Pflanzliche Stärke. Technologische und funktionelle Eigenschaften

Inhaltsverzeichnis

1 Stärke- Reservekohlenhydrat von Pflanzen

2 Stärkearten und ihre spezifischen Merkmale
2.1 Kartoffelstärke
2.2 Maisstärke
2.3 Weizen

3 Technologische Wirkung von Phosphor in Stärke
3.1 Chemische Strukturen von Phosphor in Stärke
3.2 Einfluss von Phosphor auf die funktionellen Eigenschaften von Stärke

4 Technologie der Stärkeherstellung
Erste Phase - physischen Trennung
Zweite Stufe – Extraktion
4.1 Stärke – Reservekohlenhydrat von Pflanzen
4.2 Glucose - Grundbaustein der Stärke
4.3 Amylose und Amylopektin
4.3.1 Amylose
4.3.2 Amylopektin

5 Technologischer Einsatz von Stärke
5.1 Verkleisterungsprozess der Stärke - gänzliche Desintegration von Stärkekörnern
5.1.1 Quellung
5.1.2 Verkleisterung
5.1.3 Gelierung - Gelbildung
5.2 Retrogradation

6 Funktionelle Eigenschaften von Stärke

7 Modifizierte Stärke
7.1 Veresterung
7.2 Veretherung
7.3 Physikalisch Modifiziert
7.3.1 Bei physikalisch modifizierten Stärken wird unterschieden zwischen:

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 6: Zeigt die Produktion des Schlüsselstoffs im Calvinzyklus

Abb. 7: Zeigt das Molekül Glucose

Abb. 8: Zeigt die Ringbildung von Glucose

Abb. 9: Zeigt das Amylosemolekül als Helix

Abb. 10: Zeigt das Amylosemolekül in Kettenform

Abb. 11: Zeigt das Amylopektinmolekül als Cluster- Struktur

Abb. 12: Zeigt das Amylosemolekül in Kettenform

Abb. 13: Zeigt die Elemente des Verkleisterungsprozesses

Abb. 15: Zeigt den Quellvorgang von Stärke

Abb. 16: Zeigt den Verkleisterungsvorgang von Stärke

Abb. 17: Zeigt die irreversible Desintegration des Stärkekorns

Abb. 18: Zeigt Stärkesuspension

Abb. 19: Zeigt veranschaulicht Synärese bzw. Rekristallisation einer Stärkematrix

Abb. 21: Zeigt das Fließverhalten und Gelbildung von Kartoffelstärke

Abb. 22: Zeigt das Fließverhalten und Gelbildung von Wachsmaisstärke

Abb. 23: Fließverhalten und Gelbildung

Tabellenverzeichnis

Tab. 3: Zeigt Modifikationseigenschaften durch Substitution

Tab. 4: Modifikationseigenschaften durch Vernetzung

Tab. 6: Zeigt Unterschiede bei physikalischen Stärken

1 Stärke- Reservekohlenhydrat von Pflanzen

Die Stärke ist das wichtigste pflanzliche Reservekohlenhydrat. Sie deckt den Kohlenhydratbedarf der meisten höheren Lebewesen zu einem überwiegenden Teil. Je nach Pflanzenart liegt sie als freie Stärkekörner (z.B. Kartoffel) oder dann eingebettet in einer Proteinmatrix (Getreide) vor.

Zunächst nimmt die Pflanze den Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf und wandelt ihn in das Basismolekül der Glukose um. Das Basismolekül wird dann für die Synthese der mit reiner Glukose verbundenen Stärkepolymere verwendet. Wie das Bild einer "Perlenkette" organisiert und strukturiert jede Pflanze ihre Makromoleküle aus Glukose auf unterschiedliche Weise. In Pflanzen erscheint Stärke als kleines Granulat, das in kaltem Wasser unlöslich ist.

Stärke wird in unseren Breiten meistens aus Kartoffeln oder Getreide gewonnen. Gewonnen wird Stärke aber auch aus zahlreichen anderen Pflanzen, von denen neben Weizen und Kartoffeln auch Reis (Bruchreis aus den Reisschälfabriken) und Mais besonders wichtig sind. International ist noch Maniok (Tapioka) eine wichtige Stärkepflanze. Die Gewinnung erfolgt durch Auswaschen der Stärke aus den Pflanzenteilen mit Hilfe einer Kochsalzlösung.

