artikel

Gelering en stabiliteit van zetmeel

Algemeen

Door zetmeel fysisch of enzymatisch te modificeren ontstaan er nieuwe ingrediënten geschikt voor toepassing in spreads, zuiveltoetjes, snoepgoed en energiedranken. Het voordeel boven de gebruikelijke chemische modificatie is dat deze ingrediënten zijn te gebruiken in een E-nummervrij product (clean label). Bovendien bieden ze nieuwe functionaliteiten in bepaalde toepassingen.

Door zetmeel fysisch of enzymatisch te modificeren ontstaan er nieuwe ingrediënten geschikt voor toepassing in spreads, zuiveltoetjes, snoepgoed en energiedranken. Het voordeel boven de gebruikelijke chemische modificatie is dat deze ingrediënten zijn te gebruiken in een E-nummervrij product (clean label). Bovendien bieden ze nieuwe functionaliteiten in bepaalde toepassingen.

Zetmeel is van nature instabiel in water, maar de hiermee samenhangende geleereigenschappen zijn verre van optimaal voor de meeste voedingstoepassingen. Andere toepassingen vereisen juist een hoge oplosstabiliteit. De gebruikelijke oplossing hiervoor is beperkte chemische modificatie van het zetmeel. De trend is echter om waar mogelijk te werken met niet chemisch gemodificeerde ingrediënten. De zoektocht naar betere alternatieven leidde tot zetmeelproducten met een verrassend nieuwe functionaliteit.
Drie nieuwe technologieën zijn aangewend om de geleerfunctionaliteit en stabiliteit van zetmeelproducten te verbeteren. De eerste techniek omvat de vorming van zogenoemd Superheated Starch (SHS). SHS ontstaat door zetmeelsuspensies zeer hoog te verhitten. Net als maltodextrine vormt SHS smeerbare gelen, maar dit gebeurt al bij lagere concentratie, wat kan leiden tot een lagere calorie-inname door de consument.
De tweede technologie om zetmeel een nieuwe functionaliteit te geven is enzymatische modificatie van het zetmeel met het enzym amylomaltase. Het verkregen product geeft bij een zetmeelconcentratie van 3 tot 5% rubberachtige, thermoreversibele gelen en biedt daarmee perspectief voor gelatinevervanging.
De derde techniek is modificatie van zetmeel met een vertakkingsenzym. Dit leidt tot producten met een lage viscositeit en een zeer hoge stabiliteit in oplossing bij hoge concentratie. Waterige oplossingen zijn laag osmotisch en niet zoet, hetgeen nieuwe mogelijkheden biedt voor toepassing in energiedranken.

Nieuwe generatie smeerbare gelen
Het is al langer bekend dat door zeer beperkte hydrolyse van zetmeel met α-amylase er een zetmeelproduct (maltodextrine) ontstaat dat na verwarming in water en afkoelen smeerbare gelen vormt die als vetvervanger kunnen dienen [1]. De functionaliteit berust op de aanwezigheid van kleine gehydrateerde deeltjes in het gel die een romige textuur geven. Een soortgelijke functionaliteit kan ook worden verkregen door fysische modificatie, door een waterige zetmeelsuspensie te verhitten tot een zeer hoge temperatuur (180-220°C) en daarna af te koelen. De op deze manier verkregen SHS-gelen zijn opgebouwd uit dubbelbrekende zetmeelsferulieten (figuur 1), die in maltodextrinegelen niet voorkomen. Interessant vanuit toepassingsoogpunt is dat SHS-gelen een veel hogere stevigheid (modulus) geven dan maltodextrinegelen, met een aanzienlijk kortere geleertijd [2]. De directe consequentie hiervan is dat dezelfde functionaliteit kan worden bereikt met minder zetmeel, wat leidt tot een geringere calorie-inname door de consument. Bovendien biedt SHS perspectief voor instanttoepassingen: droog SHS geeft na dispergeren in koud water al een geltextuur; het hoeft niet eerst met water opgekookt te worden om een gel te vormen.
Het is mogelijk om SHS op grotere schaal in een jetcooker te produceren. Dit kan op twee manieren. In de eerste variant wordt de hete zetmeeloplossing direct gesproeidroogd (SHS-O). In de tweede variant wordt de hete oplossing eerst door koel bewaren gegeleerd, waarna het gel wordt opgewerkt door sproeidrogen (SHS-G). SHS-O wordt gekenmerkt door zeer hoge moduli terwijl SHS-G zich bij uitstek leent voor instanttoepassing (figuur 2).
Nader onderzoek heeft uitgewezen dat SHS een zeer licht gehydrolyseerd zetmeel is. Het geschetste gedrag wordt waargenomen over een breed molmassabereik van ongeveer 105 tot 107 mol/gram. (Ter vergelijking: de molmassa’s van glucose en amylopectine liggen in de orde van respectievelijk 102 en 108 mol/gram.) In het lage molmassagebied zijn de SHS-gelen thermoreversibel: bij verwarmen tot temperaturen lager dan 100°C vormen zij weer een heldere dun vloeibare oplossing. In het hoge molmassagebied blijft de deeltjesstructuur bij verwarming tot 100°C ten dele behouden. Dit laatste wordt toegeschreven aan een gedeeltelijke ontmenging van amylose (smeltpunt > 100°C) en amylopectine (smeltpunt

