Структура и свойства пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы

Киселева, Валентина Ивановна

Структура и свойства пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Киселева, Валентина Ивановна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Структура и свойства пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы»

Автореферат диссертации на тему "Структура и свойства пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы"

на правах рукописи

КИСЕЛЕВА ВАЛЕНТИНА ИВАНОВНА

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПШЕНИЧНЫХ И ЯЧМЕННЫХ КРАХМАЛОВ С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АМИЛОЗЫ

Специальность 02.00.04. - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук

Научный руководитель:

кандидат химических наук Юрьев Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Заиков Геннадий Ефремович

доктор химических наук Гумаргалиева Клара Зенноновна

Ведущая организация: Институт элементоорганических

соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук.

Защита диссертации состоится «_»_ 2006 г. в 11 часов на

заседании диссертационного совета Д 002.039.01 при Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук по адресу: 119991, г. Москва, ул. Косыгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук.

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.039.01 кандидат химических наук

Смотряева М.А.

ШО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время в Европе и в Российской Федерации (РФ) основными источниками сырья для крахмалопаточной промышленности являются кукуруза, пшеница и картофель Кукуруза занимает лидирующее положение среди источников, прежде всего благодаря тому, что были выведены сорта, в которых содержание амилозы в крахмалах варьируется в диапазоне от 0,5% до 90-95 %, что обеспечивает использование кукурузных крахмалов в различных отраслях промышленности Европа и РФ, в особенности, решают проблемы, связанные с переработкой крахмалсодержащего сырья, благодаря экспорту различных сортов кукурузы из США. В отдельные годы её поставки составляют до 50% в Европу и до 100% в Россию. В связи с этим ставится вопрос о селекции новых сортов традиционных для Европы сельскохозяйственных культур, которые могли бы стать альтернативными источниками сырья для крахмалопаточной промышленности. Частично эта проблема была решена путем селекции сортов ячменя и пшеницы. Были созданы сорта пшеницы и ячменя, в крахмалах которых содержание амилозы варьируется от 1.5% до 40%. В настоящее время как в Европе, так и в РФ ведутся интенсивные исследования структуры, термодинамических и функциональных свойств этих крахмалов, которые должны решить вопросы о целесообразности использования этих крахмалов в промышленности. Кроме того, переработка высокоамилозных сортов ячменя и пшеницы открывает возможность для получения продуктов питания с высоким содержанием резистентных крахмалов, относящихся к классу продуктов лечебно-профилактического действия.

Исследования, проводимые в рамках данной работы направлены, прежде всего, на изучение взаимосвязи структуры и термодинамических свойств пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы, выращенных при различных условиях окружающей среды. Решение этой проблемы является непростой задачей вследствие того, что гранулы крахмала представляют собой сложную композитную структуру с различными уровнями макромолекулярной организации полисахаридов крахмала (амилозы и амилопектина). К сожалению, существующие сегодня модельные представления о структурной организации гранул крахмала и амилопектиновых кластеров (A. Donald, 1995; Gidley, 1994) являются ограниченными, что не позволяет использовать их в полной мере для оценки структуры и термодинамических свойств крахмалов из новых источников и прогнозирования функциональных свойств крахмалов. Предполагается, что такое положение обусловлено тем, что существующие модели не учитывают роль дефектов в структурной организации гранул. Между тем, существовали отдельные факты показывающие, что макромолекулы амилозы могут играть роль дефектов, содержание которы ных условий

формирования частично кристаллической структуры крахмалов, т.е. от условий окружающей среды.

Согласно представлениям физики полимеров, определение взаимосвязи между структурой и термодинамическими свойствами крахмала позволяет уточнить существующие сегодня структурные модели (Юрьев В.П., 1998) такого сложного природного соединения как крахмал. Принимая во внимание сложную, иерархическую структуру крахмала, эта проблема может быть решена путем использования различных физических и физико-химических методов исследования, позволяющих оценивать размеры и структурные особенности надмолекулярных структур. Для анализа результатов исследования были использованы физические представления, обычно применяемые для анализа термодинамических данных синтетических полимеров, в частности, использовалось уравнение Томсона-Гиббса для уточнения роли дефектов в структурной организации нативных гранул, а также модель двух состояний, описывающая процессы плавления (денатурации) малых глобулярных и субединичных белков. В последнее время было показано, что эта модель может быть использована для описания плавления крахмалов. С помощью этой модели могут быть определены такие термодинамические параметры как кооперативная единица плавления и толщина кристаллической ламели. Кроме того, для описания данных малоуглового рентгеновского рассеяния была использована модель, основанная на паракристаллической теории дифракции.

Цели и задачи работы

Цель работы состояла в определении роли дефектов в структурной организации нативных гранул пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы и взаимосвязи между их структурой и термодинамическими свойствами. Использование в работе крахмалов, экстрагированных из растений, выращенных при различных условиях окружающей среды, применение различных физико-химических представлений и моделей, обычно используемых для описания структуры и термодинамических свойств частично-кристаллических синтетических полимеров, дает возможность проследить взаимосвязь структуры и термодинамических свойств исследованных крахмалов. Для решения практических задач, связанных с получением продуктов питания лечебно-профилактического действия, были исследованы процессы образования и свойства энзимрезистентных крахмалов.

Для достижения вышеуказанных целей были поставлены следующие задачи-

1. Определить структуру и термодинамические свойства пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы.

2. Оценить дефектность структурной организации ячменых крахмалов с различным содержанием амилозы.

3. Определить влияние отжига на дефектность гранул крахмала на различных уровнях структурной организации.

4. Определить возможность образования энзимрезистентных крахмалов из высокоамилозных пшеничных крахмалов.

Научная новизна

1. Оценены размеры надмолекулярных структур на различных уровнях макромолекулярной организации полисахаридов пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы.

2 Впервые установлено, что увеличение содержание амилозы приводит к увеличение толщины частично кристаллических колец роста от 182 нм до 312 нм, тогда как толщина амилопектиновых кластеров и кристаллических ламелей как для пшеничных, так и для ячменных крахмалов остается неизменной.

3. Впервые показано, что существенный вклад в термодинамические параметры плавления исследуемых крахмалов вносят дефекты, а именно- амилозные проходные цепи, молекулярно упорядоченные структуры, содержание которых увеличивается как при увеличении содержания амилозы в крахмалах, так и при уменьшении температуры окружающей среды при росте растений.

4. Установлено, что отжиг высоко-амилозных крахмалов, независимо от источника их выделения, приводит к увеличению размеров кристаллических ламелей, в то время как для амилопектиновых крахмалов эти размеры остаются неизменными. "

5. Показано, что отжиг исследуемых крахмалов приводит к уменьшению содержания дефектов в нативных гранулах, располагающихся как в кристаллической, так и в аморфных ламелях.

6. Установлено, что циклическая обработка (нагрев-охлаждение) водных дисперсий высоко-амилозного пшеничного крахмала приводит к образованию крахмалов, которые рядом физико-химических методов (ДСК, малоуглового и широкоуглового рентгеновского рассеяния), а также методом ферментативного гидролиза, охарактеризованы как резистентные крахмалы Ш типа.

Практическая значимость

Показано, что вырокоамилозные пшеничные крахмалы образуют резистентные крахмалы III типа Это дает основу для получения продуктов лечебно-профилактического назначения (хлебобулочные изделия, экструзионные продукты) из муки пшеницы с высоким содержанием амилозы.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены: 1. Пятнадцатые международные Плехановские чтения, апрель, 2002 г.; 2. Вторая

ежегодная молодежная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика», май, 2002 г.; 3. XI Международная конференция по крахмалу Москва-Краков, Москва, 17-19 июня, 2003 г.; 4. «X International Starch Convention», Cracow (Poland), June 12-14, 2002; 5. Международная научно-техническая конференция "Разработка и производство продуктов функционального питания, инновационные технологии конструирование оборудования для переработки сельхозсырья, культура питания населения Украины", Украина (Киев), 21-23 октября, 2003 г.; 6. «XII International Starch Convention Cracow-Moscow», Cracow (Poland), June 14-17, 2004; 7. Четвертая ежегодная молодежная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика», октябрь, 2004г.; 8. «XIII International Starch Convention, Moscow-Cracow», Moscow (Russia), June 21-23, 2005.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 1 обзор, 8 статей в отечественных и зарубежных журналах и 10 тезисов в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 130 страницах, содержит 28 рисунков, 16 таблиц. Работа состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы, включающего 146 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования и практическая значимость работы.

В первой главе проводится анализ литературы, посвященный теоретическим основам строения и свойств крахмалов. На основании анализа литературных источников и обобщения собранной информации были определены цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию объектов и методов исследования.

В качестве объектов исследования были использованы различные сорта пшеницы и ячменя. Сорта пшеницы выведены методом химического мутагенеза с использованием этиленимина в качестве мутагена.

Различные сорта ячменя (амилопектиновый - Oderbrucker, нормальный - Golden Promise и Triumph, и высокоамилозный - Pentlandfield) были выращены на базе факультета Биологических наук и пищевой химии Университета г. Глазго (Великобритания) в теплицах при различных температурах (7,10,13,15,16,20 °С).

Резистентные крахмалы были получены с использованием комбинированного метода обработки нативных высокоамилозных пшеничных крахмалов.

Калориметрические исследования водных дисперсий крахмалов (0,3-0,5%) проводились с использованием высокочувствительного дифференциального сканирующего микрокалориметра ДАСМ-4 (Россия, Пущино) в температурном интервале 10-120 "С при скорости нагревания 2 К/мин и избыточном давлении 2,5 атм. Дистиллированая вода служила образцом сравнения.

Для определения термодинамических характеристик резистентных крахмалов использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии. Измерения были выполнены на калориметре Perkin Elmer DSC6. Анализ данных произведен при помощи программного обеспечения фирмы Perkin Elmer Corp., Norwalk, Connection. Для калибровки в качестве стандарта был использован индий (In). ДСК измерения были выполнены в диапазоне температур от 20 °С до 170 °С со скоростью нагрева 2 К/мин.

