نشاسته(Starch)
یکی از مهمترین پلیساکاریدهای طبیعی و فراوانترین ماده ذخیرهای گیاهان است. نشاسته بخش عمدهای از رژیم غذایی انسان را تشکیل میدهد و علاوه بر صنایع غذایی، در داروسازی، نساجی، کاغذسازی، تولید چسب، صنایع تخمیری، پلاستیکهای زیستتخریبپذیر و بسیاری از صنایع دیگر کاربرد دارد.
نشاسته؛ مادهای که هر روز میخوریم، اما کمتر آن را میشناسیم
اگر همین حالا به آشپزخانه بروید، احتمالاً چند ماده غذایی پیدا میکنید که مقدار زیادی از این ماده دارند؛ برنج، نان، سیبزمینی، ماکارونی، آرد، ذرت یا حتی بیسکویت. بیشتر ما تقریباً هر روز نشاسته مصرف میکنیم، اما شاید ندانیم این ماده دقیقاً چیست و چرا در بسیاری از غذاها وجود دارد.
جالبتر اینکه نشاسته را فقط در مواد غذایی نمی بینیم . تاکنون لباسهای آهاردار پوشیده اید ، قرص دارویی مصرف کرده اید یا بستهبندیهای کاغذی را در دست بگیرید ، به نوعی با این ماده درگیر بوده اید . این ماده طبیعی در صنایع غذایی، داروسازی، کاغذسازی، نساجی و حتی تولید پلاستیکهای زیستتخریبپذیر کاربرد گستردهای دارد.
یک تجربه ساده که احتمالاً همه ما داشتهایم
حتماً برایتان پیش آمده که سیبزمینی را آبپز کنید. وقتی داغ است، بافت آن نرم و لطیف است، اما اگر همان سیبزمینی را چند ساعت در یخچال بگذارید، سفتتر میشود و بافتش تغییر میکند.
یا شاید دیده باشید که برنج تازهپخته، نرم و خوشخوراک است، اما برنجی که یک روز در یخچال مانده، دیگر همان بافت اولیه را ندارد.
این تغییرات اتفاقی نیستند؛ همه آنها به رفتار مولکولهای نشاسته مربوط میشوند. در ادامه مقاله خواهیم دید که هنگام پخت، مولکولهای نشاسته آب جذب میکنند و ساختارشان تغییر میکند و پس از سرد شدن، دوباره به شکلی متفاوت کنار هم قرار میگیرند. همین فرایند دلیل بسیاری از تغییرات بافت غذاهاست.
آیا همه نشاستهها یکسان هستند؟
پاسخ کوتاه این است: خیر ، نشاسته موجود در برنج، سیبزمینی، ذرت و گندم از نظر ساختار کلی مشابه است، اما نسبت دو جزء اصلی آن، یعنی آمیلوز و آمیلوپکتین، در گیاهان مختلف متفاوت است. همین تفاوت باعث میشود برنج ایرانی، برنج چسبناک، سیبزمینی یا ذرت پس از پخت، بافت و ویژگیهای متفاوتی داشته باشند.
از دیدگاه شیمی، نشاسته یک هوموپلیساکارید (Homopolysaccharide) است؛ یعنی تمام واحدهای سازنده آن دارای یک نوع مونوساکارید یعنی α-D-گلوکز است .
نشاسته برخلاف تصور بسیاری از افراد، یک ماده واحد نیست، بلکه از دو پلیمر مجزا به نامهای آمیلوز (Amylose) و آمیلوپکتین (Amylopectin) متشکّل است که هر کدام ویژگیهای ساختاری و فیزیکی متفاوتی دارند.
چرا بدن ما به نشاسته نیاز دارد؟
وقتی یک تکه نان یا مقداری برنج میخوریم، بدن آنها را مستقیماً به انرژی تبدیل نمیکند. ابتدا نشاسته به مولکولهای کوچکتر تجزیه میشود و در نهایت به گلوکز تبدیل میشود. گلوکز سوخت اصلی سلولهای بدن است و انرژی لازم برای فعالیتهای روزانه، از راه رفتن و فکر کردن گرفته تا ورزش کردن، از آن تأمین میشود.
به همین دلیل، نشاسته یکی از مهمترین منابع تأمین انرژی در رژیم غذایی انسان به شمار میآید.
تاریخچه کشف نشاسته
انسان هزاران سال پیش از آنکه مفهوم مولکول یا پلیمر شناخته شود، از نشاسته استفاده میکرد. مصریان باستان از نشاسته برای تهیه چسب پاپیروس و رومیان از آن برای آهار دادن پارچهها استفاده میکردند.
