ทำลายตำนาน HLB แบบดั้งเดิม: ความแตกต่างในการดูดซับระหว่างใบหน้าระหว่าง SSL, CSL และ DATEM จากมุมมองของอุปสรรคระดับโมเลกุลและลักษณะประจุ

ในด้านวิทยาศาสตร์การอบและการประยุกต์ใช้อิมัลซิไฟเออร์อาหาร ค่า HLB ถือเป็น "ไม้บรรทัดทอง" สำหรับการคัดกรองอิมัลซิไฟเออร์มายาวนาน อย่างไรก็ตาม เมื่อมุ่งเน้นไปที่พฤติกรรมการแทรกซึมของอิมัลซิไฟเออร์ประจุลบในระบบแป้ง กำลังการอธิบายของค่า HLB ดูเหมือนจะไม่เพียงพออย่างชัดเจน โซเดียม สเตียโรอิล แลคติเลต (SSL, HLB 8.3), แคลเซียม สเตียโรอิล แลคติเลต (CSL, HLB 5.1) และเอสเทอร์ของกรดไดอะซิติลทาร์ทาริกของโมโน- และไดกลีเซอไรด์ (DATEM, HLB 8.0–9.2) แสดงความแตกต่างที่เด่นชัดในค่า HLB แต่ความสามารถในการเสริมกลูเตน-ของชนิดหลังนั้นเกินกว่าค่าของสองตัวแรกอย่างมาก เบื้องหลังปรากฏการณ์ "ความล้มเหลวของ HLB" นี้ยังมีกลไกระดับโมเลกุลที่เป็นพื้นฐานมากกว่าอยู่ บทความนี้จะวิเคราะห์ความแตกต่างในการดูดซับระหว่างพื้นผิวของอิมัลซิไฟเออร์ทั้งสามชนิดนี้ที่ส่วนต่อประสานโปรตีนกลูเตนอย่างเป็นระบบจากสองมิติที่มักถูกมองข้าม นั่นคือ สิ่งกีดขวางระดับโมเลกุลและคุณลักษณะประจุ การศึกษาพบว่า SSL และ CSL ยึดเกาะกับกรดอะมิโนพื้นฐานของโปรตีนกลูเตนผ่านการดูดซับด้วยไฟฟ้าสถิตผ่านกลุ่มส่วนหัวที่มีประจุลบ ทำให้เกิดโครงสร้างโมเลกุลของ "การยึดส่วนหางแบบยืดหยุ่น + การดูดซับด้วยไฟฟ้าสถิต" ในทางตรงกันข้าม กลุ่มกรดไดอะซีติลทาร์ทาริกของ DATEM ไม่เพียงแต่ให้ความสามารถในการเชื่อมขวาง-ไฮโดรเจนเดนเทต-หลายพันธะเท่านั้น แต่ยังสร้าง "เอฟเฟกต์การผลักขวางที่เป็นรูปลิ่ม-" ที่ส่วนต่อประสานเนื่องจากมีการขัดขวางสเตอริกอย่างมาก ทำให้โปรตีนกลูเตนคลี่ออกและเผยให้เห็นตำแหน่งการเชื่อมขวางที่ไม่ชอบน้ำมากขึ้น ด้วยวิธีนี้ DATEM จึงสามารถบรรลุความสามารถในการปรับโครงสร้างกลูเตน{17}}ที่เหนือกว่าความสามารถในการปรับโครงสร้างกลูเตนที่เหนือกว่าอิมัลซิไฟเออร์ประจุลบ การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่ทำลายความเชื่อดั้งเดิมที่ว่า "ค่า HLB เป็นตัวกำหนดการทำงานของอิมัลซิไฟเออร์" เท่านั้น แต่ยังให้มุมมองทางเคมีระหว่างผิวหน้าแบบใหม่สำหรับการคัดกรองอย่างมีเหตุผลและการออกแบบโมเลกุลของอิมัลซิไฟเออร์สำหรับการอบ

นับตั้งแต่ที่ Griffin เปิดตัวในปี 1949 ค่า Hydrophilic-Lipophilic Balance (HLB) ถือเป็นกฎเชิงประจักษ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดสำหรับการคัดกรองอิมัลซิไฟเออร์ในอุตสาหกรรมอาหาร ตามกรอบทางทฤษฎี อิมัลซิไฟเออร์ที่มีค่า HLB ประมาณ 3–6 เหมาะสำหรับการทำให้น้ำ-ใน-อิมัลชันน้ำมัน (W/O) มีเสถียรภาพ ในขณะที่อิมัลชันที่มีค่า HLB ประมาณ 8–18 นั้นเหมาะสมสำหรับระบบน้ำมัน-ใน-น้ำ (O/W) วิธีการจำแนกประเภทที่เรียบง่ายและใช้งานง่ายนี้เป็นแนวทางในการพัฒนาสูตรอาหารจำนวนนับไม่ถ้วนตลอดเจ็ดสิบปีที่ผ่านมา

อย่างไรก็ตาม เมื่อเราเปลี่ยนความสนใจจากระบบอิมัลชันมาสู่-ระบบผลิตภัณฑ์ที่ใช้แป้ง- โดยเฉพาะอย่างยิ่งลักษณะการทำงานของอิมัลซิไฟเออร์ในแป้งสาลี- ข้อจำกัดของทฤษฎี HLB ก็เริ่มปรากฏให้เห็น แป้งสาลีไม่ใช่อิมัลชัน O/W หรือ W/O ธรรมดา แต่เป็นระบบกึ่งแข็งกึ่งยืดหยุ่นหนืด-ที่มีความซับซ้อน ซึ่งประกอบด้วย-โครงข่ายโปรตีนกลูเตนสามมิติ เม็ดแป้ง ลิพิด และน้ำ ในระบบนี้ หน้าที่หลักของอิมัลซิไฟเออร์ไม่ใช่การรักษาเสถียรภาพของส่วนต่อประสานกับน้ำ-ของน้ำมัน แต่เพื่อรักษาปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลจำเพาะกับโปรตีนกลูเตน จึงเป็นการปรับคุณสมบัติทางรีโอโลจีของแป้ง