Исследование морфологии крахмальных гранул проводили при помощи метода световой микроскопии.

Для оценки размеров частично-кристаллических колец роста был использован метод сканирующей электронной микроскопии. Предварительно подготовленные исследуемые образцы помещали на медный диск, напыляли слой золота в вакуумном испарителе (JEOL JEE 44Е) и проводили съемку на сканирующем электронном микроскопе (JEOL JSM 5200) при ускоряющем напряжении 10 кВ.

Измерения рентгеновского рассеяния образцов крахмала (содержание воды 12%) под большими углами проводили на диффрактометре, оснащенном одномерным позиционно-чувствительным детектором, сконструированным в Объединенном институте ядерных исследований (Россия, Московская обл., г.Дубна). Рефлексы рассеяния под большими углами записывались в режиме просвечивающей геометрии как функция I(S) от S=(2sin в)/Х, где X - длина волны СиКа (0,1542 нм) и 0 - половина угла рассеивания.

Для определения размеров амилопектиновых кластеров и толщины кристаллических ламслей гранул крахмала использовали метод рентгеновского рассеяния под малыми углами. Измерения проводили на рентгеновском диффрактометре, оборудованном в Институте биохимической физики (Россия, Москва). Аппроксимация экспериментальных кривых рассеяния под малыми углами была выполнена с использованием программного пакета EasyPlot 2.2 (Spiral Software&MIT).

Третья глава посвящена результатам исследования, их обсуждению и состоит из 4 разделов.

В первом разделе обсуждается структура и термодинамические свойства пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы.

В структурной организации полисахаридов крахмала могут бьггь выделены, как минимум, четыре уровня: гранулярный (~100 мкм), так называемые аморфные и

частично кристаллические кольца роста (-1200 нм). кластерный (-10 нм), а также кристаллический ламелярный (4-5 нм) Иерархическая структура крахмалов может быть исследована с помощью различных методов Гранулярный уровень структурной организации обычно исследуется с помощью световой и сканирующей электронной микроскопии Для определения размеров амилопектиновых кластеров используется метод малоуглового рентгеновского рассеивания, тогда как для определения размеров кристаллических ламелей могут быть использованы как метод малоуглового рентгеновского рассеивания, так и дифференциальной сканирующей калориметрии

Леев» - 1.5%

Рис. 1 Микрофотографии пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы

На микрофотографиях пшеничных крахмалов (рис.1), полученных методом сканирующей электронной микроскопии видны чередующиеся светлые и темные слои. Светлые относятся к частично-кристаллическим кольцам роста, а темные к аморфным кольцам роста Компьютерная обработка микрофотографий, позволяет определить размеры частично-кристаллических колец роста Таблица 1. Средние значения толщины частично-кристаллических колец роста гранул пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы.

Крахмал Содержание амилозы, % Размер частично-кристаллических колец роста, нм

Леона 1.5 182

Беседа 11.2 240

Булава 39 5 312

Проведенные исследования позволяют проследить влияние амилозы на размеры частично-кристаллических колец роста Как видно из таблицы I увеличение содержания амилозы в крахмалах от 1.5% до 39.5 % сопровождается увеличением толщины частично-кристаллических колец роста в 1.7 раза.

В соответствии с существующей моделью строения гранул крахмала, увеличение размеров частично-кристаллических колец роста может быть обусловлено увеличением размеров амилопектиновых кластеров, из которых состоят частично-кристаллические кольца роста. Для проверки этого предположения методом малоуглового рентгеновского рассеяния были определены размеры амилопектиновых кластеров и толщины кристаллических ламелей. На рис. 2 представлены кривые рассеяния под малыми углами исследованных образцов крахмалов.

Рис.2 Кривые рассеяния пшеничных крахмалов под малыми углами (1-сорт Леона , 2-сорт Булава, 3- сорт Беседа, 4 - сорт Им.Рапопорта)

Обработка кривых рассеяния с помощью паракристаллической модели показало, что увеличение содержания амилозы не приводит к изменению размеров амилопектиновых кластеров, более того, размеры кристаллической ламели, которая входит в состав амилопектинового кластера, также остаются неизменными. Последний вывод подтвеждается результатами калориметрических исследований тех же самых образцов и обработкой полученных данных с помощью модели двух состояний. Действительно, как видно из таблицы 2, значение толщины кристаллической ламели для всех исследуемых образцов, полученных как из обработки кривых рассеяния под малыми углами с помощью паракристаллической теории дифракции, так и с помощью обработки калориметрических кривых с помощью модели двух состояний, практически одинаково.

эо

№ £

8. 1/им

Таблица 2 Значения толщины кристаллических ламелей, рассчитанные из данных малоуглового рентгеновского рассеяния (паракристаллическая модель) и данных ДСК (модель двух состояний)

Сорт пшеницы (содержание амилозы, %) ЬСг1 (МУРР) ) нм ¿ы(ДСК), нм

Леона (1.5) 4.8 4.5

Беседа (11.2) 4.6 4.5

Им.Рапопорта (26.0) 4.6 4.9

Булава (39.5) 4.9 4.2

Суммируя полученные данные, можно полагать, что увеличение содержания амилозы не приводит к изменению таких уровней структурной организации как кристаллические ламели и амилопектиновые кластеры, тогда как размеры колец роста увеличиваются. Принимая во внимание, что размеры амилопектиновых кластеров не изменяются, можно полагать, что увеличение размеров частично кристаллических колец роста обусловлено не изменением размеров кластеров, а увеличением их числа.

Встает вопрос, влияет ли увеличение содержания амилозы на внутреннюю структуру амилопектиновых кластеров и кристаллических ламелей, а, следовательно, и на термодинамические свойства крахмалов. Как видно из таблицы 3, увеличение содержания амилозы приводит к уменьшению температуры плавления кристаллических ламелей крахмалов.

Таблица 3. Влияние содержания амилозы на термодинамические параметры плавления кристаллических ламелей пшеничных крахмалов

Сорт пшеницы Тщ сгЬ АН сг|, АСр,

(содержание амилозы, %) к кДж/моль Дж/(моль-К)

Леона (1.5) 336.6±0.2 2.8±0.2 37.0±2.5

Беседа (11.2) 331.3±0.1 2.5±0.1 77.4±3.9

Им. Рапопорта (26.0) 330.5±0.1 2.3±0.1 37.5±3.8

Булава (39.5) 329.7±0.1 2.5±0.1 19.0±8.0

Согласно классическим представлениям физико-химии частично кристаллических полимеров, к которым может быть отнесен и крахмал, изменение их температуры плавления может быть описано с помощью уравнения Томсона-Гиббса.

Тт = Гт{1-2уДЛН°трыЬС11)})

Iдо Т'т равновесная [емперасура птвления совершенною крисгалла (определяет гермодинамическую ыабильность I ипо[этическою кристалла неограниченной) размера или гакого размера, ,ия которого ро <ью поверхностной свободной энергии по сравнению с объемной можно пренебречь) АН", - жтальпия п швления полимерных кристаллов, у, свободная энергия образования торцевых граней кристалга ри] -плотность крис I aJIлa

Анализ этого уравнения показывает, что температура плавления частично-кристаллических полимеров является функцией трех переменных типа полиморфной струк1уры, толщины кристаллической ламели, величины свободной энергии образования торцевых граней кристалла. Кроме того, величина свободной энергии образования торцевых граней кристалла зависит о г величины энтропийного члена, который в свою очередь прЛюрционален содержанию дефектов, т.е увеличение содержания дефектов должно приводить к увеличению как величины энтропийного члена, так и величины свободной энергии образования торцевых граней кристалла Из литературы хорошо известно,' что увеличение содержания амилозы не приводит к изменению полиморфной структуры Как было показано выше, увеличение содержания амилозы не приводит к изменению толщины кристаллической ламели, поэтому можно полагать, что наблюдаемый рост температуры плавления крахмалов обусловлен уменьшением содержания в нем дефектов. Действительно, расчеты, выполненые с использованием классических уравнений термодинамики показывают, что увеличение содержания амилозы приводит к увеличению как величины свободной энергии образования торцевых граней кристалла, так и величины энтропийного члена (таблица 4) Это подтверждает существование дефектов. Согласно существующим представлениям такими дефектами являются, в основном, амилозные проходные цепи, содержание которых увеличивается с ростом содержания амилозы в крахмалах

Таблица 4 Значения свободной энергии (у,) и энтропии (\) образования торцевой грани кристалла пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы

Сорт пшеницы (содержание амилозы. %) У„ [Дж/см2]107 [Дж-см "г К"']107

Леона (1.5) 10.07 0.121

Беседа (11.2) 11.86 0.133

Им Рапопорта (26.0) 12.13 0.143

Булава (39.5) 12.40 0.137

Таким образом, оценки размеров частично-кристаллических колец роста и толщины кристаллической ламели, а также термодинамических свойств пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы показало, что увеличение содержания амилозы сопровождается увеличением толщины частично-кристаллических колец роста, тогда как толщина кристаллических ламелей, несмотря на увеличение в них содержания амилозных проходных цепей, остается неизменной.

Во втором разделе главы изложены результаты изучения дефектов структурной организации ячменых крахмалов с различным содержанием амилозы, а также рассматривается анализ гипотезы о влиянии условий окружающей среды на структуру и термодинамические параметры плавления ячменных крахмалов.

Как правило, образование кристаллической структуры синтетических полимеров сопровождается образованием дефектов В случае частично-кристаллических биополимеров, учитывая неравновесный характер процессов структурообразования надмолекулярных структур при их биосинтезе (переменное содержание воды в субстрате при созревании зерен и различия в дневных и ночных температурах окружающей среды, изменение температур окружающей среды в период созревания зерен растений) можно ожидать, что в процессе биосинтеза крахмала также образуются дефектные структуры. Если предположение о наличии дефектов в структуре крахмала справедливо, то, согласно теории частично-кристаллических синтетических полимеров, наименьшее количество дефектов при кристаллизации наблюдается тогда, когда температура кристаллизации близка к температурю плавления образующихся кристаллитов Принимая во внимание, что процесс формирования кристаллитов зависит от условий окружающей среды, можно полагать, что увеличение температуры окружающей среды должно сопровождаться образованием кристаллических структур с наименьшим содержанием дефектов.

