Fysicochemische inzichten die doen smullen: zetmeel als bron voor caloriereductie in gefrituurde aardappelvlokkensnacks

Gepubliceerd op 09 december 2020

Voor gefrituurde snacks is caloriereductie altijd een uitdaging. Bij zogenaamde stapelchips, die bereid worden op basis van een aardappelvlokkendeeg, is dat niet anders. Fundamenteel onderzoek naar de moleculaire dynamiek van zetmeel en water tijdens het frituurproces leverde echter een nieuwe basis voor en verschillende opties om de caloriedensiteit te verminderen. Een doorbraak die een artikel in Nature Food waard was.

Stapelchips

Waar conventionele chips gemaakt worden door dunne schijfjes rauwe aardappel te frituren, worden zogenaamde stapelchips bereid op basis van een niet-samenhangend, kruimelig aardappelvlokkendeeg dat vervolgens wordt uitgerold en versneden tot de gewenste vorm. Caloriereductie in dergelijke snacks is een uitdaging. Een snelle waterverdamping tijdens het frituurproces zorgt voor expansie van het deeg wat op zijn beurt de typische krokante textuur bewerkstelligt. Deze expansie zorgt evenwel ook voor het absorberen van een aanzienlijke hoeveelheid olie.

De rol van zetmeel

Hoewel zetmeel het voornaamste bestanddeel van gedroogde aardappelvlokken vormt (80% van de droge stof) en daarmee ook het belangrijkste functionele element in het aardappelvlokkendeeg is, ontbrak tot hiertoe een goed inzicht in de door de hitte geïnduceerde fysico-chemische veranderingen in het zetmeel tijdens frituren en hoe deze in relatie staan met water-olie uitwisseling en de microstructuur van het eindproduct. Al langer is geweten dat zetmeel zich in de cellen van aardappelknollen ophoudt onder de vorm van typische ovaalvormige zetmeelgranules die twee soorten glucosepolymeren bevatten: amylose (18-21%) en amylopectine (79-81%). Onder invloed van het bereidingsproces van aardappelvlokken (koken, pureren en walsdrogen van geschilde aardappelen) zwellen de granules en logen er amylose- en amylopectine-moleculen uit. Deze vormen een zetmeelnetwerk tijdens de deegvorming.

Sterkte gelvorming bepalend voor textuurvorming én water-olie uitwisseling

Onderzoekers van het KU Leuven laboratorium voor Levensmiddelenchemie en -biochemie ontwikkelden een procedure waarmee de moleculaire fijnstructuur van de zetmeelnetwerken kon worden geanalyseerd. Uit een analyse van 47 verschillende aardappelvlokkenstalen bleek dat de geleringscapaciteit positief gerelateerd was aan het gehalte aan relatief korte extraheerbare amyloseketens. Aansluitend hierbij toonde de analyse van de 47 aardappelvlokkendegen aan dat aardappelvlokken met een hoger gehalte aan deze relatief korte extraheerbare amyloseketens aanleiding gaven tot meer amylosekristallisatie en een sterker deeg. Vermoedelijk zijn deze relatief korte ketens in staat om sneller te associëren met elkaar (te kristalliseren) om zo een sterker zetmeelnetwerk (met hogere waterbindingscapaciteit) te vormen.

Opvolging van het frituurproces met temperatuur-gecontroleerde time domain (TD) proton nucleaire magnetische resonantie (1H NMR) maakte duidelijk dat aardappelvlokkendegen met hoge gehaltes aan relatief korte amylose-ketens (en dus een sterk zetmeelnetwerk) de verdamping van water vertraagden en de overgang van zetmeel naar de glastoestand uitstelden.

De eindproducten werden geanalyseerd via textuurmetingen (hardheid en krokantheid) en verder bestudeerd met X-stralen micro-computed tomografie (μCT, Figuur 1). Dit toonde dat de chips die resulteerden uit aardappelvlokkendegen met de sterkste zetmeelnetwerken een dikkere vaste matrix hadden, wat erop wijst dat sterkere deegstructuren beter weerstaan aan de expansie tijdens frituren. Last but not least hadden deze chips naast een hardere textuur en minder broosheid ook kleinere poriëngroottes. Daardoor nemen deze na het frituren (tijdens de afkoelingsfase) minder olie op.

