Maizena gör motstånd

Av: Johanna Öberg


Tid för förberedelser:10 minuter Tid för genomförandet: 10 minuter
Antal tillfällen: 1 Svårighetsgrad: Busenkelt
Säkerhetsfaktor:Ofarligt

Introduktion

Vår vardag är full av olika slags vätskor med olika egenskaper. De kan vara mer eller mindre trögflytande, som ketchup till exempel. I experimentet undersöker vi Maizena som har överraskande egenskaper.


Riktlinjer

Experimentet kan genomföras som enskilda elevförsök då "kemikalierna" är väldigt billiga och ofarliga, men små grupper på 2-3 elever är även bra. Det gynnar spontana samtal. Experimentet kan även genomföras utomhus.


Säkerhet

Experimentet och ingredienserna är helt ofarliga.

Blandningen kan hällas ut i avloppet, men spola samtidigt ordentligt så att det inte blir en propp.


Materiel


Förarbete

Inget förarbete


Utförande

  1. Häll upp ca 100 ml vatten i en 200 ml bägare. (100 ml maizenamjöl väger ca 55 gram)
  2. Tillsätt maizenamjölet i vattnet under omrörning av skeden.
  3. Sluta tillsätta mjöl när det börjar bli tungt att röra runt. (ca 120 ml)
  4. Förändra hastigheten på omrörningen, notera sambandet mellan viskositet och hastighet på omrörningen. (viskositet = hur trögflytande)

Förklaring

Stärkelsen i maizenablandningen beter sig olika om man rör långsamt eller snabbt beroende på att de "stockar sig" när man rör snabbt då stärkelsen inte hinner flyta med rörelsen som skeden gör. Det blir stopp när stärkelsekornen lägger sig på tvären. Det finns alltså en inneboende tröghet i blandningen av stärkelse och vatten och om man rör långsammare så beter sig blandningen som i flytande form, men om man ökar hastigheten så upplevs blandningen som i fast form.


Bakgrundsfakta

Vatten

Vatten, H2O. Vanligt latinskt namn är aqua. Vatten är en kemisk förening av väte och syre. Elektronmolnet är förskjutet från vätena (d+) mot syret (d-), vilket gör vattenmolekylen til en dipol.
Bild: © Wikipedia

Vattenmolekylen är universums andra vanligaste fleratomiga molekyl, endast överträffad av den omättade hydroxylradikalen ·OH.

Vätebindning mellan två vattenmolekyler
Bild: © Svante Åberg

Vatten är ett bra lösningsmedel för sådana ämnen som är polära, d.v.s. där delar av molekylen har en elektrisk laddning. Detta beror på att vatten själv är polärt, eftersom vattenmolekylens syreatom är negativt laddad och väteatomerna positivt laddade. De fria jonerna i olika ämnen omringas av vattenmolekyler eftersom de positiva jonerna drar till sig vattnets negativa del (syret) och de negativa jonerna drar till sig vattnets positiva del (vätet).

Bland annat så gör vattnets goda lösningsförmåga att det vatten som vi dricker innehåller många nyttiga ämnen som vår kropp behöver. Dessvärre kan dock den goda lösningsförmågan ibland även ge upphov till att föroreningar och andra oönskade ämnen också transporteras med vattnet till t.ex sjöar och brunnar.

Vatten har ovanligt hög kok- och smältpunkt på grund av den ovanligt starka vätebindningen mellan vattenmolekyler. Vatten är som tyngst vid + 4 °C, eftersom densiteten då är högst. Destillerat vatten har kokpunkt vid +100 °C.

Stärkelse

Stärkelsens förmåga att absorbera vatten beror på fördelningen mellan stärkelsens amylos och amylopektin i olika livsmedel. Generellt gäller att tillagning eller annan påverkan av stärkelsen ökar förmågan att ta upp vatten och svälla. Övriga kolhydrater som sockerarter och nedbruten stärkelse är digererbara (nedbrytningsbara; mono- och disackarider samt stärkelse) direkt och dessutom lösliga i kallt vatten.

