Impact of high hydrostatic pressure on wheat, tapioca, and potato starches
Der Einfluss von hohem hydrostatischem Druck auf Weizen-, Tapioka- und Kartoffelstärke bei verschiedenen Drücken, Temperaturen und Behandlungszeiten wurden untersucht. Der Verkleisterungsgrad, die elektrische Leitfähigkeit und die Wasserbindekapazität der Stärkesuspensionen erhöhten sich mit steigendem Druck und steigender Behandlungsdauer. Die erhaltenen Verkleisterungskurven mit steigendem Druck ähnelten dem sigmoiden Verlauf, der charakteristisch für die thermische Verkleisterung ist. Der Verkleisterungsdruck der drei untersuchten Stärken war verschieden. Kartoffelstärke wies die höchste Druckresistenz auf, gefolgt von Tapioka- und Weizenstärke. Dies wurde auf die kristalline Struktur der Stärken zurückgeführt. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Druck, Temperatur und Druckhaltezeit wurde vorgeschlagen, Stärke als Druck-Temperatur-Zeit-Integrator in Druckprozessen einzusetzen. Zusätzlich wurde die elektrische Leitfähigkeit als ein effektives Medium für die schnelle Messung des Verkleisterungsgrades aufgezeigt. Druckbehandlungen bis 300 MPa in einer Hochdruckzelle unter einem Mikroskop ermöglichten in situ-Beobachtung von Quellung von Weizenstärkekörnern ohne Desintegration während einer Druckbehandlung. Dies bewies, dass eine Wasseraufnahme der Körner mit einer Volumenabnahme der Suspension verbunden ist, und bestärkte den Unterschied zwischen thermischem und druckinduziertem Verkleisterungsprozess. Für Tapioka- und Kartoffelstärken waren 300 MPa nicht ausreichend, um sichtbare Volumenveränderungen zu detektieren. Die Stärkesuspensionen wurden zusätzlich mit Lugol´scher Lösung angefärbt, und eine Entfärbung konnte nach einer Druckbehandlung für eine Stunde bei 300 MPa erfasst werden. Diese Entfärbung war für Weizenstärkekörner am deutlichsten, aber auch für Tapioka- und Kartoffelstärkekörner zu beobachten. Auch der Einfluss vom Wassergehalt der Stärkesuspensionen, von Salzen und Zuckern auf die druckinduzierte Verkleisterung wurde ermittelt. Grundsätzlich wurden in der Anwesenheit von Salzen und Zuckern ähnliche Effekte wie bei der thermischen Stärkeverkleisterung gefunden. Der Verkleisterungsdruck stieg in der Gegenwart von Zuckern, und der Verkleisterungsgrad korrelierte linear mit der Anzahl der äquatorialen Hydroxyl-Gruppen der Zucker. Druckinduzierte Stärkeverkleisterung hing stark vom Wassergehalt der Stärkesuspensionen ab, und der Verkleisterungsgrad sank in der Gegenwart von Zuckern und Wasserstruktur gebenden Ionen (z.B. SO42-) und stieg in der Anwesenheit von Wasserstruktur zerstörenden Ionen (z.B. SCN-). Demzufolge war die Verfügbarkeit an freiem Wasser entscheidend für die Verkleisterung von Stärke unter hydrostatischem Druck. Das Ausmaß des Einflusses von Salzen auf die druckinduzierte Stärkeverkleisterung hing von der Stärkesorte ab und war unabhängig von deren Druckresistenz. Bei hohen Salzkonzentrationen (> 2 M) folgte der Effekt von Chloriden auf die Druckverkleisterung von allen drei untersuchten Stärken der Reihenfolge Na<K<Li<Ca, was der Reihenfolge der Hofmeister-Reihe entspricht. Und bei Konzentrationen über 1M folgte der Effekt von Kaliumsalzen auf die Druckverkleisterung auch der Reihenfolge der Hofmeister-Reihe (Cl<BR<I<SCN). Da funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe mehr und mehr in den Vordergrund rücken, wurde angestrebt, einen Herstellungsprozess von resistenter Stärke (RS) aus Weizenstärke zu entwickeln, der einen Hochdruckbehandlungsschritt einschließt. Von allen getesteten Behandlungsschritten und - kombinationen ergab eine Säurehydrolyse hochdruckbehandelter Stärke gefolgt von 192 h Druck-Temper-Zyklen den höchsten Ertrag an RS mit 12.08 %. Hochdruck hat sich damit gegenüber der thermischen Behandlung zur Produktion von RS aus Weizenstärke nicht als überlegen erwiesen, allerdings befanden sich die Ausbeuten an RS aus thermisch verkleisterter Weizenstärke, wie in der Literatur beschrieben, in derselben Größenordnung. Es kann geschlussfolgert werden, dass druckinduzierte Verkleisterung viel Potential für die Entwicklung neuartiger Lebensmitteleigenschaften aufgrund abweichender physikalischer und struktureller Eigenschaften im Vergleich zu thermisch induzierter Verkleisterung bietet. Um die Unterschiede der Mechanismen von temperaturinduzierter und druckinduzierter Verkleisterung voll zu verstehen, ist zusätzliche Forschung notwendig, damit die Vorteile der druckinduzierten Stärkeverkleisterung für industrielle Produkte ausgenutzt werden können.
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