Крахмал — это природный полисахарид, представляющий собой основной резервный углевод растений. Химически крахмал относится к гомополисахаридам, так как состоит исключительно из остатков α-D-глюкозы, соединённых гликозидными связями. Его молекула характеризуется высокой молекулярной массой, которая может достигать нескольких миллионов дальтон.
Крахмал состоит из двух структурных компонентов: амилозы и амилопектина.
Амилоза представляет собой линейную цепь остатков α-D-глюкозы, соединённых α-(1→4)-гликозидными связями. Длина цепи варьирует от сотен до тысяч остатков глюкозы. Амилоза формирует спиральные структуры, способствующие гелеобразованию при охлаждении крахмальных растворов.
Амилопектин имеет разветвлённую структуру: основная цепь также состоит из остатков α-D-глюкозы, связанных α-(1→4)-гликозидными связями, а ветви формируются через α-(1→6)-связи примерно каждые 24–30 остатков. Разветвлённая структура амилопектина обуславливает его высокую растворимость и вязкость растворов.
Соотношение амилозы и амилопектина в растительных источниках варьирует. В кукурузе, пшенице и картофеле преобладает амилопектин, тогда как в некоторых видах риса содержание амилозы может достигать 30–35%.
Растворимость и набухание. Крахмал плохо растворим в холодной воде, но способен образовывать коллоидные растворы при нагревании, сопровождающиеся набуханием гранул. Набухание сопровождается разрушением кристаллических зон гранул и гидратацией полисахаридных цепей.
Йодная реакция. Амилоза образует комплекс с йодом, окрашивающийся в синий цвет, а амилопектин — в красно-фиолетовый. Эта реакция служит качественным тестом на присутствие крахмала и позволяет оценить содержание амилозы и амилопектина в смеси.
Гелеобразование. При нагревании крахмала с водой до температуры 60–80 °C происходит разрушение гранул и образование вязкого раствора. При последующем охлаждении амилоза формирует гель, удерживающий воду внутри спиралей, что используется в пищевой и фармацевтической промышленности.
Крахмал проявляет свойства полисахаридов и может вступать в реакции гидролиза и модификации:
Кислотный гидролиз. Под действием разбавленных кислот α-(1→4)-гликозидные связи расщепляются, образуя декстрины и, в конечном итоге, глюкозу. Этот процесс лежит в основе производства глюкозного сиропа.
Энзиматический гидролиз. Амилазы катализируют расщепление α-(1→4)-связей, формируя мальтозу и декстрины. В организме человека и животных этот процесс обеспечивает усвоение крахмала как источника энергии.
Этерификация и окисление. Крахмал способен образовывать сложные эфиры (например, ацетаты, фосфаты) и окисляться до поликарбоновых производных, что расширяет его применение в технических и медицинских областях.
Крахмал является основным источником углеводов в рационе человека и животных. Он выполняет функцию запасного вещества в растениях, локализуясь преимущественно в пластидиах (амилопластах). В организме человека крахмал подвергается ферментативному расщеплению до глюкозы, которая участвует в клеточном дыхании и синтезе гликогена.
Крахмал находит широкое применение в пищевой промышленности, медицине, химической и текстильной отрасли:
Пищевая промышленность. Используется в качестве загустителя, стабилизатора, текстуризатора и источника энергии. Применение модифицированных крахмалов позволяет улучшать структуру соусов, кремов и кондитерских изделий.
Фармацевтика. Служит наполнителем и связующим компонентом таблеток, а также основой для лекарственных гелей и пленок.
Техническая сфера. Используется в производстве клеев, бумаги, пленочных материалов и биополимеров, а также для получения биоразлагаемых пластиков.
Энергетика и химия. Гидролиз крахмала позволяет получать глюкозу и спирты, что используется в биотопливной промышленности.
Крахмальные гранулы имеют характерную форму и размер, зависящие от растительного источника. Гранулы картофеля крупные и овальные, риса — мелкие и полупрозрачные, кукурузы — средние с гладкой поверхностью. Под микроскопом видны кристаллические и аморфные зоны, где кристаллические участки обусловлены упорядоченной укладкой цепей амилозы, а аморфные — разветвлённой структурой амилопектина.
Физико-химические свойства крахмала могут быть изменены различными методами:
Физические методы. Термическая обработка (пророщивание, вспенивание, нагрев с водой) изменяет вязкость и способность к гелеобразованию.
Химические методы. Этерификация, эфирификация, оксидация и ацетилирование позволяют создавать крахмалы с улучшенной растворимостью, стабильностью при высоких температурах и уникальными функциональными свойствами.
Энзиматические методы. Применение специфических амилаз или трансглюкозилаз обеспечивает получение декстринов, мальтозных сиропов и других функциональных углеводов.
По происхождению и структуре крахмалы подразделяются на несколько типов:
Растительные: картофельный, кукурузный, рисовый, пшеничный, тапиоковый. Различаются размером гранул, содержанием амилозы и амилопектина, способностью к набуханию и гелеобразованию.
Модифицированные: физически, химически или энзиматически обработанные крахмалы, применяемые в промышленности для достижения специфических технологических характеристик.
Функциональные: гидролизованные, преджелатинизированные, ацетилированные, оксидированные крахмалы, используемые как пищевые добавки или технические материалы.
Крахмал способен формировать комплексы с различными молекулами: