Starch in Processed Potatoes -Influence of Tuber Structure, Thermal Treatments and Amylose/Amylopectin Ratio

Abstract

The potato is one of our most important food crops, being sold in its natural state or processed into a wide range of products. Starch, by far the most abundant component in the tuber, is greatly affected by heat processing. Therefore it is logical to study starch thermal properties within the tuber tissue, although most previous studies have focused on starch-water model systems. One of the main purposes of this work was to analyse thermal events such as gelatinisation, retrogradation and annealing in both tissue samples and starch-water systems, and to relate starch thermal effects to the characteristics of potato tubers and processing conditions.



The main methods used were differential scanning calorimetry (DSC) and microscopy. The DSC method has been widely used to study starch and is also applicable to the analysis of potato tissue samples. Several microscopic techniques were used to study the potato microstructure at different levels of magnification. Information obtained from micrographs was further used to interpret results from DSC analyses.



Several characteristics of the raw material were shown to influence the thermal properties of starch. Potato variety and cultivation year, as well as properties related to dry matter components and their distribution within the tuber, were very important, whereas the tuber size was insignificant. The gelatinisation of starch within tissue is shifted to higher temperatures as compared with starch-water systems, a fact that also influences the effects of annealing. Furthermore, starch from the central parts of the tuber had categorically higher gelatinisation temperatures than starch from other tuber tissue zones. Retrogradation rate, in terms of increased enthalpy of melting recrystallised amylopectin with time, was affected by variety whereas melting temperatures were not. However, the differences in gelatinisation and retrogradation between varieties could not be related to cooking type, i.e. mealiness.



To understand more about the influence of amylose and amylopectin respectively on different starch characteristics, potatoes with large variations in amylose content were analysed. Amylose content roughly ranged from 1 to 78 %. In high-amylose starch, properties such as granule morphology, gelatinisation, and retrogradation were severely altered compared with normal starch. In starch with 99 % amylopectin differences were less extensive. When subjecting some of these starches to different temperature treatments, it was shown that important nutritional features such as resistant starch content and starch hydrolysis rate are mainly affected by amylose content. A synergistic effect between retrograded amylopectin and amylose may have an additional effect on these properties.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Potatis är ett av våra viktigaste baslivsmedel, men erbjuder trots det stor variation. Traditionella recept varvas med nya innovationer i hushåll och restauranger, och inom livsmedelsindustrin processas potatisen till en rad olika produkter. Från traditionell kokt potatis med sås inom husmanskosten har våra matvanor förändrats radikalt. Ökade krav på snabb och enkel tillagning till vardags har även påverkat potatisen, och ett allt större utbud av mer eller mindre färdiga potatisprodukter fyller affärernas frysdiskar och hyllor. En annalkande trend är potatis som lyxprodukt, vilket innebär att när vi väl lägger ner tid på matlagningen ska det helst göras med extra omsorg och kreativitet för att bli något utöver det vanliga. Vad det egentligen är som händer i knölen när vi tillagar den är det nog få som frågar sig hemma i köket, men för industrin är frågan högst relevant då kraven ökar på nya produkter, bättre lönsamhet och näringsriktighet.



Oavsätt tillagningsmetod utsätts potatisen för värme för att uppnå önskade egenskaper i form av smak och konsistens. Av de ämnen som ingår i potatisen är stärkelse utan tvekan det som finns i störst mängd förutom vatten, och därutöver förekommer ämnen som proteiner, fiber, lipider och mineralämnen. Stärkelse i rå potatis förekommer i form av korn (granuler) med kristallin struktur som är välordnad på molekylnivå. När stärkelse och vatten värms upp tillsammans sker en rad förändringar på såväl granul- som molekylnivå, vilket leder till att en gel kan bildas vid avsvalning. Förloppet kallas gelatinisering eller förklistring. Ett tydligt exempel på detta är kokning av kräm där potatismjöl används som förtjockningsmedel, men detsamma sker även i potatisen. När gelen sedan lagras bildas en ny kristallstruktur och texturegenskaperna förändras, stärkelsen retrograderar. Några av stärkelsens kanske viktigaste egenskaper ur livsmedelssynpunkt är just dessa två, gelatinisering och retrogradering, som tillsammans med förändringar i cellväggarna ger potatisen önskad konsistens.



Skillnader mellan potatissorter, liksom odlingsförhållanden från år till år, har betydelse för stärkelsens gelatinisering, men även olika potatisknölar och till och med olika delar av en och samma potatis påverkar. Storleken på potatisknölen har däremot ingen betydelse.