Die Stärke ist in den Pflanzen nicht direkt transportierbar, sondern muss dazu immer in Glucose und Maltose umgewandelt werden. Dazu werden die Enzyme a-Amylase, b-Amylase und Glucoamylase (Glucosidase) benötigt. Während Stärke ausschließlich in Pflanzen gebildet wird, gibt es als Pendent dazu im tierischen Organismus als Reservekohlenhydrat das Glykogen. Es gleicht im Aufbau dem Amylopektin, weist aber eine noch stärkere Verzweigung sowie ein höheres Molekulargewicht auf.

Die Stärkeindustrie trennt die Komponenten der Pflanze: Stärke, Protein, Zellulosehülle, lösliche Fraktionen und im Falle von Mais den Keim, aus dem das Öl gewonnen wird. Diese erste Phase der physischen Trennung: Brechen, Sieben, Zentrifugieren, etc Die Herstellungsmethoden sind jedoch für jede Anlage spezifisch und die industriellen Werkzeuge sind normalerweise einem Rohstoff (Mais, Weizen oder Kartoffel in Europa) gewidmet.

In der zweiten Stufe wird die Stärke, die in ihrer reinsten Form extrahiert ("native Stärke") oder sie wird weiterverarbeitet und durchläuft verschiedene Umwandlungen, die entweder darauf abzielen, ihre Leistung zu verändern ("modifizierte Stärke") oder Süßstoffe durch den Prozess der Hydrolyse zu erhalten.

Stärken sind in der Lebensmittelindustrie aufgrund der technologischen und funktionellen Eigenschaften ein wichtiges und unerlässliches Hilfsmittel bei der Lebensmittelherstellung Das Wissen um die Funktionalität der einzelnen Stärken ist wichtig um deren sinnvollen Einsatz zu bestimmen und eine optimale Produktqualität zu erreichen.

Stärke wird z.B. eingesetzt als:

- Verdickungsmittel (Viskositätserhöhung)
- Beeinflussung der Textur
- Stabilisator

2 Stärkearten und ihre spezifischen Merkmale

2.1 Kartoffelstärke

Kartoffelstärke hat einen hohen Reinheitsgrad, d.h. sie enthält fast gar kein Protein und Lipiden

Gekochte Kartoffelstärke zeichnet sich aus durch:

- einen neutralen Geschmack
- Klarheit und Transparenz
- hohe Viskosität
- lange Textur
- minimale Tendenz zum Schäumen

Kartoffelstärke enthält ca. 800 ppm Phosphat, das an die Stärke gebunden ist. Dieses Phosphat erhöht die Viskosität und gibt der Lösung eine niedrige Verkleisterungstempertur, hohe Quellfähigkeit und hohe Bindekraft.

2.2 Maisstärke

Maisstärke eine hohe Viskosität beim Verkleistern und kann somit gut in Lebensmitteln verwendet werden, die eine hohe Festigkeit erhalten sollen.

Für Fertigprodukte ist sie hingegen weniger geeignet, da die Wasserimmobilisation gezeigt hat, dass sich nach langer Lagerung ein Wasserüberstand bildet.

Hierdurch wird die Optik und Haltbarkeit beeinträchtigt.

2.3 Weizen

Weizenmehl besitzt einen hohen Anteil an Stärke und dem Klebereiweiß Gluten, das den Teig bindet. Daher eignet sich dieses Mehl besonders gut zum Backen. Weizen ist die einzige Getreideart, bei der Gluten in Verbindung mit Wasser eine viskoelastische (reversible Verformung) Masse bildet.

Negative Eigenschaften:

- Zu geringe Viskositätsleistung,
- fehlende Viskositätsstabilität bei Beanspruchung (pH, Hitze, Scherung, Gefrier-Tau-Prozesse),
- nicht so festes Gel, schäumt beim Kochen,
- Mehlgeschmack,
- milchiges Aussehen, Kleberbildung

3 Technologische Wirkung von Phosphor in Stärke

Phosphor: meist in Form von Phosphorsäure bzw. deren Salzen vorliegend in unterschiedlicher Bindung. Der Phosphorgehalt von Stärken steht im engen Zusammenhang mit ihren kleisterbildenden Eigenschaften und deren rheologischen Eigenschaften der Kleister selbst.

