پلی ساکاریدها یکی از مهم‌ترین گروه‌های کربوهیدراتی موجود در غلات هستند، اما همه پلی ساکاریدهای غلات از نظر ساختار و عملکرد یکسان نیستند. در حالی که نشاسته به‌عنوان مهم‌ترین پلی‌ساکارید ذخیره‌ای دانه شناخته می‌شود، گروه دیگری از پلی‌ساکاریدها عمدتاً در ساختار دیواره سلولی حضور دارند که به آن‌ها پلی‌ساکاریدهای غیرنشاسته‌ای یا Non Starch Polysaccharides (NSP) گفته می‌شود.
آرابینوکسیلان‌ها (Arabinoxylans) ، بتاگلوکان‌ها (β-Glucans) ، سلولز (Cellulose) و مقادیر کمتری از ترکیباتی مانند آرابینوگالاکتان‌ها (Arabinogalactans) از مهم‌ترین پلی‌ساکاریدهای غیرنشاسته‌ای غلات هستند. این ترکیبات تنها اجزای تغذیه‌ای فیبر نیستند، بلکه می‌توانند بر جذب و توزیع آب، ویسکوزیته، رئولوژی، بافت، پایداری و حتی رفتار نشاسته و پروتئین در فرآیند تولید مواد غذایی اثر بگذارند.
اهمیت NSPها زمانی بیشتر مشخص می‌شود که بدانیم عملکرد آن‌ها مستقیماً به ساختار مولکولی وابسته است. وزن مولکولی، طول زنجیره، میزان شاخه‌دارشدن، نوع و محل گروه‌های جانبی، حلالیت و توانایی ایجاد برهم‌کنش با سایر اجزای سیستم غذایی، همگی می‌توانند رفتار نهایی این ترکیبات را تعیین کنند.
پلی ساکاریدهای غیرنشاسته‌ای چیستند؟
غلات از نظر شیمیایی سیستم‌های بسیار پیچیده‌ای هستند که در آن‌ها نشاسته، پروتئین، لیپیدها، مواد معدنی و ترکیبات دیواره سلولی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. نشاسته عمدتاً به‌عنوان ماده ذخیره‌ای انرژی در آندوسپرم تجمع پیدا می‌کند، در حالی که بسیاری از NSPها در دیواره سلولی سلول‌های دانه قرار دارند و در حفظ ساختار بافت گیاه نقش دارند.
از مهم‌ترین NSPهای غلات می‌توان به آرابینوکسیلان‌ها و بتاگلوکان‌ها اشاره کرد. در کنار آن‌ها، سلولز و مقادیر محدودتری از آرابینوگالاکتان‌ها و برخی پلی‌ساکاریدهای دیگر نیز وجود دارند. نسبت این ترکیبات به نوع غله، بخش دانه، رقم، شرایط رشد و روش فرآوری بستگی دارد.
از دیدگاه تغذیه‌ای، بسیاری از NSPها در گروه فیبر غذایی قرار می‌گیرند، اما NSP و Dietary Fiber کاملاً مترادف نیستند. تعریف فیبر غذایی می‌تواند گروه گسترده‌تری از کربوهیدرات‌ها و ترکیبات مرتبط را دربرگیرد و برخی اجزای فیبر نیز از نظر شیمیایی پلی‌ساکاریدهای غیرنشاسته‌ای نیستند. بنابراین، NSP بهتر است به‌عنوان یک گروه شیمیایی و ساختاری مشخص در نظر گرفته شود.
آرابینوکسیلان؛ یکی از مهم‌ترین NSPهای غلات
آرابینوکسیلان (Arabinoxylan; AX) یکی از مهم‌ترین همی‌سلولزهای موجود در غلات است و در گندم، چاودار، جو، ذرت، برنج و جو دوسر یافت می‌شود.
ساختار اصلی آرابینوکسیلان شامل یک زنجیره نسبتاً خطی از واحدهای زایلوز (Xylose) است که از طریق پیوندهای β-(1→4) به یکدیگر متصل شده‌اند. بخشی از واحدهای زایلوز دارای زنجیره‌های جانبی آرابینوز (Arabinose) هستند. همچنین در برخی ساختارها گروه‌هایی مانند اسید گلوکورونیک و مشتقات آن نیز وجود دارند.
