H επίδραση του σχηματισμού συμπλοκών αμυλόζης – λιπαρών οξέων στα δομικά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά συστημάτων αμύλου

Abstract

The present work was initiated to explore in a systematic way the effect of preparation temperature of complexes of amylose and starch systems with various fatty acids and the effect of the chain length and the degree of unsaturation of guest molecules, on their structural, morphological characteristics and their thermal properties as well. Moreover, the aim of this work was to investigate the complex bioavailability using enzyme hydrolysis and their oxidation stability under adverse conditions usually prevailing in industry to explore whether these fatty acids are effectively protected from oxidation when they are complexed with amylose or not. The preparation of the complexes was carried out using purified and characterized amylose extracted from dry pea seeds, pregelatinized maize starch and maize starch with a high amylose content (~ 70%) whereas the saturated and unsaturated fatty acids employed were decanoic acid (C10: 0), myristic acid (C14: 0), palmitic acid (C16: 0), stearic acid (C18: 0) oleic acid (C18: 1) and conjugated linoleic acid (C18: 2). The selected temperatures of complex formation were 30, 50 and 70oC. Finally, the spray drying technique was used in order to produce dried starch-fatty acid complexes in powder form. For this purpose, pregelatinized starch, tapioca starch and normal maize starch were employed as host molecules and fatty acids with different chain lengths were used as guest molecules.X-ray diffractograms showed that all complexes were semicrystalline regardless of the temperature of their preparation. Nevertheless, the X-ray spectra revealed that the presence of amylopectin in the starch system hindered to certain degree the formation of crystalline complexes. The degree of crystallinity of the complexes was proportional to the temperature at which it was formed. The dissociation temperature of the complexes increased with the increase the fatty acid chain length. FT-IR spectroscopy confirmed the successful formation of complexes. Confocal Laser Scanning Microscopy images showed a uniform distribution of fatty acids throughout the matrix of the amylose. SEM microscopy revealed that the morphology of the complexes was either in the form of spherulites or in the form of elongated lamellae. Unsaturated fatty acids were effectively protected from thermal degradation when they are in the form of molecular inclusion complexes with amylose.The percentage of fatty acid extracted using super critical CO2 from enzymically hydrolyzed amylose-fatty acid complexes ranged from 88-95%. The electrophoretic mobility of amylose, starches and the corresponding complexes with the fatty acids was affected by the conformation of molecules in space. The dynamic interfacial tension of the mixed amylose – fatty acid solution verified the effective complex formation. The production of complexes on a pilot scale using spray dryer led to the formation of complexes with a low degree of crystallinity

Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση της επίδρασης της θερμοκρασίας παρασκευής των συμπλόκων αμυλόζης και συστημάτων αμύλου με διάφορα λιπαρά οξέα καθώς και η επίδραση του μήκους αλυσίδας και του βαθμού ακορεστότητας των φιλοξενούμενων μορίων στα δομικά χαρακτηριστικά, στις θερμικές ιδιότητες και στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των συμπλόκων. Επίσης, σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η in vitro μελέτη των προϊόντων αυτών αναφορικά με τη βιοδιαθεσιμότητά τους, καθώς και η μελέτη της θερμοκρασιακής και οξειδωτικής σταθερότητας των συμπλεγμένων λιπαρών οξέων κάτω από δυσμενείς συνθήκες που συνήθως επικρατούν στη βιομηχανία, ώστε να διαπιστωθεί αν αυτά τα λιπαρά οξέα προστατεύονται επαρκώς με τη μορφή συμπλόκων. Για την παρασκευή των συμπλόκων, χρησιμοποιήθηκε αμυλόζη που παραλήφθηκε από άμυλο αρακά, προζελατινοποιημένο άμυλο φυσικού καλαμποκιού και άμυλο καλαμποκιού με υψηλό ποσοστό αμυλόζης (~70%), ενώ τα κορεσμένα και τα ακόρεστα λιπαρά οξέα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το δεκανοϊκό οξύ (C10:0), το μυριστικό οξύ (C14:0), το παλμιτικό οξύ (C16:0), το στεατικό οξύ (C18:0) το ελαϊκό οξύ (C18:1) και το συζευγμένο λινελαϊκό οξύ (C18:2). Ως θερμοκρασία παρασκευής των συμπλόκων επιλέχτηκαν οι θερμοκρασίες 30, 50 ή 70oC. Τέλος, μελετήθηκε η συμπλοκοποίηση σε πιλοτική βιομηχανική κλίμακα, με τη χρήση αμύλου ταπιόκας, προζελατινοποιημένου αμύλου καλαμποκιού και αμύλου φυσικού καλαμποκιού με λιπαρά οξέα σε ξηραντήριο με εκνέφωση (spray drier).Tα φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ κατέδειξαν ότι όλα τα σύμπλοκα εμφάνιζαν ημικρυσταλλική δομή, ενώ στην περίπτωση της συμπλοκοποίησης των αμύλων με τα λιπαρά οξέα, η παρουσία της αμυλοπηκτίνης παρεμπόδιζε τη δημιουργία των κρυστάλλων. Ο βαθμός κρυσταλλικότητάς των συμπλόκων ήταν ανάλογος της θερμοκρασίας παρασκευής τους. Η θερμοκρασία διάσπασης των συμπλόκων αυξήθηκε με αύξηση του μήκους αλυσίδας του λιπαρού οξέος. Η ενδόθερμη κορυφή διάσπασης των συμπλόκων ήταν ευρεία.. Η μελέτη συμπλοκοποίησης της αμυλόζης με τα λιπαρά οξέα με την τεχνική της φασματοσκοπίας υπερύθρου επιβεβαίωσε τον επιτυχή σχηματισμό των συμπλόκων. Η συνεστιακή μικροσκοπία με ακτίνες λέιζερ έδειξε ομοιογενή κατανομή των λιπαρών οξέων σε όλη τη μήτρα της αμυλόζης που αποτελεί ένδειξη επιτυχούς συμπλοκοποίησης της αμυλόζης με τα λιπαρά οξέα. Σύμφωνα με την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, η μορφολογία της επιφάνειας των συμπλόκων παρουσίασε διατεταγμένη δομή με τη εμφάνιση ραβδώσεων και σφαιρικών εξάρσεων. Ο εγκλεισμός των λιπιδίων στην έλικα της αμυλόζης τα προστάτευσε αποτελεσματικά έναντι της οξείδωσης σε συνθήκες θέρμανσης. Το ποσοστό των συμπλεγμένων λιπαρών οξέων που παραλήφτηκε με εκχύλιση με υπερκρίσιμο CΟ2 ύστερα από ενζυμική υδρόλυση των συμπλόκων, κυμαινόταν μεταξύ 88-95%. Η ηλεκτροφορητική κινητικότητα της αμυλόζης, των αμύλων και των αντίστοιχων συμπλόκων με τα λιπαρά οξέα σχετίζονται με τη διαμόρφωση των μορίων στο χώρο. Η αύξηση της επιφανειακής τάσης των συμπλόκων αμυλόζης με τα λιπαρά οξέα απέδειξε ότι τα λιπαρά οξέα εγκλείονται στο εσωτερικό της έλικας της αμυλόζης, Η παραγωγή συμπλόκων σε πιλοτική κλίμακα σε ξηραντήριο με εκνέφωση οδήγησε στη δημιουργία συμπλόκων με χαμηλό βαθμό κρυσταλλικότητάς