TAHIL KİMYASI Nişasta: Yapısı & Özellikleri Yrd. Doç. Dr. Seçil TÜRKSOY secilturksoy@hitit.edu.tr

Karbonhidratlar : Nişasta Tahıl çeşitlerinin besin maddelerince en zengin oldukları bileşen grubu karbonhidratlardır. Tahıllar; enerji verici grup … Nişasta, selüloz, dekstrinler, şekerler, pentozanlar, hemiselüloz … Nişasta miktarı, besinsel ve teknolojik fonksiyonları bakımından en önemli bileşen grubudur. Bitkilerde fotosentez sonucu üretilir. Tahıl tanelerinde endosperm hücreleri içerisinde protein matriksinde gömülü tanecikler halinde bulunur. Nişasta taneciklerinin şekli ile tek veya bileşik halde bulunmaları tahıl çeşidine göre farklılık gösterir.

Nişasta: Granül şekli, boyutu ve dağılımı Farklı botanik kaynaklardan izole edilen nişastalar kendilerine özgü granül morfolojileri gösterir. Nişasta granüllerinin çapları 1μm ile 100 μm arasında değişir. Farklı şekillerde olabilir; Küre, oval, poligonal, disk, uzun-böbrek şeklinde vb… Normal mısır nişastası (küresel - poligonik)

(iki şekilli dağılım: poligonal ve küresel büyük granüller) Patates nişastası (küresel - oval) Buğday nişastası (iki şekilli dağılım: disk şekilli büyük granüller ve küresel şekilli küçük granüller ) Sorgum nişastası (iki şekilli dağılım: poligonal ve küresel büyük granüller)

Bileşik nişasta granülleri Tek bir amiloplast içerisinde sentezlenir. Pirinç Waxy pirinç Yulaf Bezelye Nişastaları Bileşik nişasta granülleri Tek bir amiloplast içerisinde sentezlenir.

Nişasta: Malta hacı görünümü Doğal nişasta granülleri %15 – 45 oranları arasında kristallenme derecesine sahiptir. Kristal yapı polarize ışıkta incelendiğinde çift kırma özelliklerinin bir sonucu olarak polarizasyon çaprazları görülür. Bu özellik nişasta granüllerinin yüksek derecede düzenli yapıda olmalarından kaynaklanır. Bu nedenle nişasta granüllerinin büyük çoğunluğu polarize ışık altında “Malta Hacı” görünümü verirler.

Nişasta taneciği üzerinde hilum adı verilen çukur bir noktacık bulunur Nişasta taneciği üzerinde hilum adı verilen çukur bir noktacık bulunur. Nişasta granülünün biyosentezi hilumda başlar. Nişasta taneciği hilumdan dışarı doğru uzanan radyal düzendeki amorf (100 nm) ve kristal (400 nm) bölgeleri içerir. Bu yapılar “büyüme halkaları” (growing rings) olarak adlandırılır.

Çift heliks formundaki amilopektin granülün kristal bölgesinde bulunur. Radyal olarak oryante olan amilopektin heliksleri granül yüzeyine düşey doğrultuda bulunurlar.

Buğday, arpa ve çavdar 2 tip nişasta granülü içerir; büyük mercek şeklinde ve küçük küre şeklinde. Mısır ve sorgumda bulunan nişasta granülleri buğday, arpa ve çavdarda bulunanlardan farklı olmakla birlikte birbirleri ile oldukça benzerdir. Pirinç ve yulafta bulunan nişasta granülleri birleşik formda bulunmakla birlikte, yulaftaki birleşik nişasta granülleri büyük ve küresel, pirinçte ise daha küçük ve poligonal şekildedir.

Nişasta: Kimyasal Yapı Nişasta amiloz ve amilopektin olmak üzere 2 moleküler bileşen içerir. Her iki bileşen de yüksek molekül ağırlıklı glukoz polimerleridir. Nişasta granülü içerisinde ayrıca minör bileşenler de yer alır. Başlıcaları; fosfolipitleri içeren nişasta lipitleri, tekli nişasta fosfat ester grupları ve proteinlerdir. Özellikle fosfolipitler, serbest yağ asitleri ve fosfat ester grupları düşük konsantrasyonlarda olmalarına rağmen nişasta çiriş ve jel özelliklerini önemli derecede etkiler.

