شود و وقتی از بیش از یک نوع واحد قندی درست شده باشد مثل اکثر همی سلولزها هترو پلی ساکارید نامیده می شود.

 

نشاسته Starch

نشاسته پلیمری از ملکولهای گلوکز است. این ماده در بافت های گیاهی به صورت دانه هایی جدا از هم یا گراتول وجود دارد که قطر آنها از 2 تا 100 میکرون متغیر می باشد. خصوصیات این گرانولها در گیاهان مختلف بسیار متفاوت است. از این نظر می توانند به منزله مبنایی (از نقطه نظر مبدا) برای تقسیم بندی نشاسته های مختلف مورد استفاده قرار بگیرند. گرانول ها از لحاظ شکل ممکن است به صورت های کروی، بیضی و یا چند وجهی باشند که با میکروسکوپ قابل بررسی هستند این گرانولها اکثراً دارای یک مبدا مرکزی به نام هیلام (Hilum) می باشند که اغلب توسط حلقه های متحدالمرکزی احاطه شده اند. مهمترین منابع تهیه نشاسته ذرت، گندم، سیب زمینی، برنج کاساوا (به نام تاپیوکا) و ساگو میباشند.

 

تقسیمات نشاسته

نشاسته از دو قسمت یا دو نوع ملکول پلیمری تشکیل شده است . یک قسمت به صورت خطی و فاقد انشعاب موسوم به آمیلوز (Amylose) و قسمت دیگر که دارای انشعاب می باشد آمیلوپکتین (Amylopectin) نامیده می شود. معمولاً حدود 80-75 را آمیلو پکتین و بقیه آنرا آمیلوز تشکیل می دهد. اما در انواعی از نشاسته ممکن است نسبت های کاملا متفاوتی از این دو مولکول مشاهده شود. مثل نشاسته ذرتهای موتاسیون (جهش یافته) که تا 85 درصد آمیلوز داشته و یا نشاسته ذرتی که تماما از آمیلو پکتین تشکیل شده است . به طور کلی نسبت وجود دو آنزیم که سازنده اتصالهای مختلف در گیاه هستند مشخص کننده نسبت آمیلوز یا آمیلوپکتین در نشاسته آن گیاه می باشد. وزن مولکولی آمیلوز ممکن است 200-100 هزار برسد در حالی که وزن ملکولی گلوکز آمیلوپکتین در حدود یک میلیون می باشد. زنجیره ملکولی آمیلوز حالت مارپیچ یا هلیکسی دارد که هر دو آن از شش ملکول گلوکز درست شده است. این ویژگی ها باعث می گردد مواد مختلفی نظیر اسیدهای چرب یا برخی مواد طعم زا را بتواند درون خود جای دهد.

 

تشخیص نشاسته در ترکیبات

نشاسته می تواند با ید رنگ آبی ایجاد کند که از این ویژگی ممکن است برای شناسایی آن در موارد مختلف جهت پی بردن به تقلب در ارائه بعضی اقلام غذایی استفاده شود. همچنین می توان در صنعت تولید ورق کارتن چگونگی تقسیم نشاسته در ورق تولید شده را بررسی کرد. خصوصا هنگامی که قسمتی از ورق چسب نخورده و به اصطلاح دارای حباب است می تواند با جدا کردن لایه ها از فلوت بوسیله آب و پاشش محلول ید که معمولا از محلول بتادین استفاده می شود نسبت به بروز مشکل فوق اشراف پیدا نمود. تشکیل این رنگ اساساً به میزان یدی که در داخل مارپیچ قسمت خطی زنجیره گلوکز گرفتار می گردد و یا به عبارتی به طول زنجیره خطی بستگی دارد. که تنها قسمت آمیلوز این امکان را دارد. زیرا وجود حداقل 54 ملکول گلوکز که شامل 9 دور مارپیچ می باشد. لازم است حال آنکه آمیلو پکتین این ویژگی را ندارد.