بنابراین، آرابینوکسیلان یک مولکول کاملاً یکنواخت نیست. حتی آرابینوکسیلان‌های استخراج‌شده از دو نوع غله یا دو بخش متفاوت یک دانه می‌توانند از نظر وزن مولکولی، میزان شاخه‌دارشدن، نسبت آرابینوز به زایلوز و مقدار اسید فرولیک تفاوت داشته باشند.
همین تفاوت‌های ظاهراً کوچک در ساختار شیمیایی می‌توانند رفتار فیزیکی و عملکرد تکنولوژیک آرابینوکسیلان را به شکل قابل‌توجهی تغییر دهند.
چرا ساختار آرابینوکسیلان اهمیت دارد؟
یکی از پارامترهای مهم در توصیف آرابینوکسیلان، نسبت آرابینوز به زایلوز (A/X ratio) است. افزایش یا کاهش میزان جانشینی زنجیره اصلی زایلان توسط آرابینوز می‌تواند بر شکل فضایی مولکول، میزان برهم‌کنش بین زنجیره‌ها و حلالیت آن اثر بگذارد.
پارامتر مهم دیگر وزن مولکولی (Molecular Weight) است. آرابینوکسیلان‌هایی با زنجیره‌های بلندتر می‌توانند رفتار متفاوتی از نظر ویسکوزیته و تشکیل شبکه نسبت به قطعات کوتاه‌تر داشته باشند.
از طرف دیگر، وجود اسید فرولیک (Ferulic Acid) نیز اهمیت زیادی دارد. این ترکیبات می‌توانند در ایجاد پیوندهای عرضی میان زنجیره‌های آرابینوکسیلان نقش داشته باشند و در شرایط مناسب، تشکیل ساختارهای ژلی یا شبکه‌ای را تحت تأثیر قرار دهند.
در نتیجه، نمی‌توان درباره عملکرد آرابینوکسیلان صرفاً بر اساس مقدار کل آن در یک ماده غذایی قضاوت کرد؛ نوع ساختار و ویژگی‌های مولکولی آن نیز اهمیت دارد.
آرابینوکسیلان محلول و نامحلول
یکی از تقسیم‌بندی‌های کاربردی آرابینوکسیلان، تفکیک آن به بخش‌های محلول در آب یا Water-extractable Arabinoxylan (WEAX) و بخش‌های کمتر محلول یا نامحلول است.
این تفاوت فقط یک ویژگی آزمایشگاهی نیست، بلکه می‌تواند پیامدهای مهمی در فرآوری داشته باشد. آرابینوکسیلان محلول، به دلیل توانایی بالاتر در برهم‌کنش با آب، می‌تواند ویسکوزیته فاز آبی را افزایش دهد و بر رفتار خمیر و سیستم‌های غذایی اثر بگذارد.
در مقابل، آرابینوکسیلان‌هایی که ارتباط بیشتری با ساختار دیواره سلولی و سایر اجزای بافت دارند، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. عواملی مانند درجه پلیمریزاسیون، میزان شاخه‌دارشدن و ترکیب مونومری می‌توانند بر حلالیت و قابلیت استخراج آن‌ها اثرگذار باشند.
بتاگلوکان؛ پلی‌ساکاریدی با رفتار رئولوژیک متفاوت
بتاگلوکان (β-Glucan) یکی دیگر از NSPهای مهم غلات است که به‌ویژه در جو (Barley) و جو دوسر (Oat) اهمیت دارد.
بتاگلوکان‌های غلات از واحدهای گلوکز تشکیل شده‌اند، اما آرایش پیوندهای آن‌ها با نشاسته متفاوت است. وجود توالی‌های پیوندی β-(1→3) و β-(1→4) باعث ایجاد ساختاری متفاوت از پلیمرهای نشاسته‌ای می‌شود.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های بتاگلوکان، توانایی آن در افزایش ویسکوزیته سیستم‌های آبی است. البته این ویژگی به‌شدت به وزن مولکولی، غلظت، ساختار زنجیره و شرایط محیطی وابسته است. به همین دلیل، دو نمونه بتاگلوکان با مقدار یکسان ممکن است از نظر رفتار رئولوژیک عملکرد یکسانی نداشته باشند.
