škroby
Škroby
Charakteristika škrobu
Škrob se vyskytuje výhradně v rostlinách, kde tvoří zrníčka charakteristických tvarů. Jeho vlastnosti se liší podle druhu rostliny, ze které je získáván. To proto, že délka vznikajících řetězců není stejná a navíc glukóza umožňuje vznik i rozvětvených řetězců, jejichž vlastnosti se pak vzájemně liší. Přírodní škroby se navíc neskládají pouze z cukerných jednotek glukózy, mohou obsahovat i menší množství jiných jednoduchých cukrů, malé množství tuků, proteinů, minerálních látek a jiných složek, které dále utvářejí jejich výsledné vlastnosti. Tyto látky mohou natolik změnit vlastnosti molekuly škrobu, že v místě jejich zapojení do řetězce může dojít k obtížnému rozrušování chemické vazby a vzniku fragmentů se specifickými účinky.
Škrob není tvořen jen jednou sloučeninou o přesně definovaném složení. Jedná se o různé polymery glukózy, přičemž glukózové jednotky jsou navzájem propojeny α-(1→4) glykosidovými vazbami. Podle toho, jak je glukózový řetězec větvený, rozlišujeme dvě základní složky škrobu - amylózu a amylopektin.
Amylóza
Amylóza (amylosa) je podle chemického názvosloví (1→4)-O-(α-D-glukopyranosidový) polymer, který se skládá z několika set až tisíců molekul glukózy navzájem propojených (1→4)-α-glykosidovou vazbou do lineárního řetězce. Lze ji také považovat za polymer maltózy, protože maltóza je disacharid tvořený dvěma molekulami glukózy vázanými navzájem také (1→4)-α-glykosidovou vazbou. V omezené míře dochází k větvení řetězce asi na deseti místech v celé molekule, postranní řetězce nejsou ale příliš dlouhé. Prakticky lze tedy amylózu považovat za nevětvený řetězec. Amylóza je částečně esterifikovaná kyselinou fosforečnou (pšeničný škrob obsahuje 0,05 - 0,06 % fosforu, bramborový škrob 0,07 - 0,09 %). Amylóza z obilí navíc vytváří komplexy i s tuky (s rostlinnými oleji). Molekula amylózy má jen jeden redukující konec, případné větvení řetězce je vždy směrováno tak, že je více neredukujících konců. Molekula amylózy je ve vodě a v neutráních roztocích náhodně svinutá, místy řetězec vytváří spirálovitou (helikální) strukturu, tzv. levotočivou šroubovici. Pokud dojde k alkalizaci roztoku, převažuje forma globulární. Amylóza obilných škrobů obsahuje v řetězci 1000 až 2000 glukózových jednotek, v bramborovém škrobu až 4500 glukózových jednotek. Některé nové práce uvádějí údaje o počtu glukózových jednotek v molekule amylózy vyšší. Vysvětlením by mohlo být zjištění, že vlivem méně šetrných izolačních postupů dochází k částečnému štěpení molekul amylózy a tato se pak v konečném důsledku jeví menší. Bylo prokázáno, že se molekula amylózy ochotně štěpí při mírném okyselení roztoku a současném zvýšení teploty. Amylóza tvoří ve škrobech asi 20 %ní podíl.
Izolovaná amylóza se ve studené vodě rozpouští na čirý, málo viskózní roztok a záhřevem nemazovatí. Po čase se z roztoků vylučuje v důsledku retrogradace škrobového gelu a následného shlukování uvolněných řetězců molekul amylózy do objemnějších struktur (viz dále). S roztokem jódu v jodidu draselném se amylóza barví modře.
Amylóza není jen jedna definovaná molekula, a to ani v případě pro určitý typ škrobu. Ve skutečnosti se jedná o směs různě dlouhých řetězců s rozdílným počtem glukózových jednotek v řetězci. Ve škrobech získaných z kořenů a z hlíz bývá molekulová hmotnost amylózy vyšší, než v případě škrobu získaného ze semen.