Dies gilt insbesondere für Kartoffelstärke, in der o-Phosphatsäuregruppen mit Hydroxylgruppen der C-Atome 6 esterartig verbunden sind. Der gesamtphosphorgehalt von Kartoffelstärke liegt bei 0,06 - 0,09 %.

In Weizenstärke liegt das Phosphor überwiegend in Form von an die Amlylosefraktion adsorbierten Phosphatiden vor. Der Gesamtphosphorgehalt liegt bei 0,06 – 0,07 % und Maisstärke zwischen 0,015 und 0,02%.

Amylopektin kann kovalent gebundenes Phosphat, welches keine Verbindung mit Amylose eingeht, enthalten. Kartoffelstärke enthält 10 bis 30 nmol Phosphat/mg Stärke. Cucurmastärken haben einen 2-4fach höheren Phosphorylierungsgrad als Kartoffelstärke, während Getreidestärken einen ca. 100fach geringeren Phosphorylierungsgrad besitzen.

Phosphor spielt eine äußerst wichtige Rolle bei den funktionellen Eigenschaften der Stärke, wie z.B. Pastenklarheit, Viskosität, Konsistenz und historische Stabilität. Phosphor in Stärke ist hauptsächlich in zwei Formen vorhanden: Phosphat-Monoester Derivate und Phosphorlipide. Die beiden Bestandteile haben gegensätzliche Auswirkungen auf die Eigenschaften der Stärkepaste.

Beispielsweise erhöhen Phosphat-Monoester-Derivate die Pastenklarheit und Pastenviskosität, während Phosphorlipide die Pasten undurchsichtig machen und die Pastenviskosität verringern.

3.1 Chemische Strukturen von Phosphor in Stärke

Studien haben gezeigt, dass Phosphor in Knollen-, Wurzel- und Hülsenfrüchtestärken in erster Linie in Form von Stärkephosphat-Monoester Derivaten vorliegt, während Phosphor in normalen Getreidestärken in Form von Phosphorlipiden vorliegt. In wachsartigen Stärken ist Phosphor als Stärke Phosphatmonoester vorhanden. Der Phosphorlipidgehalt der Stärke ist proportional zum Amylosegehalt der Stärke. Die meisten Stärken haben mehr als 80% Phosphor, der im Überstand gelöst und zurückgewonnen wird. Normale Mais- und Kartoffelstärken haben 100% gelöstes Phosphor Phosphatmonoester in nativen Stämmen, die hauptsächlich in Amylopektin vorkommen, nur eine Spur in Amylose.

Normale Reisstärke enthält bekanntlich einen substanziellen Anteil an Phosphorlipiden und Phosphatmonoestern.

3.2 Einfluss von Phosphor auf die funktionellen Eigenschaften von Stärke

Phospholipide in Stärke neigen zur Komplexbildung mit Amylose und mit langen Amylopektinketten und führen somit zu einer begrenzten Quellung und Dispersion und produzieren opake Stärkepasten. Stärke mit hohem Phosphorlipidgehalt, wie Weizen, Hafer und Reisstärke, produzierte besonders opake Stärkepasten und Lösungen mit geringer Lichtdurchlässigkeit und kalkhaltiger Amylographen Pastenkonsistenz Maisstärke, die längere b-Ketten und Phosphorlipide enthält, zeigt eine höhere Pastetemperatur als wachsartige Maisstärke. Das Entfetten der Stärke reduzierte die Kleistertemperatur von Reisstärke und erweicht das Stärkegel.

Wesentliche Mengen oder freie Fettsäuren in Reis- und Maisstärken tragen zu ihrer Hochtemperatur-Retrogradation bei 70-90°C bei. Weizen und andere Stärken, ohne nennenswerte freie Fettsäuren Inhaltsstoffe, sind nicht für die Hochtemperatur-Retrogradation bekannt. Die Hochtemperatur-Retrogradation ist das Ergebnis der Amylose-Fettsäure-Komplexbildung.

Kartoffelstärke ist bekannt für ihren größten Gehalt an Stärke Phosphat-Monoester und damit für die Auflösung einer glasklaren Paste mit Lichtdurchlässigkeit. Alle Wurzel-, Knollen-, Hülsenfrüchte- und Wachsstärken enthalten verschiedene Mengen an Stärke Phosphatmonoestern. Kartoffel-, Süßkartoffel-, Pfeilwurzel- und Mungo Bohnen sind bekannt für ihre klaren Pasten und Gele, die für bestimmte Arten von Lebensmitteln begehrenswert sind.