این ویژگی باعث شده است بتاگلوکان در توسعه مواد غذایی غنی از فیبر و محصولات مبتنی بر غلات مورد توجه قرار گیرد.
سلولز و سایر پلی‌ساکاریدهای دیواره سلولی
سلولز (Cellulose) نیز یک پلی‌ساکارید غیرنشاسته‌ای مهم در ساختار غلات است و بخش قابل‌توجهی از اسکلت دیواره سلولی را تشکیل می‌دهد. ساختار خطی و منظم آن، که از واحدهای گلوکز با پیوند β-(1→4) تشکیل شده است، باعث ایجاد استحکام مکانیکی بالا و حلالیت بسیار پایین در آب می‌شود.
در کنار سلولز، غلات حاوی مقادیر متفاوتی از پلی‌ساکاریدهای دیگری مانند آرابینوگالاکتان‌ها و برخی ترکیبات پکتینی هستند. اگرچه مقدار برخی از این ترکیبات در مقایسه با آرابینوکسیلان و بتاگلوکان کمتر است، اما در مجموع در ساختار دیواره سلولی و ویژگی‌های فیزیکی بافت نقش دارند.
بنابراین، عملکرد NSPها را نمی‌توان تنها به یک مولکول خاص نسبت داد؛ مجموعه‌ای از پلی‌ساکاریدها در کنار پروتئین‌ها، لیگنین، مواد فنولی و سایر اجزای دیواره سلولی، ساختار پیچیده بافت غلات را شکل می‌دهند.
رابطه ساختار مولکولی و جذب آب
یکی از مهم‌ترین اثرات NSPها در سیستم‌های غذایی، به‌خصوص محصولات غلات، مربوط به آب است. گروه‌های هیدروکسیل فراوان موجود در ساختار بسیاری از پلی‌ساکاریدها امکان برقراری پیوند هیدروژنی با مولکول‌های آب را فراهم می‌کنند. در نتیجه، NSPها می‌توانند بخشی از آب سیستم را جذب یا در ساختار خود نگه دارند.
این موضوع در خمیر گندم اهمیت ویژه‌ای دارد. افزایش مقدار آرابینوکسیلان یا بتاگلوکان می‌تواند ظرفیت جذب آب آرد را افزایش دهد و در نتیجه میزان آب موردنیاز برای رسیدن به قوام مشخص خمیر تغییر کند. مطالعات مروری در زمینه نان نشان داده‌اند که افزودن NSPهایی مانند آرابینوکسیلان و بتاگلوکان می‌تواند جذب آب آرد را افزایش دهد.
اما جذب آب بیشتر لزوماً به معنی عملکرد بهتر نیست. مقدار NSP، نوع آن، وزن مولکولی، حلالیت و نحوه توزیع آن در سیستم باید همگی در نظر گرفته شوند.
تأثیر NSPها بر رئولوژی خمیر
در سیستم‌های آرد و خمیر، NSPها با چندین جزء دیگر به‌طور هم‌زمان برهم‌کنش دارند. بنابراین اثر آن‌ها را نمی‌توان مستقل از پروتئین‌های گلوتن، نشاسته و آب بررسی کرد.
آرابینوکسیلان محلول می‌تواند با افزایش ویسکوزیته فاز آبی، حرکت آب و رفتار جریان خمیر را تغییر دهد. از سوی دیگر، حضور مقادیر زیاد NSP یا بخش‌های نامحلول آن می‌تواند از طریق رقابت برای آب و ایجاد اختلال فیزیکی در شبکه گلوتن، رفتار خمیر را تغییر دهد.