Amylopektin
Druhou, rozhodující složkou škrobu je amylopektin, jehož hlavní řetězec je ve srovnání s amylózou mnohem více rozvětvený. Opět se jedná o (1→4)-O-(α-D-glukopyranosidový) polymer, přibližně na každých 25 glukózových jednotek připadá jedno rozvětvení vytvořením (1→6)-α-glykosidové vazby. Zcela vyjímečně se vytváří i (1→3)-α-glykosidová vazba. Podobně jako u amylózy je i molekula amylopektinu esterifikovaná kyselinou fosforečnou, která se na molekulu amylopektinu váže s četností přibližně 1 molekula kyseliny fosforečné na 400 glukózových jednotek.
Molekula amylopektinu je tvořena z 50000 až 1000000 glukózových jednotek a řetězec je hodně rozvětvený. Osu molekuly vytváří hlavní řetězec označovaný jako L a z něj se odvětvují boční řetězce označované jako S. Boční řetězce byly v minulosti ještě rozlišovány na tzv. vnitřní a vnější boční řetězce. Toto členění vycházelo z poznatku, že amylóza interaguje především s bočními řetězci vzdálenějšími od hlavního řetězce (vnější boční řetězce). Podobně jako u amylózy má i molekula amylopektinu jen jeden redukující konec hlavního řetězce (Φ).
Amylopektin není ve studené vodě rozpustný, záhřevem však mazovatí a vytváří viskózní roztok, který po ochlazení tuhne v gel. Množství vázané kyseliny fosforečné je mírně nižší, než v případě amylózy (asi 0,04 % fosforu). S roztokem jódu v jodidu draselném se amylopektin barví fialově.
Způsob vytváření škrobových zrn
Granule škrobu (škrobová zrna) se sice liší pode toho, z jakého zdroje (ze které rostliny) pocházejí, mají ale společný princip tvorby molekuly. Ta se vytváří tak, že se molekuly amylopektinu směrují redukujícím koncem do středu pomyslného disku a neredukující konce směrují k obvodu. Molekula amylózy interaguje s postranními řetězci molekuly amylopektinu, v podstatě dochází k jejich vzájemnému propletení (nevytváří se však mezi nimi chemické vazby, interakce spočívá pouze na principu vodíkových můstků). Při poskládání několika disků na sebe se vytváří granula a neredukující konce pak vytváří její povrch.
Přirozené zdroje škrobu
V následujícím přehledu jsou uvedeny průměrné obsahy škrobu ve vybraných potravinách. V případě banánu je obsah hodně závislý na stupni zralosti. Čím je banán zralejší, tím je obsah škrobu nižší. Naopak se zvyšuje obsah jednoduchých cukrů (při zrání dochází k samovonému štěpení škrobu na jednoduché cukry).
Vlastnosti škrobu
Nejdůležitější vlastností škrobu z potravinářského hlediska je jeho schopnost vázat vodu, což se nazývá bobtnání škrobu. Například při 70°C jí dokáže přijmout až 25násobek své hmotnosti. Při dostatečném množství vody vznikají škrobové mazy, z nichž po ochlazení vznikají gely. Je-li vody málo, vznikají těsta.
Škrobová zrna přijímají vodu ze vzduchu v množství asi 0,2 g vody na 1 g suchého škrobu aniž by změnily svůj objem nebo fyzikální vlastnosti. Tento děj se označuje jako imbibice. Z chemického hlediska připadá na 1 glukózovou jednotku asi 1,5 molekuly vody. I když v molekule glukózy existuje 5 potenciálních míst (5 kyslíkových atomů) schopných interakce s vodou, ne všechna jsou stejně dobře přístupná a navíc je i výsledná elektronegativita jednotlivých atomů kyslíku významně ovlivňována okolními funkčními skupinami (včetně funkčních skupin případných interagujících molekul lipidů nebo proteinů). Schopnost jednotlivých atomů kyslíku přitahovat atomy vodíků z molekul vody není tedy stejná.
