قاشق چنگال » ماژول ۴ – کربوهیدرات‌های غذایی

۱۱ – پلی‌ساکاریدها: خطی، شاخه‌دار و اصلاح‌شده

11.1.

کربوهیدرات‌ها یکی از سه گروه عمده ترکیبات آلی طبیعی‌اند (دو گروه دیگر چربی‌ها و پروتئین‌ها هستند).
کربوهیدرات‌ها اساساً ترکیباتی متشکل از کربن، هیدروژن و اکسیژن هستند.

کربوهیدرات‌ها به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

مونوساکاریدها: کوچک‌ترین واحد قندی که دیگر قابل هیدرولیز به اجزای کوچکتر نیستند. آن‌ها واحدهای سازنده کربوهیدرات‌های پیچیده‌ترند.
الیگوساکاریدها: پلیمرهای با وزن مولکولی پایین که شامل دی‌ساکاریدها، تری‌ساکاریدها و ترکیباتی با حداکثر ۱۰ واحد مونوساکاریدی متصل به هم هستند.
پلی‌ساکاریدها: ترکیباتی با بیش از ۱۰ واحد مونوساکارید که می‌توانند به صدها یا حتی هزاران واحد تجزیه شوند.

11.2. طبقه‌بندی کربوهیدرات‌ها

I. مونوساکاریدها

تریوزها (C3H6O3) → گلیسرآلدئید، دی‌هیدروکسی‌استون
تتروزها (C4H8O4) → اریترُز، ترئوز
پنتوزها (C5H10O5) → آرابینوز، زایلوز، ریبوز، دئوکسی‌ریبوز
هگزوزها (C6H12O6) → گلوکز، گالاکتوز، فروکتوز، مانوز

II. الیگوساکاریدها

دی‌ساکاریدها (C12H22O11) → ساکاروز، لاکتوز، مالتوز
تری‌ساکاریدها (C18H32O16) → رافینوز
تتراساکاریدها (C24H42O21) → استاکیوز

III. پلی‌ساکاریدها

پنتوزان‌ها → مانند آربان، زایلان
هگزوزان‌ها → مانند نشاسته، گلیکوژن، سلولز، مانان، گالاکتان
پلی‌ساکاریدهای کمپلکس → مانند همی‌سلولزها، صمغ‌ها، پکتین‌ها

11.3. پلی‌ساکاریدها

پلی‌ساکاریدها دارای بیش از ۱۰ واحد مونوساکاریدی هستند و می‌توانند به صدها یا هزاران واحد تجزیه شوند.
در نام‌گذاری، پسوند -ose (برای قندها) به -ans تغییر می‌کند.

نمونه‌ها:

پنتوزان‌ها: آربان‌ها، زایلان‌ها
هگزوزان‌ها:
- گلوکان‌ها → نشاسته، دکسترین، گلیکوژن، سلولز، اینولین
- مانان‌ها
- گالاکتان‌ها
پلی‌ساکاریدهای کمپلکس:
- پکتین‌ها و مواد پکتیکی
- صمغ‌ها و موسیلاژها
- پلی‌ساکاریدهای جلبکی → اسید آلژینیک، کاراگینان
- پلی‌ساکاریدهای باکتریایی → زانتان‌گام

11.4. طبقه‌بندی پلی‌ساکاریدها

پلی‌ساکاریدها تنوع ساختاری فراوانی دارند و به دو گروه کلی تقسیم می‌شوند:

(۱) هموپلی‌ساکاریدها

از واحدهای مونوساکاریدی یکسان تشکیل شده‌اند.
نمونه‌ها: گلوکان‌ها (نشاسته و گلیکوژن)، فروکتان‌ها، مانان‌ها.
می‌توانند خطی یا شاخه‌دار باشند.

🔹 خطی کامل:

فقط یک نوع واحد قندی و یک نوع پیوند دارند.
اغلب در آب نامحلول‌اند و فقط در شرایط شدید حل می‌شوند.
تمایل به رسوب مجدد (رتروگراداسیون) دارند.

🔹 شاخه‌دار:

محلولیت بیشتری نسبت به خطی‌ها دارند.
ویسکوزیته و تمایل به رسوب کمتر است.
در غلظت بالا خمیر چسبناک تشکیل می‌دهند → مناسب به عنوان چسب یا بایندر.

🔹 شاخه‌دار خطی:

زنجیره اصلی بلند + شاخه‌های کوتاه دارند.
ویسکوزیته بالا + محلولیت و پایداری خوب.
نمونه: آلکیل‌سلولز.

