วิทยาศาสตร์ของแป้ง

โดย รวิศ  ทัศคร

          มนุษย์เรามีความต้องการอาหารประเภทแป้งและคาร์โบไฮเดรตเพื่อให้พลังงานแก่ร่างกาย ในสมัยก่อนสังคมเกษตรกรรม มันก็คือแป้ง หัวเผือกหัวมันคือแหล่งคาร์โบไฮเดรตสำคัญของเรา แต่หลังจากที่มนุษย์เริ่มรู้จักเพาะปลูกแล้ว ข้าว ข้าวโพด และธัญพืชอื่นๆ ก็เป็นแหล่งแป้งและคาร์โบไฮเดรตสำคัญของเราด้วยเช่นกัน

          สำหรับข้าวนั้นเป็นเวลากว่าหนึ่งหมื่นสองพันปีจวบจนปัจจุบัน ที่มนุษย์ โดยเฉพาะภูมิภาคเอเชียและแอฟริกาที่รับประทานข้าวเป็นอาหารหลักได้เก็บเกี่ยว ปรับปรุงพันธุ์ข้าว กระจายพันธุ์ข้าวไปตามที่ต่างๆ รวมถึงทำให้ข้าวมีความหลากหลายทางพันธุกรรม  ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความก้าวหน้าของมนุษย์ในการจัดการกับยีนของต้นข้าว เพื่อเก็บเกี่ยวผลผลิตให้ได้มากที่สุด

          ข้าวโพดเองก็มีประวัติความเป็นมาของการเพาะปลูกที่ยาวนานกว่า 4500 ปีเช่นกัน สันนิษฐานว่ามีถิ่นกำเนิดในทวีปอเมริกา โดยในพื้นที่แถบอเมริกากลางพบว่ามีข้าวโพดพันธุ์พื้นเมืองที่มีลักษณะต่างๆ ทางพันธุกรรมที่แตกต่างกันมาก และบางพันธุ์ยังมีลักษณะคล้ายข้าวโพดป่าอีกด้วย ภายหลังในศตวรรษที่ 16–17 เป็นต้นมา มีการกระจายพันธุ์ไปเพาะปลูกอย่างแพร่หลายในยุโรปและเอเชีย สำหรับในประเทศไทยปลูกข้าวโพดกันมานานโดยไม่มีหลักฐานปรากฏชัดว่าเข้ามาในประเทศเมื่อใด เพียงมีหลักฐานในจดหมายเหตุของซีมง เดอ ลา ลูแบร์ (Simon de la Loubère) ราชทูตชาวฝรั่งเศสที่เข้ามาในเมืองไทยในสมัยสมเด็จพระนารายณ์มหาราชในช่วงปี พ.ศ. 2230–2231 เท่านั้น ว่าคนไทยมีการปลูกในสวนเพื่อรับประทานกันทั่วไป

          ไม่ว่าข้าว ข้าวโพด มันสำปะหลัง มันฝรั่ง หรือธัญชาติ (เมล็ดของธัญพืช) ชนิดอื่นๆ ที่คนรับประทาน สิ่งหนึ่งที่มีเหมือนกันคือแป้ง ซึ่งมีอยู่ทั้งในส่วนใบพืชและเนื้อเยื่อส่วนที่พืชใช้ในการสะสมอาหาร ซึ่งจุดที่เกิดการสังเคราะห์และสะสมแป้งในธัญพืชคือเอนโดสเปิร์ม

          แป้งที่เราเห็นเป็นผงแป้งชนิดต่างๆ ที่วางขายกันในท้องตลาดทั่วไปและคนไทยเราเรียกรวมๆ ว่าแป้งนั้น อันที่จริงแล้วมีคำเรียกที่แตกต่างกันในภาษาอังกฤษ ซึ่งบ่งบอกถึงความบริสุทธิ์ของแป้ง โดยแป้งบริสุทธิ์ที่ถูกสกัดเอาสิ่งเจือปนอื่นทั้งโปรตีน ไขมัน เกลือแร่ออก เราจะเรียกว่า แป้งสตาร์ช (starch) ส่วนแป้งที่ยังมีโปรตีนสูง รวมถึงไขมันหรือองค์ประกอบอื่นๆ จะเรียกว่า แป้งฟลาวร์ (flour) เช่น แป้งข้าวสาลี แป้งข้าวโพด รวมถึงแป้งข้าวเจ้าที่ยังไม่ได้แยกส่วนประกอบที่เป็นโปรตีนออกไป

          ผงแป้งพวกนี้หากนำมาส่องดูภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เราจะเห็นว่าผงแป้งนั้นประกอบด้วยเม็ดแป้งเล็กจิ๋วอีกที ซึ่งเม็ดแป้งของธัญพืชจะอยู่ภายในอะไมโลพลาสต์ (amyloplast) ปริมาณแป้งในพืชหัวอาจมีอยู่ในปริมาณร้อยละ 65–90 ของของแข็งแห้งทั้งหมด เม็ดแป้ง (starch granule) ในเนื้อเยื่อที่พืชใช้สะสมอาหารนั้นมีความหลากหลาย ทั้งขนาด รูปร่าง และองค์ประกอบ เม็ดแป้งอาจมีรูปร่างทั้งแบบทรงกลม (spherical) ทรงรีรูปไข่ (oval) ทรงเหลี่ยม (polygonal) ทรงกลมแบนคล้ายจานหรือเลนส์ (lenticular) เป็นทรงยาว (elongated) หรือเป็นรูปไต (kidney shaped) ขนาดของเม็ดแป้งจะมีขนาดเล็กตั้งแต่ 2–3 ไมครอน เช่น แป้งข้าวสาลี ไปจนถึง 100 ไมครอน ในกรณีของแป้งสาคูที่มาจากต้นพุทธรักษากินหัว (Canna edulis) ขนาดของเม็ดแป้งจะเปลี่ยนแปลงในระหว่างการพัฒนาของเนื้อเยื่อที่พืชใช้เก็บรักษา ในเม็ดแป้งยังมีโครงสร้างที่มีลักษณะเฉพาะกับพืชแต่ละสายพันธุ์ เช่น growth rings ซึ่งแต่ละชั้นจะห่างกันประมาณ 4–7 ไมครอน และลักษณะการจัดเรียงตัวโครงสร้างคล้ายเส้นสายในแป้งมันฝรั่ง ซึ่งทำให้ระบุพืชที่มาของแป้งนั้นได้หากนำไปส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์

รูปที่ 1 เม็ดแป้งจากพืชต่างๆ เมื่อถ่ายภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ภาพ a) เม็ดแป้งจากมันฝรั่ง ภาพ b) เม็ดแป้งมันสำปะหลัง ภาพ g) เม็ดแป้งข้าว เม็ดแป้งเหล่านี้ หากถ่ายภายใต้แสงโพลาไรซ์จะแสดงลักษณะที่เห็นรูปแบบกากบาทดำ ที่เรียกว่า มอลตีสครอส ภาพล่างสุดแสดงสภาพของเม็ดแป้งมันสำปะหลังที่อยู่ภายในแหล่งกำเนิดของมัน คือภายในเซลล์เนื้อเยื่อพาเรงคิมา (parenchyma) ของมันฝรั่ง  (ที่มา : [2])

          เมื่อเราปรุงอาหารในสภาพที่มีน้ำและความร้อน เม็ดแป้งจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโดยดูดน้ำเข้าไปในตัว เกิดเป็นแป้งเปียก หรือที่เรียกในทางวิชาการว่า กระบวนการเจลาติไนเซชัน (gelatinization) ซึ่งอุณหภูมิที่เม็ดแป้งบวมพองเต็มที่ หรือที่เราเรียกกันว่าน้ำแป้งสุกเต็มที่นั้นคือ อุณหภูมิ pasting temperature โดยแป้งที่มาจากพืชแต่ละชนิดจะมีอุณหภูมิสุกที่แตกต่างกัน

       
รูปที่ 2 กราฟแสดงการเกิดเจลาติไนเซชันของแป้ง
(ที่มา http://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/1009/gelatinization-temperature-อุณหภูมิการเกิดเจลาติไนซ์ )

          อย่างที่ทราบกันทั่วไปว่าแป้งนั้นเป็นสารอินทรีย์ที่มีลักษณะเป็นผงสีขาวนุ่ม ไม่มีรส ไม่ละลายในน้ำเย็น แอลกอฮอล์ หรือตัวทำละลายอื่นๆ สูตรเคมีพื้นฐานของโมเลกุลแป้งคือ (C6H10O5)n แป้งเป็นสารโพลีแซกคาไรด์ที่ประกอบด้วยโมโนเมอร์ของกลูโคสที่มาเชื่อมกันด้วยพันธะ 1,4 alpha glycosidic bond ซึ่งรูปแบบที่ง่ายที่สุดของโมเลกุลแป้งคืออะไมโลส (amylose) ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นตรง ส่วนอีกรูปแบบจะเป็นอะไมโลเพกติน (amylopectin) ที่มีรูปร่างแตกเป็นกิ่ง ซึ่งสมบัติของแป้งแต่ละชนิดจะขึ้นกับสัดส่วนของอะไมโลส และอะไมโลเพกตินที่มีอยู่ในแป้งด้วย เนื่องจากโดยคุณสมบัติของมันแล้วเมื่อสุกและเกิดเป็นเจล อะไมโลสจะเป็นเจลที่มีความแข็งแรง เกิดรีโทเกรเดชัน (retrogradation) ได้ง่าย ส่วนอะไมโลเพกตินจะมีเจลที่อ่อน เหนียวและเกิดรีโทเกรเดชันได้ยาก

          การสะสมของแป้งจากการสังเคราะห์ขึ้นมาในพืชจะทำให้เกิดเม็ดแป้งขึ้น โดยเม็ดแป้งจะเริ่มสะสมตัวจากตำแหน่งใจกลางของเม็ดแป้ง ซึ่งเรียกว่า ใจแป้งหรือไฮลัม (hilum) และจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งตามแบบจำลองเดิมของ Lineback ที่เสนอไว้ในปี พ.ศ. 2527 [1] จะมีการจัดเรียงโครงสร้างแบบกึ่งผลึก(semi-crystalline) โดยมีอะไมโลสอยู่ในโครงสร้างส่วนที่เป็นอสัณฐาน (ไม่อยู่ในรูปผลึก) หรือเรียกว่า amorphous region ร่วมกับส่วนสายโซ่ด้านในของอะไมโลเพกติน (หรือส่วนของสายโซ่ยาว) และโครงสร้างส่วนหนึ่งของอะไมโลสจะเป็นโครงสร้างแบบเกลียวคู่ที่จับตัวแบบเชิงซ้อนกับสารจำพวกไขมันที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติในแป้งธัญชาติ ส่วนนี้จะไร้ระเบียบกว่าบริเวณที่จัดเรียงตัวเป็นผลึก และในช่วงที่แป้งเกิดเจลาติไนเซชัน ส่วนนี้จะพองออกมาก่อน

          ส่วนหนึ่งของสายโซ่โมเลกุลด้านนอกของอะไมโลเพกติน (หรือส่วนของสายโซ่สั้น) จะปรากฏการจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างแบบเกลียวคู่ด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลและแรงวันเดอร์วาลส์ ซึ่งมีการเรียงตัวอย่างมีระเบียบในรูปของผลึกในบริเวณของเม็ดแป้งส่วนที่จับตัวเป็นผลึก (crystalline region)

          นักวิทยาศาสตร์ใช้สองวิธีในการตรวจสอบวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของเม็ดแป้ง โดยวิธีแรกใช้เทคนิคการหักเหรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction) ซึ่งแป้งดิบจะแสดงให้เห็นยอดกราฟแหลมๆ (หรือที่ทางวิชาการเรียกว่า “พีก”) บนดิฟแฟรกโทแกรม (กราฟข้อมูลที่ได้จากการใช้วิธีดังกล่าว) ส่วนแป้งสุกโครงสร้างที่เป็นผลึกจะหายไปเนื่องจากการอมน้ำ ยอดกราฟแหลมเหล่านี้ก็จะหายไป

          วิธีที่สองอาจใช้การส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์ภายใต้แสงโพลาไรซ์ เพราะส่วนที่เป็นผลึกของเม็ดแป้งมีความสามารถในการบิดระนาบของแสงโพลาไรซ์ หรือเรียกว่า คุณสมบัติไบริฟรินเจนซ์ (birefringence) ทำให้เห็นภาพลักษณะเหมือนเครื่องหมายกากบาทสีดำที่เรียกว่า ไม้กางเขนมอลตา (Maltese cross) ที่เห็นในรูปที่ 1 ข้างต้น ซึ่งเมื่อแป้งสุกเป็นแป้งเปียกหรือผ่านกระบวนการเกิดเจลาติไนเซชันเกิดเป็นเจลก็จะสูญเสียคุณสมบัตินี้ ทำให้กากบาทในเม็ดแป้งหายไป