Perspectieven voor gelatinevervanging
Modificatie van zetmeelproducten met zetmeelsplitsende enzymen zoals amylases wordt al decennia lang op commerciële schaal toegepast voor de productie van onder andere. glucosestropen en dextrose. De exploratie van glucanotransferases zoals amylomaltase en vertakkingsenzym staat daarentegen nog in de kinderschoenen. Evenals amylases splitsen deze enzymen de zetmeelketens, maar ze dragen de vrijgemaakte ketendelen over op andere ketens in het zetmeel. Het polymere karakter van het zetmeel verandert hierdoor in principe niet, wel de moleculaire fijnstructuur. Bij het enzym amylomaltase zijn zowel de verbroken als de nieuw gevormde binding van het α-1,4-type. Het effect van dit enzym is dat het amylose verdwijnt en dat de lengteverdeling van de zijketens van het amylopectine breder wordt: in amylomaltase-gemodificeerd zetmeel (AMAZ) worden zowel kortere als langere zijketens gevonden dan in het oorspronkelijke zetmeel (figuur 3).
Incubatie van een aardappelzetmeelsuspensie bij 70°C met het amylomaltase van de thermofiele bacterie Thermus thermophilus HB8 resulteert in een laag visceuze heldere oplossing en in een sterk verminderde jodiumkleur van het zetmeel. Incubatie met amylase leidt tot hetzelfde resultaat, echter zonder de gevonden unieke geleerfunctionaliteit. Deze houdt in dat na snel koelen tot 4°C van een hete heldere AMAZ-oplossing er een troebel rubberachtig gel ontstaat met een modulus die veel hoger is dan van een ongemodificeerd aardappelzetmeelgel [3]. Deze gelen zijn bovendien thermoreversibel: bij verwarmen tot 70°C ontstaat er wederom een heldere oplossing die door afkoelen weer geleert. Hoogstwaarschijnlijk zijn de langere zijketens in het amylopectine verantwoordelijk voor het geleergedrag. De thermoreversibiliteit is het gevolg van het verdwijnen van amylose, waardoor de gelsmelttemperatuur afneemt tot minder dan 100°C.
Uniek is dat AMAZ al bij een betrekkelijk lage concentratie van 3 tot 5% geleert. Deze concentratie is weliswaar hoger dan in gelen van bijvoorbeeld carrageen en pectine (≤ 1%), maar veel lager dan in zuurafgebroken zetmeel, maltodextrine en SHS (≥ 10%). Zoals figuur 4 laat zien, is de geleerkinetiek van AMAZ redelijk vergelijkbaar met die van gelatine. Dit opent perspectief voor AMAZ als gelatinevervanger in toepassingen waarin helderheid geen rol speelt. Vervolgonderzoek door Alting e.a. [4] toonde aan dat AMAZ de romigheid van zuiveltoetjes kan verhogen. Zo is de romigheid van een halfvolle yoghurt met 1,5% vet na toevoeging van AMAZ vergelijkbaar met die van een volle yoghurt met 5% vet. Dit effect op de romigheid kan vermoedelijk worden toegeschreven aan de ook voor AMAZ-gelen kenmerkende deeltjesstructuur. AVEBE produceert AMAZ op industriële schaal en verkoopt het onder de naam Etenia.

