Více než polovinu sušiny obilí a brambor tvoří škrob, ze kterého se při výrobním procesu získává alkohol, proto je největší zájem o fyzikálně chemické přeměny škrobu. Škrob se v rostlinných buňkách nachází ve formě mikroskopicky malých granulí (zrnek) mnohostranného nebo oválného tvaru (obr. 26). V ovsu a pohance jsou granule škrobu složité, složené z jednotlivých jednoduchých granulí. V jiných rostlinách jsou granule zpravidla jednoduché. Velikost škrobových granulí se velmi liší – od 1 do 120 mikronů. Bramborový škrob má největší granule, jejich průměrná velikost podél největší osy je 40-50 mikronů. Granule obilného škrobu jsou v průměru 10-15 mikronů. Podle chemického složení granule kolabují
Rýže. 3. Tvar škrobových zrn:
a – pšenice; b – žito; c – ječmen; g – oves; d – kukuřice; e – proso; g – pohanka; h – brambory.
malé jsou heterogenní a skládají se ze dvou polyóz – amylózy a amylopektinu, které jsou rovnoměrně rozloženy.
Molekula amylózy je dlouhý nerozvětvený řetězec zbytků D-glukopyranózy spojených navzájem 1,4-glukosidovými vazbami.
Až donedávna se věřilo, že stupeň polymerace amylózy byl v rozmezí 200–1000 (molekulová hmotnost 32400–162000). V současné době byly nalezeny amylózy se stupněm polymerace asi 2000, které nemají strukturní anomálie, a amylózy se stupněm polymerace asi 6000 a vyšším, které mají větvení. Počet větví je však malý – jedna na 2-5 molekul.
Molekula amylopektinu má rozvětvenou strukturu. D-glukopyranózové zbytky v lineárních oblastech amylopektinu jsou spojeny, jako u amylózy, vazbami α-1,4 a v bodech větvení jsou vazby α-1,6. Jedna větev (a-1,6 vazba) se vytvoří po průměrně 25 glukózových zbytcích.
Molekuly amylopektinu patří mezi největší organické molekuly, jejichž hmotnost dosahuje 10 7 . Greenwood stanovil molekulovou hmotnost 5-10 pro jeden z amylopektinů.
Počet glukózových zbytků na neredukující koncovou skupinu v amylopektinu je v průměru 20-25. Délka vnějších řetězců se pohybuje od 12-17, vnitřní řetězce – 5-8 glukózových zbytků. Tyto průměrné údaje však nevylučují existenci oblastí, ve kterých jsou body větvení odděleny dvěma nebo dokonce jedním glukózovým zbytkem.
Obsah amylózy a amylopektinu ve škrobu se liší v závislosti na typu rostliny a podmínkách jejího růstu. Škrob většiny rostlin obsahuje 20-25 % amylózy a 80-75 % amylopektinu. Známé jsou voskovité odrůdy kukuřice, ječmene a čiroku, ve kterých není téměř žádná amylóza. U některých odrůd hrachu je obsah amylózy ve škrobu více než 70 %.
Škrobová granule se skládají ze soustředných vrstev, v každé z nich jsou propleteny vysoce rozvětvené molekuly amylopektinu a tvoří trojrozměrnou síť. Lineární části těchto molekul jsou orientovány v radiálním směru vzhledem ke granuli, sekundární (vodíkové) vazby působí tangenciálně a udělují těmto hlavním molekulám mechanickou tuhost.
Kromě těchto polysacharidů obsahuje škrob malé množství minerálních látek, především kyselinu fosforečnou a vysokomolekulární mastné kyseliny.
Škrob, amylóza a amylopektin jsou nerozpustné ve studené vodě, ethylalkoholu a etheru. Amylóza je snadno rozpustná v teplé vodě a tvoří roztoky s nízkou viskozitou. Amylopektin se při zahřívání pod tlakem rozpouští ve vodě a vytváří viskózní roztoky. Roztoky amylózy jsou velmi nestabilní a při stání retrográdní a uvolňují nerozpustné sraženiny (krystaly). Amylóza dává s jódem modrou barvu a amylopektin modrofialovou barvu.
Síťová struktura molekul amylopektinu vysvětluje bobtnání škrobových granulí bez jejich rozpuštění. Granule bobtnají, protože sekundární vazby jsou oslabeny hydratací. Nerozpadají se však snadno, protože je drží pohromadě částice amylopektinu. U některých škrobů je struktura sítě zachována i při teplotě 120°C.
Řada prací z oblasti chemie škrobu přímo či nepřímo souvisí se studiem jeho bobtnání, želatinizace a rozpouštění. Při výrobě lihu ze škrobových surovin mají tyto vlastnosti prvořadý význam; závisí na nich napadatelnost škrobu amylolytickými enzymy.
Mechanicky poškozená škrobová granula jsou amylázami napadena několikanásobně snadněji, stárnutí, zejména rozpuštěný škrob, je desetkrát i stokrát jednodušší než nativní škrob.
Při zahřívání ve vodě škrob nabobtná a změní se na gel. Škrobové granule se v tomto případě chová jako osmotická buňka, ve které amylopektin zřejmě hraje roli semipermeabilní přepážky (membrány). Osmotický tlak a s ním spojený stupeň nabobtnání se zvyšuje s rostoucí teplotou. Škrobové granule při limitu absorbují 25-30násobek svého objemu vody.