🔹 پلی‌ساکاریدهای اصلاح‌شده:

با تغییرات فیزیکی/شیمیایی برای کاربردهای خاص در صنایع غذایی ساخته می‌شوند.
افزودن گروه‌های خنثی یا اسیدی به زنجیره، محلولیت، ویسکوزیته و پایداری را افزایش می‌دهد.
نمونه: هیدروکسی‌پروپیل‌سلولز، کربوکسی‌متیل‌سلولز.

(۲) هتروپلی‌ساکاریدها

شامل دو یا چند نوع مونومر متفاوت‌اند.
می‌توانند خطی یا شاخه‌دار باشند.
نمونه‌ها: آرابینوزایلان‌ها، گلوکومانان‌ها، آلژینیک‌اسید، صمغ عربی، صمغ تراگاکانت، کاراگینان.

جدول 11.1. هموپلی‌ساکاریدهای موجود یا مورد استفاده در مواد غذایی

نوع	نوع پیوند	ساختار	پلی‌ساکارید	منبع
گلوکان‌ها	α(1→4)	خطی	آمیلوز	مواد نشاسته‌ای
گلوکان‌ها	α(1→4), α(1→6)	شاخه‌دار	آمیلوپکتین	مواد نشاسته‌ای
گلوکان‌ها	α(1→4), α(1→6)	شاخه‌دار	گلیکوژن	کبد جانوران
گلوکان‌ها	β(1→4)	خطی	سلولز	دیواره سلولی گیاهان
گلوکان‌ها	β(1→3), β(1→4)	خطی	β-گلوکان	غلات (جو، جو دوسر)
فروکتان‌ها	β(2→6), β(2→1)	شاخه‌دار	فروکتان‌ها	گیاهان (اندوسپرم گندم)
فروکتان‌ها	β(2→1)	خطی	اینولین	کنگر فرنگی اورشلیم
آرابان‌ها	α(1→3), α(1→5)	شاخه‌دار	پکتین‌ها	چغندر قند، مرکبات
زایلان‌ها	β(1→4)	خطی	زایلان‌ها	دیواره سلولی گیاهان

جدول 11.2. هتروپلی‌ساکاریدهای موجود یا مورد استفاده در مواد غذایی

واحدها	ساختار	پلی‌ساکارید	منبع
Ara, Xyl	شاخه‌دار	آرابینوزایلان‌ها	دیواره سلولی گیاهان (آرد گندم)
Glu A, Xyl	شاخه‌دار	گلوکورونوزایلان‌ها	دیواره سلولی گیاهان
Glu, Man	خطی	گلوکومانان‌ها	بذرها
Glu A, Man A	خطی	اسید آلژینیک	جلبک‌های قهوه‌ای
Gal, Man	شاخه‌دار	صمغ گوار	بذرهای لگومینوز
انیدرو گال، سولفات گال	خطی	کاراگینان	جلبک‌های قهوه‌ای
Gal A, Rha	خطی	مواد پکتیکی	همه گیاهان
Ara, Rha, Gal, Glu A, Glu	شاخه‌دار	صمغ عربی	درختان (آکاسیا)
Gal A, Xyl, Gal, Fuc	شاخه‌دار	صمغ تراگاکانت	درختان (Astragalus spp.)

۱۲ – ویژگی‌ها و کاربرد پلی‌ساکاریدهای رایج: سلولز، گلیکوژن، همی‌سلولز، پکتین، آگار، آلژینات، کاراگینان، صمغ‌ها و نشاسته

12.1.

پلی‌ساکاریدها کربوهیدرات‌هایی هستند که بیش از ۱۰ واحد مونوساکارید دارند. این ترکیبات می‌توانند به صدها یا حتی هزاران واحد قندی هیدرولیز شوند. پلی‌ساکاریدهای رایج در غذا شامل:

نشاسته
گلیکوژن
سلولز
همی‌سلولز
مواد پکتیکی
صمغ‌ها

12.2. نشاسته (Starch)

نشاسته پلیمر طبیعی D-گلوکز است.
منبع اصلی انرژی غذایی جهان (بیش از ۸۰٪ محصولات کشاورزی از غلات و محصولات نشاسته‌ای هستند).
در گیاهان به صورت دانه‌های ریز میکروسکوپی وجود دارد که ساختاری بلوری و منظم دارند (قابل مشاهده با میکروسکوپ نوری و پرتو X).
نشاسته دو بخش دارد:
1. آمیلوز → خطی، با بیش از ۲۰۰۰ واحد گلوکز (پیوند α-1,4).
2. آمیلوپکتین → شاخه‌دار، با شاخه‌های ۲۰–۳۰ واحدی (پیوند α-1,4 و انشعاب‌ها با پیوند α-1,6).