به همین دلیل، اثر آرابینوکسیلان بر کیفیت نان وابسته به ساختار و مقدار آن است. مطالعات جدید نشان داده‌اند که ویژگی‌هایی مانند وزن مولکولی، درجه شاخه‌دارشدن و مقدار اسید فرولیک می‌توانند بر رئولوژی خمیر و نگهداری گاز در فرآیند نان‌پزی اثر بگذارند.
این موضوع یکی از نمونه‌های واضح رابطه میان ساختار مولکولی و عملکرد تکنولوژیک است.
برهم‌کنش NSPها با پروتئین‌های گلوتن
گلوتن و NSPها در خمیر گندم در یک محیط آبی مشترک قرار دارند و بنابراین برهم‌کنش میان آن‌ها می‌تواند بر توسعه ساختار خمیر اثرگذار باشد.
NSPها با تغییر توزیع آب و ویسکوزیته فاز آبی می‌توانند شرایطی را که پروتئین‌های گلوتن در آن هیدراته و سازمان‌دهی می‌شوند تغییر دهند. همچنین برخی NSPها می‌توانند از طریق برهم‌کنش‌های فیزیکی و شیمیایی با اجزای پروتئینی، ساختار شبکه گلوتن را تحت تأثیر قرار دهند.
در مورد آرابینوکسیلان، مطالعات نشان داده‌اند که ویژگی‌های ساختاری آن می‌تواند بر رفتار پروتئین‌های گلوتن و همچنین نشاسته اثر بگذارد.
از این منظر، افزایش فیبر در یک فرمولاسیون نان صرفاً به معنای «افزایش مقدار فیبر» نیست؛ بلکه در واقع یک پلیمر جدید به یک سیستم چندجزئی پیچیده اضافه می‌شود که می‌تواند تعادل آب، پروتئین و نشاسته را تغییر دهد.
برهم‌کنش NSPها با نشاسته
نشاسته بخش اصلی آندوسپرم بسیاری از غلات است و رفتار آن در حضور آب و حرارت نقش تعیین‌کننده‌ای در ویژگی محصولات پختنی دارد.
NSPها می‌توانند با تغییر دسترسی آب، ویسکوزیته محیط و برهم‌کنش‌های بین‌مولکولی، رفتار نشاسته را تحت تأثیر قرار دهند. این اثر می‌تواند در مراحل مختلف فرآوری، از تشکیل خمیر تا حرارت‌دهی و نگهداری محصول، مشاهده شود.
به همین دلیل، بررسی نشاسته بدون در نظر گرفتن پلی‌ساکاریدهای دیواره سلولی در بسیاری از سیستم‌های غلات تصویر کاملی از رفتار ماده غذایی ارائه نمی‌دهد.
در واقع، بخشی از رفتار پیچیده خمیر و محصول نهایی ناشی از رقابت و همکاری هم‌زمان میان نشاسته، پروتئین و NSPها برای آب و ایجاد ساختار است.
نقش NSPها در بافت و ویژگی‌های محصول نهایی
تغییرات ایجادشده در جذب آب، ویسکوزیته و ساختار خمیر در نهایت می‌تواند خود را در ویژگی‌های محصول نهایی نشان دهد.
در محصولات نانی، NSPها می‌توانند بر حجم، ساختار مغز، بافت و میزان آب محصول اثر بگذارند. با این حال، اثر نهایی به نوع NSP و سطح استفاده وابسته است و افزایش بیش از حد فیبر یا استفاده از یک NSP با ویژگی‌های نامناسب می‌تواند نتیجه مطلوبی ایجاد نکند.
برای مثال، در سیستم‌های غنی از فیبر، بخش‌های نامحلول می‌توانند باعث ایجاد اختلال در تشکیل شبکه گلوتن و تغییر ساختار سلولی نان شوند، در حالی که برخی بخش‌های محلول آرابینوکسیلان می‌توانند با افزایش ویسکوزیته فاز آبی و بهبود نگهداری گاز، اثر متفاوتی داشته باشند. بنابراین، فیبر بیشتر الزاماً معادل عملکرد بهتر نیست؛ نوع، ساختار و توزیع فیبر اهمیت اساسی دارند.
