Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1176
Main Title: Impact of high hydrostatic pressure on wheat, tapioca, and potato starches
Translated Title: Einfluss von hohem hydrostatischem Druck auf Weizen-, Tapioka- und Kartoffelstärken
Author(s): Rumpold, Birgit Anika
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Der Einfluss von hohem hydrostatischem Druck auf Weizen-, Tapioka- und Kartoffelstärke bei verschiedenen Drücken, Temperaturen und Behandlungszeiten wurden untersucht. Der Verkleisterungsgrad, die elektrische Leitfähigkeit und die Wasserbindekapazität der Stärkesuspensionen erhöhten sich mit steigendem Druck und steigender Behandlungsdauer. Die erhaltenen Verkleisterungskurven mit steigendem Druck ähnelten dem sigmoiden Verlauf, der charakteristisch für die thermische Verkleisterung ist. Der Verkleisterungsdruck der drei untersuchten Stärken war verschieden. Kartoffelstärke wies die höchste Druckresistenz auf, gefolgt von Tapioka- und Weizenstärke. Dies wurde auf die kristalline Struktur der Stärken zurückgeführt. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Druck, Temperatur und Druckhaltezeit wurde vorgeschlagen, Stärke als Druck-Temperatur-Zeit-Integrator in Druckprozessen einzusetzen. Zusätzlich wurde die elektrische Leitfähigkeit als ein effektives Medium für die schnelle Messung des Verkleisterungsgrades aufgezeigt. Druckbehandlungen bis 300 MPa in einer Hochdruckzelle unter einem Mikroskop ermöglichten in situ-Beobachtung von Quellung von Weizenstärkekörnern ohne Desintegration während einer Druckbehandlung. Dies bewies, dass eine Wasseraufnahme der Körner mit einer Volumenabnahme der Suspension verbunden ist, und bestärkte den Unterschied zwischen thermischem und druckinduziertem Verkleisterungsprozess. Für Tapioka- und Kartoffelstärken waren 300 MPa nicht ausreichend, um sichtbare Volumenveränderungen zu detektieren. Die Stärkesuspensionen wurden zusätzlich mit Lugol´scher Lösung angefärbt, und eine Entfärbung konnte nach einer Druckbehandlung für eine Stunde bei 300 MPa erfasst werden. Diese Entfärbung war für Weizenstärkekörner am deutlichsten, aber auch für Tapioka- und Kartoffelstärkekörner zu beobachten. Auch der Einfluss vom Wassergehalt der Stärkesuspensionen, von Salzen und Zuckern auf die druckinduzierte Verkleisterung wurde ermittelt. Grundsätzlich wurden in der Anwesenheit von Salzen und Zuckern ähnliche Effekte wie bei der thermischen Stärkeverkleisterung gefunden. Der Verkleisterungsdruck stieg in der Gegenwart von Zuckern, und der Verkleisterungsgrad korrelierte linear mit der Anzahl der äquatorialen Hydroxyl-Gruppen der Zucker. Druckinduzierte Stärkeverkleisterung hing stark vom Wassergehalt der Stärkesuspensionen ab, und der Verkleisterungsgrad sank in der Gegenwart von Zuckern und Wasserstruktur gebenden Ionen (z.B. SO42-) und stieg in der Anwesenheit von Wasserstruktur zerstörenden Ionen (z.B. SCN-). Demzufolge war die Verfügbarkeit an freiem Wasser entscheidend für die Verkleisterung von Stärke unter hydrostatischem Druck. Das Ausmaß des Einflusses von Salzen auf die druckinduzierte Stärkeverkleisterung hing von der Stärkesorte ab und war unabhängig von deren Druckresistenz. Bei hohen Salzkonzentrationen (> 2 M) folgte der Effekt von Chloriden auf die Druckverkleisterung von allen drei untersuchten Stärken der Reihenfolge Na<K<Li<Ca, was der Reihenfolge der Hofmeister-Reihe entspricht. Und bei Konzentrationen über 1M folgte der Effekt von Kaliumsalzen auf die Druckverkleisterung auch der Reihenfolge der Hofmeister-Reihe (Cl<BR<I<SCN). Da funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe mehr und mehr in den Vordergrund rücken, wurde angestrebt, einen Herstellungsprozess von resistenter Stärke (RS) aus Weizenstärke zu entwickeln, der einen Hochdruckbehandlungsschritt einschließt. Von allen getesteten Behandlungsschritten und - kombinationen ergab eine Säurehydrolyse hochdruckbehandelter Stärke gefolgt von 192 h Druck-Temper-Zyklen den höchsten Ertrag an RS mit 12.08 %. Hochdruck hat sich damit gegenüber der thermischen Behandlung zur Produktion von RS aus Weizenstärke nicht als überlegen erwiesen, allerdings befanden sich die Ausbeuten an RS aus thermisch verkleisterter Weizenstärke, wie in der Literatur beschrieben, in derselben Größenordnung. Es kann geschlussfolgert werden, dass druckinduzierte Verkleisterung viel Potential für die Entwicklung neuartiger Lebensmitteleigenschaften aufgrund abweichender physikalischer und struktureller Eigenschaften im Vergleich zu thermisch induzierter Verkleisterung bietet. Um die Unterschiede der Mechanismen von temperaturinduzierter und druckinduzierter Verkleisterung voll zu verstehen, ist zusätzliche Forschung notwendig, damit die Vorteile der druckinduzierten Stärkeverkleisterung für industrielle Produkte ausgenutzt werden können.