منابع:

غلات و دانه‌ها (۶۵–۸۵٪) → ذرت، گندم، برنج
ریشه‌ها و غده‌ها (۱۹–۳۵٪) → سیب‌زمینی، کاساوا (تاپیوکا)

💡 تفاوت:

خمیر نشاسته غلات → ژل سفت تشکیل می‌دهد.
خمیر نشاسته غده‌ها → سیال باقی می‌ماند.

12.2.1. آمیلوز (Amylose)

زنجیره خطی D-گلوکز با پیوند α-1,4.
وزن مولکولی: $10510^5$ تا $10610^6$ دالتون.
شامل ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ واحد گلوکز.
در محلول دچار رتروگراداسیون می‌شود (رسوب و کدورت).
باعث سفت شدن برنج پخته در هنگام سرد شدن.
با ید رنگ آبی می‌دهد.
درصد آمیلوز بسته به منبع گیاهی متفاوت است:
- گندم: ۲۵–۳۰٪
- ذرت پرآمیلوز: ۴۰–۸۰٪
- ذرت واکسی: ۰٪

12.2.2. آمیلوپکتین (Amylopectin)

پلی‌ساکارید شاخه‌دار.
زنجیره‌های ۲۰–۳۰ واحدی گلوکز (α-1,4) + شاخه‌ها (α-1,6).
وزن مولکولی: $10710^7$ تا $10810^8$ دالتون.
هر مولکول: ۵۰٬۰۰۰ تا ۵۰۰٬۰۰۰ گلوکز.
با ید رنگ بنفش می‌دهد.

12.2.3. ژلاتینه شدن نشاسته (Gelatinization)

در حضور آب و حرارت، پیوندهای بین‌مولکولی شکسته می‌شود → آبگیری و تورم دانه‌ها.
ساختار بلوری از بین می‌رود → مولکول‌ها آمورف می‌شوند.
زیر میکروسکوپ، دوشکستی نوری (birefringence) از بین می‌رود.
دما و شرایط ژلاتینه شدن بسته به نوع گیاه (گندم، ذرت، سیب‌زمینی) و عوامل محیطی متفاوت است (۵۵–۸۵°C).

12.2.4. رتروگراداسیون (Retrogradation)

در محلول رقیق، مولکول‌های نشاسته رسوب می‌کنند و به سختی دوباره حل می‌شوند.
ناشی از بازآرایی مجدد آمیلوز و آمیلوپکتین در حالت سرد.
آمیلوز سریع‌تر رتروگراد می‌شود.
پدیده بیات شدن نان ناشی از رتروگراداسیون نشاسته است.

12.2.5. نشاسته‌های اصلاح‌شده (Modified Starches)

نشاسته‌های طبیعی اغلب برای کاربردهای صنعتی مناسب نیستند، لذا اصلاح می‌شوند:

نشاسته اسیدی (Acid-modified) → ویسکوزیته کم، ژل شفاف، مناسب برای پاستیل و ژله میوه‌ای.
نشاسته پیش‌ژلاتینه‌شده (Pre-gelatinized) → قابلیت تورم در آب سرد؛ کاربرد در پودینگ فوری و پرکننده پای میوه.
نشاسته‌های پیوندی (Cross-linked) → پایداری بالا در برابر حرارت و اسید؛ کاربرد در سس سالاد، پای میوه.
نشاسته‌های مشتق‌دار (Esters, ethers, phosphates, hydroxyalkyl) → افزایش حلالیت، ویسکوزیته و مقاومت در برابر رسوب.

12.3. سلولز (Cellulose)

رایج‌ترین پلی‌ساکارید طبیعی (یک‌سوم گیاهان عالی).
پلیمر خطی D-گلوکز با پیوند β-1,4.
زنجیره مستقیم و سخت → به دلیل پیوند هیدروژنی قوی بین مولکول‌ها نامحلول در آب و قلیا.
نقش اصلی: ساختار و بافت غذاهای گیاهی.
در بدن انسان هضم نمی‌شود → به عنوان فیبر غذایی عمل می‌کند.

12.4. گلیکوژن (Glycogen)

پلی‌ساکارید ذخیره‌ای حیوانات (کبد: ۳–۷٪، عضله: ۰.۵–۱٪).
مشابه آمیلوپکتین، ولی شاخه‌دارتر (شاخه‌های ۸–۱۲ واحدی).
شامل ۵۰۰۰–۱۰۰۰۰ واحد گلوکز.

12.5. همی‌سلولز (Hemicellulose)

اجزای ساختاری دیواره سلولی گیاهان.
هتروپلی‌ساکارید (حاوی: زایلوز، آرابینوز، گالاکتوز، گلوکز، گلوکورونیک اسید).
محلول‌تر در قلیا و راحت‌تر هیدرولیز می‌شود.
برخلاف سلولز، فیبری نیست.

12.6. پکتین (Pectin)

در دیواره اولیه و لایه بین‌سلولی گیاهان، به‌ویژه میوه‌ها (مرکبات تا ۳۰٪).
ترکیب اصلی: D-گالاکتورونیک اسید (به‌صورت متیلاستر).
توانایی بالای ژل‌سازی:
- پکتین پرمتیل (High-methoxyl) → ژل در حضور شکر و اسید.
- پکتین کم‌متیل (Low-methoxyl) → ژل در حضور یون کلسیم.
کاربرد: مربا، ژله، مارمالاد.

12.7. آگار (Agar)

استخراج‌شده از جلبک‌های قرمز (Rhodophyceae).
شامل آگاروز (ژل‌ساز اصلی) و آگاروپکتین.
ژل مقاوم به حرارت، نامحلول در آب سرد، محلول در آب جوش.
کاربرد: محیط‌های میکروبیولوژی، بستنی، دسرهای منجمد.

12.8. آلژینات‌ها (Alginates)

پلی‌ساکارید جلبک‌های قهوه‌ای (Laminaria spp.).
خطی، شامل: β-D-مانورونیک اسید و α-L-گولورونیک اسید.
ژل‌ساز در حضور یون کلسیم، پایدارکننده بافت در بستنی، فیلینگ پای و شیرینی‌ها.

12.9. کاراگینان (Carrageenan)

پلی‌ساکارید سولفاته از جلبک‌های قرمز.
انواع: لامبدا، کاپا، یوتا، مو، نو، تتا (مهم‌ترین: λ، κ، ι).
غیرقابل جذب در بدن انسان.
ویژگی‌ها وابسته به: میزان سولفات، کاتیون‌ها، نسبت ۳,۶-انیدروگالاکتوز.
کاربرد: پایدارکننده شیر تغلیظ‌شده، دسرهای لبنی.

12.10. صمغ‌ها (Gums)

به‌صورت طبیعی یا در محل زخم گیاه ترشح می‌شوند (Exudate gums).
دارای ساختارهای بسیار پیچیده و شاخه‌دار.
نمونه‌ها: صمغ عربی، تراگاکانت، غتی، کاریایا.
خواص: قوام‌دهنده، پایدارکننده امولسیون.

نمونه‌های مهم:

گوارگام (Guar gum) → محلول در آب سرد، غیرژل‌ساز، کاربرد: بستنی، دسر، سس.
صمغ لوکاست بین (Locust bean gum) → از بذر درخت خرنوب، ترکیب با زانتان‌گام ژل تشکیل می‌دهد. کاربرد: پنیر، بستنی، سس‌ها.

۱۳ – تخریب آنزیمی پلی‌ساکاریدها: تولید دکسترین‌ها و مالتودکسترین‌ها

13.1.

نشاسته رایج‌ترین کربوهیدرات ذخیره‌ای در گیاهان است. این ترکیب نه تنها توسط خود گیاهان بلکه توسط میکروارگانیسم‌ها و موجودات عالی نیز استفاده می‌شود. بنابراین، طیف وسیعی از آنزیم‌ها قادر به کاتالیز هیدرولیز آن هستند.

نشاسته در تمام گیاهان به صورت دانه‌های گرانولی وجود دارد که از نظر اندازه و ویژگی‌های فیزیکی بین گونه‌ها متفاوت است، اما از نظر شیمیایی اختلافات کمتری دارند. مهم‌ترین تفاوت، نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین است. به عنوان مثال:

نشاسته ذرت واکسی (Waxy maize) → فقط ۲٪ آمیلوز
نشاسته آمیلومایز (Amylomaize) → حدود ۸۰٪ آمیلوز

در گذشته، هیدرولیز اسیدی نشاسته کاربرد گسترده‌ای داشت؛ اما امروزه بیشتر با روش‌های آنزیمی جایگزین شده است، زیرا:

هیدرولیز اسیدی نیازمند تجهیزات مقاوم به خوردگی است.
محصول نهایی دارای رنگ بالا، خاکستر و نمک زیاد (بعد از خنثی‌سازی) است.
انرژی حرارتی زیادی لازم دارد.
کنترل فرآیند دشوارتر است.