4 Technologie der Stärkeherstellung

Die Stärkeindustrie trennt die Komponenten der Pflanze zu:

- Stärke, Protein, Zellulosehülle, Keim (Mais)

Erste Phase - physischen Trennung

Diese erste Phase nutzt eine Reihe einfacher Schritte der physischen Trennung der Komponenten: Brechen, Sieben, Zentrifugieren, etc.. Die Herstellungsmethoden sind jedoch für jede Anlage spezifisch und die industriellen Werkzeuge sind normalerweise einem Rohstoff (Mais, Weizen oder Kartoffel in Europa) gewidmet.

Zweite Stufe – Extraktion

In der zweiten Stufe wird die Stärke, die in ihrer reinsten Form extrahiert wurde, so verwendet wie sie nach dem Trocknen ist (dies wird als "native Stärke" bezeichnet) oder sie wird weiterverarbeitet und durchläuft verschiedene Umwandlungen, die entweder darauf abzielen, ihre Leistung zu verändern ("modifizierte Stärke") oder Süßstoffe durch den Prozess der Hydrolyse zu erhalten.

Am Ende des Prozesses werden die Stärke und die Folgeprodukte in Form von Pulver (mit mehlähnlichem Aussehen) oder Sirup an die Kundenindustrien geliefert (starch.eu, 2016).

4.1 Stärke – Reservekohlenhydrat von Pflanzen

https://www.biologie-seite.de/Biologie/Calvin-Zyklus 2009 / Yikrazuul

Abb. 6: Zeigt die Produktion des Schlüsselstoffs im Calvinzyklus

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein vielseitig genutztes Hilfsmittel bei der Lebensmittelherstellung ist pflanzliche Stärke. Pflanzliche Stärke ist ein Reservestoff, gebildet durch die Assimilation von Kohlendioxid wie im Calvin-Zyklus beschrieben.

Calvin-Zyklus beschreibt eine Abfolge von enzymatisch katalysierten Reaktionen der Fotosynthese, in der das in den Lichtreaktionen gebildete ATP und NADPH zur Fixierung von anorganischem CO2 in organische Kohlenstoffverbindungen umgewandelt wird. Der Schlüsselstoff des Calvin Zyklus ist das Molekül Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) das zum Aufbau von Hexosen (Glucose) genutzt werden kann (starch.eu, 2016).

Stärkesynthese ermöglicht es Pflanzen, den fixierten Kohlenstoff zunächst in Form von Assimilationsstärke (Reservestoff) zu speichern. Der Reservestoff auch als Stärke bezeichnet besteht aus langkettigen Glucoseeinheiten die sogenannten Polysaccharide.

4.2 Glucose - Grundbaustein der Stärke

Stärke zählt zu den Polysacchariden und besteht aus Makromolekülen, die aus α-D- Glucopyranose Einheiten kettenförmig oder verzweigt aufgebaut ist. Die Bildung der Ketten geschieht durch Verknüpfung der durch Halbacetaliserung am C-Atom 1 von Glucosemolekülen entstandenen ,,glucosidischen‘‘ Hydroxylgruppen mit der alkoholischen Hydroxylgruppe am C-Atom 4 unter Wasseraustritt (Werner Baltes, 2016).

https://www.biologie-seite.de/Biologie/Calvin-Zyklus 2009 / Yikrazuul

Abb. 7: Zeigt das Molekül Glucose

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Hydroxylgruppe (auch Hydroxygruppe) (-OH) ist die funktionelle Gruppe der Alkohole und Phenole.

Die alkoholische Hydroxygruppe verleiht dem Molekül polare Eigenschaften. So können sich zum Beispiel Wasserstoffbrücken ausbilden. Dadurch kommt es zu einer Anziehung und Vernetzung benachbarter Alkoholmoleküle

https://www.biologie-seite.de/Biologie/Calvin-Zyklus 2009 / Yikrazuul

Abb. 8: Zeigt die Ringbildung von Glucose

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Glykosidische Hydroxygruppe:

Eine glykosidische Bindung entsteht zwischen der in Form eines Halbacetals vorliegenden Hydroxylgruppe (-OH) eines Saccharids und einer OH-Gruppe (O-glykosidische Bindung) eines anderen Moleküls (Ringbildung) (Werner Baltes, 2016).

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