Vid tillagning har stärkelse en benägenhet att bilda resistent stärkelse. Denna stärkelse uppstår exempelvis vid kokning och efterföljande avsvalning av ris. Resistent stärkelse bildas även när bröd åldras. Resistent stärkelse bryts inte ner förrän i tjocktarmen vilket gör att den kan räknas som kostfiber.

Stärkelsegelatinisering

Ett välkänt fenomen vid livsmedelstillverkning och matberedning är stärkelsegelatiniseringen. Om vi exempelvis värmer någon viktprocent potatisstärkelse i vatten till ca 60 °C bildas en transparent och förhållandevis fast gel. Vad som verkligen händer vid stärkelsens gelatinisering har klarlagts under senare år, och vi skall här söka ge en molekylär beskrivning av fenomenet.

Stärkelsekornen (granuler) innehåller ett kanalsystem där vatten och andra små molekyler (t ex jod och jodidjoner) lätt kan röra sig. Vid temperaturer under gelatiniseringen sker även en viss svällning i samband med vattenupptagning i kornen (en ökning av diametern med upp mot 30% har rapporterats). Troligen är det de mer amorfa (amorf = strukturlös) skikten i stärkelsekornen som sväller vid denna vattenupptagning. Det som sedan händer, i närvaro av vatten i överskott vid cirka 60 °C, är att amylosmolekyler plötsligt börjar läcka ut från kornen, och samtidigt tränger vatten in i stärkelsekornen. Den kristallina strukturen går då förlorad. Blockeras amylosläckaget kan hela gelatiniseringen avstanna.

En färdigsvälld gel består av kraftigt förstorade stärkelsekorn vilka i sig har en gelstruktur dominerad av amylopektin i vatten. Mellan kornen finns en kontinuerlig vattenfas med lösta amylosmolekyler. Stärkelsegelen är en aggregatgel - aggregaten är de svällda stärkelsekornen - i en kontinuerlig amyloslösning. Gelens reologiska egenskaper (= nästan fast, nästan flytande tillstånd) beror främst på aggregatens konsistensförhållanden och tätpackning samt den kontinuerliga amyloslösningens viskositet.

Fördjupad teori om gelatinisering av stärkelse
Övriga termiska omvandlingar

Vid uppvärmning av stärkelse i vatten förekommer - förutom gelatiniseringen - ytterligare två omvandlingar.

Den första toppen i kurvan är den irreversibla gelatiniseringen, och ytan under toppen är proportionell mot entalpin i omvandlingen. Toppen därefter förekommer endast när vattenmängden är otillräcklig för total gelatinisering, och anses motsvara en form av "smältning" av icke-gelatiniserade stärkelsegranuler. För potatisstärkelse krävs minst fyra vattenmolekyler per glukosenhet för att gelatinisering över huvud taget skall ske, och fullständig gelatinisering kräver 14 molekyler vatten/glukosenhet. Motsvarande siffror för vetestärkelse är 4 resp 20 vattenmolekyler/glukosenhet.

Diagrammet visar hur mycket värme som måste tillföras vid olika temperaturer för att värma en blandning av 1 del vatten + 1 del vätestärkelse. En topp i diagrammet visar att det pågår en energikrävande process vid den aktuella temperaturen.

Gelatiniseringstemperaturen är relativt konstant medan temperaturen för den andra omvandlingen ökar med avtagande vattenhalt (när vattenhalten i vetestärkelse varierar från 35 % till 45 % minskar temperaturen från 107 °C till 88 °C). Under ca 30 % vatten förekommer ingen gelatinisering.

Vid ännu högre temperatur kan den tredje omvandlingen observeras. Denna omvandling är en slags "smältning" av amylos-lipidkomplexet, och omvandlingen är reversibel (omvändbar; som kan återgå till det ursprungliga tillståndet).