Для проверки этого тезиса были исследованы крахмалы ячменя, выращенного в теплицах при разных температурах. Исследования показывают, что независимо от содержания амилозы в ячменных крахмалах увеличение температуры окружающей среды приводит к увеличению температуры плавления (рис.3).

На рис.3 показаны типичные ДСК-термограммы плавления 0.3% водных дисперсий крахмала. Хорошо известно, что низкотемпературный эндотермический пик (около 330К или 57°С) соответствует плавлению кристаллической ламели, а высокотемпературный (около 365К или 93°С) - разрушению амилозо-липидных комплексов включения. Естественно, что для амилопектиновых крахмалов высокотемпературный пик на ДСК-термограммах отсутствует.

Рис.3 ' ' ДСК-термограммы ячменных крахмалов («Waxy Oderbrucker,», «Golden Promise»), выращенных при различных температурах окружающей среды.

280 300 320 340 ЗвО 380 400 420 ТЕМПЕРАТУРА, К

Проанализируем полученные калориметрические данные с позиции уравнения Томсона-Гиббса. Как видно из представленных данных (рис. 4), положение рефлексов на дифрактограммах крахмалов, выращенных при различ температурах окружающей среды, остается неизменным.

«Glacier Pentlandfield» (c,d)), выращенных при различных температурах окружающей среды (а, с - 20°С; b,d - ТС).

Это означает, что полиморфная структура крахмалов остается неизменной, несмотря на уменьшение температуры биосинтеза крахмала Кроме того, уменьшение температуры окружающей среды не приводит к изменению толщины кристаллической ламели, но сопровождается увеличением величины энтропийного члена и величины свободной энергии образования торцевых граней кристалла, т е. увеличением содержания дефектов (таблица 5).

Таблица 5. Значения толщины кристаллической ламели (Ьсг!), свободной поверхностной энергии (у,), и энтропии (5,) образования торцевой грани кристалла нативных ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы.

Сорт Температура выращивания, °С Lcrl , нм Уг. [Дж/см2]107 s„ [Дж ем "2 К"']107

Waxy Oderbrucker (Амилопектиновый ) 7 5.6 17.83 0.169

10 4.7 15.14 0.137

13 4.6 13.19 0.127

16 5.1 13.19 0.123

20 4.9 12.07 0.127

Среднее значение 5.1 ±0.4

Golden Promise (Нормальный) 7 6.6 21.16 0.234

10 4.9 18.63 0.192

13 5.0 17.57 0.183

16 5.9 16.06 0.176

20 6.1 14.54 0.184

Среднее значение 5.7±0.3

Glacier Pentlandfield (Высокоамилозный) 7 - - -

10 - - -

13 - - -

16 4.0 10.11 0.136

20 4.2 9.46 0.126

Среднее значение 4.1 ±0.1

Более того, в крахмалах с высоким содержанием амилозы уменьшение температуры окружающей среды приводит не только к уменьшению температуры плавления крахмалов, но и к изменению вида калориметрических кривых при наиболее низких температурах окружающей среды, т.е. в условиях образования наибольшего количества дефектов, о чем свидетельствует наличие на термограммах низкотемпературного пика плавления (рис.4).

Glacier Pentlandfield (высокоамилозный)

300 310 320 330 3« 350 300 310 320 330 340 3S0

ТЕМПЕРАТУРА, К ТЕМПЕРАТУРА, К

300 310 320 330 340 3S0

ТЕМПЕРАТУРА, К

300 3(0 320 330 340

ТЕМПЕРАТУРА, К

Рис. 4 ДСК-

термограммы

ячменного

крахмала

(«Glacier

Pentlandfield»),

выращенного при

различных

температурах

окружающей

среды, и

результаты их

деконволюции

(------).

Т, и Th -температуры плавления низко-и высокотемпературных структур соответственно.

300 310 320 330 340

ТЕМПЕРАТУРА, К

Таким образом, использование различных физико-химических подходов для описания плавления крахмалов, экстрагированных из ячменя, выращенного при различных условиях окружающей среды, в совокупности с данными рентгеноструктуршл о анализа позволяют оценить толщину кристаллической ламели и термодинамические характеристики ее поверхности. Очевидно, уменьшение температуры окружающей среды приводит к формированию структур с более низкой температурой плавления вследствие накопления дефектов. Толщина кристаллической ламели при этом остается постоянной. Количество дефектов увеличивается с уменьшением температуры выращивания и увеличением содержания амилозы.

В третьем разделе представлены данные по исследованию влияния отжига на дефектность гранул крахмала на различных уровнях структурной организации.

Основными факторами, влияющими на дефектность нативных гранул крахмала, являются температура окружающей среды и содержание в них амилозы. Согласно теории синтетических полимеров, если полимер имеет дефекты структуры, то их количество может быть уменьшено путем травления или отжига. Метод отжига основывается на том, что после удаления неупорядоченной компоненты становится невозможным утолщение ламелей при нагревании. При отжиге изменяется температура и энтальпия плавления за счет устранения влияния дефектов на процесс плавления, изменения свободной энергии образования торцевых граней кристалла В случае крахмалов можно полагать, что такие изменения обусловлены дефектами, образованными амилопектиновыми цепями. Амилозные проходные цепи как дефекты при отжиге не вносят вклад в изменение температуры и энтальпии плавления, т.к. представляют собой одномерные структуры.

На рис. 5 представлены типичные ДСК термограммы отожженных и нативных пшеничных и ячменных крахмалов.

Как видно из рис. 5, независимо от содержания амилозы отжиг сопровождается повышением температуры плавления и сужением пика плавления по сравнению с неотожженными нативными образцами.

260 300 320 340 360 380 400 420

ТЕМПЕРАТУРА, К

Цтвтапги ит

Леона. ¡5% 11

(Т_-3|«К) [1

10 ч

4ч

__15ч

— 05ч

---Оч

Им.Раяапорта,

26.0% Д

(Т__-310ЯС) М

----

- 1 5ч

^ 0-5 ч

Оч

гг -з!ао г! ^ _ 10ч

^Л __X" ^ 4ч

----- 15ч

Егл^—- -- 05ч

->■__0ч

1 > . 1 . 1

280 300 320 340 300 380 400 420 ТЕМПЕРАТУРА, К

Рис. 5 ДСК-термограммы нативных и отожженных пшеничных (а) и ячменных крахмалов (б).

Таблица 6. Значения кооперативной единицы плавления (у), толщины кристаллической ламели (ЬСГ1), свободной поверхностной энергии (у,) и энтропии (.?,) образования торцевой грани кристалла нативных ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы.

Температура V,

Сорт окружающей "^отжига, ангидро- Lcrl, Ъ, s„

среды (°С) Ч глюкозных остатков HM [Дж-см"2]107 [Дж-см 2 К']107

7 0 16.0 5.6 17.83 0.169

Waxy Oderbrucker (амилопектиновый) 7 0.5 13.9 4.9 16.85 0.093

7 1.5 14.4 5.0 16.85 0.110

7 4 13.1 4.6 16.62 0.081

7 10 16.2 5.7 16.44 0.117

Среднее значение 14.7±0.6 5.2

7 0 18.7 6.6 21.16 0.234

Golden Promise (нормальный) 7 0.5 18.1 6.3 22.48 0.240

7 1.5 19.9 7.0 21.71 0.249

7 4 18.5 6.5 21.71 0.234

7 10 19.8 6.9 21.08 0.242

Среднее значение 19.0±0.4 6.7

Проанализируем полученные данные с помощью уравнения Томсона-Гиббса. В качестве примера в таблице 6 представлены значения величины свободной энергии образования торцевой грани кристалла и энтропийного члена для нативных и отожженных крахмалов. Действительно, отжиг крахмалов приводит к уменьшению параметров величины свободной энергии образования торцевой грани кристалла и энтропийного члена, т.е. к уменьшению содержания дефектов. Следует отметить, что аналогичные данные были получены практически для всех исследуемых образцов, т.е. для образцов как с различным содержанием амилозы, так и выращенных при различных температурах окружающей среды.

С целью получения представлений о возможной структуре дефектов рассмо грим явление отжига на примере пшеничных крахмалов более подробно. В качестве примера на рис. 6 представлены микрофотографии амилопектинового пшеничного крахмала.

Рис.6. Микрофотографии световой микроскопии гранул крахмала,

экстрагированных из пшеницы сорта Леона до (слева) и после отжига (справа)

Как видно и» рис 6, после отжига различия между частично кристаллическими и аморфными кольцами роста становятся более выраженными Можно полагать, чго наблюдаемые изменения связаны с изменением размеров амилопектиновых кластеров или толщины кристаллической ламели Однако, рентгеноструктурные исследования показывают, что размеры амилопектиновых кластеров остаются неизменными (рис 7., таблица 7), в то время как толщина кристаллической ламели после отжига увеличивается, причем эти изменения зависят о г содержания амилозы в крахмалах

\ \

01 ог

' &' Г1ГП

■■ Сорт (содержание амилозы, %) Толщина амилопектинового кластера, нм ЬсгЬ НМ

Натив -ные Отожженные Натив -ные Отожженные

Леона (1.5%) -10 -10 4.5 5.5

Булава (39 5%) -10 ~10 • 4.7 62

Рис 7 Кривые рассеяния нативных и отожженных пшеничных крахмалов под малыми углами 1,3 - нативные; 2,4 -отожженные (10 часов) крахмалы из пшениц сортов Леона и Булава

Таблица 7. Значения толщины кристаллической ламели и амилопектинового кластера нативных и отожженных пшеничных крахмалов

Анализ термодинамических данных показывает, что увеличение толщины кристаллической ламели не всегда сопровождается изменением энтальпии плавления отожженных крахмалов (таблица 8).

Таблица 8. Значения толщины (Ъсг|) и энтальпии плавления (АНСТ,) кристаллических ламелей нативных и отожженных пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы.