Amiloz (%20-30) Amilopektin (%70-80) Nişasta granülünün büyük kısmını oluşturur. Dallanmış polimer yapı α-1,4-glikozidik bağları ile bağlı α-D-(1-4) glikoz birimlerinden oluşur. Yaklaşık her 20-25 glikoz ünitesinde α-D-(1-6) glikozidik bağları ile bir diğer α-D-(1-4) glikoz zincirine bağlantı bulunur. Amilopektin rastgele dallanmış bir yapıya sahiptir. Linear polimer yapı α-1,4-glikozidik bağları ile bağlı α-D-glikoz birimlerinden oluşur. İyot ile yoğun mavi renk verir (max absorpsiyon 660 nm). Bu özellik amiloz miktarının ölçülmesinde temel alınır. Saf amiloz için iyot bağlama kapasitesi yaklaşık %20 olarak kabul edilir. Amiloz bazı organik bileşikler ile kompleks oluşturur. Teknolojik açıdan amilozun emülgatörler (monogliseritler, sukroz esterleri vb) ile oluşturduğu kompleksler fırın ürünleri endüstrisinde bayatlamayı önleyici ve hamur iyileştirici ajanlar olarak kullanılmaları açısından oldukça önemlidir.

Amiloz Amilopektin Amilozun monogliseritler ile oluşturdukları kompleks ekmekte bayatlamanın geciktirilmesinde etkili olan önemli bir mekanizmadır. Amilozun uzun zincir yapısı çözelti içerisinde kendi ile birleşerek çökme özelliğinden sorumludur. Amilozun birleşerek kısmi kristalizasyonu retrogradasyon olarak adlandırılır. Pişmiş fırın ürünlerinin bayatlama prosesi sırasında meydana gelir. Molekül 3 tip zincir içerir: α-1,4 bağlı A zinciri α-1,4 ve α-1,6 bağlı B zinciri α-1,4 ve α-1,6 bağlı glukoz üniteleri ile molekülün indirgen ucunu içeren C zinciri Molekül yapısının karakterize edilmesinde “A zinciri / B zinciri” oranı kullanılır. (1:1 veya 1:1,5)

amilopektin molekülü şematik Cluster modeli A zincirleri başka zincirleri taşımaz B zincirleri 1 veya daha fazla zincir taşır C zinciri ise indirgen uç içeren orijinal zincirdir “Cluster modeli” geçerli ve kabul edilen modeldir. Çiftli heliks amilopektin molekülü şematik Cluster modeli

Amiloz Amilopektin Amiloz fraksiyonunun retrogradasyona, jel ve güçlü filmler oluşturmaya eğilimi daha fazladır. Amilopektin sulu bir dispersiyon içerisinde daha stabil yapıdadır ve yumuşak jeller ile zayıf filmler oluşturur.

Nişasta Granül Yapısı: Bloklet Hipotezi Kabul edilen granül yapısı; kristal ve amorf bölgelerden oluşan büyüme halkaları şeklindedir. Mikroskobik ve mikroskobik olmayan teknikler granül için “bloklet yapı” hipotezini sunmaktadır. Kimyasal olarak parçalanmış nişasta granül yapısında doğal dayanıklı (resistant) birimlerden oluşan materyal bulunmaktadır. Hipotezin temelini bu dayanıklı bloklar oluşturur. Bloklet yapı granülün ileri derecede kristal yapısından kaynaklanır.

Amilopektin tabakası çapları 20 ile 500 nm arasında değişen küresel blokletlerden oluşur. Nişasta granülünün asit veya enzim hidrolizine karşı dayanımı blokletlerin büyüklükleri ile ilişkilendirilmektedir.