در قرن هجدهم میلادی، شیمیدانان دریافتند که این ماده از واحدهای قندی تشکیل شده است. در قرن نوزدهم با پیشرفت شیمی آلی، مشخص شد که نشاسته پلیمر گلوکز است و در قرن بیستم، به کمک پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی، ساختمان سهبعدی آن مشخص شد.
فراوانی در طبیعت ، تقریباً تمام گیاهان قادر به سنتز نشاسته هستند. مهمترین منابع نشاسته در جدول زیر ارائه شده است .
| گیاه | ذرت | سیب زمینی | برنج | گندم | کاساوا | جو |
|---|---|---|---|---|---|---|
| درصد تقریبی نشاسته | ۶۰ تا ۷۵٪ | ۱۵ تا ۲۰٪ | ۷۰ تا ۸۰٪ | ۶۰ تا ۷۰٪ | ۷۰ تا ۸۵٪ | ۵۵ تا ۶۵٪ |
نشاسته از هزاران واحد گلوکز \( HOCH_2-(CHOH)_4-CHO \)تشکیل شده است . فرمول کلی آن به صورت\( \mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n} \) می باشد . که در آن n بیانگر تعداد واحد های گلوکوز است تا جایی که مقدار n ممکن است از چند صد تا چند هزار متغیّر باشد . هنگامی که دو مولکول گلوکز به هم متّصل می شوند ، یک مولکول آب حذف شده و پیوند گلیکوزیدی تشکیل می شود .
نشاسته؛ راز پنهان نان، برنج و سیبزمینی
چرا نان تازه نرم است، اما نان مانده سفت میشود؟
یکی از تجربههای معمول در زندگی همه ما این است که نان تازه بسیار نرم و خوشخوراک است، اما پس از گذشت چند ساعت یا چند روز، خشک و سفت میشود.بسیاری تصور میکنند دلیل این اتفاق فقط «از دست دادن آب» است، اما موضوع کمی پیچیدهتر است.
در نان تازه، مولکولهای نشاسته در حضور آب و گرما تغییر شکل دادهاند. هنگام پخت نان، دمای بالا باعث میشود دانههای نشاسته آب جذب کنند، متورم شوند و ساختار اولیه خود را از دست بدهند. به این فرایند ژلاتینه شدن نشاسته (Starch Gelatinization) گفته میشود.
اما پس از سرد شدن نان، بخشی از مولکولهای نشاسته دوباره به سمت یکدیگر حرکت میکنند و نظم بیشتری پیدا میکنند. این پدیده که باعث سفت شدن نان میشود، رتروگراداسیون نشاسته (Starch Retrogradation) نام دارد.
چرا برنج تازهپخته نرم است؟
وقتی برنج را میپزیم، دانههای سخت برنج به دلیل جذب آب متورم میشوند. نشاسته داخل دانه برنج آب جذب کرده و ساختار آن تغییر میکند.
اگر مقدار آب زیاد باشد، دانههای نشاسته بیشتر متورم میشوند و برنج نرمتر میشود. اگر مقدار آب کمتر باشد، بافت برنج خشکتر و دانهها جداتر باقی میمانند.
به همین دلیل روشهای مختلف پخت برنج، نتیجههای متفاوتی ایجاد میکنند:
برنج کته: آب کمتر خارج میشود و بخشی از مواد محلول در برنج باقی میماند.
برنج آبکش: بخشی از نشاسته آزاد شده همراه آب خارج میشود.
تهدیگ: در سطح زیرین، آب کمتر و دما بیشتر است؛ بنابراین بخشی از نشاسته تغییر کرده و بافتی ترد ایجاد میکند.
چرا سیبزمینی سرخکرده بیرون آن تُرد و داخل آن نرم است؟
سیبزمینی نمونه جالبی از رفتار نشاسته است. داخل سیبزمینی مقدار زیادی آب و نشاسته وجود دارد. هنگام سرخ کردن، آب سطح سیبزمینی تبخیر میشود. سطح بیرونی خشک و ترد میشود.حرارت باعث تغییر نشاسته در لایه داخلی میشود. داخل سیبزمینی نرم باقی میماند. به همین دلیل، ترکیب «نشاسته + آب + حرارت» نقش مهمی در ایجاد بافت غذاها دارد.
گیاهان چگونه نشاسته تولید میکنند؟
گیاهان با استفاده از نور خورشید، آب و کربن دی اکسید ، قند تولید میکنند. سپس بخشی از این قند را به نشاسته تبدیل کرده و برای ذخیره انرژی نگهداری میکنند.