Сорт ^отжига* АНсгЬ Есть

(содержание амилозы, %) ч (кДж/моль) нм

0 2.8 4.5

0.5 2.8 4.9

Леона (1.5%) 1.5 3.0 4.7

4 3.5 4.5

10 3.3 5.5

0 2.3 4.9

0.5 2.4 4.9

Им. Рапопорта (26.0%) 1.5 2.3 5.2

4 1.9 6.2

10 2.4 5.8

0 2.5 4.7

0.5 2.3 5.5

Булава(39.5%) 1.5 2.2 5.7

4 2.3 6.1

10 2.4 6.2

Если для амилопектиновых крахмалов увеличение времени отжига приводит к увеличению величины энтальпии плавления, то для нормальных и высокоамилозных крахмалов значение энтальпии остается практически неизменным. Принимая во внимание, что величина энтальпии плавления пропорциональна содержанию упорядоченных структур, можно полагать, что увеличение толщины кристаллической ламели при отжиге крахмала сопровождается дополнительной спирализацией А-цепей амилопектина, что сопровождается уменьшением дефектности крахмала и, соответственно, величины свободной энергии образования торцевой грани кристалла и энтропийного члена. Это означает, что в нативном состоянии существуют амилопектиновые А-цепи, находящиеся в неупорядоченной конформации. Так как удлинение кристаллов происходит всего на 2,7 ангидроглюкозн остатка, трудно предполагать, что эти свободные концы находятся где-то внутри кристаллической ламели. Предполагается, что скорее всего эти концы располагаются на поверхности наиболее толстых кристаллитов, примыкающих к аморфной ламели.

В отличие от амилопектиновых крахмалов, при отжиге высокоамилозных крахмалов происходит значительное увеличение кооперативной единицы плавления на 5,7 ангидроглюкозных остатка (таблица 9).

Таблица 9. Значения энтальпии (АНСГ1) и кооперативной единицы (у^,) плавления и энтропии образования торцевой грани кристалла пшеничных крахмалов.

Сорт Тотжига? днсг„ V,

(содержание ч (кДж/моль) ангидроглюкозных [Дж/см2К]107

амилозы, %) остатков

Леона (1.5%) 0 2.8 12.7 0.121

0.5 2.8 13.9 0.124

1.5 3.0 13.5 0.113

4 3.5 12.9 0.080

10 3.3 15.8 0.110

Им.Рапопорта (26.0%) 0 2.3 13.9 0.143

0.5 2.4 13.9 0.141

1.5 2.3 14.9 0.160

4 1.9 17.8 0.219

10 2.4 16.6 0.168

Булава(39.5%) 0 2.5 12.1 0.137

0.5 2.3 15.6 0.169

1.5 2.2 16.4 0.179

4 2.3 17.4 0.190

10 2.4 17.7 0.187

Учитывая это, можно было ожидать и значительного увеличения энтальпии. Однако, этого не происходит. Это означает, что количество упорядоченных структур до и после отжига остается неизменным. Т.е. в нативном крахмале, по-видимому, уже существовали упорядоченные структуры, которые вносили вклад в величину энтальпии при плавлении как нативных, так и отожженных крахмалов, но не вносили вклада в размер кристаллической ламели. Можно полагать, что близко расположенные двойные спирали А-цепей амилопектина в процессе отжига взаимодействуют друг с другом, образуя более длинные кристаллы. В этом случае вполне естественно было ожидать увеличения значепия энтропийною члена, что мы и наблюдали в наших исследованиях. Как видно из таблицы 9, для нормальных крахмалов с одной стороны наблюдается увеличение кооперативной единицы плавления при отжиге, а с другой стороны величина энтальпии плавления остается неизменной. Можно полагать, что для нормальных крахмалов наблюдаются дефекты, характерные как для

высокоамилозных, так и для амилопектиновых крахмалов Кроме того, для всех исследуемых крахмалов нельзя исключать всмможность образования амилозных

проходных цепей, которые не могу г вносить вклад в измеряемые параметры

Таким образом исследования пока ¡али, что увеличение содержания амилозы или понижение температуры окружающей среды при биосинтезе растений приводит к

увеличению содержания дефектов, локализованых в амилопектиновом кластере, или, если говорить более детально, эти дефекты могут быть локализованы как в кристаллической, так и в аморфной ламели Такими дефектами могут быть свободные концы неспирализованных А-цепей амилопектина, двойные спирали, не участвующие в образовании кристаллитов, а также амилозные проходные цепи

Четвертый раздел посвящен исследованию структуры и свойств энзимрезистентных пшеничных крахмалов

Рис. 7 Кривая рентгеновского рассеяния резистентного крахмала (РК) из пшеницы сорта Булава под большими углами.

На рис 7 приведена кривая рентгеновского рассеяния под большими углами. Можно наблюдать кристаллические рефлексы при 20 = 7.1е, 13.4°, 17.5°, 20.3°, и 23.0°. что соответствует межплоскостному расстоянию, равному 1 25 нм, 0.66 нм, 0.51 нм, 0.44 нм, и 0.39 нм.

Рефлексы при 26 = 7.1°, 13 4°, 20.3° характерны для V-тип структуры амилозы, состоящей из одиночной спирали, тогда как рефлексы при 20 = 17 5° и 23 0" характерны для В-типа полиморфной структуры. Отсюда следует, что РК III из высокоамилозных пшеничных крахмалов содержит кристаллиты как V- так и В- типа

о7? ы? ¡75 2Т0 гГЗ зл? зПГ S, 1/нм

- РК Ш из пшеницы сорта Bvwea

---Повторный нагрей РК Ш из пщеницы сорта Булава

40 60 80 100 120 140 160

ТЕМПЕРАТУРА, °С

Рис. 8 ДСК-термограмма резистентного крахмала из пшеницы сорта Булава.

Температура плавления кристаллических областей крахмала обуславливается толщиной кристаллитов и кооперативной единицей плавления (у), т.е. величиной, соответствующей минимальной длине последовательно повторяющихся единиц мономера, которые плавятся как единое целое. Если более высокая темпера гура плавления (111.7°С или 384.7К, Рис. 8) обусловлена только увеличением кооперативной единицы плавления, то величина уРКш для РК III В- типа кристаллитов может быть рассчитана из уравнений (1,2).

где AN - разность степени полимеризации цепей, формирующих В-типы кристаллитов РК III и нативного картофельного крахмала, ДТ - разность температур плавления В-типа кристаллитов РК III и нативного картофельного крахмала, с - константа, равная 28 При использовании средних значений v„mwe (13.8 ангидроглюкозных остатков) и Tm native (338.2К) для нативного картофельного крахмала и температуры плавления В-типа кристаллитов РК III (384.7К), может быть получено значение vPlan, равное 66.9 ангидроглюкозным остаткам, которое не противоречит данным для других РК III (от 22 и до 65 ангидроглюкозных остатка). Учитывая, что размер шага ангидроглюкозной единицы в двойных спиралях составляет 0.35 нм, толщина (Lcrl) для В-типа кристаллитов РК III может быть рассчитана по уравнению 3:

AN = (ДТ-С- VnanveVT, V RSJII = VM„ve + AN,

(1) (2)

Lcri = 0.35 VpKIU

Величина Lcri для B-типа кристаллитов PK III составляет 23.4 нм.

Время, иш

Рис. 9 Кривые ферментативного гидролиза различных крахмалов.

Как видно из рис. 9, коммерческий образец резистентного крахмала КоуеЬэе 330 амилолитическими ферментами практически не атакуется. Накопление глюкозы в процессе ферментного гидролиза желатинизированного крахмала и РК III из высокоамилозного пшеничного крахмала может быть описано прямой с коэффициентами корреляции, равными 0.980 и 0.981, соответственно. Соответствующие скорости гидролиза равны 127.5Т0"3 ммоль/мин и 17.2-10"3 ммоль/мин. Сопоставление полученных данных показывает, что гидролиз РК III, полученного из высокоамилозного крахмала пшеницы, приводит к образованию небольшого количества глюкозы (Рис.9), близкого к количеству глюкозы, выделяемой из ЫоуеЬве 330, тогда как количество глюкозы из желатинизированного высокоамилозного крахмала пшеницы в несколько раз выше.

Таким образом, исследования структуры, термических и энзиматических свойств РК П1 из высокоамилозных пшеничных крахмалов показали, что РК III является гелеобразной системой, содержащей приблизительно 40%-45% кристаллитов В- и V- типов, которые подвергаются плавлению при температурах 111.7°С и 81.5 -93.3 °С, соответственно. Величина кооперативной единицы плавления и толщина В-криссталов РК III составляли 66.9 ангидроглкжозных единиц и 23.4 нм, соответственно. Структурные свойства РК III близки к описанным в литературе.

выводы

1. Применение методов сканирующей электронной микроскопии, световой микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния, высоко чувствительной дифференциальной сканирующей микрокалориметрии, а также использование математических методов для обработки результатов экспериментов и различных физических моделей, таких как модель двух состояний для описания процесса плавления упорядоченных структур в крахмале и паракристалпическая модель для описания кривых рассеяния крахмалов, позволили оценить размеры надмолекулярных структур (амилопектиновых кластеров и кристаллических ламелей) на различных уровнях макромолекулярной организации полисахаридов пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы.

2. На примере исследования пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы впервые показано, что увеличение содержание амилозы приводит к увеличению толщины частично кристаллических колец роста от 182 нм до 312 нм, тогда как толщина амилопектиновых кластеров (-10 нм), и кристаллических ламелей (~5 нм) как для пшеничных, так и ячменных крахмалов остается неизменной.

3. Анализ термодинамических параметров плавления упорядоченных структур с помощью уравнения Томсона-Гиббса показал, что существенный вклад в термодинамические параметры плавления исследуемых крахмалов вносят дефекты, а именно: амилозные проходные цепи, молекулярно упорядоченные структуры, содержание которых увеличивается как при увеличении содержания амилозы в крахмалах, так и при уменьшении температуры окружающей среды при росте растений.