اهمیت NSPها در محصولات غلات با ارزش افزوده
یکی از کاربردهای مهم NSPها، توسعه محصولات غذایی با فیبر بالاتر و ویژگی‌های عملکردی بهبود‌یافته است. با این حال، افزایش فیبر در فرمولاسیون محصولات غلات معمولاً با چالش‌هایی مانند تغییر جذب آب، افزایش ویسکوزیته، تغییر رئولوژی خمیر و تغییر بافت همراه است. به همین دلیل، در طراحی محصولات جدید، توجه به نوع NSP و ویژگی‌های ساختاری آن اهمیت بیشتری از مقدار کل فیبر دارد.
برای مثال، آرابینوکسیلان استخراج‌شده از سبوس گندم در سال‌های اخیر به‌عنوان یک ماده اولیه بالقوه برای کاربردهای عملکردی مورد توجه قرار گرفته است. مطالعات نشان می‌دهند که می‌توان با جداسازی و انتخاب بخش‌های مناسب آرابینوکسیلان، ویژگی‌های آن را برای کاربردهای خاص در سیستم‌های خمیری و غذایی مورد استفاده قرار داد.
از این منظر، سبوس و سایر بخش‌های جانبی آسیاب لزوماً تنها محصولات جانبی کم‌ارزش نیستند؛ بلکه می‌توانند منبعی از پلیمرهای زیستی با قابلیت مهندسی و کاربردهای تخصصی باشند.
NSPها؛ از ترکیبات طبیعی تا مواد اولیه مهندسی‌شده
پلی ساکاریدهای غیرنشاسته‌ای را می‌توان یکی از نمونه‌های مهم ارتباط میان شیمی مواد غذایی و مهندسی فرآیند دانست.
یک تغییر کوچک در ساختار مولکولی، مانند کاهش وزن مولکولی، تغییر میزان شاخه‌دارشدن یا افزایش حلالیت، می‌تواند رفتار پلیمر را تغییر دهد. این تغییر در مقیاس مولکولی می‌تواند به تغییر ویسکوزیته، جذب آب، رئولوژی، برهم‌کنش با پروتئین و نشاسته و در نهایت ویژگی محصول منجر شود.
به همین دلیل، در کاربرد صنعتی NSPها، اندازه‌گیری تنها مقدار کل فیبر یا NSP کافی نیست. برای پیش‌بینی عملکرد، باید ویژگی‌های ساختاری و فیزیکوشیمیایی آن‌ها نیز مورد توجه قرار گیرد.
جمع‌بندی
پلی ساکاریدهای غیرنشاسته‌ای بخش مهمی از ساختار غلات را تشکیل می‌دهند و در میان آن‌ها، آرابینوکسیلان و بتاگلوکان از نظر عملکرد تکنولوژیک اهمیت ویژه‌ای دارند. این ترکیبات علاوه بر نقش تغذیه‌ای، می‌توانند بر ویژگی‌هایی مانند جذب آب، ویسکوزیته، رئولوژی خمیر، برهم‌کنش‌های پروتئین و نشاسته، ساختار محصول و ویژگی‌های بافتی اثر بگذارند.
با این حال، عملکرد NSPها را نمی‌توان تنها بر اساس مقدار آن‌ها تعیین کرد. وزن مولکولی، طول زنجیره، میزان شاخه‌دارشدن، حلالیت، ترکیب مونومری و سایر ویژگی‌های ساختاری، تعیین‌کننده نحوه رفتار این پلیمرها در سیستم غذایی هستند.
از این منظر، مطالعه NSPها تنها مطالعه گروهی از ترکیبات فیبری نیست؛ بلکه بررسی یک مجموعه از پلیمرهای زیستی با قابلیت تأثیرگذاری بر ساختار و عملکرد سیستم‌های غذایی است. شناخت دقیق رابطه میان ساختار مولکولی و عملکرد می‌تواند در طراحی فرمولاسیون‌های جدید، بهبود فرآیندهای تولید و توسعه مواد اولیه عملکردی از منابع غلات نقش مهمی داشته باشد.
ثبت ديدگاه