Stärkelsegelens åldrande

När en stärkelsegel lagras ändras den relativt snabbt på grund av tendensen till kristallisation. En gel med hög vattenhalt kan därför spricka, och geler med lägre vattenhalt, t ex ett brödinkråm, hårdnar vid lagring på grund av denna kristallisationsprocess. Kristallisationen går snabbast vid kylskåpstemperatur. Man bör därför inte lagra bröd i kylskåpet.

Kristallisationen tycks ske av amylopektin inuti de gelatiniserade granulerna. Processen är reversibel vilket bl a framgår av att bröd som blivit hårt kan "färskas upp" genom uppvärmning till ca 70 °C.

Polära lipiders effekt på stärkelsegelen

Lipider, med endast en kedja och en polär grupp, har drastiska effekter på stärkelsegeler. En krämliknande stärkelsegel med klistrig (lång) konsisten förlorar omedelbart sin klistrighet genom tillsats av en liten mängd monostearin utspädd i vatten. Orsaken till detta fenomen är bildning av amylos-lipidkomplex. Effekten av denna komplexbildning blir att amylosmolekylerna i gelens kontinuerliga medium (kemiska miljö, lösning) fälls ut. Komplexet förlorar nämligen sin vattenlöslighet vid en viss kritisk mängd av lipidmolekyler per amylosmolekyl. Monoglycerider används som funktionell tillsats just för att reducera klistrighet i bl a pastaprodukter och i potatispulver.

En annan effekt uppnås om lipiden tillsätts före gelatiniseringen.

Modifierad stärkelse

Det förekommer även vissa kemiska derivat (derivat = kemiskt förändrad variant) av stärkelse inom livsmedelsindustrin.

Kallsvällande stärkelse är en vanlig stärkelseform i pulverprodukter som skall kunna färdigställas direkt genom blandning med vatten, t ex välling-, sopp- och såspulver. Den utgörs helt enkelt av gelatiniserad stärkelse som torkats. När vatten sedan tillsätts återbildas stärkelsegelen momentant.

Ett flertal olika stärkelsetyper används inom livsmedelsindustrin. Potatisstärkelse ger en transparent gel och den bildar gel även vid mycket låga koncentrationer (ca 0,1 %). Vetestärkelse ger en ogenomskinlig gel, men till skillnad från potatisstär kelse krävs flera procent vetestärkelse för att man skall få en gel.

Om man vill åstadkomma en stabil, klar och tjockflytande lösning som inte sätter sig till en gel bör man använda arrowrotens speciella stärkelse.

Slutligen bör nämnas att huvuddelen av den stärkelse som tillverkas ur potatis och vete har tekniska användningar även utanför livsmedelsindustrin. Limning av papper är den dominerande användningen i vårt land, och etanoltillverkning är ett expanderande användningsområde ("Absolut" vodka bl. a.).

Maizenamjöl och annan stärkelse

Egenskaper

Andra namn på maizenamjöl är majsstärkelse, majsmjöl, maisena, majsenamjöl.

Maizenamjöl är ett rent stärkelsemjöl av majs. Majsmjöl mals av majskorn till mjöl och får en kornig konsistens. Det innehåller inte, som många andra mjölsorter, ämnet gluten. Gluten är ett växtprotein som finns i sädeslagen vete, råg och korn, som till 80% består av svårlösliga proteiner. Det är gluten som ger dessa mjöler deras bakegenskaper och jäsningbenägenhet. Pulvret knarrar karaktäristiskt när man gnider det mellan fingrarna.

Farmakopénamn är Maydis amylum, Amylum maidis. Majsstärkelse är så gott som ren stärkelse, vilket betyder amylos och amylopektin i olika proportioner. Halten amylos bestämmer grödans klibbighet. Mer amylos ger t.ex. hårt ris, mer amylopektin gör det mjukt och klibbigt.

Majsstärkelse är faktiskt olösligt i kallt vatten, men är däremot kraftigt vattenupptagande och kan svälla 10-100 gånger sin volym. Vid upphettning löser sig molekylerna och man får en klar lösning. Det är vad som sker när man kokar kräm.