4. Изучено влияние отжига на различные уровни структурной организации полисахаридов крахмалов в гранулах. На примере исследования пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы показано, что в результате отжига контрастность между частично кристаллическими кольцами роста и аморфным «бекграундом» увеличивается, однако это не приводит к изменениям размеров амилопектиновых кластеров. Отжиг высоко-амилозных крахмалов независимо от источника их выделения приводит к увеличению размеров кристаллических ламелей, в то время как для амилопектиновых крахмалов эти размеры остаются неизменными.

содержания дефектов в нативных гранулах, располагающихся как в кристаллической, так и в аморфных ламелях.

Установлено, что циклическая обработка (нагрев-охлаждение) водных дисперсий высоко-амилозного пшеничного крахмала приводит к образованию сетки геля, содержащего кристаллиты. Оценка температур плавления кристаллитов с результатами исследования термических свойств препаратов энзимрезистентных крахмалов, приведенных в литературе, а так же сопоставление значений концентрации глюкозы, образующейся при энзиматическом гидролизе исследуемых пшеничных гелей и коммерческого препарата энзимрезистентного крахмала «Novelose 330» показывает, что высоко-амилозные пшеничные крахмалы способны к образованию энзимрезистентных крахмалов III типа. Это открывает возможность для разработки технологии получения хлебобулочных изделий с повышенным содержанием энзимрезистентных крахмалов, т.е. продуктов лечебно-профилактического назначения.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

V.I. Kiseleva, R.F. Tester, L.A. Wasserman, A.V. Krivandin, A.A. Popov, V. P. Yuryev Influence of grown temperature on the structure and thermodynamic parameters of barley starches//Carbohydrate Polymers, 2003, 51,407-415. JI. А. Вассерман, E.B. Сотникова, В.И. Киселева, М.М.Г. Гаппаров, В.П. Юрьев Оценка параметров процесса ферментативного гидролиза желатинизированных крахмалов выделенных из пшеницы, гороха и ячменя с различным содержанием амилозы.//Пищевая промышленность. 2003,11, 33-38.

V.I. Kiseleva, N.K. Genkina, R. Tester, L.A. Wasserman, A.A. Popov and V.P.Yuryev Annealing of normal, low and high amylose starches extracted from barley cultivars grown under different environmental conditions.// Carbohydrate Polymers, 2004, 56, 157-168

L.A. Wasserman, V.I. Kiseleva, A. Schiraldi, W. Blaszczak, J. Fornal, E.V. Sotnikova, M.G.G. Gapparov, V.P. Yuryev Microstructure, thermal properties and susceptibility of the high amylose wheat starch to enzymatic hydrolysis: a new material for resistant starch (RSIII) production.// Polish Journal of Food and Nutrition Sciences, 2004, Vol. 13/54, № 2, pp. 151-156.

Yuryev, V. P., Krivandin, A. V., Kiseleva, V. I., Wasserman, L. A., Genkina, N. K., Fornal, J., Blaszczak, W., Schiraldi, A. Structural parameters of amylopectin clusters

in wheat starches with different amylose content.// Carbohydrate Research, 2004, 339, 2683-2691.

6. Kiseleva, V.I., Kxivandin, A V., Fomal, J., Btaszczak, W., Jelinski, T., Popov, A.A., Yuryev, V.P. Annealing of normal and mutant wheat Starches. DSC, SAXS and SEM studies.// Carbohydrate Research, 2005, 340, 75-83.

7 Kiseleva, V. I, Genkina, N K., Tester, R. F., Wasserman, L. A, Popov, A. A, Yuryev, V. P. Annealing of normal, low and high amylose starches extracted from barley cultivars grown at different environmental conditions. In Book- The volume I -Starch: from polysaccharides to granules, simple and mixtures gels /Ed. V. P., Yuryev, P., Tomasik, H., Ruck: Starch - structure, properties technologies. Nova Science Publ., New-York, 2004 , pp.147-168.

8. N.K. Genkina, V.I. Kiseleva, L.A. Wasserman, V.P.Yuryev. Evaluation and classification of starch crystalline imperfection through annealing Retrospective analysis. In Book: Starch Progress in structural studies, modifications and applications./Ed P. Tomasik, V P. Yuryev, E. Bertoft. Polish Society of Food Technologists, 2004 , pp.115-134.

9. Kiseleva, V I., Krivandin, A.V., Fomal, J., Blaszczak, W., Jelinski, T , Popov, A.A., Yuryev, V.P. Influence of annealing on various levels of structural organization of wheat starches with different amylase content. In Book: Starch Progress in structural studies, modifications and applications./Ed. P. Tomasik, V P. Yuryev, E. Bertoft. Polish Society of Food Technologists, 2004, pp.185-203.

A¿30

»•2230

Подписано в печать 4 ч х,. 2005 г. Формат 60x84/16. Заказ № {цоТираж <Цэкз. П.л.-!,?

Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 132 51 28

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Киселева, Валентина Ивановна

Специальность 02.00.04. "Физическая химия"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук Юрьев В.П.

Москва

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Крахмал - строение, состав, свойства

1.2. Дефекты в структурной организации нативных гранул крахмала

1.3. Отжиг крахмалов

1.4. Резистентные крахмалы Заключение по литературному обзору

ГЛАВА II. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Материалы.

2.2. Методы исследования.

2.2. ¡.Высокочувствительная дифференциальная сканирующая калориметрия.

2.2.2. Диффере1щиальная сканирующая калориметрия

2.2.3. Световая микроскопия

2.2.4. Сканирующая электронная микроскопия

2.2.5. Рентгеновское рассеяние под большими углами

2.2.6. Малоугловое рентгеновское рассеяние

2.2.7. Ферментативный гидролиз резистентных крахмалов

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Структура и термодинамические свойства пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы. 3.1.1. Морфологические и термодинамические исследования пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы

3.1.2. Исследование пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы методом рассеяния под малыми углами. Взаимосвязь структурных и термодинамических параметров.

3.2. Дефекты структурной организации ячменых крахмалов с различным содержанием амилозы.

3.2.1. Влияние температуры окружающей среды на структуру и термодинамические свойства ячменных крахмалов.

3.3. Влияние отжига на дефектность гранул крахмала на различных уровнях структурной организации.

3.3.1. Отжиг нормальных, амшопектиновых и высокоамилозных крахмалов, экстрагированных из ячменя, выращенного при различных условиях окружающей среды.

3.3.2. Отжиг нормальных и мутантных пшеничных крахмалов. Исследование методами световой и сканирующей электронной микроскопии, ДСК и рассеяния под малыми углами.

3.4. Структура и свойства энзимрезистентных пшеничных крахмалов

Введение диссертация по химии, на тему "Структура и свойства пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы"

В настоящее время кукуруза, в том числе восковидная, пшеница, картофель и тапиока рассматриваются как основные источники для экстракции нативного крахмала в крахмалопаточной промышленности [1]. В Европе основными источниками для производства крахмала являются кукуруза, пшеница и картофель. Согласно данным на 1998 год [2], ежегодно перерабатывается 8.8х106 т картофеля, 5.9х106 т кукурузы и 4.4 х106 пшеницы. При этом общее производство крахмала достигает 7.7x106 т, из которых 4.3х х106 т потребляется различными отраслями пищевой промышленности, 3.4x106т используется для непищевых целей, а именно при производстве бумаги и в картонажном производстве, а также при производстве адгезивных материалов. В 1998 году доля кукурузного, пшеничного и картофельного крахмала на Европейском рынке составляла 49%:29%:22%, соответственно [2]. К 2000 году производство основных видов крахмала практически осталось неизменным (46%:32%:22%), хотя необходимо отметить некоторое увеличение производства пшеничного крахмала и уменьшение производства кукурузного крахмала [3].

Широкое использование кукурузного крахмала на Европейском рынке обусловлено рядом причин:

1. генетическим разнообразием кукурузы, в сортах которой содержится крахмал с различным соотношением амилозы и амилопектина [4];

2. коммерческой значимостью не только основного продукта глубокой переработки кукурузы (крахмала), но и сопутствующих продуктов - масла и белка [2];

3. гарантированными поставками в Европу из США (около 50%) [1].

Принимая во внимание, что функциональные свойства крахмалов и, соответственно, качество продуктов, получаемых на их основе, зависят от соотношения основных полисахаридов крахмала (амилозы и амилопектина), первый пункт является чрезвычайно важным при определении потенциала сорта того или иного сельскохозяйственного сырья как источника для крахмалопаточной промышленности. Именно соотношение амилозы и амилопектина, конечно, наряду с другими характеристиками крахмала, определяет пути его использования и применения в различных отраслях народного хозяйства [5,6]. Так, например, если химически модифицированные крахмалы, получаемые из восковидной кукурузы и содержащие 0-5% амилозы, применяются как загустители или стабилизаторы при производстве различных десертов, соусов, а также в целлюлозно-бумажной промышленности [2,5,6]; нормальные крахмалы, содержащие 24%-28% амилозы, широко используются при производстве сиропов, изоглюкозы или декстрозы, или применяются в качестве гелеобразователей [2], то высокоамилозные крахмалы используются как источник для производства энзимрезистентных крахмалов и получения биодеградирумых материалов [2,7]. В этом отношении потенциальным конкурентом кукурузы на Европейском рынке может рассматриваться крахмал гороха, который в зависимости от сорта может содержать от 4-10 % до 65-75% амилозы [8], а также крахмал ячменя, в мутантных линиях которого содержится от 0% до 40% амилозы [9, 10]. Ячмень является в мире четвертым, наиболее важным злаком после пшеницы, риса и кукурузы [11]

На сегодняшний день по разным причинам только крахмалы пшеницы и картофеля, а также ячменя могут в какой-то степени реально конкурировать с объемом производства кукурузного крахмала [8]. Увеличение производства картофельного и пшеничного, ячменного крахмалов сдерживалось именно из-за отсутствия сортов с генетически измененным соотношением амилозы и амилопектина. Но в середине 90-х годов прошлого века были выведены сорта картофеля и пшеницы, в крахмалах которых содержится от 0.2% до 1.3% амилозы [12-18], т.е. проблема получения генетически измененных амилопектиновых сортов этих культур была решена лишь частично, т.к. высокоамилозные сорта этих культур не получены до сих пор. Несмотря на это, полученные результаты дают возможность рассматривать картофель и пшеницу, а также ячмень, как экспортозамещающее для многих стран Европы и, в частности для России, сырьё для использования в крахмалопаточной промышленности, в противовес перерабатываемой кукурузе. В пользу этого положения свидетельствует ряд факторов: во-первых, традиции, существующие в перерабатывающей промышленности Европы, для которой пшеница и картофель являются традиционным селькохозяйственным сырьём; во-вторых, увеличение производства пшеницы в Европе [19], в-третьих, коммерческая значимость клейковины, получаемой в результате глубокой переработки пшеницы [8, 16, 20]. Кроме того, исследования показали [12, 1418, 21], что функциональные свойства крахмалов пшеницы и картофеля с низким содержанием амилозы не уступают соответствующим крахмалам кукурузы.

