نشاسته علاوه بر ارزش غذایی، به دلیل خواص فیزیکی خود در صنایع غذایی کاربرد گستردهای دارد. فرآیند ژلاتینه شدن نشاسته به طور وسیعی برای بهبود ظاهر، پایداری، بافت و کیفیت محصولات غذایی مورد استفاده قرار میگیرد. به همین دلیل بررسی رفتار رئولوژیکی نشاسته و پایش تغییرات ویسکوزیته آن در طول فرآیند حرارتی اهمیت زیادی دارد. این تست ها با دستگاه ویسکومتر چرخشی یا رئومتر (برای مراکز پیشرفته تر در واحد تحقیق و توسعه) انجام می گردد.
چالش اندازهگیری رفتار نشاسته
بررسی فرآیند ژلاتینه شدن نشاسته به دلیل وقوع مراحل مختلف در دماهای متفاوت کار سادهای نیست. برای اندازهگیری دقیق این فرآیند، از اندازهگیری ویژه و محفظه دمایی الکتریکی با قابلیت گرمایش و سرمایش سریع استفاده میشود. این تجهیزات امکان اندازهگیری دقیق فرآیند ژلاتینه شدن را فراهم میکنند. در مواردی که فشارهای بالاتر مورد نیاز باشد، میتوان از سل ویژه استفاده کرد.
ساختار نشاسته و تاثیر آن بر رفتار رئولوژیکی
نشاسته از دو جزء اصلی تشکیل شده است:
- آمیلوز : پلیمر خطی گلوکز که تمایل بالایی به تشکیل ژل دارد و در افزایش استحکام ساختار ژل نقش مهمی ایفا میکند.
- آمیلوپکتین: پلیمری شاخهدار که عامل اصلی تورم گرانولهای نشاسته و افزایش ویسکوزیته در حین گرم شدن است.
نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین در انواع مختلف نشاسته باعث ایجاد تفاوتهای قابل توجه در رفتار رئولوژیکی آنها میشود.
تغییرات ویسکوزیته در طول فرآیند ژلاتینه شدن چگونه است؟
منحنی ویسکوزیته نشاسته بسته به نوع نشاسته میتواند تفاوتهای قابل توجهی داشته باشد. در دمای 35 درجه سانتیگراد، نشاسته در آب نامحلول است. بنابراین سیستم اندازهگیری باید بتواند گرانولهای نشاسته را به صورت معلق نگه دارد و از تهنشینی آنها جلوگیری کند. با افزایش دما، گرانولهای نشاسته شروع به متورم شدن میکنند. این تورم باعث افزایش قابل توجه ویسکوزیته میشود. بسته به نوع نشاسته، در یک دمای مشخص حداکثر ویسکوزیته و در نتیجه حداکثر حجم حاصل میشود. پس از رسیدن به این نقطه، گرانولهای نشاسته تخریب شده و ویسکوزیته کاهش پیدا میکند. با سرد شدن نمونه، ویسکوزیته دوباره افزایش مییابد که این افزایش ناشی از ژلاتینه شدن نشاسته است.
دستگاه رئومتر آنتون پار به همراه سل نشاسته
آزمون رئولوژی نشاسته با Starch Cell
استفاده از دستگاه رئومتر مجهز به سل نشاسته (Starch Cell) آن را به سیستمی برای مطالعه ژلاتینه شدن و خمیرشدن نشاسته در شرایط کنترلشده تبدیل میکند. این سیستم با استفاده از گرمایش الکتریکی و خنک سازی، امکان دستیابی به نرخهای بالای تغییرات دمایی را فراهم میکند. طراحی همزن به گونهای است که از تهنشینی ذرات نشاسته قبل از متورم شدن جلوگیری میکند. همچنین ظرف و همزن از فولاد ضدزنگ ساخته شدهاند و به راحتی تمیز میشوند. سیستم گرمایش و سرمایش قادر است نرخ گرمایش تا 90 درجه سانتیگراد در دقیقه و نرخ سرمایش تا 45 درجه سانتیگراد در دقیقه را فراهم کند. آزمایشهای نشاسته در فشار محیط تا دمای 99 درجه سانتیگراد قابل انجام هستند.
مزایای این سیستم چیست؟
درپوش ویژه دستگاه از تبخیر آب یا سایر حلالها در دماهای بالا جلوگیری میکند. در نتیجه غلظت واقعی نشاسته در طول آزمایش حفظ میشود. همچنین حساسیت بالای رئومتر امکان اندازهگیری سوسپانسیون هایی با ویسکوزیته پایین و غلظت کم نشاسته را فراهم میکند. حجم نمونه مورد نیاز نیز تنها حدود 18 میلیلیتر است.
اندازهگیری تحت فشار
برای شبیه سازی فرآیندهای تولید مواد غذایی در شرایط واقعی، میتوان از Starch Pressure Cell استفاده کرد. این سیستم امکان بررسی ژلاتینه شدن نشاسته و فرآیندهای پخت را در دماهایی تا 160 درجه سانتیگراد و فشارهایی تا 30 بار فراهم میکند. این قابلیت به ویژه برای شبیهسازی فرآیندهایی مانند استریلیزاسیون مواد غذایی مفید است.
پارامترهای قابل اندازهگیری در منحنی ویسکوزیته نشاسته
نرمافزار دستگاه قادر است پارامترهای مهم نشاسته را به صورت خودکار محاسبه و گزارش کند، از جمله:
- پیک ویسکوزیته (peak viscosity): بیشترین مقدار ویسکوزیته ثبت شده در طول فرآیند گرمایش
- زمان رسیدن به پیک (peak time): مدت زمان لازم برای رسیدن به حداکثر ویسکوزیته
- دمای ژلاتینه شدن (pasting temperature): دمایی که در آن افزایش ویسکوزیته آغاز میشود
- حداقل ویسکوزیته (minimum viscosity): کمترین ویسکوزیته پس از تخریب گرانولها
- ویسکوزیته نهایی (final viscosity): ویسکوزیته اندازهگیری شده پس از سرد شدن کامل نمونه
- Breakdown: اختلاف بین ویسکوزیته پیک و حداقل ویسکوزیته
- Setback: میزان افزایش ویسکوزیته در طول سرد شدن که بیانگر تمایل نشاسته به تشکیل ژل است
کاربردهای دیگر سل نشاسته
علاوه بر نشاسته، این سیستم برای بررسی مواردی همچون دناتوره شدن پروتئین ها ، تعیین دمای ژلاتینه شدن آرد و مالت ، استریلیزاسیون محصولات لبنی و فرآیند پخت مواد غذایی نیز کاربرد دارد، که در صنایع غذایی و نوشیدنی، خوراک دام، محصولات گیاهی، داروسازی، چسب ها و مواد اتصال دهنده استفاده میشوند.
جمعبندی
رئولوژی نشاسته ابزاری مهم برای بررسی فرآیند ژلاتینه شدن و تغییرات ویسکوزیته در طول گرمایش و سرمایش است. اندازهگیری این تغییرات اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار انواع مختلف نشاسته فراهم میکند. استفاده از سیستمهای تخصصی مانند Starch Cell امکان اندازهگیری دقیق این فرآیندها و شبیهسازی شرایط واقعی تولید مواد غذایی را فراهم میسازد.
جمع آوری شده توسط تیم فنی شرکت وارش شیمی بهار