          ในปัจจุบันผลการค้นพบต่างๆ ได้ปรับปรุงแบบจำลองของ Linebeck มาเรื่อยๆ โดยล่าสุดได้มีการเพิ่มรายละเอียดเข้าไปในแบบจำลองดังกล่าว ได้แก่ ก) อะไมโลสนั้นจะอยู่ชิดกันกับอะไมโลเพกติน และก็อาจจับตัวเป็นผลึกร่วมกับอะไมโลเพกติน ข) มีอะไมโลสจะมีอยู่ในปริมาณเข้มข้นขึ้นที่บริเวณรอบนอกของเม็ดแป้ง ค) อะไมโลเพกตินในโครงสร้างบริเวณด้านในเม็ดแป้งนั้นมีสายโซกิ่งที่ยาวกว่า [2]

รูปที่ 3 (ภาพบน)ภาพภาคตัดขวางแสดงโครงสร้างอย่างละเอียดของเม็ดแป้งตามข้อมูลที่มีอยู่ในปัจจุบัน (ที่มาของภาพ [2]) (ภาพกลาง) โครงสร้างของเม็ดแป้งจากระดับใหญ่ไประดับย่อยดังนี้ (a) เม็ดแป้งจากถั่วในสภาพตามธรรมชาติ ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบกวาด (SEM) (b) growth rings ที่สังเกตได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM) (c) โครงสร้าง blocklet structures ที่ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) (d–h) ภาพแสดงโครงสร้างในส่วนของ super helix, lamellar, double helical structures โมเลกุลอะไมโลเพกติน (AP) และโมเลกุลอะไมโลส (AM) ตามลำดับ (ภาพล่าง) แบบจำลองของโครงสร้างเม็ดแป้งที่แสดงถึงการกระจายตัวของโมเลกุลอะไมโลสและอะไมโลเพกติน (ที่มาของภาพ [3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/1541-4337.12143)

รีโทรเกรเดชัน (retrogradation) คืออะไร

          รีโทรเกรเดชันหรือการคืนตัวของแป้ง คือ การตกผลึกซ้ำ (recrystallization) ของแป้งหลังจากการเกิดเจลาติไนเซชัน โดยเมื่อเริ่มเกิดเจลาติไนเซชัน ส่วนที่เป็นบริเวณอสัณฐานจะพองตัวทำให้น้ำเข้าไปแทรกซึ่งทำให้เกิดความเค้นในบริเวณที่มีรูปเป็นผลึก นำไปสู่การแตกตัวออกของส่วนที่มีสมบัติเป็นผลึก จนเกิดการพองออกเต็มที่ในที่สุด ราวกับลูกโป่งที่น้ำไว้จนเต่งเต็มที่แต่ยังไม่แตก

          หลังจากนั้นหากน้ำแป้งหรืออาหารเหลวที่มีแป้งเป็นองค์ประกอบเย็นตัวลง โมเลกุลที่อยู่ใกล้กันจะพยายามกลับมาจัดเรียงตัวกันใหม่ ทั้งอะไมโลสและอะไมโลเพกติน โดยที่อะไมโลสจะจัดเรียงตัวใหม่ได้ไวกว่าอะไมโลเพกติน ทำให้เกิดโครงสร้างใหม่ด้วยกระบวนการตกผลึกซ้ำ ได้เป็นแป้งที่มีความหนืดสูงขึ้น คงตัวมากขึ้น เนื้อเจลขุ่นทึบแสง สามารถอุ้มน้ำ และไม่มีการดูดน้ำเข้ามาอีก ปรากฏการณ์นี้คือการคืนตัวหรือรีโทรเกรเดชันนั่นเอง ซึ่งจะเกิดได้ดีหากปริมาณเม็ดแป้งที่แตกมีน้อย มักจะเกิดในกรณีของแป้งจากธัญชาติ

          แต่หากสัดส่วนของเม็ดแป้งที่แตกมีมาก ซึ่งมักจะเกิดในกรณีของแป้งจากพืชหัวหรือราก โมเลกุลของแป้งจะกระจายตัวไปทั่วในสารละลายแป้ง ทำให้อะไมโลสกลับมาจัดเรียงตัวกันใหม่ได้ยาก จึงคืนตัวช้ากว่ากรณีแรก

          ในระหว่างการเกิดปรากฏการณ์คืนตัวของแป้งหรือรีโทรเกรเดชันนั้น หากเราลดอุณหภูมิให้ต่ำลงอีก จะยิ่งเร่งให้โครงสร้างจัดเรียงตัวกันแน่นขึ้น ซึ่งทำให้โมเลกุลของน้ำอิสระในโครงร่างของเจลถูกบีบออกมา เรียกสิ่งที่เกิดขึ้นนี้ว่า การแยกตัวของน้ำ (syneresis)