The impact of high hydrostatic pressure on wheat, tapioca, and potato starch suspensions at different pressures, temperatures and treatment times was investigated. The degree of gelatinisation as well as the electrical conductivity and the water binding capacity of the suspensions increased with increasing pressure and with increasing treatment time. The gelatinisation curves obtained with increasing pressure resembled sigmoid curves characteristic for thermal gelatinisation. The gelatinisation pressure of the three starches examined differed. Potato starch exhibited the highest pressure resistance, followed by tapioca and wheat starch. This was attributed to the crystalline structure of the starches. Due to its sensitivity to pressure, temperature, and pressurisation time, it was suggested that starch could function as a pressure time temperature integrator (PTTI) in pressurisation processes. Additionally, the electrical conductivity was identified as a convenient tool for the quick measurement of pressure-induced starch gelatinisation. Pressure treatment up to 300 MPa in a high pressure cell under a microscope enabled in situ observation of swelling of wheat starch granules during pressurisation without granule disintegration. This proved that the water uptake of the granules is associated with a volume decrease of the suspension and also emphasised the differing gelatinisation process under heat and under pressure. For tapioca and potato starches, 300 MPa was not sufficient to monitor any visible changes in volume. The starch suspensions were also stained with Lugols solution and a decolouration was observed upon pressurisation for 1 h at 300 MPa. This decolouration was the most pronounced for wheat starch granules, but also observable for tapioca and potato starch granules. The effect of water content as well as sugars and salts on pressure-induced starch gelatinisation was also investigated. Generally, similar effects compared to thermal starch gelatinisation in the presence of sugars and salts were found. The gelatinisation pressure was increased by sugars and the degree of gelatinisation was linearly correlated with the number of equatorial hydroxyl groups of the sugars. Pressure-induced starch gelatinisation was strongly dependent on the water content of the starch suspension and the degree of gelatinisation was decreased in the presence of sugars and water structure making ions (e.g. SO42-) and increased by water structure breaking ions such as SCN-. Therefore, the availability of free water was crucial for starch gelatinisation under pressure. The extent of influence of salts on pressure-induced starch gelatinisation was dependent on the type of starch and regardless of the pressure sensitivity of the starch. At high salt concentrations (> 2 M), the impact of chlorides on pressure-induced starch gelatinisation of all three starches examined followed the order Na<K<Li<Ca, which corresponds to the order of the Hofmeister series. And at concentrations above 1 M, the effect of potassium salts on pressure-induced starch gelatinisation upon pressurisation also followed the order of the lyotropic series (Cl<Br<I<SCN). Since functional food ingredients are becoming increasingly important, it was aimed to develop a process for resistant starch (RS) production from wheat starch including high hydrostatic pressure treatment. Of all treatment steps and combinations explored, acid hydrolysis of pressurised wheat starch prior to 192 h of pressure-annealing cycles resulted in the highest RS yield with 12.08 %. High pressure-induced starch gelatinisation did not prove to be superior to heat-induced gelatinsation for the production of RS from wheat starch. However, the RS yields obtained were in the same range as yields from heat-gelatinised wheat starches as stated in the literature. In accordance with a patent (Codovilli, 2004) where it was claimed that pressurised starch suspensions replacing part of the flour in a wheat bread dough enhanced storage properties of bread in terms of ageing, 5 % of the flour in a wheat bread was replaced by pressure-gelatinised wheat starch. The elasticity and hardness of the baked breads were determined after one and five days of storage. The expected improvement of storage properties could not be confirmed, on the contrary a trend towards increased firmness and decreased elasticity of the bread was obtained. It can be concluded that pressure-induced starch gelatinisation offers a lot of potential for the development of novel food properties due to its differing physical and textural properties in comparison to heat-induced gelatinisation. More research is required to fully comprehend the differences between temperature-induced and pressure-induced gelatinisation mechanisms in order to take optimum advantages of pressure-induced starch gelatinisation for industrial products.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-10792
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1473
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1176
Exam Date: 16-Aug-2005
Issue Date: 22-Aug-2005
Date Available: 22-Aug-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Hochdruck
Resistente Stärke
Stärke
Stärkeverkleisterung
High hydrostatic pressure
Resistant starch
Starch
Starch gelatinisation
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