واکنش کلی فتوسنتز:
\( 6CO_2+6H_2O \xrightarrow{\text{Light, Chlorophyll}} C_6H_{12}O_6+6O_2 \)
سپس گلوکز به نشاسته تبدیل میشود:
\( nC_6H_{12}O_6 \longrightarrow (C_6H_{10}O_5)_n+nH_2O \)
این واکنش ، یک واکنش تراکمی یا آب گیری محسوب می شود .به همین دلیل است که گیاهانی مانند سیبزمینی و ذرت، مقدار زیادی نشاسته در خود ذخیره میکنند.
واکنش هیدرولیز نشاسته در بدن
هنگام هضم غذا، مولکولهای بزرگ نشاسته ( در حضور آب و آنزیم ها )به مولکولهای کوچکتر گلوکز تبدیل میشوند.
\( (C_6H_{10}O_5)_n+nH_2O \xrightarrow{\alpha\text{-amylase}} nC_6H_{12}O_6 \)
واکنش فتوسنتز (تولید گلوکز در گیاه)
گیاهان ابتدا گلوکز تولید میکنند ، سپس بخشی از گلوکز تولید شده به نشاسته تبدیل و ذخیره می شود .
\( 6CO_2+6H_2O \xrightarrow{\text{Light, Chlorophyll}} C_6H_{12}O_6+6O_2 \)
آمیلوز و آمیلوپکتین؛ دو قهرمان پنهان در دنیای نشاسته
شاید تصور کنید همه نشاستهها یکسان هستند، اما حقیقت این است که نشاسته از دو مولکول اصلی تشکیل شده است: آمیلوز و آمیلوپکتین.این دو مولکول مانند دو برادر هستند که از یک خانوادهاند، اما رفتارهای متفاوتی دارند. همین تفاوت باعث میشود برنج ایرانی، برنج ژاپنی، سیبزمینی و ذرت پس از پخت، بافتهای متفاوتی پیدا کنند.
به طور معمول، بیشتر نشاستههای طبیعی از حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد آمیلوز و ۷۰ تا ۸۰ درصد آمیلوپکتین تشکیل شدهاند. البته این نسبت در گیاهان مختلف یکسان نیست و همین موضوع بر ویژگیهای غذا اثر میگذارد.
آمیلوز چیست؟
اگر یک رشته نخ بلند را در نظر بگیرید که بهآرامی دور خودش پیچیده است، تصویری نزدیک به ساختمان آمیلوز خواهید داشت.
آمیلوز یک زنجیره خطی از مولکولهای گلوکز است که بیشتر واحدهای آن با پیوندهای\( \alpha (1\to 4) \) آلفا (1→4) به هم متصل شدهاند.به زبان ساده، هر واحد گلوکز به واحد بعدی وصل میشود و یک زنجیره بلند تشکیل میدهد.
نمایش ساده ساختار:\( \mathrm{Glc}-\alpha(1\rightarrow4)-\mathrm{Glc}-\alpha(1\rightarrow4)-\mathrm{Glc}-\cdots \)
در طبیعت، این زنجیره کاملاً صاف نیست، بلکه به شکل مارپیچ (Helix) در میآید. این ویژگی اهمیت زیادی دارد، زیرا مولکول ید میتواند در فضای داخل این مارپیچ قرار گیرد و رنگ آبی تیره معروف را ایجاد کند.
آمیلوپکتین چیست؟
حالا تصور کنید همان نخ بلند، هر چند وقت یکبار شاخهای هم به طرفین بدهد؛ این تصویر، آمیلوپکتین را توصیف میکند.
آمیلوپکتین نیز از گلوکز ساخته شده است، اما علاوه بر پیوندهای \( \alpha (1\to 4) \) دارای پیوندهای \( \alpha (1\to 6) \) است که شاخههای جانبی را ایجاد میکنند.
ساختار ساده:\( \begin{array}{c} \mathrm{Glc}-\mathrm{Glc}-\mathrm{Glc}-\mathrm{Glc} \\ \qquad\qquad |\\ \qquad\mathrm{Glc}-\mathrm{Glc} \end{array} \)
در ساختار واقعی، تعداد شاخهها بسیار زیاد است و به همین دلیل آمیلوپکتین یکی از بزرگترین مولکولهای طبیعی است ، که می شناسیم .
تفاوت آمیلوز و آمیلوپکتین در زندگی روزمره
شاید برایتان جالب باشد که بسیاری از تفاوتهای غذایی که هر روز میبینیم، به نسبت این دو مولکول بستگی دارد.
برای مثال:
برنج ایرانی معمولاً آمیلوز بیشتری دارد، بنابراین پس از پخت، دانهها جدا از هم باقی میمانند.