          การเกิดรีโทรเกรเดชันจะเร็วหรือช้า ปัจจัยที่สำคัญคือความเร็วในการแพร่ หรือการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ซึ่งต้องอยู่ในระดับที่พอดี หากโมเลกุลอะไมโลสในแป้งชนิดใดมีขนาดใหญ่จะเคลื่อนที่ได้ช้า รวมถึงในกรณีของอะไมโลเพกตินที่มีสายโซ่โมเลกุลทำให้ขนาดใหญ่เคลื่อนที่ได้ช้าด้วย จึงวิ่งมาจับกันใหม่ได้ยาก แต่หากโมเลกุลเล็กและวิ่งเร็วเกินไปก็จะมีโอกาสจับกันใหม่ได้ยากเช่นกัน

          การเกิดรีโทรเกรเดชันนั้นส่งผลต่อคุณลักษณะทางกายภาพและลักษณะทางประสาทสัมผัสของอาหาร บางกรณีส่งผลลบ เช่น อาจทำให้ความหนืดของน้ำแป้งเปลี่ยนไป เหลวขึ้น บางกรณีมีผลดี คือทำให้เนื้อขนมขบเคี้ยวกรอบขึ้น หรือช่วยปรับความชื้นให้พอดีก่อนย่างสำหรับแป้งขนมเซมเบ้หรือข้าวพองญี่ปุ่น ซึ่งระดับความชื้นที่เหลืออยู่พอดีจะเกิดการระเหยเป็นไออย่างรวดเร็วเมื่อย่าง ทำให้เกิดแรงดันภายในโดแป้ง ก่อตัวพองออกเป็นโครงสร้างของโฟมในเนื้อข้าวพองเซมเบ้ระหว่างการย่าง 

          นอกจากนี้ในปัจจุบัน ในยุคที่กระแสด้านสุขภาพมาแรง การเกิดรีโทรเกรเดชันยังทำให้แป้งจัดเรียงตัวด้วยโครงสร้างที่มีระเบียบมากขึ้น จนมีความทนทานต่อการย่อยของเอนไซม์มากขึ้นเช่นเดียวกับแป้งในสภาพธรรมชาติดั้งเดิมก่อนเกิดเจล ซึ่งเอนไซม์ย่อยได้ช้าเหมือนกัน แป้งที่ย่อยช้า (slowly digested starch, SDS) รวมถึงแป้งที่ทนต่อการย่อยด้วยเอนไซม์ (enzyme resistance starch, RS) นั้นพบว่า การเก็บรักษาแป้งคืนตัว (retrograded starch) เอาไว้ในระดับอุณหภูมิที่มีการแกว่งขึ้นลงระหว่าง 4–30 องศาเซลเซียส ในช่วงระยะเวลาการเก็บรักษา 16 วัน จะสามารถเพิ่มปริมาณ SDS และ RS ขึ้นมาได้ [3]

แป้งต้านทานการย่อย (RS) คืออะไร ทำไมจึงน่าสนใจ

          แป้งต้านทานการย่อยหรือแป้งทนย่อย คือ แป้งที่สามารถต้านทานการถูกย่อยด้วยเอนไซม์ในระบบทางเดินอาหารตอนต้น ซึ่งจะไม่ถูกดูดซึมที่ลำไส้เล็ก เมื่อไม่ถูกดูดซึม จึงทำให้การควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดของผู้ป่วยเบาหวานและผู้มีปัญหาด้านสุขภาพกระทำได้ดีขึ้น นอกจากนี้เมื่อแป้งทนย่อยเดินทางไปถึงลำไส้ใหญ่ ยังเป็นแหล่งอาหารสำหรับจุลินทรีย์กลุ่มที่ดีต่อสุขภาพของคนเราได้อีกด้วย

แป้งต้านทานการย่อย (resistant starch) มีอยู่สี่ชนิดคือ

          ชนิดแรก RS1 (physically trapped starch) ซึ่งเป็นลักษณะของการที่เม็ดแป้งถูกห่อหุ้มไว้ภายในผนังเซลล์ เอนไซม์จึงเข้าไปย่อยไม่ได้ ยกเว้นโครงสร้างนั้นถูกทำลายไปด้วยแรงทางกายภาพ เช่น การบด โม่ หรือเคี้ยว เอนไซม์จึงจะเข้าไปย่อยได้ ตัวอย่างแป้งชนิดนี้ เช่น แป้งจากธัญพืช