SSL, CSL และ DATEM เป็นสามหมวดหมู่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดของอิมัลซิไฟเออร์เสริมแป้ง-ในอุตสาหกรรมการอบ SSL และ CSL ทั้งคู่อยู่ในตระกูลไอออนิก สเตียโรอิล แลกทิเลต โดยมีกลุ่มส่วนหัวที่ชอบน้ำซึ่งประกอบด้วยสายโซ่แลคเตตที่สิ้นสุดในกลุ่มคาร์บอกซิเลทและส่วนหางที่ไม่ชอบน้ำของสายกรดสเตียริก C18 ในทางกลับกัน DATEM จัดอยู่ในหมวดหมู่โมโนกลีเซอไรด์ของกรดอินทรีย์ที่ไม่ใช่-ไอออนิก ซึ่งมีกลุ่มกรดไดอะซิติลทาร์ทาริกขนาดใหญ่ที่เกาะติดกันผ่านพันธะเอสเทอร์กับแกนหลักมอนอกลีเซอไรด์ ฟังก์ชันการทำงานหลักของอิมัลซิไฟเออร์ทั้งสามตัวมีศูนย์กลางอยู่ที่การเสริมความแข็งแรงของกลูเตน แต่ประสิทธิภาพเป็นไปตามการไล่ระดับที่เด่นชัดของ DATEM > SSL > CSL

นี่คือจุดที่ทฤษฎี HLB พยายามดิ้นรนเพื่อรักษาความสอดคล้องภายใน ค่า HLB ของ SSL คือ 8.3 ค่าของ CSL คือ 5.1 และค่าของ DATEM อยู่ที่ประมาณ 8.0–9.2 ตามตรรกะของ HLB SSL และ DATEM ซึ่งมีค่า HLB ใกล้เคียงกัน ควรแสดงพฤติกรรมของแป้งที่เทียบเคียงได้ อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง DATEM เหนือกว่า SSL อย่างมากในด้านการเพิ่มกลูเตนและการเพิ่มปริมาณขนมปัง สิ่งที่น่าสับสนยิ่งกว่านั้นคือการสังเกตว่า SSL และ CSL-สเตียโรอิลแลคติเลตทั้งสองต่างกันเพียงการตอบโต้เท่านั้น (โซเดียมกับแคลเซียม)-แสดงค่า HLB ที่ลดลงอย่างรวดเร็วจาก 8.3 เป็น 5.1 โดยมีความแข็งแรงในการทำงานลดลงตามไปด้วย

ปรากฏการณ์ "ผิดปกติ" เหล่านี้ชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าประสิทธิภาพของอิมัลซิไฟเออร์ในระบบแป้งนั้น อย่างน้อยไม่ได้ควบคุมโดยสมดุลของไลโปฟิลิกที่ชอบน้ำ- ซึ่งอธิบายโดยสเกล HLB แบบคลาสสิก แต่ควบคุมโดยพฤติกรรมการแทรกซึมของโมเลกุลที่ลึกกว่า-โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขัดขวางโมเลกุลสเตอริกและคุณลักษณะประจุ จนถึงปัจจุบัน การวิเคราะห์เชิงเปรียบเทียบอย่างเป็นระบบของการกำหนดค่าการดูดซับ ปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิต และผลการผลักกันแบบสเตอริกของอิมัลซิไฟเออร์ทั้งสามชนิดนี้ที่ส่วนต่อประสานของโปรตีนกลูเตนยังคงขาดอยู่

บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างกรอบการทำความเข้าใจในระดับโมเลกุลขึ้นใหม่ โดยใช้ SSL, CSL และ DATEM เป็นแบบจำลองอิมัลซิไฟเออร์ เพื่อเปิดเผยตรรกะทางเคมีกายภาพที่แท้จริงเบื้องหลัง "ความล้มเหลวของ HLB" จาก-อุปสรรคสเตียรอยด์ระดับโมเลกุล ลักษณะประจุ และการกำหนดค่าการดูดซับระหว่างผิว- ในรูปแบบสามมิติ ดังนั้นจึงให้คำแนะนำทางทฤษฎีที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับการคัดกรองอิมัลซิไฟเออร์และการเพิ่มประสิทธิภาพการกำหนดสูตรในอุตสาหกรรมการอบ

1 โครงสร้างโมเลกุลของ SSL

โซเดียม สเตียโรอิล แลคติเลต (SSL) เป็นอิมัลซิไฟเออร์ประจุลบที่ผลิตโดยเอสเทอริฟิเคชันของกรดสเตียริกและกรดแลคติก ตามด้วยการทำให้เป็นกลางด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ ค่า HLB ของมันอยู่ที่ประมาณ 8.3 โครงสร้างโมเลกุลแสดงโครงสร้างแอมฟิฟิลิกแบบ "ส่วนหัว- หาง" แบบคลาสสิก ส่วนหางที่ไม่ชอบน้ำคือสายโซ่กรดสเตียริกอิ่มตัว C18 ที่ให้ความสัมพันธ์กับบริเวณที่ไม่ชอบน้ำของโปรตีน และกลุ่มส่วนหัวที่ชอบน้ำเป็นหน่วยแลคเตตซ้ำ (ที่มีระดับการเกิดโพลิเมอไรเซชันประมาณ 2) ไปสิ้นสุดในโซเดียมคาร์บอกซีเลต (–COO⁻Na⁺) ซึ่งให้คุณลักษณะประจุลบ น้ำหนักโมเลกุลของ SSL อยู่ที่ประมาณ 400–500 Da และโมเลกุลใช้การกำหนดค่าเชิงเส้นโดยรวม SSL สามารถกระจายตัวในน้ำร้อนและละลายในไขมันและน้ำมันร้อน โดยทำหน้าที่เป็น-อิมัลซิไฟเออร์ สารทำให้คงตัว และครีมนวดแป้งอเนกประสงค์