Škrobová zrna jsou ve studené vodě nerozpustná a vytváří jen suspenze. S narůstající teplotou se mírně zvyšuje podíl vody, ale integrita zrn se neporušuje, dochází k bobtnání a proces je stále vratný. Od určité teploty však dochází k želatinizaci a tento proces je již nevratný, protože dochází k zásadním změnách ve struktuře škrobových zrn. Molekuly škrobu se totiž v důsledku přijaté energie ve formě tepla natolik vnitřně rozkmitají, že dochází k přerušení některých stávajících vazeb, což umožní proniknutí molekul vody i do míst, kde je vytvořena amorfní struktura zrn. Tím může dojít k interakci molekul vody i s dalšími vazebnými místy polymeru. V důsledku hydratace se zvětšuje objem, řetězce se od sebe vzdalují a dochází k rozpadu dvojitých šroubovic postranních řetězců amylopektinu. Tím zaniká krystalická část a celá molekula se stává neorganizovanou. Některé části molekuly dříve skryté uvnitř zrna se dostávají na povrch, kde opět dochází k jejich intenzivní hydrataci. Rychlost bobtnání se výrazně zvyšuje a velikost zrn narůstá (z původního asi 1 μm na výsledných asi 30 μm v průměru). Škrobová zrna v důsledku procesu hydratace přijímají tolik vody, že mohou dosáhnout až 25 násobek své původní hmotnosti. 1 g původně suchého škrobu může dosáhnout výsledné hmotnosti až 25 g a zaujmout objem až 200 ml.
Jestliže bobtnání postoupí tak daleko, že se vazby mezi molekulami škrobu zcela rozruší, vznikne tekutý škrobový maz. Tento sice ještě může obsahovat celá zrna, ovšem mnohonásobně zvětšená. Ta se rozpadají až při teplotách blízkých bodu varu a navíc jen za intenzívního míchání nebo při třepání. Ve škrobovém mazu molekuly volně rotují a přitom dochází k vytváření náhodných, ale nestálých molekulárních shluků (asociace molekul). To vede k nárůstu viskozity. Silně rozvětvené molekuly amylopektinu se vlivem rotace zmenšují, vytváří lokální místa s nižší viskozitou. Výsledná viskozita škrobového mazu závisí na poměru amylózy a amylopektinu. Čím vyšší je podíl amylopektinu, tím je škrobový roztok viskóznější.
Želatinizační teplota není přesnou hodnotou, obvykle se uvádí pro daný typ škrobu v rozmezí asi 10 - 15°C. U každého škrobu (podle zdroje) je jiná. Běžně k želatinizaci dochází v rozmezí teplot 50 - 80°C. Zahříváním granulí škrobu ve vodě se s rostoucí teplotou postupně do vody uvolňují molekuly amylózy. Tímto způsobem lze amylózu oddělit od amylopektinu. Amylóza se uvolňuje již při teplotách bobtnání, nemusí tedy bezpodmínečně nastat proces želatinizace. Želatinizační teplota kukuřičného škrobu je v rozmezí od 62 do 70°C, rýžového od 68 do 78°C, pšeničného od 52 do 64°C, žitného od 57 do 70°C a bramborového od 52 do 68°C.
Retrogradace škrobového gelu
Při ochlazování škrobového mazu viskozita značně stoupá, molekuly ztrácí kinetickou energii, čímž se vytváří vyšší počet vodíkových můstků. Dochází k vytvoření trojrozměrné sítě, v níž je doslova uzavřeno velké množství vody. Vzniká poměrně pevný gel. Stárnutím gelu dochází k vytváření dalších vodíkových vazeb, síť polymerů se stává hustší a vytlačuje část vody z gelu ven. Tento jev se označuje jako retrogradace škrobového gelu. Rychlost retrogradace závisí na teplotě. Nejvyšší je při teplotách kolem 0°C, obzvláště pokud dojde k opakovanému procesu tuhnutí a tání vody vázané v gelu. V praxi se tento jev negativně projevuje v zimních měsících při rozvozu chleba a pečiva v netemperovaných autech nebo při delším skladování při nízkých teplotách.