Nişasta: Fraksiyonasyon Nişastanın kendisini oluşturan amiloz ve amilopektine ayrılmasında genel olarak 2 yöntem kullanılır. 1. yöntem: Molekül, sulu bir çözelti veya DMSO (dimetil sülfoksit) gibi hidrojen bağlarını parçalayan bir çözelti içerisinde ısıtılmak suretiyle şişirilerek polimer parçalanır. Ayırma yöntemleri sulu çözelti içerisinde amilozun granülden çöktürülmesi prensibine dayanır. Amiloz ve amilopektinin tamamıyla dispers olduğu durumlarda ise amilozun kompleks oluşturabilme özelliğinden yararlanılır. Optimum sürede ısıtma sonunda, çözünmüş amiloz santrifüj yoluyla molekülden ayrılır. Yöntemin en önemli problemi; ayrılan amilozun genellikle az miktardaki amilopektin ile kontamine olması ve amilozun prensipte tamamının granülden çöktürülememesidir. Nişastanın sıcak sulu bütanol içerisinde ön ısıtmaya tabi tutulması ile amilopektin daha az çözünür bir özellik kazanır ve böylece amiloz verimi arttırılır.

Nişasta: Fraksiyonasyon 2. yöntem: Granülün tamamıyla dispers edilmesi ve daha sonra bileşenlerin ayrılmasıdır. Bu durum sıvı amonyak, alkali çözelti veya DMSO gibi çözeltiler kullanılarak otoklavda gerçekleştirilir. Nişasta %2 veya3 lük 1 N alkali çözeltisi ile muamele edilerek (25˚C) jelatinize edilebilir. Bu yöntem nişasta komponentlerinin daha düşük sıcaklıklarda dispers olmalarına ve amiloz ve amilopektine parçalanmalarına neden olur. Nişastanın tamamıyla dispers olmasından sonra en yaygın ayırma tekniği amilozun n-bütanol veya timol kompleksi ile çöktürülmesidir. Saf amiloz eldesi için pek çok aşamalı çöktürme işlemine gerek duyulur. Amilopektin fraksiyonu liyofilizasyon veya alkolde çöktürme işlemi ile ayrılır. Amilozun bütanol ile ayrılması ve amilopektinin ise supernatant çözeltiden çöktürülmesi ile farklı nişastaları içeren üçüncü bir ara materyal oluşur. Bu komponent genellikle tahıl nişastalarında %3-5 civarındadır.

Nişasta: Etki eden enzimler Nişasta zincirini parçalayan enzimler temelde 4 grup altında incelenir: (1-4) α-D-glikozidik bağlarını parçalayan enzimler (amilazlar) (1-6) α-D-glikozidik bağlarını parçalayan enzimler (izoamilazlar) (1-4) α-D-glikozidik bağlarını transfer eden enzimler (glukanoziltransferazlar) Dallanma enzimleri (α-(1-4) α-(1-6) transferazlar) Amilazlar ise 3 grup altında incelenir: Endo amilazlar Ekzo β amilazlar İzoamilazlar

Nişasta: Etki eden enzimler Nişasta kendine etki eden enzimler vasıtasıyla kısmi olarak parçalanır. β-amilaz enzimi nişasta zincirine indirgen olmayan uçlardan etki eder. α-1,4 bağlarını koparır ve düz zinciri α-1,4 bağlı 2 glikoz molekülünden oluşan maltoz birimlerine parçalar. β-amilaz amilopektinin amiloza bağlandığı dallanma noktalarını (α-1,6) geçemez. Bu nedenle dallanma notasında yer alan 2-3 glikoz ünitesini bırakır. Oldukça dallanmış yapıya sahip olan amilopektin, β-amilaz enzimi etkisiyle sadece %50 oranında parçalanabilir. Büyük moleküllü rezidüler β-limit-dekstrinler olarak adlandırılır.

Pullulanaz ve izoamilaz (debranching enzymes) sadece α-1,6 bağlarını hidrolize eder. Kısa linear zincirler oluşur. Pullulanaz, 2 veya daha fazla glikoz ünitesinden oluşan yan zincirleri parçalarken, izoamilaz için en az 3 glikoz ünitesi gerekmektedir.