Анализ опубликованных данных, касающийся сортовых особенностей пшеницы, обычно выращиваемой в различных странах мира, показал, что содержание амилозы в крахмалах пшеницы составляет 24-28% [1, 22]. Это положение было подтверждено исследованиями крахмалов озимых и яровых сортов пшеницы отечественной селекции [23].

Согласно [19], чтобы оценить свойства крахмалсодержащего сырья как потенциального источника для выделения крахмала и сопутствующих продуктов переработки, необходимо определить не только их химический состав, но и технологические параметры, обусловливающие качество готовой продукции.

В настоящее время Российская крахмалопаточная промышленность ориентирована на два вида сырья: картофель и кукурузу, хотя оба вида обладают существенными недостатками, а именно: переработка картофеля носит сезонный характер (2-3 месяца в году), что обуславливает низкий коэффициент использования основных фондов; посевные площади товарной кукурузы незначительны, ее возделывание сосредоточено в основном на юге России, вследствие чего предприятия вынуждены перерабатывать импортную кукурузу, что снижает рентабельность производства крахмала [10].

Принимая во внимание выше изложенное, оценка свойств пшеницы и ячменя как источников для крахмалопаточной промышленности является актуальной как для Европы в целом, так и для России в частности. Однако, несмотря на то, что доля зернового сырья для крахмалопаточной промышленности увеличивается, требования к свойствам пшеницы, а также ячменя как к источникам крахмала для промышленной переработки еще не сформулированы.

Цели и задачи работы

Для достижения вышеуказанных целей были поставлены следующие задачи:

1. Определить структуру и термодинамические свойства пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы.

2. Оценить дефектность структурной организации ячменых крахмалов с различным содержанием амилозы.

3. Определить влияние отжига на дефектность гранул крахмала на различных уровнях структурной организации.

4. Определить возможность образования энзимрезистентных крахмалов из высокоамилозных пшеничных крахмалов.

Научная новизна

Оценены размеры надмолекулярных структур на различных уровнях макромолекулярной организации полисахаридов пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы. Впервые установлено, что увеличение содержание амилозы приводит к увеличение толщины частично кристаллических колец роста от 182 нм до 312 нм, тогда как толщина амилопектиновых кластеров и кристаллических ламелей как для пшеничных, так и для ячменных крахмалов остается неизменной. Впервые показано, что существенный вклад в термодинамические параметры плавления исследуемых крахмалов вносят дефекты, а именно: амилозные проходные цепи, молекулярно упорядоченные структуры, содержание которых увеличивается как при увеличении содержания амилозы в крахмалах, так и при уменьшении температуры окружающей среды при росте растений. Установлено, что отжиг высокоамилозных крахмалов, независимо от источника их выделения, приводит к увеличению размеров кристаллических ламелей, в то время как для амилопектиновых крахмалов эти размеры остаются неизменными. Показано, что отжиг исследуемых крахмалов приводит к уменьшению содержания дефектов в нативных гранулах, располагающихся как в кристаллической, так и в аморфных ламелях. Установлено, что циклическая обработка (нагрев-охлаждение) водных дисперсий высокоамилозного пшеничного крахмала приводит к образованию крахмалов, которые рядом физико-химических методов (ДСК, малоугловое и широкоугловое рентгеновское рассеяние), а также методом ферментативного гидролиза, охарактеризованы как резистентные крахмалы III типа.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены: 1. Пятнадцатые международные Плехановские чтения, апрель, 2002 г.; 2. Вторая ежегодная молодежная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика», май, 2002 г.; 3. XI Международная конференция по крахмалу Москва-Краков, Москва, 17-19 июня, 2003 г.; 4. «X International Starch Convention», Cracow (Poland), June 12-14, 2002; 5. Международная научно-техническая конференция "Разработка и производство продуктов функционального питания, инновационные технологии конструирование оборудования для переработки сельхозсырья, культура питания населения Украины", Украина (Киев), 21-23 октября, 2003 г.; 6. «XII International Starch Convention Cracow-Moscow», Cracow (Poland), June 14-17, 2004; 7. Четвертая ежегодная молодежная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика», октябрь, 2004г.; 8. «XIII International Starch Convention, Moscow-Cracow», Moscow (Russia), June 21-23, 2005.

Заключение диссертации по теме "Физическая химия"

Выводы

1. Применение методов сканирующей электронной микроскопии, световой микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния, высоко чувствительной дифференциальной сканирующей микрокалориметрии, а также использование математических методов для обработки результатов экспериментов и различных физических моделей, таких как модель двух состояний для описания процесса плавления упорядоченных структур в крахмале и паракристаллическая модель для описания кривых рассеяния крахмалов, позволили оценить размеры надмолекулярных структур (амилопектиновых кластеров и кристаллических ламелей) на различных уровнях макромолекулярной организации полисахаридов пшеничных и ячменных крахмалов с различным содержанием амилозы.

2. На примере исследования пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы впервые показано, что увеличение содержание амилозы приводит к увеличению толщины частично кристаллических колец роста от 182 нм до 312 нм, тогда как толщина амилопектиновых кластеров (~10 нм), и кристаллических ламелей (~5 нм) как для пшеничных, так и ячменных крахмалов остается неизменной.

4. Изучено влияние отжига на различные уровни структурной организации полисахаридов крахмалов в гранулах. На примере исследования пшеничных крахмалов с различным содержанием амилозы показано, что в результате отжига контрастность между частично кристаллическими и аморфными кольцами роста увеличивается, однако это не приводит к изменениям размеров амилопектиновых кластеров. Отжиг высокоамилозных крахмалов независимо от источника их выделения приводит к увеличению размеров кристаллических ламелей, в то время как для амилопектиновых крахмалов эти размеры остаются неизменными.

5. Результаты оценки свободной энергии и энтропии образования торцевой грани кристаллитов в совокупности с результатами структурных исследований показывают, что отжиг исследуемых крахмалов приводит к уменьшению содержания дефектов в нативных гранулах, располагающихся как в кристаллической, так и в аморфных ламелях.

6. Установлено, что циклическая обработка (нагрев-охлаждение) водных дисперсий высокоамилозного пшеничного крахмала приводит к образованию сетки геля, содержащего кристаллиты. Оценка температур плавления кристаллитов с результатами исследования термических свойств препаратов энзимрезистентных крахмалов, приведенных в литературе, а так же сопоставление значений концентрации глюкозы, образующейся при энзиматическом гидролизе исследуемых пшеничных гелей и коммерческого препарата энзимрезистентного крахмала «No velóse 330» показывает, что высокоамилозные пшеничные крахмалы способны к образованию энзимрезистентных крахмалов III типа. Это открывает возможность для разработки технологии получения хлебобулочных изделий с повышенным содержанием энзимрезистентных крахмалов, т.е. продуктов лечебно-профилактического назначения.

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Киселева, Валентина Ивановна, Москва

1. Swinkels J.J.M. Composition and Properties of commercial Native Starches.//Starch/Starke 1985.37.1-5.

2. Rope H. Renewable raw materials in Europe Industrial utilization of starch and sugar.//Starch/Starke. 2000. 54. 89-99.

3. Informational materials of Association of Russian starch and glucose manufactures, 2002.

4. Zobel H.F. Starch Crystal Transformations and Their Industrial Importance. //Starch/ Starke 1988.40.1-7.

5. Zobel H.F. Molecules to Granules: A Comperehensive Starch Review.//Starch / Starke 1988.40.44-50.

6. Eerlingen R. Formation, structure and properties of enzyme resistant starch. Ph. D. Thesis./Katholieke Universitetit te Leuven. 1994. 136 p.

7. Wang, T. L.; Bogracheva, T. Ya.; Hedley, C. L. Starch: as simple as A, В, С! Л Journal of Experimental Botany. 1998, 49, 481-502.

8. Yuryev V. P., Kalistratova E. N., G. van Soest J. J., Niemann C. Thermodynamic properties of barley starches with different amylose content.//Starch/Starke 1999.50.463-466.

9. Андреев H.P. Основы производства нативных крахмаловУПищепромиздат. Москва. 2001

10. H.Tang, Н. Ando, К. Watanabe, Y. Takeda, Т. Mitsunagaa. Physicochemical properties and structure of large, medium and small granule starches in fractions of normal barley endospermJ/Carbohydrate Research , 2001, 330, 241-248.

11. Yusui Y., Matsuki J., Sasaki J., Yamamori M. Amylose and lipid contents, amylopectin structure, and gelatinization properties of waxy wheat (Triticum aestivum) starch.//Cereal Sci. 1996.24. 131-137.

12. Yusui Y., Sasaki M., Matsuki J., Yamamori M. Waxy endosperm mutants of bread wheat (Triticum aestivum) and their starch properties.//Breeding Sci. 1997. 47. 161-163.

13. Yoo S.-H., Jane J.-l. Structural and physical characteristics of waxy and other wheat starches.//Carbohydrate Polymers. 2002. 49. 297-305.

14. Lumdubwong N., Seib P.A. Low- and medium- DE maltodextrins from waxy wheat starch: preparation and properties.//Starch/Starke. 2001. 53. 605615.