          ชนิดที่สอง RS2 (native starch) คือแป้งที่ยังอยู่ในสภาพธรรมชาติของมัน หรือแป้งดิบ ซึ่งมีโครงสร้างผลึกเป็นระเบียบ กรดหรือเอนไซม์จึงย่อยได้ยากหรือช้า

          ชนิดที่สาม RS3 (retrograded starch) ได้แก่ แป้งคืนตัว ที่โครงสร้างของแป้งเกิดการตกผลึกใหม่ ทำให้โครงสร้างมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นเมื่อผ่านกระบวนการรีโทรเกรเดชันดังที่กล่าวไปแล้ว

          ชนิดที่สี่ RS4 (chemically modified starch) คือแป้งดัดแปรทางเคมี แป้งทนย่อยชนิดนี้ผลิตขึ้นโดยอาศัยการปรับสภาพแป้งด้วยปฏิกิริยาเคมี โดยใช้สารเคมีเพื่อแปลงสภาพโครงสร้างของโมเลกุลแป้งให้ทนต่อการถูกย่อยด้วยเอนไซม์ โดยอาจใช้ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันทำให้เกิดแป้งในรูปของสตาร์ชอะซิเตต (starch acetate) เป็นต้น [4]

          แป้งทนย่อยด้วยเอนไซม์นั้นถือเป็นแป้งสตาร์ชที่ให้พลังงานต่ำ จึงมีสมบัติเทียบได้กับกากใยอาหาร(food fiber) ไม่ถูกดูดซึมในลำไส้เล็ก ทำให้ควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดได้ดีขึ้น สามารถใส่ผสมลงในแป้งที่รับประทานตามปกติได้เลย ทำให้ไม่ต้องควบคุมอาหารอย่างเข้มงวด ไม่ต้องเปลี่ยนวิถีของการรับประทานเพื่อควบคุมระดับน้ำตาลและไขมันในเลือดมากนัก โดยเฉพาะไขมันเลว ช่วยลดการอักเสบที่สัมพันธ์กับโรคอ้วน และเมื่อถูกย่อยโดยจุลินทรีย์กลุ่มที่มีประโยชน์กับร่างกายในลำไส้ใหญ่ ก็ยังให้ผลผลิตออกมาเป็นกรดไขมันสายสั้น เช่น อะซิเตต (C2) โพรพิโอเนต (C3) และบิวไทเรต (C4) ซึ่งดีต่อสุขภาพอีกด้วย

          กรดไขมันพวกนี้ยังทำให้ลำไส้ใหญ่มีสภาพเป็นกรด จึงไปยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์ก่อโรค เช่น Salmonella และ E. coli แต่กลับเสริมสร้างการเจริญของจุลินทรีย์ที่ดีต่อสุขภาพ เช่น Lactobacillus หรือ Bifidobacterium [4] เรียกว่ากระแสแป้งทนย่อยในปัจจุบันนี้มาแรง และมันอาจจะกลายมาเป็นอัศวินขี่ม้าขาวที่มาช่วยให้คนเรามีสุขภาพที่ดีขึ้นในอนาคตเลยก็ว่าได้

          มีการใช้งานแป้งมากมายทั้งในอุตสาหกรรมอาหาร ยา กระดาษและสิ่งทอ รวมถึงอุตสาหกรรมเคมี ดังจะเห็นได้ในแผนภูมิด้านล่าง ดังนั้นการศึกษากลไกการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ของแป้ง ทั้งทางเคมีและกายภาพ รวมถึงผลของกระบวนการแปรรูปแป้งต่างๆ จึงสำคัญมาก ซึ่งหากเล่าทั้งหมดคงจะได้มหากาพย์ที่ยาวกว่า The Lord of the Rings เป็นแน่ แต่หากผู้อ่านท่านใดสนใจให้เจาะประเด็นเกี่ยวกับเรื่องใด สามารถติดต่อบอกผู้เขียนผ่านช่องทางต่างๆ มาได้นะครับ

รูปที่ 4 ตัวอย่างการนำแป้งไปใช้ประโยชน์

          ผ่านเนื้อหาในช่วงเข้มข้นมาแล้ว เรามาคุยกันต่อในเรื่องสนุกๆ ของแป้งบ้างดีกว่า เพราะนอกจากการศึกษาทางด้านเคมีของอาหารแล้ว การศึกษากลไกการเปลี่ยนแปลงของแป้งในระหว่างการสุกยังทำให้เราสามารถทำนายสิ่งต่างๆ ที่จะเกิดขึ้นในระหว่างการแปรรูปอาหารอีกด้วย