Framställning

Majs har odlats och varit en viktig gröda i delar av Europa ända sedan 1500-talet men dess stärkelse var den sista som fick större spridning jämfört med stärkelse från vete, potatis och ris. Idag är odling av särskilda stärkelserika majssorter och framställningen av stärkelse storindustri i USA. Varje land har använt den råvara man haft bäst tillgång till för att utvinna stärkelse. I södra och mellersta Europa har det varit vete, i norra Europa potatis, i England och Asien ris och i USA majs. Idag är stärkelse en grundbult i industrin, råvara för framställning av allt från socker och alkohol till plaster.

Kornen av majsstärkelse är mindre än korn av potatisstärkelse.

Stärkelse är växternas vanligaste kolhydrat (andra är socker, dextrin och cellulosa). Det är en omvandlad form av socker som bildas i växternas gröna delar och lagras i rötter, knölar och frön som reservnäring för att vid behov brytas ner till lösliga transportabla sockerarter igen.

Principen för att få ut stärkelsen är densamma för alla sorter. Först sker sönderdelning där mekaniska metoder såsom krossning och mosning har använts i årtusenden. Idag kan man bryta ner växtmaterialet på kemisk väg, t. ex. med alkalier. Sedan sker urlakning, där massan lakas ur i vatten och den lösgjorda stärkelsen får sjunka till botten eller centrifugeras bort. Därefter sker blekning där stärkelsepulvret efter torkning och siktning bleks i sol eller kemiskt.

Specialbehandling kan sedan läggas till, stärkelsen kan modifieras kemiskt, t. ex. för att tjockna vid önskad temperatur och pH i olika typer av livsmedel. Modifieringarna består i att stärkelsen behandlas med syror eller alkalier, bleks eller oxideras för att få speciella egenskaper och kunna användas för speciella produkter, t.ex. för att livsmedlet ska tjockna efter viss tid eller vid en viss temperatur eller ska klara djupfrysning och snabb upphettning.

Majskorn innehåller 50-75 % stärkelse, som utvinns efter majsolja. Processen börjar med att kornen läggs i varmt vatten med lite svavelsyra. Majsstärkelse har kantiga, rätt små korn (15-20 μm). Det förklistras vid 75°, och bildar då en tjock lösning (stärkelseklister) som kan användas som just klister.

Majsstärkelse bör förvaras i slutet kärl och skyddat mot fukt. När stärkelsen blandats med vatten måste den konserveras, om inte annat så för att bakterier bryter ner geléet. 0,5 % salicylsyra hindrar stärkelseblandningar från att "surna".

Ett beprövat sätt att kontrollera om ett ämne innehåller stärkelse är att hälla svag jod-lösning på den (5 droppar jodsprit i 1 dl vatten). Jodlösningen är rödbrun och om ämnet innehåller stärkelse blir den blåsvart.

Aggregationsformer

Ämnen kan förekomma som fasta, vätskor eller gaser. Dessa tillstånd kallas aggregationsformer. Man kan likna aggregationsformerna med olika tilstånd hos majskorn:

Maizenans "aggregationsform"

Blandningen av Maizena och vatten är inte i strikt mening en aggregationsform, eftersom det är en uppslamning av fasta stärkelsekorn och flytande vatten. Inte desto mindre kan blandningens egenskaper jämföras med vätska och fast form.

Maizenablandningen i vila eller vid långsam omrörning är i flytande form. Stärkelsekornen har lagt sig tillrätta och är omgivna av vatten som "smörjmedel". När skjuvhastigheten ökar (skjuvning = rörelsen när kornen glider förbi varandra) hamnar stärkelsekorn på tvärs så att att de blockerar rörelsen. Det gör att blandningen upplevs som hård och i fast form.

Reologi

Reologi är läran om materiens flyt- och deformationsegenskaper. Begreppet reologi kan beskrivas med viskositetsmätningar, karakterisering av flödesbeteende samt bestämning av materialets struktur. Ordet reologi kommer från det grekiska ordet rheos som betyder flyta. Inom livsmedelsindustrin används reologin för att beskriva produkternas konsistens vilken kan delas upp i viskositet och elasticitet. Viskositeten anger sambandet mellan kraft och deformationshastighet (hur snabbt något byter form). Elasticiten anger sambandet mellan kraft och deformationens storlek (uttänjning), som när man sträcker på ett gummiband.