En anledning till skillnader i gelatiniseringsegenskaper kan vara att stärkelsens uppbyggnad påverkas av nämnda faktorer, en annan är att mängd och fördelning av olika ämnen i potatisen påverkas. Jämfört med stärkelse-vattenblandningar gelatiniserar stärkelsen vid högre temperatur i potatisen, vilket delvis kan härledas till skillnader värmeöverföring och påverkan från andra ämnen i potatisen, exempelvis protein.



Vid industriell tillverkning av potatisprodukter ingår normalt fler värmebehandlingssteg än i hemmet. Det kanske viktigaste steget är blancheringen, förkokningen, som främst görs för att påverka konsistens och färg hos produkten, men som också kan få stärkelsen att gelatinisera i potatisen för att därefter retrogradera. Även ångskalning kan påverka stärkelsen och leda till förändrade gelatiniseringsegenskaper. Huvudprocessen, oavsett om den sker genom kokning, bakning, stekning eller kanske fritering av potatisen, får normalt resterande intakta stärkelsegranuler att gelatinisera. Kylning sker ofta som mellansteg i processen eller i samband med förpackning och lagring av produkter, och inverkar främst på stärkelsens retrogradering. Ökad stärkelseretrogradering kan få såväl positiva som negativa konsekvenser för produktens kvalitet.



Förhållandet mellan stärkelsens två huvudbeståndsdelar, amylos och amylopektin, har stor betydelse för stärkelsens egenskaper. Normalt innehåller potatisstärkelse ungefär 25 % amylos, men med genetisk modifiering kan halterna varieras från <1 till >78 %. Dessa stärkelser har visat sig ha unika egenskaper. Högamylosstärkelse bildar granuler som utseendemässigt skiljer sig från vanlig stärkelse, och de gelatiniseras inte heller i samma utsträckning. Även i fråga om retrogradering beter sig högamylosstärkelser annorlunda jämfört med vanlig stärkelse. Amylopektinstärkelse har normal granulstruktur men något förändrade gelatiniserings- och retrograderingsegenskaper. Mer kunskap om de två beståndsdelarnas egenskaper ger inte bara bättre förståelse för stärkelsens uppbyggnad och funktion, utan kan även bidra till utveckling av nya produkter. Därutöver kan ökad kunskap om vilka ämnen i potatisen som reagerar och vid vilka temperaturer ge bättre möjligheter att optimera tillverkningsprocesser för potatisprodukter med avseende på såväl konsistens som näringsinnehåll.



Stärkelsens nutritionella egenskaper påverkas av dess biotillgänglighet. Resistent stärkelse (RS) har förmågan att passera tunntarmen utan att brytas ner och har därmed en funktion som påminner om kostfibers. En annan viktig parameter är stärkelsens nedbrytningshastighet som påverkar blodsockersvaret och därmed livsmedlets glykemiska index (GI). Potatis förknippas normalt med höga GI-värden, varför det finns intresse för att studera de egenskaper hos stärkelsen som kan påverka nedbrytningen och göra den mer långsam. Den stärkelseparameter som utan tvekan har störst betydelse för att gynna bildande av RS samt sänka nedbrytningshastigheten är amyloshalten. Även retrograderat amylopektin påverkar nedbrytningshastigheten till viss del, och troligtvis finns det även samverkanseffekter mellan amylos och amylopektin som ytterligare påverkar biotillgängligheten. Trots vissa skillnader tycks det inte vara möjligt att på processväg minska GI för potatis till nutritionellt relevanta nivåer.

• author: Sjöö, Malin
• supervisor: Ann-Charlotte Eliasson
• opponent: Dr Conde-Petit, Béatrice, Institute of Food Science and Nutrition, Swiss Federal Institute of Technology, ETH, Zurich, Switzer
• organization: Department of Food Technology, Engineering and Nutrition
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Food Engineering
• keywords: Livsmedelsteknik, Food and drink technology, Teknik, Technological sciences, microscopy, differential scanning calorimetry, amylopectin, amylose, starch, Solanum tuberosum, potato
• pages: 80 pages
• defense location: Lecture hall B, the Centre for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund Institute of Technology
• defense date: 2005-10-27 13:30:00
• ISBN: 91-628-6623-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0142b875-2d2c-4870-8db9-6f2a2bbb256f (old id 545490)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:06:15
• date last changed: 2018-11-21 20:56:45