15. Graybosch R.A. Waxy wheats: origins, properties and prospects.//Trends in Food Science and Technology. 1998. 9. 135-142.

16. Visser R.G.V., Suurs L.C.J.M., Bruinenberg P.M., Bleeker I., Jacobsen E. Comparison between amylose-free and amylose containing potato starches.//Starch/Starke. 1997. 49. 438-443.

17. Visser R.G.V., Suurs L.C.J.M., Steeneken P.A.M., Jacobsen E. Some physicochemical properties of amylose-free potato starch.//Starch/Starke. 1997. 49. 443-448.

18. Seib P.A. Wheat Starch: Isolation, Structure and Properties./Oyo Toshitsu Kagaku. 1994.41.49-69

19. Reddy I., Seib P.A. Modified waxy wheat starch compared to modified waxy corn starch J I J. of Cereal Science. 2000. 31. 25-39.

20. Morrison W.R. Uniqueness of wheat starch. In book: Wheat is unique. Structure, composition, processing, end-use properties and products. Ed. J.

21. Pomeranz./Publisched by the American Assosiation of Cereal Chemists. St. Paul, Minnesota, USA. 1994.ch.12.

22. Buleon, P. Colonna, V. Planchot, S. Bull Starch granules: structure and biosynthesis./¡International Journal of Biological Macromolecules, 1998, 23, 85-112.

23. Banks, W., Greenwood, C.T., Starch and Its Components. Edinburgh University Press, Edinburgh. 1975

24. Blanshard, J.M.V., Starch granule structure and function: a physicochemical approach. In: Galliard, T., (Ed.)./Starch: Properties and Potential, Wiley, Chichester, 1987, pp. 16-54.

25. French, D., Fine structure of starch and its relationship to the organisation of starch granules./Denpun Kagaku, 1972, 19, 8-25.

26. Galliard, T., Bowler, P., Morphology and composition of starch. In: Galliard, T., (Ed.), Starch: Properties and Potential./Wiley, Chichester, 1987, 5578.

27. Hoover, R., Composition, molecular structure, and physicochemical properties of tuber and root starches: a review.I I Carbohydrate Polymers, 2001, 45, 253-267.

28. Kent, N.L., Evers, A.D., Kent's Technology of Cereals, fourth ed., Pergamon Press./Oxford, p. Oxford, 1994

29. Lineback, D.L., Current concepts of starch structure and its impact on properties./Denpun Kagaku, 1986, 33, 80-88.

30. Tester, R.F., Karkalas, J., Starch. In: Streinbuchel, A. (vol. Eds.), Biopolymers, vol.6. Polysaccharides. II. Polysaccharides from Eukaryotes./Wiley-VCH, Weinheim, 2002, 381-438.

31. Manners, D. J., Resent developments in our understanding of amylopectin structure.//Carbohydrate Polymers, 1989, 11, 87-112.

32. Tester, R.F., Karkalas, J., Qi, X., Starch composition, fine structure and architecture.//Journal of Cereal Science. 2004, 39, 151-165.

33. Cameron, R. E., Donald, A. M. A small-angle X-ray scattering study of the annealing and gelatinization of starch J/Polymer, 1992, 33, 2628-2635.

34. Gallant, D.J., Bouchet, B., Baldwin, P.M. Microscopy of starch: evidence of a new level of granule organization J/Carbohydrate Polymers, 1997, 32, 177-191.

35. Baldwin, P.M., Adler, J., Davies, M.C., Melia, C.D. High resolution imaging of starch granule surfaces by atomic force microscopy J/Journal of Cereal Science, 1998, 27, 255-256.

36. Bertoft, E., Koch, K. Composition of chains in waxy-rice starch and its structural units J/Carbohydrate Polymers, 2000, 41, 121-132

37. Jenkins P. J.; Cameron, R. E.; Donald, A. M., A universal feature in the structure of starch granules from different botanical sources, Starch/Starke, 1993, 45, 417-420.

38. Jenkins, P J.; Donald, A. M. The influence of amylose on starch granule structureJ/Int. J.Biol.Macromol. 1995,17, 315-321.

39. Donald, A.M.; Kato, k. L.; Perry, P.A.; Waigh, T. A., Scattering studies of the internal structure of starch granules J/Starch/Starke, 2001, 53, 504512.

40. Pikus, S.; Jamroz, J.; Kobylas, E.; Wlodarczyk, M.; Bogdanowicz, T. In Conference Proceeding book. X International starch convention. Cracow (Poland), June 11-14,2002, p.72

41. Matveev, Y.I., van Soest J.J.G., Nieman C., Wasserman L.A., Protserov V.A., Ezernitskaja, M., Yuryev, V.P., The relationship between thermodynamic and structural properties of low and high amylose maize starches J I Carbohydr. Polym., 2001, 44, 151-160

42. Robin, J. P.; Mercier, C.; Charbonniere, R.; Guilbot, A. Lintnerized starches. Gel filtration and enzymatic studies of insoluble residues from prolonged acid treatment of potato starch .¡¡Cereal Chem. 1974, 51, 389-406.

43. Gallant, D. J., Bouchet, B., Buleon, A., and Perez, S. Physical characteristics of starch granules and susceptibility to enzymatic degradation .¡¡European Journal of Clinical Nutrition, 1992,46, 3-16.

44. Wu, H.C.H., Sarco, A., The double-helical molecular structure of crystalline A-amylose.//Carbohydrate Research, 1978, 61, 27-40.

45. Imberty,A., Chanzy, H., Perez, S., Buleon, A. and Tran, V.: New three-dimensional structure for A-type starch.//Macromolecules, 1987, 20, 26342636.

46. Imberty,A., Chanzy, H., Perez, S., Buleon, A. and Tran, V.: The double helical nature of the crystalline part of A- starch.HJournal Molecular Biology, 1988, 201, 365-378 .

47. Imberty,A and Perez, S. A revisit to the three-dimensional structure of B-amylose.//Biopolymers, 1988, 27, 1205-1221.

48. Gernat Ch., Radosta, S., Anger, H., and Damaschun, G. Crystalline parts of three different conformations detected in native and enzymatically degraded starches J/Siarch/Stdrke, 1993,45, 309-314.

49. Davydova, N.I., Leont'ev, S.P., Genin, Ya. V., Sasov, A.Yu., Bogracheva, T.Ya.: Some physico-chemical properties of smooth pea starches J'¡Carbohydrate Polymers, 1995,27,109-115.

50. Danilenko, A.N., Shtikova, Ye.V., Yuryev, V.P., Equilibrium and cooperative unit of the process of melting of native starches with different packing of the macromolecule chains in the crystallites J/Biophysics, 1994, 39, 427-432.

51. Andreev, N. R., Kalistratova, E. N., Wasserman, L. A., and Yuryev, V. P. The influence of heating rate and annealing on the melting thermodynamic parameters of some cereal starches in excess watQY.//Starch/Stdrke, 1999,57, 422429

52. Cook, D.; and Gidley, M. J., Loss of crystalline and molecular order during starch gelatinisation: origin of the enthalpic transition J/Carbohydr. Res., 1992,227, 103-112.

53. Bogracheva, Т., Morris, VJ., Ring, S.G., Hedley, C.L.: The granular structure of C-type starch and its role in gelatinization.// Biopolymers, 1998, 45, 323-332.

54. Б. Вундерлих. Физика макромолекул. Кристаллическая структура, морфология, дефекты. /Москва, Мир. 1976.

55. V.A. Bershtein, V.M. Egorov V.M.: Differential Scanning Calorimetry of polymers. Physics, chemistry, analysis, technology, (ed. T.J. Kemp). /Ellis Horwood, New-York London - Toronto - Sydney-Singapore, 1994

56. Bertoft, E., Zhu, Q., Andtfolk, H., Jungner, A. Structural heterogeneity in waxy-rice starch.// Carbohydrate Polymers, 1999, 38, 349-359.

57. Юрьев В.П; Эйгес H. С.; Вассерман JI. А.; Бочарникова И.И; Белоусова Е. М. в «Россия — зерновая держава»,! Пищепромиздат :Москва, 2003, стр. 109-112 .

58. Vasanthan, Т.; Bhatty, R. S. Physicochemical properties of small- and large- granule starches of waxy, regular, and high-amylose barleys.// Cereal Chem. 1996, 73, 199-207.

59. Sharpies, A. Introduction to polymer crystallisation. /Edward Arnold Ltd. London, 1996

60. Protserov,V. A., Karpov, V.G., Kozhevnikov, G. O.,Wasserman, L. A., Yuryev, V. P., Changes of thermodynamic and structural properties of potato starches (Udacha and Acrosil varieties) during biosynthesis, HStarch/Starke, 2001, 52,461-466.

61. Wasserman, L.A., Eiges, N.S., Koltysheva, G.I., Andreev, N.R., Karpov, V.G., Yuryev, V.P., The application of different thermodynamic approaches for description structural features in wheat and rye starches.// Starch/Starke 2001, 53, 629-634.

62. Landau, L.D., Lifshiz, E.M. Statistical Physics. /Nauka, Moscow 1964, 567.

63. Gidley, M. J. Nuclear Magnetic Resonance Analysis of Cereal Carbohydrates. In R. J. Alexander & H. F. Zobel (Eds.), /Developments in Carbohydrate Chemistry, 1992 (pp. 163-191). AAAC, St. Paul, MN.

64. Gidley, M.G., & Bociek, S.M. Molecular organisation in starches: 13C CP/MAS NMR study. I I Journal of American Chemical Society, 1985,107, 7040-7044.

65. Yuryev, V. P., Genkina, N. K., Wasserman, L. A., The influence of growth temperature on structural and thermodynamic properties of starch.// Zywnosc, 2002,9Supl., 153-168.

66. Jacobs, H; Delcour, J.A., Hydrothermal modification of granular starch with retention of the granular structure: a review.//*/. Agric. Food Chem., 1998,46, 2895-2905.

67. Tester, R. F.; Debon, S. J. J.; Karkalas, J., Annealing of wheat starches.//,/. Cereal Chem., 1998, 28, 259-272.

68. Kulp, K. and Lorenz, K., Heat-moisture treatment of starches. I. Physicochemical properties.//Cera*/ Chem., 1983, 58, 46-48.