Newtonska vätskor har en konstant viskositet oberoende av skjuvhastigheten som den utsätts för. Däremot kan Newtonska vätskors viskositet vara olika vid olika temperatur.

Viskositeten hos icke-Newtonska vätskor är både beroende av skjuvhastigheten och temperaturen. De flesta flytande livsmedel är icke-Newtonska skjuvtunnande vätskor vilket betyder att dess viskositet minskar när man snabbt rör om i den. En sådan vätska sägs vara tixotrop. Ett par exempel på tixotropa material är målarfärg och mejeriprodukter. Motsatsen, när snabb omrörning leder till ökad viskositet, benämns som en reopektisk vätska. Oljor är reopektiska vätskor.


Referenser

  1. Kåre Larsson och Bo Furugren, Livsmedelsteknologi - Kemiska grunder, 1995, Avdelningen för livsmedelsteknologi, Lunds universitet.
  2. Lillemor Abrahamsson, Agneta Andersson, Wulf Becker, Näringslära för högskolan, 2006, Liber AB, Stockholm.
  3. Östen Dahlgren, Laga mat, 1994, Liber utbildning, Stockholm.
  4. Reologi, Konstruktörslotsen, IVF Industriforskning och utveckling AB
    http://lotsen.ivf.se/?path=/KonsLotsen/Bok/appendix4/Limformer.html%23reologi (2006-06-20)
  5. Reologi, Jonas Johansson, Per Johan Nylén, Jenny Sjöholm, Ranko Velagic, Chalmers
    http://www.mat.chalmers.se/kurser/mpm065/reologi.pdf (2006-06-20)
  6. Rheology, University of Alberta
    http://www.afns.ualberta.ca/Courses/Nufs403/PDFs/chapter3.pdf (2006-06-20)
  7. Sammanfattning (laboration i reologi), "Jon, Björn och Ida"
    http://www.acc.umu.se/~joun/Reologi.htm (2006-06-20)
  8. Professor vatten, Uppsala vattencentrum
    http://www.uvc.uu.se/professorvatten (2006-10-06)
  9. Stärkelser och mjöler, Shenet
    http://www.shenet.se/ravaror/starkelse.html (2006-10-10)
  10. The Page That Dripped Slime, Bizarre Stuff
    http://www.bizarrelabs.com/slime.htm (2006-06-20)
  11. Non-Newtonian Glop, Steve Spangler Science
    http://www.stevespanglerscience.com/experiment/00000047 (2006-10-10)
  12. Amazing Liquid (A video of the very unusual behavior of cornstarch mixed with water),
    http://www.youtube.com/watch.php?v=CH6-2UizHfI&search=science (2006-10-10)
  13. Starch Structure, Nitin C Nowjee, University of Cambridge
    http://www.cheng.cam.ac.uk/research/groups/polymer/RMP/nitin/Starchstructure.html (2006-10-10)
  14. Starch, Martin Chaplin, Water Structure and Behaviour
    http://www.lsbu.ac.uk/water/hysta.html (2006-10-10)
  15. Starch, Food Resource, Oregon State University
    http://food.oregonstate.edu/learn/starch.html (2006-10-10)
  16. Starch Gelatinization, Food Resource, Oregon State University
    http://food.oregonstate.edu/starch/lecture.html (2006-10-10)
  17. Temperatures of Starches, Food Resource, Oregon State University
    http://food.oregonstate.edu/starch/temp.html (2006-10-10)
  18. Resistant Starch - A Review, Food Science and Food Safety
    http://members.ift.org/NR/rdonlyres/173B36CE-315B-4413-A596-8F5E569676B1/0/crfsfsv5n1p117.pdf (2006-10-06)
  19. Main Page, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2006-05-12)