2 โครงสร้างโมเลกุลของ CSL

โครงกระดูกโมเลกุลของแคลเซียม สเตียโรอิล แลกทิเลต (CSL) แทบจะเหมือนกับโครงกระดูกของ SSL-ส่วนหางที่ไม่ชอบน้ำคือกรดสเตียริก และกลุ่มส่วนหัวที่ชอบน้ำคือสายโซ่แลกเตตที่สิ้นสุดในเกลือคาร์บอกซีเลท ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวอยู่ที่การตอบโต้: ฐานการทำให้เป็นกลางสำหรับ SSL คือ NaOH (โซเดียมไอออน) ในขณะที่ CSL คือ Ca(OH)₂ (แคลเซียมไอออน) "การแทนที่ไอออน" นี้ก่อให้เกิดผลลัพธ์ที่สำคัญสองประการ: ประการแรก Ca²⁺ เป็นไอออนไดวาเลนต์ที่สามารถเชื่อมขวางโมเลกุลของสายแลคเตตสองตัว ส่งผลให้น้ำหนักโมเลกุลของ CSL เพิ่มขึ้นอย่างมากเป็นสองเท่าของน้ำหนักของ SSL; ประการที่สอง ค่า HLB ของ CSL ลดลงอย่างรวดเร็วเป็น 5.1 ซึ่งเป็นเพียงประมาณ 60% ของค่า SSL ซึ่งหมายความว่าเพียงการเปลี่ยนเคาน์เตอร์ก็สามารถ "ลาก" อิมัลซิไฟเออร์จากบริเวณ O/W ไปยังบริเวณ W/O ได้ CSL มีความเสถียรในอากาศ และจัดอยู่ในประเภทอิมัลซิไฟเออร์ที่ชอบไขมัน ผลิตภัณฑ์ที่มีกลุ่มแลกทิลหนึ่งถึงสามกลุ่มจะมีประสิทธิภาพในขนมอบ โดยผลิตภัณฑ์ที่มีกลุ่มแลกทิลโดยเฉลี่ยสองกลุ่มจะเหมาะสมที่สุด

3 โครงสร้างโมเลกุลของ DATEM

Diacetyl tartaric acid esters ของโมโน- และ diglycerides (DATEM) เป็นอิมัลซิไฟเออร์ประจุลบที่ผลิตโดยเอสเทอริฟิเคชันของโมโน- และ diglycerides (E471) ด้วย diacetyl tartaric anhydride ที่มีค่า HLB ประมาณ 8.0–9.2 โครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยสามส่วน: แกนหลักกลีเซอรอลที่ติดอยู่กับโซ่หางที่ไม่ชอบน้ำของกรดไขมันหนึ่งหรือสองเส้น (โดยทั่วไปคือกรดสเตียริก C16–C18 หรือกรดปาลมิติก) และกลุ่มส่วนหัวของกรดไดอะซิติลทาร์ทาริกที่ชอบน้ำขนาดใหญ่ กลุ่มส่วนหัวที่ชอบน้ำนี้เป็นคุณลักษณะทางโครงสร้างหลักที่ทำให้ DATEM แตกต่างจากอิมัลซิไฟเออร์อื่นๆ-ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มอะซิติลสองกลุ่ม (–OCOCH₃) กลุ่มเอสเทอร์สองกลุ่ม (–COO–) กลุ่มคาร์บอกซิลอิสระหนึ่งกลุ่มหรือมากกว่า (–COOH) และกลุ่มคาร์บอนิลหลายกลุ่ม (C=O) ยกตัวอย่าง 1-searyl-3-diacetyl tartaric acid glycerol สูตรโมเลกุลของมันคือ C₂₉H₅₀O₁₁ โดยมีน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์เท่ากับ 574.71 DATEM มีความเสถียรภายในช่วง pH 3–9 และสามารถทนต่ออุณหภูมิในการอบเกิน 200 องศา DATEM สามารถรวมเข้ากับกลุ่มกลูเตนไฮเดรตได้อย่างรวดเร็วและสมบูรณ์ ทำให้โครงข่ายกลูเตนแข็งแกร่งขึ้น ขยายได้มากขึ้น และยืดหยุ่นมากขึ้น จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกักเก็บก๊าซ

4 การเปรียบเทียบค่า HLB

จากตาราง เห็นได้ชัดว่าค่า HLB ของ SSL และ DATEM ทับซ้อนกันเกือบทั้งหมด ในขณะที่ค่าของ CSL นั้นต่ำกว่ามาก หากค่า HLB เป็นตัวกำหนดความสามารถในการเพิ่มกลูเตน- SSL และ DATEM ควรแสดงประสิทธิภาพที่เทียบเคียงได้ และทั้งสองอย่างควรมีประสิทธิภาพเหนือกว่า CSL อย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม การฝึกอบอย่างกว้างขวางแสดงให้เห็นว่า DATEM เป็นอิมัลซิไฟเออร์ที่แข็งแกร่งที่สุดในสามอิมัลซิไฟเออร์ในการเสริมกลูเตนและการเพิ่มปริมาณขนมปัง ซึ่งเกินกว่า SSL มาก โดยที่ค่า HLB ใกล้เคียงกัน เห็นได้ชัดว่าปัจจัยเชิงโครงสร้างโมเลกุลที่อยู่นอกเหนือ HLB-โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งกีดขวางและคุณลักษณะประจุ-มีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมการดูดซับบนผิวชั้นนอก

1 ลักษณะทางเคมีกายภาพของอุปสรรค Steric

ผลกระทบจากสิ่งกีดขวางแบบ steric มีบทบาทด้านกฎระเบียบที่เป็นอิสระในพฤติกรรมการดูดซับของพื้นผิวที่อยู่เหนือทฤษฎี HLB แบบคลาสสิก ที่ส่วนต่อประสานที่ไม่ชอบน้ำของโปรตีนกลูเตน สิ่งกีดขวางแบบสเตอริกจะกำหนดว่าโมเลกุลอิมัลซิไฟเออร์สามารถ "แทรกซึม" เข้าไปในบริเวณเฉพาะของโปรตีนได้สำเร็จหรือ "ถูกผลัก" ออกสู่ภายนอกหรือไม่ เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปว่าอิมัลซิไฟเออร์ทำให้อิมัลชันมีความเสถียรโดยการสร้างสิ่งกีดขวางบนพื้นผิว และกลไกต่างๆ ได้แก่ การขับไล่ด้วยไฟฟ้าสถิต การสร้างชั้นน้ำ "ที่ถูกผูกไว้" และการกีดขวางแบบสเตอริก

2 การกำหนดค่าเชิงเส้นของ SSL และ CSL

ทั้ง SSL และ CSL มีการกำหนดค่าโมเลกุลเชิงเส้น ส่วนหลักของโมเลกุล SSL ประกอบด้วยกรดสเตียริกสายตรง- (ที่มีความยาวขยายประมาณ 2.4 นาโนเมตร) เชื่อมต่อกับสายแลคเตตสายสั้น (ประมาณ 0.5–0.8 นาโนเมตร) โดยมีขนาดกลุ่มส่วนหัวคาร์บอกซิเลทประมาณ 0.3 นาโนเมตร โครงสร้างเชิงเส้นที่เพรียวบางนี้ทำให้โมเลกุล SSL ใช้พื้นที่ด้านข้างน้อยที่สุดที่ส่วนต่อประสาน ทำให้โมเลกุลรวมตัวกันอย่างใกล้ชิดบนพื้นผิวโปรตีน

โครงกระดูกโมเลกุลพื้นฐานของ CSL นั้นเหมือนกันกับของ SSL แต่ Ca²⁺ เชื่อมขวางโมเลกุลของสายโซ่แลกเตตสองโมเลกุลเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดโครงสร้าง "ส่วนท้าย- ส่วนท้าย"-เป็นโครงสร้างกรดสเตียริกสองสายที่ใช้แคลเซียมร่วมกัน-กลุ่มส่วนหัวที่เชื่อมต่อกัน แม้ว่าจะยังสามารถจัดประเภทเป็นเชิงเส้นได้ แต่พื้นที่หน้าตัดโมเลกุล-ของ CSL มีค่าประมาณสองเท่าของ SSL

3 กลุ่มศีรษะขนาดใหญ่แบบ "ลิ่ม-" ของ DATEM

กลุ่มส่วนหัวของกรดไดอะซิติลทาร์ทาริกของ DATEM มีฤทธิ์ขัดขวางสเตอริกที่เด่นชัด มอยอิตีของกรดไดอะซิติลทาร์ทาริกประกอบด้วยหมู่อะซิติล, เอสเทอร์และคาร์บอกซิลหลายหมู่ ซึ่งครอบครองปริมาตรในพื้นที่ว่างรวมกันมากเกินกว่ากลุ่มส่วนหัวของคาร์บอกซิเลทของ SSL หรือ CSL การศึกษาพบว่าหมู่ไดอะซิติลในโมเลกุล DATEM ป้องกันการรวมตัวของหยดอิมัลชันผ่านการขัดขวางแบบสเตอริก

ที่พื้นผิวของโปรตีนกลูเตน กลุ่มส่วนหัวขนาดใหญ่ของ DATEM ไม่ได้ปรับให้เข้ากับส่วนต่อประสานแบบพาสซีฟ แต่จะมีอิทธิพลต่อโครงสร้างส่วนต่อประสานอย่างแข็งขัน สิ่งกีดขวางแบบ steric จะสร้างเอฟเฟกต์การผลัก "รูปลิ่ม-" ที่อินเทอร์เฟซ เมื่อสายหางที่ไม่ชอบน้ำของ DATEM แทรกซึมเข้าไปในบริเวณที่ไม่ชอบน้ำของโปรตีน กลุ่มส่วนหัวของกรดไดอะซิติลทาร์ทาริกขนาดใหญ่จะถูกแยกออกจากพื้นผิวโปรตีนในทันที แต่เนื่องจากมีปริมาตรมาก จึงไม่สามารถปรับให้เข้ากับพื้นผิวโปรตีนในลักษณะของ SSL ได้แน่นหนา "การผลักกันที่มีรูปทรงลิ่ม-" นี้ออกแรงผลักด้านข้างบนสายโซ่โปรตีนที่อยู่ติดกัน บังคับให้สายโซ่โปรตีนเฉพาะที่คลี่ออกและเผยให้เห็นตำแหน่งการเชื่อมขวางที่ไม่ชอบน้ำที่ซ่อนอยู่มากขึ้น กลไกนี้กำหนดโครงสร้างว่าโหมดการปรับปรุงเครือข่ายกลูเตนของ DATEM โดยพื้นฐานแล้วแตกต่างไปจากโหมดของอิมัลซิไฟเออร์อีกสองตัว

1 การกระจายประจุและจุดไอโซอิเล็กทริกของโปรตีนกลูเตน

โปรตีนกลูเตนประกอบด้วยกลูเตนินและไกลอาดินเป็นส่วนใหญ่ กลูเตนินเป็นสายโซ่โพลีเปปไทด์-โมเลกุล-สูงที่อุดมไปด้วยกลูตามีน (ประมาณ 35%) และโพรลีน โดยมีกรดอะมิโนพื้นฐาน (ไลซีน อาร์จินีน ฮิสติดีน) ในปริมาณต่ำ แต่มีการกระจายตัวอย่างวิกฤต กเลียดินเป็นโปรตีน-สายโซ่เดี่ยว-โมเลกุลต่ำ- และยังอุดมไปด้วยกลูตามีนและโพรลีนอีกด้วย โดยรวมแล้ว กลูเตนโปรตีนมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าและมีแนวโน้มเป็นกรดเล็กน้อย และจุดไอโซอิเล็กทริกจะอยู่ที่ประมาณ pH 5–6

