Ανάπτυξη και αξιοποίηση δομών ανθεκτικού αμύλου και λειτουργικές ιδιότητες καινοτόμων αμυλούχων προϊόντων

Abstract

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, διερευνώνται φυσικές διεργασίες και μέθοδοι δημιουργίας νανο-δομών αμύλου. Οι δομές αυτές χρησιμοποιούνται ως σταθεροποιητές γαλακτωμάτων και ως μέσα σχηματισμού ή εμπλουτισμού υδρογελών αμύλου. Ένα κεντρικό θέμα που ερευνάται μέσα από τη διατριβή αυτή είναι η αξιοποίηση του ανθεκτικού αμύλου (Resistant Starch, RS) με χρήση διαφορετικών επεξεργασιών στον τομέα των τροφίμων, που δεν έχουν διερευνηθεί επαρκώς. Ο λόγος που μελετήθηκαν ερευνητικά ερωτήματα της συγκεκριμένης θεματικής ενότητας σχετίζεται με τη διαρκή στροφή της Βιομηχανίας, των καταναλωτών και της αγοράς σε καινοτόμα τρόφιμα, που συμβάλουν στην υγιεινή διατροφή και επισημαίνονται ως προϊόντα με “καθαρή ετικέτα” (clean label). Στο πρώτο μέρος της Διατριβής, παρουσιάζεται η μελέτη της επεξεργασίας ανθεκτικού αμύλου με τη διεργασία της Υψηλούς Πιέσεως Ομογενοποίησης (High Pressure Homogenization, HPH) προς παραγωγή διασπορών (dispersions) ανθεκτικού αμύλου, χωρίς χρήση χημικών προσθέτων Με τη διεργασία αυτή επιτυγχάνεται μείωση του μεγέθους των σωματιδίων του αρχικού αμύλου προς σωματίδια διαστάσεων στη νανο κλίμακα. Συγκεκριμένα, τα δείγματα επεξεργάστηκαν σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης: 140 MPa, 200 MPa, 250 MPa και για ένα έως τέσσερις κύκλους ομογενοποίησης. Οι παράγοντες της πίεσης και του χρόνου επεξεργασίας αποδείχθηκαν κρίσιμοι για το μέγεθος, τη μορφολογία, το ποσοστό αμυλόζης και την κρυσταλλικότητα των δειγμάτων. Εκ των δύο παραμέτρων η πίεση είχε την πιο σημαντική επίδραση στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων αμύλου. Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων δεν επέφερε καταστροφή της δομής και το ανθεκτικό άμυλο διατήρησε την αρχική, τύπου Β, κρυσταλλικότητα. Μέσω της HPH, το μέγεθος των σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου μειώθηκε από τα 7.5 μm στα 0.5 μm. Συμπερασματικά, διαπιστώθηκε πως η ομογενοποίηση με υψηλή πίεση αποτελεί μια απλή και αποτελεσματική φυσική κατεργασία για την παρασκευή νανο-σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου, μιας πρώτης ύλης με μεγάλο εύρος εφαρμογών στο πεδίο των τροφίμων. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας Διατριβής, παρουσιάζεται μια άλλη καινοτόμος φυσική διεργασία μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων αμύλου σε νανο-κλίμακα, που συνίσταται από τρία επιμέρους στάδια: ζελατινοποίηση, νανο-καταβύθιση και επεξεργασία με υπερήχους. Το πλεονέκτημα έναντι της προηγούμενης μεθόδου (Υψηλούς Πιέσεως Ομογενοποίηση) είναι η περαιτέρω μείωση του μεγέθους των σωματιδίων αμύλου, με αυξημένο έλεγχο και μεγαλύτερη ομοιογένεια. Η τεχνική της νανο-καταβύθισης (nanoprecipitation) που εφαρμόστηκε, συνέβαλε καταλυτικά στην εύκολη απομόνωση των νανο-σωματιδίων, ενώ το τελικό βήμα της κατεργασίας μέσω υπερήχων παρήγαγε διασπορές ομοιόμορφα κατανεμημένων νανο-σωματιδίων αμύλου (170 nm) απαλλαγμένες από το σύνηθες αρνητικό φαινόμενο της συσσωμάτωσης. Η απουσία συσσωμάτωσης επαληθεύτηκε από τις διαδοχικές μετρήσεις μέσω της μεθόδου της Δυναμική Σκεδάσεως Φωτός (Dynamic Light Scattering, DLS), του Ζήτα Δυναμικού (Zeta-potential) και της εκπομπής φθορισμού. Επιπλέον, η αλληλουχία (φυσική διαδικασία) των τριών σταδίων οδήγησε σε (επέφερε) μείωση του μέγεθος των σωματιδίων του αμύλου σε νανο-κλίμακα χωρίς να καταστρέφεται η κρυσταλλική τους δομή, όπως επαληθεύτηκε από τη μελέτη της μέσω των μεθόδων Περίθλασης Ακτίνων Χ (X-Ray Diffraction, XRD) τόσο ευρείας (Wide Angle, WAXS) όσο και μικρής γωνίας (Small Angle, SAXS). Επίσης, η επεξεργασία τριών σταδίων δεν επηρέασε τη χημική σύσταση του αμύλου, όπως προέκυψε από τις αναλύσεις Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Μετασχηματισμού Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR) και Θερμοβαρυμετρικής Ανάλυσης (Thermogravimetric Analysis, TGA). Στα νανο-σωματίδια παρατηρήθηκε μια αύξηση της υδροφοβικότητας συναρτήσει της μείωσης του μεγέθους. Εν συνόλω, η νέα μεθοδολογία που αναπτύχθηκε μπορεί να χαρακτηριστεί ως ένα εύχρηστο εργαλείο για την επιλεκτική μείωση του μεγέθους των σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου αλλά και άλλων ειδών αμύλου, επιτρέποντας τη χρήση τους σε μια πληθώρα εφαρμογών σε μοντέλα τροφίμων. Στο τρίτο μέρος της παρούσας Διατριβής, παρουσιάζεται η εφαρμογή των παραγόμενων νανο-σωματιδίων αμύλου μέσω της μεθοδολογίας των τριών σταδίων ως σταθεροποιητών σε γαλακτώματα τύπου Pickering. Αρχικά, παρουσιάζεται η σταθεροποίηση γαλακτωμάτων τύπου Pickering από τα παραχθέντα νανο-σωματίδια αμύλου. Τα γαλακτώματα εμφάνισαν υψηλή σταθερότητα έως και για δύο μήνες σε συνθήκες αποθήκευσης. Τα φυσικώς παραγόμενα νανο-σωματίδια αμύλου έχουν σφαιρικό σχήμα, όπως διαπιστώθηκε από μελέτες Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM). Η αύξηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων στο γαλάκτωμα Pickering επιφέρει μείωση της επιφανειακής και διεπιφανειακής τάσης, ενισχύοντας την ικανότητα των σωματιδίων να προσροφώνται στη διεπιφάνεια, σχηματίζοντας ένα οργανωμένο στρώμα στη διεπαφή, προσφέροντας με αυτό τον μηχανισμό σταθεροποίηση στα γαλάκτωμα. Η αύξηση της συγκέντρωσης των νανο-σωματιδίων αμύλου είχε σημαντική επίδραση στις φυσικές ιδιότητες του γαλακτώματος, ως προς τις ρεολογικές τους ιδιότητες, τη σταθερότητα και τη μικροδομή τους, όπως το μέγεθος των σταγονιδίων και το ζήτα δυναμικό. Η σταθεροποίηση των σωματιδίων διαφαίνεται από τη Συνεστιακή Μικροσκοπία Σάρωσης με ακτίνες Laser (Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM). Λόγω του δικτύου που σχηματίζουν τα νανο-σωματίδια, προσομοιάζουν σε συμπεριφορά με δομή υδρογέλης, σύμφωνα με τις ρεολογικές τους ιδιότητες. Η σταθερότητα όλων των δειγμάτων βελτιώθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης των νανο-σωματιδίων, παρουσιάζοντας μικρότερες τιμές στο μέγεθος των σωματιδίων και υψηλότερες τιμές Ζήτα Δυναμικού σε απόλυτη τιμή συγκριτικά με τα υπόλοιπα συστήματα. Συνοψίζοντας, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος για τη δημιουργία γαλακτωμάτων τύπου Pickering για τρόφιμα, που δύναται να χρησιμοποιηθούν ως πιθανοί υποκαταστάτες λίπους. Στο τέταρτο μέρος της Διατριβής, παρουσιάζεται η μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου (native starch) αραβόσιτου και των σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου ως πληρωτικό μέσο (filler) στις ιδιότητες υφής υδρογελών αμύλου. Συγκεκριμένα, σε υδρογέλες φυσικού αμύλου με συγκέντρωση 8% w/v, 10% w/v, 12% w/v και 15% w/v μελετήθηκε η επίδραση της υποκατάστασης του φυσικού αμύλου με 2% και 10% ανθεκτικό άμυλο. Με την αύξηση της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου παρατηρήθηκαν οι μέγιστες τιμές σκληρότητας (Hardness), συνεκτικότητας (Cohesiveness) και κομμιώδους (Gumminess), ενώ η προσθήκη σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου δεν επέδρασσε στις ιδιότητες υφής των συστημάτων, παρουσιάζοντας ομοιότητες στα ρεολογικά προφίλ και στις ιδιότητες της υφής. Η ικανότητα συγκράτησης νερού (Water Holding Capacity, WHC) αυξήθηκε με αύξηση της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου, χαρακτηριστικό το οποίο αποδίδεται στο πυκνότερο δίκτυο που σχημάτισαν οι υδρογέλες όπως απεικονίζεται από τις μικρογραφίες του SEM. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε αύξηση της κρυσταλλικότητας με αύξηση της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου και του ανθεκτικού αμύλου (υψηλότερη υποκατάσταση). Οι υποκαταστάσεις με ανθεκτικό άμυλο φάνηκε πως δεν επηρεάζουν τις φυσικές ιδιότητες των υδρογελών, υποδεικνύοντας τον πιθανό ρόλο τους ως ανενεργά πληρωτικά μέσα (inactive fillers), προσδίδοντας όμως τα οφέλη του ανθεκτικού αμύλου που δύναται να επιδρά στη διατήρηση των φυσιολογικών επιπέδων γλυκόζης στο αίμα.