ژلاتینی شدن

هنگامی که دانه ها یا گرانولهای نشاسته صدمه ندیده و پخته نشده در آب سرد قرار داده شوند مقداری آب جذب می کنند. این مقدار محدود بوده و تا حرارت  60 درجه فقط افزایش حجم اندکی در گرانولها صورت میگیرد در این حالت حرارت به شرط بالا رفتن دما می توان این افزایش تا تورم را به حالت قبل برگرداند. اما اگر تورم در حد زیاد انجام گیرد. گرانولها امکان برگشت به وضعیت اول خود را از دست میدهند که به چنین تغییری ژلاتینی شدن می گویند. زمانی که انرژی جنبشی ملکولهای آب افزایش پیدا می کند و می تواند بر قدرت جذب بین ملکولی نشاسته در گرانولهای (که ناشی از پیوندهای هیدروژنی است) فائق آید ملکولهای آب می توانند به درون گرانول نشاسته نفوذ نمایند تغییرات ایجاد شده در آب گرم غیر قابل برگشت است. نشاسته ژلاتینی شده پس از خشک شدن دارای قدرت جذب آب مجدد زیاد می باشد.

 

ویسکوزیته نشاسته

نشاسته ذرت و بویژه نشاسته گندم نسبت به انواع دیگر نشاسته ها در درجات حرارت بالاتری سبب افزایش ویسکوزیته محیط می شوند. در مورد ذرت و گندم ابتدا برای مدتی یک افزایش تدریجی وجود دارد . سپس افزایش ویسکوزیته با سرعت بیشتری صورت می گیرد که بعد از آن ویسکوزیته ثابت و بدون تغییر باقی میماند. به طور کلی ژلاتینی شدن اکثر نشاسته ها تا حرارت 95 درجه سانتیگراد صورت میگیرد. نشاسته های واکسی که اساسا از آمیلو پکتین تشکیل شده اند قادر به تولید ژل نمیباشند. پایداری و ثبات ویسکوزیته نشاسته در صنایع کاغذ و کارتن و نساجی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در صنعت مورد نظر (ورق کارتن) یا آگاهی از خصوصیات فیزیکی کاغذهای مصرفی فلوت و لاینر و همچنین استفاده صحیح و مناسب از نشاسته خصوصا نسبت به انتخاب ویسکوزیته مناسب بالاخص در هنگام استفاده از کاغذهای با جذب آب کم یقیناً کاهش ضایعات تولید تاثیر چشمگیر خواهد داشت.

 

گلیکوژن

گلیکوژن اساساً ذخیره کربوهیدراتی در بافتهای حیوانی است که در مقادیر کمی در جگر و عضلات وجود دارد. از نظر ساختمان نظیر آمیلوپکتین می باشد. با این تفاوت که وزن ملکولی آن بیشتر و دارای انشعابها یا شاخه های زیادتری است.

 

برداشت گلوکز از نشاسته یا تولید شربت

تولید شربت یا Syrup یکی از فرآورده های نشاسته است که دارای کاربرد وسیعی در صنایع می باشد. انجام این فرآیند ممکن است توسط مواد کانالتیک جهت هیدرولیز که بهترین آنها اسید کلریدیک می باشد و یا بکارگیری آنزیم آلفا آمیلاز یا استفاده توام اسید و آنزیم صورت گیرد. چنانچه فرآیند در سطح وسیعی به صورت کامل انجام شود محصول نهایی تماماً شامل ملکولهای گلوکز خواهد بود. در اینجا میزان هیدرولیز یا پیشرفت فرآیند تحت عنوان DE یا معادل Dextrose Equiratent مشخص می شود که بر حسب تعریف عبارت است از میزان کل قند احیا کننده به شکل دکستروز که به صورت درصد آن در کل ماده خشک محاسبه می شود. پس از پایان هیدرولیز و به رسیدن به DE مناسب محلول با کربنات سدیم Na₂Co₃ خنثی می شود و پس از صاف کردن و انجام عمل رنگ بری که توسط Caolen و Active Carbon شربت تولید شده را تا غلظت خاص مورد نیاز به وسیله Filter Press تغلیظ می نمایند. در هیدرولیز اسیدی باید توجه داشت که اگر این عمل از یک حد خاصی فراتر روند رنگ تیره و طعم تلخ در شربت ظاهر می گردد. چنانچه تجزیه نشاسته بصورت خشک با اسید صورت گیرد دکسترینهایی Dextrin بدست می اید که عمدتاً به منزله چسب بکار می روند.