69. Stute, R., Hydrothermal modification of starches: the difference between annealing and heat-moisture treatment J/Starch/Starke, 1992, 44, 205-214.

70. Gough, B. M., Pybus, J. N., Effect on the gelatinisation temperature of wheat starch granules of prolonged treatment with water at 50 °CJIStarch/Stdrke, 1971,23,210-212.

71. Lorenz, K.; Kulp, KJ/Starch/Starke 1980, 32, 181 -186

72. Nakazawa, Y., Wang, Y.-J., Acid hydrolysis of native and annealed starches and branch-structure of their Naegeli dextrins.HCarbohydr. Res., 2003, 338, 2871-2882.

73. Bjork I., Gunnarson A., Ostergard K. A study of native and chemically modified potato starch. Part II. Digestability in the rat intestinal tract./ Starch, 1989, 41, 128-134.

74. B. Wepner, E. Berghofer, E. Miesenberger, K. Tiefenbacher. Citrate Starch Application as resistant starch in different food system. //Starch, 1999, 51 (10), 354-361.

75. Eerlinger R.C., Delcour J.A. Formation, analysis, structureand properties of type III enzyme resistant starch. //J. Cereal Sci., 1994, 22, 129-138.

76. Czuchajowska Z., Sievert D., Pomeranz Y. Enzime-resistant starch. IV. Effect of complexing lipids.// Cereal Chem., 1991, 68, 537-542.

77. M. Croghan: Resistant starch as functional component of foods, Ernehr.-Umschau, 2003, 50, 65-67

78. H.N. Englyst, S.M. Kingman, J.H. Cummings: Classification and measurement of nutritionally important starch fraction.// Eur. J. Clinic.Nutr. 1992, 46, 33-50.

79. A.R. Bird: Prebiotics: A role for dietary fiber and resistant starch. I I Asia Pac. J. Clin. Nutr. 1999, 8 (Suppl.l), 32-36.

80. J.M. Gee, I. Bjork, M. Nyman: Physiological effects of cereal dietary fibreJ/Eur. J.Clinic. Nutr. 1992, 46 (Suppl.2), 125 -132.

81. P.H. Richardson, R. Jeffcoat, YC. Shi: High amylose starches: From biosynthesis to their use as food ingredients J I MRS Bulletin 2000, 25 (12), 20-24.

82. S.G. Haralampu: Resistant starch a review of the physical properties and biological impact of RS ^.HCarboh. Polym. 2000, 41, 285-292.

83. J. Szczodrak, Y. Pomeranz: Starch and enzyme-resistant starch from high-amylose barley J I Cereal Chem. 1991, 68, 589-596.

84. K. Shamai, H. Bianco-Peled, E. Shimoni: Polymorphism of resistant starch type IIIJ/Carboh. Polym. 2003, 54, 363-369.

85. M. Sijestrom, A.C. Eliasson, I. Bjorck: Characterization of resistant starch from autoclaved wheat starch.//'Starch/Starke, 1989, 4, 147-151.

86. Richter, M., Augustadt, S., Schierbaum, F., in Ausgewählte Methoden der Stärkechemie./VEBFachbuch Verla, Leipzig, 1968

87. Privalov, P. L., & Khechinashvili, N. N. A thermodynamic approach to the problem of stabilization of globular protein structure: a calorimetric study .HJournal of Molecular Biology, 1974, 86, 665-684.

88. Whittam, M. A., Noel, T. R., and Ring, S. (1991). Melting and Glass/Rubber Transitions of Starch Polysaccharides. In E. Dickenson (Ed.),/Food Polymers, Gels and Colloids (pp.277-288). Cambridge: Royal Society of Chemistry

89. Buttrose, M.S. HStarch/Starke. 1963, 75, 85-92.

90. Cheremukina, G.A., Chernenko, S.P., Ivanov. A.B., Pashekhonov, V.D., Smykov, L.P., Zanevsky, Yu.V., Automatized one-dimensional X-ray-detectorJllsotopenpraxis, 1990, 26, 547-549.

91. Franks. Some developments and applications of microfocus X-ray diffraction techniques J ¡British Journal of Applied Physics, 1958, 9, 349-352.

92. Щедрин Б. M., Фейгин JI. А. Учет коллимационной поправки при рассеянии рентгеновых лучей под малыми углами. Случай конечных размеров щелей ./Кристаллография. 1966. Том 11. 159-163.

93. Hosemann, R.; Bagchi, S. N. Direct analysis of diffraction by waifer./Noth-Holland: Amsterdam, 1962

94. Вайнштейн, Б. К. Дифракция рентгеновых лучей на цепных молекулах./Москва: Издательство АН СССР, 1963

95. Свергун Д. И., Фейгин JI. А. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние./Москва: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1986.

96. Eliason, A-Ch.; Larson, К. Cereals in breadmaking.lMarcel Dekker Inc.: New York-Basel-Hong Kong; 1993; Ch. 2, p. 96-129.

97. Baker, A. A.; Miles, M. J.; Helbert, W. Internal structure of the starch granule revealed by AFM.//Carbohydr. Res. 2001, 330, 249-256.

98. Ridout, M. J.; Gunning, A. P.; Parker, M. L.; Wilson, R. H.; Morris, V. J. Using AFM to image the internal structure of starch granules J/Carbohydr. Polym. 2002,50, 123-132.

99. Waigh, T. A.; Donald, A. M.; Heidelbach F.; Riekel, C.; Gidley, M. J., Analysis of native structure of starch granules with small angle X-ray microfocus scattering J/Biopolymers, 1999, 49, 91-105.

100. Biliaderis, C. G., Structure and phase transitions of starch in food systemsJ/Food Technology., 1992, 98-109.

101. Kiseleva, V.I.; Tester, R. F.; Wasserman, L.A.; Krivandin, A.V.; Popov, A.A.; Yuryev, V. P., Influence of growth temperature on the structure and thermodynamic parameters of barley starches.HCarbohydr. Polym., 2003, 51, 407415.

102. Gidley, M. J. personal communication, 1995, ссылка взята из работы Jenkins, Donald, 1995.

103. Kalichevsky, M. Т.; Ring, S.G. Incompatibility of amylose and amylopectin in aqueous solution.// Carbohydr. Res. 1987, 162, 323-328.

104. German, M. L.; Blumenfield, A. L.; Guenin, Ya. V.; Yuryev, V. P.; Tolstoguzov, V. B. Structure formation in systems containing amylose, amylopectin, and their mixtures .//Carbohydr. Polym. 1992, 75,27-34.

105. Козьмина, H. П. ЗерноведешеУЗяготш&тМосква, 1955.

106. Sharpies, A. Introduction to polymer crystallisation./Edward Arnold Ltd. London, 1996.

107. Tester, R. F. Influence of growth conditions on barley starch properties./International Journal Biology Macromolecules, 1997, 21, 37-45.

108. Liu, H., Lelievre, J., A model of starch gelatinization linking differential scanning calorymetry and birefringence measurements J Carbohydr. Polym., 1993,20, 1-5.

109. Tester, R.F., South, J.B., Morrison, W.R., and Ellis, R.P. The effects of ambient temperature during the grain-filling period on the composition and properties of starch from four barley genotypes .//Journal of Cereal Science, 1991,73, 113-127.

110. Tang, H.-R., Godward, J., and Hills, B. (2000). The distribution of water in native starch granules a multinuclear NMR study J I Carbohydrate Polymers, 43, 375-387

111. Akuzawa, S., Sawayama, S., and Kawabata, A. Selectivity and thermal properties of various starches incorporating free fatty acids .//Bioscience Biotechnology and Biochemistry, 1995, 59(9), 1605-1608

112. Genkina, N. K., Wasserman, L. A., Yuryev, V. P., Annealing of the starches from potato tubers grown at different environmental temperatures. Effect of heating duration J/Carbohydr. Polym., 2004, 56, 367-370.

113. Pfannemuller, B. Spherulitic crystallization of short chains amylose.//International Journal of Macromolecules, 1987,9, 105-110.

114. Welland, E.L., & Donald, A.M. Single crystals of V amylose.//'International Journal of Biological Macromolecules, 1991,13, 69-72.

115. P. Colonna, V. Leloup, A. Buleon: Limiting factors of starch hydrolysis.//^. J.Clinic. Nutr. 1992, 46, 517-532.r

116. M. Soral-Smietana: Resistant starch- nutritional or non-nutritional component in foodJ/Pol.J.Food Nutr. Sci. 2000, 9/50, 15-22.

117. Evans, D.B. Thompson: Resistance to alpha-amylase digestion in four native high-amylose maize starch zs.H Cereal Chem. 2004, 81, 31-37.

118. R.C. Eerlingen: Ph.D. Thesis./Catholike University of Leuven, 1994.r

119. Y. Pomeranz: Research and development regarding enzyme-resistant starch (RS) in the USA: a review J/Eur.J. Clinic.Nutr. 1992, 46 (Suppl .2), S63-S68.

120. A.Akerberg, H. Liljeberg, I. Bjorck: Effect of amylose/amylopectin ratio and baking condition on resistant starch formation and glycaemic indeces.//J. Cereal Sci. 1998, 25,71-80.

121. Лукин Н.Д., Карпов В.Г., Жушман А.И., Даниленко А.Н., Юрьев В.П.: Оценка содержания энзимрезистентных крахмалов в экструдатах, полученных с помощью высокотемпературной экструзии.//Хранение и переработка сельхозсырья, 1999, 5, 46-48.

122. D. Sievert, Y.Pomeranz: Enzyme-resistant starch. I. Characterization and evaluation by enzymatic, thermoanalytical, and microscopic methods .//Cereal Chem. 1989, 66, 342-347.

123. R.C. Eerlingen, J.A. Delcour J.A: Formation, analysis, structure and properties of type III enzyme resistant starch.///. Cereal Sci. 1994, 22, 129-138

124. Варфоломеев, С.Д. Конверсия энергии био-каталитическими системами/МГУ, Москва, 1981