V určitém teplotním rozmezí dochází vlivem osmotických sil k velkému zvětšení objemu škrobových granulí, k oslabení a porušení vazeb mezi jednotlivými strukturními prvky a k narušení celistvosti granulí. V tomto případě se viskozita roztoku prudce zvyšuje – dochází k želatinaci škrobu. V. I. Nazarov a později M. G. Stolyar ukázali, že želatinizace je na rozdíl od bobtnání endotermický proces vyžadující tepelný příkon asi 6,28 kJ na 1 g škrobu. Škrobová pasta je charakterizována náhodným uspořádáním makromolekul a ztrátou krystalické struktury nalezené v rentgenových difraktogramech nativního škrobu. Proces želatinace je doprovázen kontrakcí systému, velikost stlačení (4,5 %) se blíží hodnotě konvenčních fázových přeměn.
Teplota želatinace závisí především na povaze škrobu, velikosti granulí, přítomnosti solí ve vodě a dalších faktorech. Protože každý škrob obsahuje granule různých velikostí, je správné hovořit nikoli o místě želatinace, ale o teplotním rozmezí (začátek a konec) želatinace. Teplota želatinace pšeničného škrobu je 54-62°C. žito 50-55, ječmen 60-80, kukuřice 65-75, brambor 59-64°C.
Přídavek neutrálních solí a alkálií snižuje teplotu želatinace. V přítomnosti cukru se teplota želatinace zvyšuje.
Změna viskozity suspenzí škrobu ve vodě také určuje změnu viskozity vsázky vyrobené z různých surovin, protože škrob nejvíce ovlivňuje viskozitu. Když se suspenze škrobu zahřeje ve vodě na teplotu 35-45°C, její viskozita mírně klesá v důsledku poklesu viskozity vody, s dalším zvýšením teploty se zvyšuje velmi pomalu, při 75-85°C prudce narůstá, při 90°C dosahuje maximální hodnoty a při více při vysokých teplotách prudce klesá. Prudký nárůst viskozity je způsoben intenzivním bobtnáním a počátkem želatinace hlavně velkých škrobových granulí. Při 90 °C je želatinace téměř úplná a viskozita se již nezvyšuje. Jeho následný pokles je spojen s destrukcí trojrozměrné sítě pasty v důsledku zvýšené teploty a mechanického míchání. Maximální viskozita závisí na typu škrobu, koncentraci jeho suspenze a rychlosti nárůstu teploty.
Při teplotě 120-130°C se pasta stává snadno pohyblivou. K nejúplnějšímu rozpuštění amylopektinu dochází v pšeničném škrobu při 136-141 °C, žitném škrobu – 121-127, kukuřičném škrobu – 146-151 a bramborovém škrobu při 132 °C.
Spolu s fyzikálně-chemickými změnami dochází ve škrobu i k chemickým změnám, především hydrolytickým. Škrob podléhá enzymatické hydrolýze při vaření surovin díky amylázám, které obsahuje (samocukernatění), kyselá hydrolýza – při vaření v mírně kyselém prostředí. Při teplotách do 70°C převládají mezi produkty hydrolýzy cukry, při 75-80°C dextriny. Tvorba cukrů je nežádoucí, protože při následném varu pod tlakem se ztrácejí (rozkládají). Dextriny jsou stabilnější a jejich akumulace v surovinách nevede ke znatelnému zvýšení ztráty fermentovatelných látek.
Při varu celých surovin, kdy teplota stoupá na maximum, škrob nestihne želatinovat, buňky se neničí a působení enzymů je velmi omezené, takže hydrolýza s tvorbou cukrů je vyjádřena slabě. Proces hydrolýzy se výrazně zintenzivňuje vařením drcených surovin. 3. K. Ashkinuzi poznamenal, že ve fázi vaření vsázek obilí při teplotě 60 °C dochází k intenzivní akumulaci redukujících sacharidů, která dosahuje 0,8 % v ovesných várkách a až 8 % v žitných várkách. Podle výzkumu G. A. Ustinnikova se ve stejné fázi s postupným zvyšováním teploty ze 40 na 95 °C v pšeničné várce hromadí až 4 % redukujících cukrů (na hmotnost škrobu). Při rychlém nárůstu teploty nepřesahuje obsah redukujících cukrů 2,5 %.
Při varu pod vlivem vodíkových iontů dochází k hydrolýze škrobu v nepatrné míře. V tabulce Obrázek 8 ukazuje data V.A. Smirnova a V.P. Sotskaya o chemických změnách v bramborovém škrobu během jeho varu v závislosti na pH a technologickém režimu.
Z těchto údajů vyplývá, že při pH cca 6,5, odpovídajícím přirozenému pH suroviny, a režimu měkkého varu, charakteristickém pro kontinuální var drceného zrna, nejsou u škrobu pozorovány žádné významné změny (v originále škrob, molekulová hmotnost byla rovna 219009, redukční schopnost – 0,066 %). V náročných podmínkách, blízkých periodickému varu celých zrn, je škrob znatelně hydrolyzován; ale redukujících látek se hromadí velmi málo – asi 0,5 %, a jsou zastoupeny především vysokomolekulárními dextriny.
Obecně se při vaření škrob hlavně rozpouští a částečně dextrinizuje, nedochází k hydrolýze na mono a disacharidy.