          คุณผู้อ่านเชื่อหรือไม่ว่า อาหารธรรมดาๆ ที่พบกันทั่วไปอย่างเครปนั้น ก็มีเรื่องราวของมันเหมือนกัน โดยเมื่อไม่กี่ปีมานี้ ในปี พ.ศ. 2562 มีนักฟิสิกส์คู่หนึ่งที่มาจากสถาบัน Ecole Polytechnique และ University of Canterbury ลงมือศึกษาพัฒนาแบบจำลองคณิตศาสตร์ด้วยสมการทางด้านพลศาสตร์ของไหล เพื่อหาวิธีทำให้เนื้อแพนเค้ก เครป และผลิตภัณฑ์ที่ปรุงสุกด้วยกระทะ (hot plate products) สุกทั่วถึงกันมากที่สุด [5]

          เพราะตามปกติของการทอดหรือการทำให้อาหารสุกบนพื้นผิวที่ร้อน (hot plate) นั้น พื้นผิวของอาหารจะมีความไม่สม่ำเสมออยู่เล็กน้อย ทำให้อัตราการถ่ายเทความร้อนในแต่ละจุดไม่เท่ากัน อัตราการสุกจึงไม่เท่ากันด้วย นักวิจัยจึงใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพ (optimization) ด้วยวิธีแบบ adjoint optimization ในการจำลองผลในคอมพิวเตอร์เพื่อหาวิธีที่ดีที่สุดในการทอดเครปให้สุกสม่ำเสมอ โดยหาพารามิเตอร์ที่ดีที่สุดโดยวิธี Monte Carlo  method

          ผลจากการจำลองการไหลของน้ำแป้งเหลว (batter) ที่ใช้ทำแพนเค้ก พวกเขาพบว่า จะต้องค่อยๆ เอียงกระทะ ทำมุมชันให้แป้งไหลไปกองด้านหนึ่งของกระทะ จากนั้นเอียงกลับไปอีกด้าน และทำแบบนี้ต่อในทุกๆ ด้านเพื่อให้มีการเคลือบของเนื้อแป้งบนผิวกระทะอย่างสม่ำเสมอที่สุด จากนั้นจึงค่อยๆ ทำมุมเอียงที่ชันน้อยลงเรื่อยๆ ในทุกๆ รอบที่เอียงกระทะ จนกระทั่งโพรงอากาศที่เกิดขึ้นตอนแป้งเหลวกำลังเดือดถูกปล่อยออกจากเนื้อแป้งจนหมด และแป้งสุกสม่ำเสมอกันทั่วถึงในที่สุด ผู้วิจัยกล่าวว่า ผลการศึกษานี้อาจนำไปใช้ในกระบวนการแปรรูปอาหารแบบอื่นๆ ที่มีลักษณะเป็นของเหลวความหนืดสูงได้  เช่น การผลิตช็อกโกแลต

          แถมในบทความยังมีมุมน่ารักบอกอีกว่า บรรดาลูกสาวของนักฟิสิกส์ที่ทำงานวิจัยนี้ ชอบผลการทดลองของพ่อเธอมากจริงๆ

          การศึกษาสมบัติทางกายภาพของแป้ง นอกจากจะช่วยเรื่องการทำนายพฤติกรรมการสุกของมันแล้ว การศึกษาสมบัติด้านความแข็งแรงของแป้งดิบ ยังอาจช่วยลดการแตกหักเสียหายของผลิตภัณฑ์จำพวกเส้นที่ยังไม่ลวกได้อีกด้วย โดยเรื่องนี้มีที่มาที่น่าสนใจทีเดียวครับ เรื่องมีอยู่ว่า เมื่อครั้งที่ศาสตราจารย์ริชาร์ด ไฟยน์แมน (Richard Feynman) นักฟิสิกส์ที่โด่งดังที่สุดคนหนึ่งของโลก ยังคงมีชีวิตอยู่ เย็นวันหนึ่งแกนึกยังไงไม่ทราบ หักเส้นสปาเกตตีดิบที่ยังไม่ลวกเล่น แล้วเกิดสงสัยขึ้นมาว่าทำไมเวลาที่เราหักเส้นโดยงอมันจากปลายทั้งสองจนถึงจุดหนึ่งที่เส้นมันทนแรงไม่ไหว มันถึงหักเป็นสามสี่ท่อน แทนที่จะหักครึ่งอย่างที่ควรจะเป็น ว่ากันว่าแกนั่งหักเส้นอยู่นานจนใช้เวลาตอนเย็นหมดไปหนึ่งวันเลยทีเดียว