Op weg naar een hoge stabiliteit
Een tweede glucanotransferase dat werd getest is het glycogeen-vertakkingsenzym. Het effect van dit enzym is dat het amylose verdwijnt en dat de amylopectinezijketens korter worden. Dit wordt bereikt door het verbreken van α-1,4-bindingen, waarna de afgesplitste ketendelen worden overgedragen op ketens elders in het zetmeel via vorming van α-1,6-vertakkingspunten. Het belangrijkste gevolg van deze veranderingen is dat de geleerneiging van het zetmeel vermindert, waardoor de stabiliteit verbetert. Een tweede effect is dat door de toename in vertakkingsgraad de zetmeelmoleculen een compactere structuur krijgen, waardoor zetmeeloplossingen ontstaan met een sterk verlaagde viscositeit.
De grootte van deze effecten hangt samen met de maximaal bereikbare vertakkingsgraad die afhangt van het gebruikte enzym. De vertakkingsgraad varieert van ongeveer 6,5 tot ongeveer 10%. Dat komt neer op een verdubbeling ten opzichte van ongemodificeerd zetmeel [5]. Bij een hogere vertakkingsgraad zijn ook zetmeeloplossingen met een concentratie van 40% glashelder en laag visceus en blijven ze langdurig stabiel in de tijd (figuur 5). In combinatie met de relatief hoge gemiddelde molmassa (lage osmotische waarde) en de niet zoete smaak geeft dit een tot nu toe ongekende flexibiliteit in formuleringsmogelijkheden. Daar komt nog bij dat de uitkomsten van in vitro testen erop wijzen dat hoog vertakt zetmeel langzamer wordt afgebroken in de dunne darm, wat een gunstige uitwerking kan hebben op de bloedsuikerspiegel [5].
De conclusie van het onderzoek is dat fysische en enzymatische modificatie nieuwe mogelijkheden bieden om de stabiliteit van zetmeelsystemen te sturen. Afhankelijk van de gebruikte technologie kan men komen tot zetmeelproducten met een gecontroleerde geleerfunctionaliteit of juist met een nagenoeg onbeperkte stabiliteit in oplossing.

Het onderzoek werd uitgevoerd in het kader van Agrobiokon, een samenwerkingsproject van TNO Kwaliteit van Leven, AVEBE UA en Hoofdproductschap voor Akkerbouw (HPA), en medegefinancierd door Samenwerkingsverband Noord-Nederland (SNN).

Literatuur
1. F.S. Kaper, H. Gruppen (1987). Replace oil and fat with potato-based ingredient. Food Technology, 41, 112-113.
2. P.A.M. Steeneken, A.J.J. Woortman (2009). Superheated starch: a novel approach towards spreadable particle gels. Food Hydrocolloids 23, 394-405.
3. M.J.E.C. van der Maarel, I. Capron, G.J.W. Euverink, H.T. Bos, T. Kaper, D.J. Binnema, P.A.M. Steeneken (2005). A novel thermoversible gelling product made by enzymatic modification of starch. Starch/Stärke 57, 465-472.
4. A.C. Alting, F. van de Velde, M.W. Kanning, M. Burgering, L. Mulleners, A. Sein, P. Buwalda (2009). Improved creaminess of low-fat yoghurt: the impact of amylomaltase-treated starch domains. Food Hydrocolloids 23, 980-987.
5. M.J.E.C. van der Maarel, D.J. Binnema, C. Semeijn, P.L. Buwalda (2008). Novel slowly digestible storage carbohydrate. Internationale Octrooiaanvrage WO 2008/082298.

Reageer op dit artikel