 

دکسترینهای نشاسته

دکسترینهای نشاسته انواعی از نشاسته های تغییر یافته هستند که با بکارگیری حرارت در حضور مواد شیمیایی و یا بدون حضور این مواد یا از طریق هیدرولیز با اسید و یا تجزیه توسط آنزیم حاصل می شوند. از نشاسته های تغییر یافته علاوه بر مصارف غذایی در مواد غیر غذایی نظیر کاغذ و چرم  تولید چسب استفاده می شود.

 

شرحی از فرآیند تولید نشاسته گندم

جهت برداشت نشاسته گندم ابتدا آرد سفید یا آرد قنادی را ضمن ترکیب با آب و نمک طعام به میزان حداکثر 2% نسبت به وزن آرد مصرفی خمیری با رطوبت 30% ساخته می شود. سپس این خمیر یک Tromel  به طول معمولا 6 متر و شیب 5 تا 7 درجه و دور 6RPM می شود. در این محل با فشار آب خمیر فوق شسته میگردد که در این شستشو بافتهای پروتئینی به نام گلوتن که از خانواده گلوتین و گیلیادین می باشد از بافت کربوهیدراتی نشاسته و بافتهای همی سلولزی فیبر جدا میگردد که پس از جداسازی دقیق هر کدام در پروسه مربوطه خشک و دسته بندی میگردند. نشاسته های بدست آمده برحسب تفاوت در اندازه گرانولها به سه دسته . گروه A یا فوق تصفیه – گروه B  یا ممتاز – گروه C یا خوراک حیوانی تقسیم میگردند. معمولاً گرانولهای 20 تا 55 میکرون جزء خانواده های A – 10 تا 20 میکرون جزء خانواده B و کوچکتر از آنها جزء خانواده C  قرار میگیرند. نشاسته های فوق تصفیه بدلیل بزرگی گرانولها دارای خلوص بالاتر – ویسکوزیته بیشتر – شفافیت بیشتر می باشند . در این فرآیند برداشت محصولات تقریباً به اندازه های ریز می باشد.

 

نشاسته فوق تصفیه = 50%

نشاسته ممتاز= 10%

نشاسته حیوانی= 6%

گلوتن= 10%

لازم به یادآوری است به دلیل تفاوت در اندو سپرم های گندم این میزان احتمال افزایش یا کاهش را نیز خواهد داشت.

 

آزمایش های مربوط به نشاسته مورد استفاده در صنایع مقواسازی

 

انداه گیری رطوبت

جهت اندازه گیری رطوبت در نشاسته می بایست وزن مشخصی از نشاسته مرطوب را پس از توزین دقیق در گرم خانه (oven) که از قبل در دمای 130±5 درجه سانتی گراد تنظیم گردیده است قرار داده و پس از 1/5 ساعت نمونه ها را داخل دسیکاتور گذاشته و پس از خنک شدن توزین نمود. از تفاضل وزن نشاسته قبل و بعد از آزمون میتوان میزان رطوبت را با درصدی دقیق بیان نمود. بهترین میزان رطوبت جهت نشاسته فوق تصفیه 5 تا 10% می باشد.

 

اندازه گیری خاکستر

جهت اندازه گیری خاکستر در نشاسته می بایست پس از توزین نشاسته با ترازوی دقیق آنالیتیک در بوته چینی (Crose )  نمونه را در کوره الکتریکی که از قبل در دمای 900±25  درجه سانتی گراد تنظیم گردیده است به مدت 2 ساعت قرار داد و پس از اتمام در داخل دسیکارتور نگهداری کرد و همانند توزین جهت رطوبت عمل نمود.

هشدار – هنگام خروج Crose از کوره بایستی دقت نمود که انتقال به دسیکاتور باعث سوختگی آزمایشگر نشود.

 

اندازه گیری پروتئین

جهت اندازه گیری پروتئین که معنای آن تعیین میزان نیتروژن در آن ماده می باشد می بایست آزمایش معروف کلدال (Kajeld hall) که به اختصار بیان میگردد را انجام داد.