برنجهای چسبناک شرق آسیا آمیلوپکتین بیشتری دارند، به همین دلیل پس از پخت به هم میچسبند.
سیبزمینی نیز به دلیل مقدار زیاد آمیلوپکتین، هنگام پخت بافتی نرم و کرمی پیدا میکند.
به همین دلیل، آشپزها و صنایع غذایی هنگام انتخاب نوع نشاسته، به نسبت آمیلوز و آمیلوپکتین توجه ویژهای دارند.
چرا ید فقط با نشاسته رنگ آبی می دهد ؟
این سؤال سالهاست در آزمایشگاههای مدارس مطرح است .وقتی چند قطره محلول ید روی برش سیبزمینی یا تکهای نان میریزیم، رنگ آن به آبی تیره یا آبی مایل به سیاه تغییر میکند. اما چرا؟
علت این است که مولکول آمیلوز به شکل مارپیچ است و یونهای پلییودید در فضای داخلی این مارپیچ قرار میگیرند. تشکیل این مجموعه باعث جذب بخشی از نور و ایجاد رنگ آبی تیره است .
\( \mathrm{Amylose}+I_3^- \longrightarrow \mathrm{Amylose}\cdot I_3 \)
این معادله نشاندهنده تشکیل یک کمپلکس است، نه یک واکنش شیمیایی با ایجاد ماده جدید
آیا همه گیاهان نشاسته را برای یک هدف تولید میکنند؟
بله. نشاسته در واقع انبار انرژی گیاهان است. همانطور که انسان بخشی از انرژی اضافی را به صورت چربی ذخیره میکند، گیاهان نیز انرژی حاصل از فتوسنتز را به صورت نشاسته در دانهها، ریشهها و غدهها ذخیره میکنند تا در زمان جوانهزنی یا رشد دوباره از آن استفاده کنند.به همین دلیل است که سیبزمینی، گندم، ذرت و برنج منابع غنی نشاسته هستند.
چرا نشاسته با آب داغ غلیظ میشود؟
حتماً دیدهاید که وقتی مادر یا آشپز برای تهیه فرنی، شیربرنج، سوپ یا سس، مقداری آرد یا نشاسته را با آب یا شیر حرارت میدهد، مخلوط کمکم تغلیظ دارد .اما چه اتفاقی درون قابلمه میافتد؟
در نگاه اول ممکن است تصور کنیم نشاسته فقط در آب قابل انحلال است ، اما واقعیت این است که نشاسته به معنای واقعی در آب سرد حل نمیشود. اگر کمی نشاسته ذرت را در یک لیوان آب سرد بریزید و هم بزنید، ذرات آن پس از مدتی دوباره تهنشین میشوند.دلیل این موضوع آن است که دانههای نشاسته ساختاری منظم و فشرده دارند و مولکولهای آب در دمای معمولی نمیتوانند بهراحتی نفوإ کنند .
وقتی حرارت داده میشود، همه چیز تغییر میکند
با افزایش دما، مولکولهای آب انرژی بیشتری پیدا میکنند و به آرامی وارد دانههای آن میشوند. این نفوذ باعث میشود دانهها آب جذب کنند و اندازه آنها چندین برابر شود.
به این فرایند ژلاتینه شدن (Gelatinization) گفته میشود.در این مرحله چند اتفاق مهم رخ میدهد:دانههای آن متورم میشوند. بخشی از مولکولهای آمیلوز از دانه خارج میشوند.ویسکوزیته یا گرانروی مخلوط افزایش مییابد.مایع رقیق، کمکم به ژل یا خمیر تبدیل میشود.همین فرایند است که باعث میشود فرنی، سس بشامل یا سوپ بافتی غلیظ و یکنواخت پیدا کند.
آیا همه نشاستهها در یک دما حالت ژلاتین دارد ؟
خیر ، دمای ژلاتینه شدن به نوع گیاه بستگی دارد ، به طور مثال برنج در دمای بین 68 تا 78 درجه سلسیوس و لی سیب زمینی در محدودۀ دمایی 58 تا 66 درجه ژلاتینی می شود . به همین دلیل ، زمان پخت غذاهای مختلف با یکدیگر تفاوت دارد .
چرا بعضی سسها بیش از حد غلیظ میشوند؟
وقتی مقدار نشاسته زیاد باشد، دانههای متورمشده فضای بیشتری را اشغال میکنند و حرکت آب محدود میشود. در نتیجه، سس یا سوپ غلیظتر خواهد شد. اگر مقدار آنکم باشد، مایع رقیق باقی میماند. به همین دلیل، سرآشپزهای حرفهای مقدار نشاسته را با دقت اندازهگیری میکنند تا به بافت دلخواه برسند.