Při opětovném zahřátí retrogradovaného gelu se původní konzistence mění, protože dochází v důsledku dodání energie k rozrušení některých vodíkových vazeb. Tento proces ale proběhne jen tehdy, pokud nedošlo vlivem retrogradace k odstranění vyloučené vody například odpařením.
Kromě stárnutí ovlivňuje kvalitu škrobového gelu i přítomnost některých látek. Například přidaná sacharóza na sebe váže část vody a tím se zpomaluje proces bobtnání škrobu a snižuje se pevnost gelu. Přídavek bílkoviny snižuje teplotu až o 10°C, při níž dosáhne škrobový roztok maximální viskozitu. Zahřátím škrobového roztoku s velmi zředěnými kyselinami pod teplotou želatinizace nastává částečné štěpení amylózy, čímž se zlepší tekutost škrobového roztoku. Zajímavý je účinek tuků na přípravu a konečnou strukturu těsta. Tuk totiž zvláštním způsobem spolupůsobí s molekulami škrobu, což se projeví především na zpomalení stárnutí pečiva. Přídavkem malého množství rostlinných semen s vyšším obsahem tuků, například slunečnicových, do chlebového těsta, lze dosáhnout výrazného zjemnění chuti pečiva. I když je mouka tvořena hlavně škrobem, obsahuje také malé množství jiných látek, především bílkovin. Jejich přítomnost pak utváří konečné vlastnosti vzniklého těsta a jeho chuť po tepelném zpracování. Proto chléb připravený z pšeničné mouky chutná jinak, než žitný. Poměrně důležitá je hydrolýza škrobu, která je základem výroby škrobového sirupu, ale využívá se i ve sladařství, pekařství a u dalších potravinářských výrob. Hydrolýza probíhá buď s využitím enzymů nebo působením kyselin.
Trávení škrobu
Podobně jako u bílkovin je i molekula škrobu příliš velká na to, aby mohla přestupovat přes střevní stěnu do krve. Působením speciálních enzymů (glykosidázy) obsažených ve slinách a v sekretech slinivky a střevní sliznice dochází k postupnému odštěpování krátkých fragmentů z povrchu škrobových zrn. Vzniklé krátké řetězce obsahují průměrně kolem deseti glukózových jednotek. Glykosidázy jsou přitom ve svém účinku vysoce selektivní enzymy, které hydrolyzují pouze α-glykosidové vazby škrobu, zatímco β-glykosidové vazby obsažené v celulóze štěpit nedokážou. Proto může člověk strávit obilí, brambory nebo rýži, ale ne trávu nebo listy. Tyto krátké glukózové fragmenty jsou pak transportovány krví do jaterních a svalových buněk, kde jsou buď přímo zabudovány do glykogenu, nebo jsou rozloženy až na cukr glukózu, kterou tělo dále přeměňuje za současného zisku velkého množství energie.
Využitelnost škrobu
Využitelnost škrobu je poměrně vysoká za předpokladu, že je strava dobře rozmělněna v ústech a promíchána se slinami. Jídlo konzumované ve spěchu může způsobit nemalé trávicí potíže, přičemž jednou z příčin může být právě špatně rozložený škrob, přicházející do střev. Zde se totiž stává kořistí střevních mikroorganismů a výsledkem může být nadýmání a nadměrné plynatění. Nedostatečně natrávený škrob zhoršuje i dostupnost bílkovin pro pepsiny, působící v žaludku.
Obsah škrobu v semenech rostlin je závislý na obsahu vody. Se zvyšujícícím se stavem vysušení stoupá i podíl škrobu vztažený na celkovou hmotnost poživatiny. Podobně je tomu tak i u pečiva.
Související články
Mastné kyseliny - základní informace
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.