figuur 1: Dwarsdoorsnede van stapelchips aan de hand van μCT. De vier exemplaren stammen van aardappelvlokkendegen waarvan het extraheerbaar amylose verschilde in ketenlengteverdeling en dus deegsterkte. Alle chips hebben centraal een grote luchtporie (blauw), die omsloten wordt door een vaste, dense buitenwand (oranje), die verschilt in dikte (en dus stevigheid). De olie (geel) is louter aan de buitenkant gelokaliseerd. [Bron: afgeleid van Figuur 4 in Reyniers et al., 2020a, https://rdcu.be/caBro]

Opties om caloriedensiteit te verminderen

Dit onderzoekswerk is het resultaat van een ‘triple helix’ innovatieproject waarbij Vlaamse academische onderzoekers en een in Vlaanderen gevestigde producent van stapelchips samenwerkten met steun van de overheid (VLAIO). Vanuit deze fundamentele inzichten worden verschillende opties om tot caloriearmere stapelchips te komen bestudeerd. Het onderzoek wijst alvast op het belang van de keuze van de grondstof. De samenstelling en eigenschappen van en het gehalte aan amylose zijn immers voor een belangrijk deel aardappelras-afhankelijk. Toch kan men zich niet enkel hierop beroepen omdat ook de klimatologische groeiomstandigheden een invloed hebben en er zich tijdens aardappelbewaring fysiologische veranderingen in de aardappelknol voordoen. Bijkomende variatie is daarenboven mogelijk door procesinvloeden bij de productie van droge aardappelvlokken.

Als producent van stapelchips zou het dus een goede zaak zijn om voor elke batch de hoeveelheid extraheerbaar amylose en zijn functionaliteit te bepalen en de procescondities daarop af te stemmen. Als blijkt dat het verstijfselde zetmeel in de aardappelvlokken niet de ideale eigenschappen heeft om caloriearmere stapelchips te produceren, dan zijn procesaanpassingen mogelijk. Aansluitend onderzoek van Reyniers et al. (2018, 2019 en 2020b) geeft hiervoor alvast enkele mogelijke pistes aan:

De hoeveelheid extraheerbaar zetmeel in aardappelvlokken verhogen door ze fijner te vermalen
De hoeveelheid extraheerbaar zetmeel in aardappelvlokken verhogen door behandeling met een celwand hydrolyserend enzym
Enzymatisch inkorten van relatief te lange amylose-moleculen door toevoeging van exo-α-amylase tijdens de bereiding van het aardappelvlokkendeeg
Het ionisch crosslinken van amorfe amylopectineketens in het verstijfselde zetmeel door toevoeging van divalente kationen (bijvoorbeeld Ca2+) aan de deegreceptuur (doordat deze ionenbruggen vormen tussen de typische fosfaatmonoestersubstituenten op aardappel amylopectineketens)

Bronnen

Reyniers, S., De Brier, N., Matthijs, S., Brijs, K., Delcour, J.A. (2018). Impact of physical and enzymatic cell wall opening on the release of pre-gelatinized starch and viscosity forming potential of potato flakes. Carbohydrate Polymers, 194, 401-410. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.04.057

Reyniers, S., De Brier, N., Matthijs, S., Brijs, K., Delcour, J.A. (2019). Impact of mineral ions on the release of starch and gel forming capacity of potato flakes in relation to water dynamics and oil uptake during the production of snacks made thereof. Food Research International, 122, 419-431. doi: 10.1016/j.foodres.2019.03.065

Reyniers, S., De Brier, N., Ooms, N., Matthijs, S., Piovesan, A., Verboven, P., Brijs, K., Gilbert, R.G., Delcour, J.A. (2020a). Amylose molecular fine structure dictates water-oil dynamics during deep-frying and the caloric density of potato crisps. Nature Food, 1, 736-745. https://rdcu.be/caBro

Reyniers, S., Vluymans, N., De Brier, N., Ooms, N., Matthijs, S., Brijs, K., Delcour, J.A. (2020b). Amylolysis as a tool to control amylose chain length and to tailor gel formation during potato-based crisp making. Food Hydrocolloids, 103, 105658. doi: 10.1016/j.foodhyd.2020.105658

Reyniers, S., Delcour, J. (sup.), Brijs, K. (cosup.) (2020c). Potato (Solanum tuberosum L.) starch functionality during crisp making, Doctoraatswerk https://www.kuleuven.be/doctoraatsverdediging/fiches/3E15/3E150781.htm

Tweet 12/11/2020: ‘Reyniers and co-authors are proud to announce the publication of their research in collaboration with @Pringles and @vcbtmebios in @NatureFoodJnl. https://twitter.com/lfcb_kuleuven’