ในระบบแป้ง (pH ประมาณ 5.5–6.2) โปรตีนกลูเตนจะอาศัยอยู่ใกล้กับจุดไอโซอิเล็กทริก โดยมีประจุสุทธิใกล้กับศูนย์ อย่างไรก็ตาม กรดอะมิโนพื้นฐานที่ตกค้างในท้องถิ่น-โดยเฉพาะอย่างยิ่งกลุ่ม ε-กลุ่มอะมิโนของไลซีน-ยังคงมีประจุบวกที่ pH นี้ และทำหน้าที่เป็น "จุดร้อน" สำหรับการยึดเหนี่ยวด้วยไฟฟ้าสถิตของอิมัลซิไฟเออร์ประจุลบ

2 กลไกการยึดประจุลบของ SSL และ CSL

เนื่องจากเป็นอิมัลซิไฟเออร์ประจุลบ ปฏิกิริยาระหว่าง SSL และ CSL กับโปรตีนกลูเตนจึงถูกขับเคลื่อนโดยการดูดซับไฟฟ้าสถิตเป็นหลัก หมู่ที่ชอบน้ำของพวกมันจับกับไกลอาดินในกลูเตนข้าวสาลี ในขณะที่หมู่ที่ไม่ชอบน้ำของพวกมันเชื่อมโยงกับกลูเตนิน ทำให้เกิดกลูเตน-โปรตีนเชิงซ้อนที่ทำให้โครงข่ายของกลูเตนมีความประณีตและยืดหยุ่นมากขึ้น โครงสร้างประจุลบของ CSL/SSL ช่วยให้พวกมันสะสมบนพื้นผิวของส่วนประกอบต่างๆ ได้อย่างง่ายดายและผ่านการดูดซับ โดยจัดตำแหน่งตัวเองในทิศทางที่พื้นผิวและส่วนต่อประสาน และด้วยเหตุนี้จึงช่วยลดแรงตึงของพื้นผิวและพื้นผิว

แรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างหมู่คาร์บอกซีเลท (–COO⁻) ของ SSL และหมู่ ε-อะมิโน (–NH₃⁺) ของไลซีนเรซิดิวมีค่าประมาณ 10–20 กิโลจูล/โมล (ในสารละลายที่มีความแข็งแรงของไอออนิกปานกลาง) เพียงพอที่จะบรรลุจุดยึด-จุดเดียวที่มั่นคง การเชื่อมแคลเซียมไอออนใน CSL ช่วยให้แต่ละโมเลกุลของ CSL สามารถบรรทุกหมู่คาร์บอกซีเลทได้ 2 หมู่ ตามทฤษฎีแล้วทำให้เกิด "การยึดเหนี่ยวด้วยไฟฟ้าสถิตแบบไบเดนเตต" ได้ แต่สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อเสีย 2 ประการพร้อมกัน ประการแรก Ca²⁺ อาจทำปฏิกิริยาแข่งขันกับสารคีเลตภายนอก เช่น กรดไฟติกในแป้ง ส่งผลให้ความเข้มข้นของการยึดเกาะที่มีประสิทธิผลลดลง ประการที่สอง ไอออนไดเวเลนต์จะสร้างการคัดกรองประจุเฉพาะจุดบนพื้นผิวโปรตีน ซึ่งจะทำให้แรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตสุทธิลดลง

3 ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง SSL และ CSL

ในระบบแป้ง SSL และ CSL แสดงพฤติกรรมการทำงานที่แตกต่างกัน SSL ในรูปแบบเกลือโซเดียมมีความสามารถในการละลายน้ำได้ดีกว่า และแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการนำไปใช้ได้กว้างกว่าในระบบอาหารต่างๆ CSL เนื่องจากมีปริมาณแคลเซียมไอออน จึงยับยั้งการทำงานของยีสต์ได้น้อยที่สุด มีรสชาติอ่อนและบริสุทธิ์ และเหมาะสำหรับขนมปังที่ไม่มีน้ำตาลหรือน้ำตาลต่ำ- ในขณะที่ SSL เมื่อไม่มีน้ำตาลเป็นตัวพารสชาติ มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดรสชาติมันเยิ้มหรือขมอย่างเห็นได้ชัด

ความแตกต่างนี้สามารถนำมาประกอบกับความจริงที่ว่าปริมาตรโมเลกุลของ CSL มีค่าประมาณสองเท่าของ SSL ส่งผลให้อัตราการแพร่กระจายช้าลงที่ส่วนต่อประสานโปรตีน และมีข้อเสียในการดูดซับที่แข่งขันได้บนพื้นผิวเม็ดแป้ง SSL ซึ่งมีน้ำหนักโมเลกุลน้อยกว่าและมีความสามารถในการละลายน้ำได้ดีกว่า สามารถทำการยึดพื้นผิวที่เพียงพอภายในระยะเวลาอันสั้นของการผสมแป้ง และด้วยเหตุนี้จึงเหนือกว่า CSL ในด้านประสิทธิภาพในการเสริมกลูเตนโดยรวม-