In the present Dissertation, physical processes for the production of starch nanostructures and their potential use as emulsion stabilizers as well as the ability to form and enrich starch hydrogel systems are investigated. The main question investigated through this study is the potential use of resistant starch nanoparticles in novel natural food systems. There is an ever-growing interest towards the development of innovative foods that contribute to a healthy diet, with the consumers shifting towards products that are marked as "clean label". In the first part of the Dissertation, the physical process of High-Pressure Homogenization (HPH) to produce resistant starch nanoparticles is presented. Samples were processed at different pressure conditions: 140 MPa, 200 MPa, 250 MPa and for one up to four homogenization cycles. The defining factors affecting size, morphology, amylose percentage and crystallinity were the number of cycles and the homogenization pressure. Of the two parameters, pressure had the most significant effect on size reduction compared to treatment time. Interestingly, reducing particle size did not disrupt the final structure, since the crystallinity of the resistant starch granules remained B-type. Particle size was successfully reduced from about 7.5 µm to 0.5 µm. In conclusion, it became clear that through the high-pressure homogenization process, nanoparticles with a wide range of applications in the food field can be produced. In the second part of the present Dissertation, an innovative physical process (method) for starch size reduction up to nano scale is presented, consisting of three individual steps: gelatinization, nanoprecipitation, and ultrasonic treatment. The successfully applied nanoprecipitation technique contributes to the formation of nanoparticles, where the final step of ultrasound offers the synthesis of uniformly distributed starch nanoparticles (170 nm) free from agglomeration effects. This phenomenon was verified by sequential measurements with Dynamic Light Scattering (DLS), zeta potential and fluorescence. Specifically, the three-step physical process followed reduced the size of the starch particles to the nanoscale without destroying their crystalline structure, as validated by X-Ray Diffraction (XRD) and X-ray Diffraction of Small Angle (Small Angle X-ray Scattering, SAXS). Also, the treatment had no effect on their composition, as verified by the Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) as well as through Thermogravimetric Analysis (TGA). Moreover, an increase in hydrophobicity as a function of size reduction was observed in the nanoparticles. Overall, the methodology we applied can be characterized as a tailor-made approach for the selective size reduction of resistant starch particles, allowing their use in a multitude of applications in food models. In the third part of the Dissertation, the application of naturally produced starch nanoparticles through the three-step methodology as stabilizers in Pickering emulsions is presented. Firstly, starch nanoparticles successfully stabilized a Pickering emulsion model even for two months of storage time. Physically produced starch nanoparticles are spherical in shape as observed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The increase in particle concentration leads to a decrease in surface and interfacial tension, enhancing the ability of particles to adsorb at the interface, forming a strong layer at the interface, that enhances emulsion stability. Increasing the concentration of starch nanoparticles had a significant effect on the physical properties of the emulsion, in terms of their rheological properties, stability and microstructure, such as droplet size and zeta potential. Particle stabilization is visualized by Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM). Notably, the network formed by the nanoparticles, they simulate a behavior with a hydrogel structure, according to their rheological properties. The stability of all samples improved with increasing nano-particle concentration, showing smaller values in particle size and higher zeta potential values. Through this study, a new method is presented for the creation of Pickering-type emulsions for food, which can potentially be used as fat substitutes. In the fourth and last part of the Dissertation, the effect of normal starch concentration of and resistant starch particles as fillers on the textural properties of starchy hydrogels is presented. Specifically, in normal starch hydrogels with a concentration of 8% w/v, 10% w/v, 12% w/v and 15% w/v, the effect of replacing normal starch with 2% and 10% resistant starch was studied. By increasing normal starch concentration, the maximum values of hardness, cohesiveness and gumminess were observed, while it was shown that the addition of resistant starch particles does not affect the textural properties of the systems, presenting similarities in the rheological profiles and textural properties. The water holding capacity (WHC) showed an increase with the increase in the concentration of normal starch, a characteristic attributed to the denser network that they form as illustrated by the SEM micrographs. Additionally, an increase in crystallinity was observed with increasing concentration of normal starch and resistant starch (higher substitution). Substitutions with resistant starch did not affect the physical properties of the hydrogels, indicating their potential role as inactive fillers, conferring the benefits of resistant starch for the maintenance of normal blood glucose levels.