13.2. آمیلازها (Amylases)

آنزیم‌های تجزیه‌کننده نشاسته، از دسته هیدرولازها (گلیکوزیدازها) هستند.
مهم‌ترین آن‌ها آمیلازها هستند که نشاسته را به الیگوساکارید و قندهای ساده تجزیه می‌کنند.

چالش اصلی در هیدرولیز آنزیمی نشاسته، حضور پیوندهای α-1,6 در نقاط شاخه‌ای آمیلوپکتین است (حدود ۴–۶٪ گلوکز). بیشتر آنزیم‌ها روی پیوندهای α-1,4 عمل می‌کنند، بنابراین برای هیدرولیز کامل آمیلوپکتین باید پیوندهای شاخه‌ای هم شکسته شوند.

مهم‌ترین آنزیم‌ها:

13.2.1. α-آمیلاز

اندوانزیم (endo-enzyme) است.
پیوندهای α-1,4 را به‌طور تصادفی در طول زنجیره می‌شکند.
محصول: الیگوساکاریدهای ۲ تا ۶ واحدی از آمیلوپکتین + دکسترین، مالتوز و گلوکز.
آمیلوز → کاملاً به مالتوز تبدیل می‌شود.
نیاز به یون کلسیم برای فعال‌سازی دارد.
نتیجه: کاهش سریع ویسکوزیته محلول نشاسته.
ژلاتینه شدن نشاسته باعث افزایش سرعت هیدرولیز می‌شود.

13.2.2. β-آمیلاز

پیوندهای α-1,4 را از انتهای غیرکاهنده می‌شکند.
محصول: واحدهای مالتوز به‌صورت منظم.
هر دو آمیلاز (α و β) قادر به شکستن پیوندهای α-1,6 نیستند.

13.2.3. گلوکوآمیلاز (Glucoamylase)

همراه با α-آمیلاز برای تولید شربت D-گلوکز و گلوکز کریستالی استفاده می‌شود.
پیوسته واحدهای گلوکز را از انتهای غیرکاهنده آزاد می‌کند.

13.2.4. پولولاناز (Pullulanase)

پیوندهای α-1,6 را هیدرولیز می‌کند.
روی آمیلوپکتین، گلیکوژن و پولولان اثر دارد.
حاصل: قطعات خطی آمیلوز از آمیلوپکتین.

13.3. تولید دکسترین‌ها و مالتودکسترین‌ها

دکسترین‌ها (Dextrins)

کربوهیدرات‌های با وزن مولکولی پایین → حاصل هیدرولیز نشاسته.
شامل پلیمرهای D-گلوکز با پیوندهای α-1,4 و α-1,6.
پیچیدگی کمتری نسبت به نشاسته دارند.
روش‌های تولید:
- آنزیمی (آمیلازها)
- حرارت خشک در حضور اسید (روش صنعتی – مثال: روی سطح نان در پخت، باعث طعم، رنگ و تردی می‌شود).

💡 پیرو‌دکسترین‌ها: دکسترین‌هایی که در اثر حرارت تولید می‌شوند.

خواص: چسبندگی و تشکیل فیلم.
کاربردها:
- بایندر (چسباننده) و پرکننده (Filler)
- کپسوله‌سازی و حامل طعم
- افزایش‌دهنده تردی در غذاها (غذاهای سوخاری، روکش‌ها، لعاب‌ها).

مالتودکسترین‌ها (Maltodextrins)

پلی‌ساکاریدهای حاصل از هیدرولیز جزئی نشاسته.
به صورت پودر سفید-کرم، جاذب‌الرطوبه (Hygroscopic).
شامل زنجیره‌های D-گلوکز با طول متغیر (۳ تا ۱۷ واحد).
پیوند غالب: α-1,4.

طبقه‌بندی بر اساس DE (Dextrose Equivalent):

DE = ۳ تا ۲۰ → مالتودکسترین
بالای ۲۰ → شربت گلوکز
هرچه DE بالاتر:
- زنجیره کوتاه‌تر
- شیرینی و حلالیت بیشتر
- مقاومت حرارتی کمتر
ویژگی‌ها:
- به‌راحتی هضم می‌شوند (جذب سریع مانند گلوکز).
- طعم: کمی شیرین یا تقریباً بی‌مزه.
- خاصیت حجم‌دهی به سیستم غذایی.
کاربردها:
- نوشابه‌ها و آب‌نبات‌ها
- غذاهای فرآوری‌شده مختلف
- صنعت آبجوسازی → افزایش وزن مخصوص محصول نهایی.

دسته بندی ها: شیمی غذا و کشاورزی