1 การดูดซับจุดยึดไฟฟ้าสถิตของ SSL และ CSL

การดูดซับ SSL และ CSL ที่ส่วนต่อประสานโปรตีนกลูเตนเป็นไปตามแบบจำลองการทำงานร่วมกันแบบยึดเหนี่ยวด้วยไฟฟ้าสถิตแบบคลาสสิกและไม่ชอบน้ำ ขั้นแรกโมเลกุลจะสัมผัสกับบริเวณที่ไม่ชอบน้ำของโปรตีนผ่านปฏิกิริยาที่ไม่ชอบน้ำของสายหางของกรดสเตียริก หลังจากนั้นสายโซ่แลคเตตคาร์บอกซีเลทจะก่อตัวเป็นสมอไฟฟ้าสถิตกับเรซิดิวไลซีน หลังจากการดูดซับ โมเลกุลของอิมัลซิไฟเออร์จะจัดเรียงตัวเองในลักษณะ "ตั้งตรง" เกือบจะตั้งฉากกับพื้นผิวโปรตีน โดยมีสายโซ่กรดสเตียริกเรียงตัวกันแน่นกับพื้นผิวโปรตีน ระหว่างกลูเตนกับแป้ง SSL และ CSL สามารถสร้างฟิล์มเรียบ-เหมือนโครงสร้างชั้นที่ช่วยลดความหนืดของแป้ง เพิ่มความสามารถในการขยายเครือข่ายโปรตีนกลูเตน และทำให้ผลิตภัณฑ์มีความนุ่มนวลและจัดรูปทรงได้ง่ายขึ้น

เนื่องจากมีน้ำหนักโมเลกุลน้อยและมีโครงสร้างเชิงเส้นที่กะทัดรัด SSL จึงสามารถดูดซับความหนาแน่นสูง-บนพื้นผิวโปรตีนได้ CSL เนื่องจากน้ำหนักโมเลกุลเพิ่มขึ้นสองเท่าและการขัดขวางสเตอริกที่เพิ่มขึ้นซึ่งเกิดจากการเชื่อมขวางของแคลเซียม จึงมีความหนาแน่นในการดูดซับต่ำกว่า SSL อย่างเห็นได้ชัด ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการเสริมกลูเตนที่ด้อยกว่า{2}}เมื่อเทียบกับ SSL

2 การดูดซับการประสานกันของฟันแบบไม่ใช่-ไอออนิก-ของ DATEM

พฤติกรรมการสอดประสานของ DATEM นั้นแตกต่างโดยพื้นฐานจากพฤติกรรมของสเตียโรอิล แลคติเลต สารลดแรงตึงผิวแบบประจุลบ (SSL/CSL) จับกับโปรตีนผ่านการดูดซับแบบเชื่อมโยงข้าม ในขณะที่สารลดแรงตึงผิวแบบไม่มี-ไอออนิก (DATEM) จับกับโปรตีนผ่านพันธะไฮโดรเจน

DATEM แสดงให้เห็นความสามารถมหาศาลในการสร้างสะพานไฮโดรเจนกับกลุ่มอะมิดิกของโปรตีนกลูเตน โดยส่วนที่ไม่ชอบน้ำจะสร้างเครือข่ายที่แข็งแกร่งโดยมีสายโซ่ที่ไม่ใช่ขั้ว-ของโปรตีน โมเลกุล DATEM ซึ่งมีกลุ่มไดอะซิติลและกรดทาร์ทาริกจำนวนมาก สามารถทำหน้าที่เป็นลิแกนด์พันธะไฮโดรเจนหลาย-ฟันเทต- โดยสร้างเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนที่มีหลายตำแหน่งบนโปรตีนไปพร้อมๆ กัน การทำงานร่วมกันแบบหลาย-จุดนี้ทำให้โมเลกุล DATEM เดี่ยวมีความแข็งแรงในการจับกับโปรตีนที่เกินกว่าไอออนคู่เดียวอย่างมาก

หน้าที่ที่สำคัญอีกประการหนึ่งของ DATEM คือการส่งเสริมการแฉและการเชื่อมโยงข้ามของสายโซ่โมเลกุลโปรตีน ดูเหมือนว่า DATEM จะมีปฏิกิริยากับส่วนที่ไม่ชอบน้ำของกลูเตน ช่วยให้โปรตีนของกลูเตนขยายตัวและสร้างโครงสร้างที่เชื่อมโยงข้าม- ในระหว่างการผสมแป้ง โมเลกุลของ DATEM จะแทรกซึมเข้าไปในเส้นกลูเตนไฮเดรตอย่างรวดเร็ว และทำหน้าที่เหมือน "ลิ่มโมเลกุล" เพื่อแยกสายโซ่โปรตีนที่อัดแน่นออกจากกัน เผยให้เห็นกลุ่มที่ไม่ชอบน้ำภายในและสารตกค้างของซิสเทอีน กระบวนการ "เปิดเผย-การเชื่อมโยงข้าม" นี้เป็นกระบวนการที่ SSL และ CSL ซึ่งขาดอุปสรรคด้านสเตอริกเพียงพอ ไม่สามารถทริกเกอร์ได้

3 ผลกระทบที่แตกต่างของโครงสร้างเลเยอร์ที่ถูกดูดซับบนเครือข่ายกลูเตน

โครงสร้างโครงข่ายกลูเตนที่เกิดขึ้นหลังจากการดูดซับของอิมัลซิไฟเออร์ทั้งสามชนิดมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ SSL ระดับสูง (1.0%) นำไปสู่เมทริกซ์กลูเตนที่ไม่เป็นระเบียบและเปิดมากขึ้น ในขณะที่ DATEM สร้างเครือข่ายกลูเตนแบบลามิเนตและเป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งมีความสอดคล้องอย่างมากกับรูปแบบการออกฤทธิ์ตามลำดับในระดับโมเลกุล: SSL ผ่านการยึดด้วยไฟฟ้าสถิตของกลุ่มส่วนหัวที่มีประจุลบ ทำให้เกิดการดูดซับ "จุดยึดจุดเดียว" โดยโมเลกุลจะอัดแน่นบนพื้นผิวโปรตีนเพื่อสร้างชั้นการหล่อลื่นที่ราบรื่นซึ่งช่วยลดแรงเสียดทานระหว่างโปรตีนกลูเตน DATEM บังคับโซ่โปรตีนให้เผยออกและส่งเสริมการก่อตัวของการเชื่อมโยงข้ามระหว่างโมเลกุลใหม่ระหว่างสายโซ่โปรตีน โดยผ่านอุปสรรคกีดขวางของกลุ่มส่วนหัวที่ใหญ่โตของมัน ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะสร้างเครือข่ายสามมิติที่หนาแน่นและเป็นระเบียบ-