مقدار 1 گرم از نشاسته مورد نظر را که دارای رطوبت معمولی می باشد را انتخاب کرده و 7 گرم پودر سولفات پتاسیم (k₂so₄) و 3/. گرم سولفات مس (caso₄) را به همراه 25 درجه سانتی گراد اسید سولفوریک گرم و در دمای حدود 300 درجه سانتی گراد به مدت حداقل سه ساعت حرارت میدهیم که مرحله آغازین این آزمایش که هضم می باشد انجام گردد. اتمام آزمایش را از تغییر رنگ ترکیب فوق که از قهوه ای سوخته به زرد مایل به سبز می باشد می توان فهمید. پس از اتمام هضم و خنک کردن بالن هضم میزان 100 – 200 سی سی آب مقطر (ترجیحاً تازه ) اضافه کرده و آنرا خنک میکنیم . سپس میزان 70 – 80 سی سی سود کاستیک 50% ساخته شده را به آرامی اضافه می کنیم و حاصل را حرارت میدهیم. در مرحله بعد مقدار 25 سی سی اسید بوریک 3% ساخته شده را داخل ارلن یا بشر ریخته و چند قطره معرف تا شیرو (Tashiro indlzator) به آن اضافه نموده و بخارات حاصل از حرارت بالن را که توسط مبرد مایع گردیده را در آن جمع آوری نموده و آزمایش را تازمانی که حجم بشر یا ارلن 120 سی سی (حداقل) برسد ادامه میدهیم.

در مرحله آخر یا تیتراسیون محلول فوق را توسط اسید سولفوریک 1/. نرمال تیتر نموده و پس از تغییر رنگ معرف تیتراسیون را قطع نموده و با استفاده از فرمول زیر میزان پروتئین را محاسبه میکنیم.

که در آن

14- جرم اتمی نیتروژن

5.7 – N.X پروتئین (Europ N.X)

V_H – حجم اسید مصرفی 1/. نرمال

m – وزن نشاسته مصرفی

توجه : انجام این آزمایشات بدلیل استفاده از اسید – باز و آب که عمدتاً دارای حرارت می باشند بسیار خطرناک میباشد. ضمن دقت در ترکیبات پس از خنک کردن ظروف مربوطه حتما ً از وسایل ایمنی : دستکش – عینک – ماسک و ترجیحاً کلاه و چکمه استفاده شود . به واسطه تولید بخارات اسیدی و خطرناک و انتشار گاز So₂ حتماً تمامی مدت آزمایش از هود مناسب استفاده گردد.

 

روشهای ساختن چسب نشاسته

این فرآیند معمولاً به سه روش زیر قابلیت تهیه و استفاده دارد:

1-    ساخت چسب یک مرحله ای one fase process

2-    ساخت چسبهای حامل  carrirear

3-    چسب های آماده Prepareted process

 

1-    در فرآیند ساخت چسب یک مرحله ای یک مخزن نسبتاً حجیم با قدرت هم زنندگی بالا (power Agitation) مورد نیاز است. در این سیستم در اولین slurry از نشاسته که معمولاً غلظت مواد خشک آن حدود 10% می باشد ژل تهیه کرده و سپس با حجمی تقریباً 5/1 برابر مرحله اول و غلظتی معادل 30% چسب می سازند . در این روش میزان مواد جامد کل چسب حدوداً 3± %20 می باشد.

2-    در این روش که متشکل از 2 مخزن جداگانه می باشد بصورت زیر چسب را آماده میکنند.
در مخزن اول محلولی حدوداً %15-20 از نشاسته را آماده کرده و به میزان 10% وزن نشاسته از سود سوزآور به جهت تشکیل پل استفاده مینمایند. سپس در مخزن دوم محلولی از نشاسته با غلظت 25% و در حجمی حدوداً 3 برابر مخزن ژله نشاسته را آماده کرده و با مخزن اول ترکیب میکنند. مواد جامد کل در این سیستم حدوداً %17 – 25 می باشد.

3-    در این روش از نشاسته های اصلاح شده استفاده میگردد که قسمتی از آنها در آبی که دمای آن در تابستان دمای محیط می باشد ترکیب شده و پس از مدتی هم خوردگی قابلیت استفاده میکند و در نوع دیگر که عمدتاً نشاسته اکسیده می باشد استفاده مینمایند که نیاز به پخت در دمای 90 درجه سانتی گراد دارد. در این روش هم معمولاً مواد خشک و جامد حدود %15-20  می باشد . لازم به ذکر است چسبهای آماده به دلیل قیمت بالا جهت استفاده صرفه اقتصادی ندارند.

 

 

مدرس: آقای مهندس یاوری / شهریور1389

با تشکر از شرکت کارتن ایران ( واحد طرح و برنامه و آموزش )