Nişasta: Jelatinizasyon Nişastanın sulu bir çözelti içerisinde ısıtılması ile, jelatinizasyon ve çirişlenme olarak adlandırılan bir dizi değişim gerçekleşir. Bu olaylar serisi nişastanın; Gıda ürünlerindeki fonksiyonelliği Enzimatik aktivitelere duyarlılığı Jel oluşturabilme özelliği bakımından en önemli dönüşümlerden bir tanesidir. Granül nişasta soğuk suda çözünmez özellikte olmakla birlikte oda sıcaklığında su içerisinde süspansiyon oluşturur ve çapının yaklaşık %20 si kadar büyüyebilir. Bu hidrasyon ile nişasta granülü kuru ağırlığının yaklaşık %30 u kadar su tutabilir. Bu hacim değişimi ile su tutma özelliği geri dönüşümlü bir olaydır. Nişasta süspansiyonunun daha yüksek sıcaklıklara ısıtılması dönüşümsüz değişimler ile sonuçlanır.

Jelatinizasyon sıcaklığında granül şişmeye başlar ve şişme ilerledikçe granülün düzenli yapısı bozulur. Jelatinizasyon ile nişasta; suda çözünür, su bağlayabilir ve jel oluşturabilir. Amiloz jelatinizasyondan öncelikli sorumlu fraksiyon olup, en düşük %1,5 orandaki konsantrasyonlarda katı jel oluşturabilmektedir. Jelatinizasyon prosesi nişastanın inceltme ajanı olarak kullanılmasının temelinde yer alır. Jelatinizasyon prosesi süresince nişasta ortamda bulunan diğer komponentler ile su için yarışma halindedir. Ortamda su ile etkileşime girecek maddelerin varlığı (şeker, shortening vb )jelatinizasyon süresini uzatır, gerekli su miktarını arttırır. Jelatinizasyon süreci çözeltinin viskozitesi ölçülerek kontrol edilir. Belli bir noktada viskozite maksimum değere ulaşır. Bu noktadan sonra ısıtmanın devamı ile viskozite düşmeye başlar.

Jelatinizasyonda granüllerin şişmesi öncelikle kolay ulaşılan ve H bağlarının zayıf olduğu amorf bölgede başlar. Linear amiloz molekülleri suda çözünerek granül dışına, dokular arasındaki sulu ortama geçer. Farklı nişastalar için jelatinizasyon sıcaklık dereceleri 2 farklı yöntem ile ölçülebilir; Polarizasyon mikroskopi: Nişasta granüllerinin çift kırma özelliklerini kaybettikleri andaki sıcaklık derecesinin tespit edilmesine dayanır. Viskoamilograf: Nişastanın sulu süspansiyonlarını belli bir sıcaklık artışına tabi tutarak viskozitede meydana gelen artışın tespit edilmesine dayanır. Jelatinizasyon ile 2 önemli noktada çözeltinin viskozitesinde artış görülür. İlki nişastanın çift kırma özelliğini yitirip şişmeye başladığı anda, ikincisi ise amilozun soğuması sonunda çözünmez bir fazın ortaya çıkması ile meydana gelir.

Nişasta: Retrogradasyon Linear nişasta moleküllerini (amiloz) oluşturan glikoz ünitelerindeki serbest OH gruplarının birbirleri ile oluşturdukları H bağlantıları sonucunda amiloz moleküllerinin kendi içinde oluşan fiziksel bir çekim kuvveti etkisiyle fermuar gibi birleşerek kristal bir yapı oluşturmalarıdır. Düşük konsantrasyonlu sulu nişasta çözeltilerinde; amiloz zincirlerinin birleşmesi çok yavaş olmakla birlikte, birleşme sonucu oluşan makro moleküller çözünmez nitelikte olup çökelti oluşturur. Yüksek konsantrasyonlu sulu nişasta çözeltilerinde; amiloz zincirlerinin hızlı ve gelişigüzel birleşmeleri sonucu katı bir jel ağı oluşturur.