ในระดับมหภาค DATEM เป็นเครื่องปรับสภาพแป้งที่มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเสริมสร้างเครือข่ายกลูเตนเพื่อกักเก็บก๊าซและปริมาณขนมปังสูงสุด SSL ผสมผสานทั้งการเสริมความแข็งแรงของกลูเตนและฟังก์ชันต่อต้านการติดแป้ง- โดยให้ปริมาณที่ดีในขณะเดียวกันก็รักษาความนุ่มนวลและความสดไว้ได้ในระยะยาว CSL เหมาะสำหรับการใช้งานเฉพาะทาง เช่น แป้งแช่แข็ง ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิต่ำ-การหมักที่ยาวนาน-

1 ขอบเขตการบังคับใช้ของทฤษฎี HLB แบบคลาสสิก

การทับซ้อนกันที่ใกล้-สมบูรณ์ของค่า HLB ของ SSL และ DATEM (8.0–9.2 เทียบกับ. 8.3) ในตัวมันเองเป็นข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนว่าค่า HLB ไม่สามารถอธิบายความแตกต่างที่เด่นชัดในความสามารถในการเสริมสร้างกลูเตน-ได้ ข้อขัดแย้งที่ลึกซึ้งยิ่งกว่านั้นคือค่า HLB ของ CSL (5.1) เป็นเพียงประมาณ 60% ของค่า SSL (8.3) เท่านั้น แต่ความแตกต่างในความสามารถในการเสริมสร้างกลูเตน-นั้นยังน้อยกว่าสิ่งที่คาดการณ์ได้จากอัตราส่วนนี้มาก เห็นได้ชัดว่าทฤษฎี HLB พบกับขอบเขตของพลังในการอธิบายในระบบ-อิมัลซิไฟเออร์ที่เชื่อมต่อระหว่างผิวหน้าของโปรตีน

2 การสร้างแบบจำลองการประเมินการดูดซับระหว่างผิวหน้าสามมิติ-

จากการวิเคราะห์ข้างต้น บทความนี้เสนอแบบจำลองการประเมินการดูดซับระหว่างผิวสามมิติ-ซึ่งครอบคลุมถึงสิ่งกีดขวางทางโมเลกุลสเตอริก ลักษณะประจุ และการกำหนดค่าการดูดซับระหว่างผิว เพื่ออธิบายและทำนายพฤติกรรมของอิมัลซิไฟเออร์ที่ส่วนต่อประสานของกลูเตนโปรตีนในลักษณะที่ครอบคลุมมากขึ้น

มิติที่ 1: การขัดขวางสเตียรอยด์ระดับโมเลกุลสิ่งกีดขวางทางสเตอริกเป็นพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่สำคัญที่กำหนดว่าโมเลกุลสามารถ "แทรก" เข้าไปในบริเวณเฉพาะของโปรตีนได้หรือไม่ อุปสรรคด้านสเตอริกที่ต่ำของ SSL และ CSL ช่วยให้พวกมันบรรจุที่ความหนาแน่นสูงบนพื้นผิวโปรตีน ทำให้เกิดชั้นการหล่อลื่นที่ราบรื่น สิ่งกีดขวางที่สูงของ DATEM ทำให้มันทำหน้าที่เป็น "ลิ่มโมเลกุล" โดยงัดเปิดโครงสร้างโปรตีนและเผยให้เห็นตำแหน่งการเชื่อมขวาง

มิติที่ 2: ลักษณะประจุคุณลักษณะประจุจะกำหนดรูปแบบและความแข็งแรงของการจับกับโมเลกุลกับโปรตีน SSL และ CSL สามารถทำการยึดได้โดยการดึงดูดด้วยไฟฟ้าสถิตระหว่างหมู่คาร์บอกซีเลตประจุลบและเรซิดิวของกรดอะมิโนพื้นฐาน ซึ่งประกอบขึ้นเป็นจุดยึด-จุดเดียวหรือ-จุดคู่ DATEM ผ่านการประสานพันธะไฮโดรเจนหลาย-ฟัน- ทำให้เกิดปฏิกิริยาเสริมฤทธิ์กันหลาย-จุดกับโปรตีน และถึงแม้ว่ามันจะไม่มีประจุสุทธิ แต่จริงๆ แล้วความแข็งแรงในการจับโดยรวมของมันก็เกินกว่าความแข็งแรงของสองอย่างแรก

มิติที่ 3: การกำหนดค่าการดูดซับระหว่างผิวหน้ารูปแบบการดูดซับแบบแทรกซึมจะรวมโครงสร้างทางเรขาคณิตของโมเลกุลและโหมดการจับกับสารเคมี เพื่อกำหนดโครงสร้างจุลภาคของชั้นที่ถูกดูดซับและผลทางรีโอโลยีแบบมหภาคที่เป็นผล SSL สร้างชั้นหล่อลื่นที่มีความหนาแน่นสูง-เป็น "การยึดส่วนท้ายแบบยืดหยุ่น + การดูดซับด้วยไฟฟ้าสถิต" ซึ่งช่วยลดแรงเสียดทานระหว่างโปรตีนกลูเตน CSL สร้างชั้นเคลือบที่หลวมโดยมี "การยึดหางคู่-"; DATEM สร้างชั้นเครือข่ายที่หนาแน่นและได้รับการจัดลำดับผ่านการเชื่อมขวางแบบ "ลิ่ม- ที่เป็นรูปลิ่ม + พันธะไฮโดรเจนหลาย-จุด-

3 ผลกระทบต่ออุตสาหกรรมการอบขนม

สำหรับการเลือกสารปรุงแต่งแป้งในอุตสาหกรรมการอบ ควรก้าวข้ามข้อจำกัดของทฤษฎี HLB แบบคลาสสิก และควรกำหนดกรอบการประเมินใหม่บนพื้นฐานของสิ่งกีดขวางระดับโมเลกุลและคุณลักษณะประจุเมื่อไล่ตามปริมาณขนมปังสูงสุดควรเลือกใช้อิมัลซิไฟเออร์ที่มีอุปสรรคสเตียรอยด์สูงและความสามารถในการประสานพันธะไฮโดรเจนสูง- (เช่น DATEM) โดยใช้ประโยชน์จากความสามารถในการแยกส่วนออกและการเชื่อมโยงข้ามเพื่อเสริมโครงข่ายกลูเตนเมื่อแสวงหาคุณภาพโดยรวมที่สมดุลสามารถใช้ระบบคอมโพสิต DATEM/SSL ได้-โดยมีอุปสรรคสูงของ DATEM ซึ่งรับผิดชอบในการรองรับโครงสร้างของเครือข่ายกลูเตนและการเพิ่มปริมาตรให้สูงสุด และการหล่อลื่นที่มีความหนาแน่นสูง-ของ SSL ที่รับผิดชอบในการเก็บรักษาความอ่อนตัวและ-การยืดอายุของเฟสแป้งเมื่อดำเนินการตามกระบวนการพิเศษ เช่น แป้งแช่แข็ง, อาจพิจารณา CSL โดยใช้ประโยชน์จากความเป็นมิตรต่อยีสต์ของแคลเซียมไอออนและความสามารถในการเสริมกลูเตน{0}}ปานกลาง

การศึกษานี้ได้เปิดเผยอย่างเป็นระบบ จากสองมิติของการกีดขวางระดับโมเลกุลสเตอริกและคุณลักษณะประจุ ความแตกต่างในการดูดซับระหว่างผิวระหว่าง SSL, CSL และ DATEM ที่ส่วนต่อประสานโปรตีนกลูเตน และการอยู่เหนือทฤษฎี HLB แบบคลาสสิก ข้อสรุปหลักมีดังนี้:

อันดับแรก,สิ่งกีดขวางแบบ steric จะกำหนดความลึกของฟังก์ชันการทำงานของอินเทอร์เฟซ. อุปสรรคด้านสเตอริกที่ต่ำของ SSL และ CSL ช่วยให้พวกมันบรรจุที่ความหนาแน่นสูงบนพื้นผิวโปรตีน ทำให้เกิดชั้นการหล่อลื่น ในทางตรงกันข้าม อุปสรรคด้านสเตอริกที่สูงของ DATEM ช่วยให้สามารถเจาะและเผยโครงสร้างโปรตีนกลูเตนได้ ทำให้เกิดการปรับโครงสร้างเครือข่ายในระดับลึก-

ที่สอง,ลักษณะการชาร์จจะกำหนดโหมดการยึดและความแข็งแรงในการยึดเกาะ. SSL และ CSL อาศัยการยึดด้วยไฟฟ้าสถิตเพื่อให้เกิดการดูดซับบนพื้นผิว DATEM บรรลุปฏิสัมพันธ์ที่เสริมฤทธิ์กันหลาย-จุดกับโปรตีนผ่านการประสานพันธะไฮโดรเจนหลาย-ฟัน{3}}

ที่สาม,การกำหนดค่าการดูดซับแบบพื้นผิวเป็นพื้นฐานระดับโมเลกุลที่กำหนดคุณภาพระดับมหภาคของแป้ง. ชั้นการหล่อลื่นที่มีความหนาแน่นสูง-ที่เกิดขึ้นโดย SSL มอบความยืดหยุ่นและความยืดหยุ่นให้กับกลูเตน ในขณะที่ชั้นการเชื่อมขวางที่มีรูปทรงลิ่ม-ซึ่งกางออกซึ่งเกิดจาก DATEM จะให้เครือข่ายที่มี-ความแข็งแรงสูง การทำความเข้าใจความแตกต่างของการกำหนดค่านี้ทำให้สามารถออกแบบ-ระดับโมเลกุลของระบบอิมัลซิไฟเออร์คอมโพสิตที่มีฟังก์ชันการทำงานเป้าหมายได้

เมื่อมองไปข้างหน้า คำแนะนำต่อไปนี้สมควรได้รับความสนใจเพิ่มเติม: ประการแรก การใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมและรีเฟล็กโตเมทรีนิวตรอนเพื่อระบุลักษณะเฉพาะภายใต้สภาวะในแหล่งกำเนิดและ-เวลาจริง การกำหนดค่าการดูดซับและวิวัฒนาการของโครงสร้างชั้นของอิมัลซิไฟเออร์ทั้งสามตัวที่ส่วนต่อประสานของโปรตีนกลูเตน ดังนั้นจึงให้การตรวจสอบการทดลองโดยตรงสำหรับแบบจำลองการประเมินสามมิติ- ประการที่สอง ผสมผสานการจำลองไดนามิกของโมเลกุลในการศึกษาส่วนต่อประสานของอิมัลซิไฟเออร์–กลูเตนโปรตีนเพื่อหาปริมาณจากมุมมองของกลศาสตร์โมเลกุล น้ำหนักส่วนที่เกี่ยวข้องของพลังงานขัดขวางสเตอริกและพลังงานการจับกับไฟฟ้าสถิต ประการที่สาม สร้างจากแบบจำลองการประเมินสามมิติ- โดยพัฒนาอิมัลซิไฟเออร์การอบสีเขียวรุ่นใหม่ที่มีการขัดขวางสเตอริกที่ปรับค่าได้ (เช่น เอนไซม์-ฟอสโฟลิพิดดัดแปลงและสารลดแรงตึงผิวที่มีโพลีแซ็กคาไรด์-) จึงบรรลุการก้าวกระโดดทางเทคโนโลยีจาก "การคัดกรองเชิงประจักษ์" ไปสู่ ​​"การออกแบบที่มีเหตุผล"