          ปัญหานี้คาใจศาสตราจารย์ไฟยน์แมนอยู่นาน แต่ก็ยังหาคำตอบไม่ได้ จวบจนปี พ.ศ. 2548 ก็มีทีมนักฟิสิกส์จากฝรั่งเศสมาคิดหาวิธีอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเนื้อแป้งของเส้นสปาเกตตีหักเป็นสามสี่ท่อน แทนที่จะหักเป็นสองท่อน พวกเขาค้นพบว่า เมื่อเส้นงอ จะมีการหักในตอนแรกใกล้กับตรงกลางที่มีความโค้งมากที่สุดก่อน และการหักในตอนต้นจะก่อให้เกิดการหักกลับด้วยคลื่นที่เกิดขึ้นในเส้นและการสั่น ที่จะไปหักท่อนต่อไปซ้ำอีก จนทำให้พวกเขาได้รับรางวัลอิกโนเบล (Ig Nobel Prize) ซึ่งเป็นรางวัลสำหรับผลงานที่จัดว่าสติเฟื่องทั้งหลาย ในปี พ.ศ. 2549

          แต่อย่างไรก็ตามการศึกษาครั้งนั้นก็ยังไม่ตอบคำถามได้อยู่ดีว่ามีวิธีไหนบ้างที่สามารถช่วยหักเส้นสปาเกตตีดิบออกเป็นสองท่อนได้

          จนกระทั่งปี พ.ศ. 2561 นี้เอง มีการศึกษาครั้งใหม่จาก MIT ตีพิมพ์ใน Proceedings of the National Academy of Sciences ที่กล่าวว่าพบวิธีหักเส้นสปาเกตตีเป็นสองท่อนได้แล้ว

          .. แต่ต้องบิดเส้นก่อน ..

          ทีมวิจัยทีมหลังนี้พบว่า หากบิดเส้นให้มากกว่าองศาวิกฤติค่าหนึ่ง เมื่อหักเส้น มันจะหักเป็นสองท่อนจนได้ ซึ่งความรู้ที่ได้สามารถนำไปใช้ในงานด้านอุตสาหกรรมอาหาร เนื่องจากอาจช่วยลดการแตกหักเสียหายในระหว่างการผลิตและแปรรูป รวมถึงการขนส่งผลิตภัณฑ์เส้นได้ และยังใช้ในงานด้านอื่นๆ ได้อีก เช่นทำนายการเกิดขึ้นของรอยแตกและการควบคุมรอยแตกในวัสดุที่มีรูปร่างเป็นแท่ง ในโครงสร้างแบบที่ประกอบขึ้นจากวัสดุรูปแท่งหลายเส้น (multifiber structure) หรือท่อนาโนทิวบ์ที่สร้างขึ้น หรือแม้แต่ microtubules ในเซลล์ก็ตาม [6], [7]

รูปที่ 5 ผลการทดลองจริง(บน) และการจำลองผล(ล่าง) ในการบิดเส้นสปาเก็ตตี้ดิบก่อนหัก ผู้อ่านสามารถสแกน QR code ได้ เพื่ออ่านบทความที่มาของภาพ

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

1. Lineback, D.R. (1984) The Starch Granule: Organisation and Properties. Bakers Digest, 58, 16-21.
2. BeMiller, J. and Whistler, R. 2009. 3rd ed. Starch: Chemistry and Technology. Academic Press.
3. Wang, S., Li, C., Copeland, L., Niu, Q., & Wang, S. (2015). Starch Retrogradation: A Comprehensive Review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 14(5), 568–585. doi:10.1111/1541-4337.12143
4. ธนาพร รติธรรมธร. “ผลของการให้ความร้อนและการทำให้เย็นที่มีต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและการย่อยของแป้ง.” วารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 21 ฉบับที่ 2. หน้า 246 – 259.3
5. E. Boujo et al. Pancake making and surface coating: Optimal control of a gravity-driven liquid film, Physical Review Fluids (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.064802
6. Ronald H. Heisser el al., “Controlling fracture cascades through twisting and quenching,” PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1802831115

          https://phys.org/news/2018-08-mathematicians-age-old-spaghetti-mystery.html?fbclid=IwAR3aPfxT6MfYHqAOqus5SQ7znCS0bp3GI14NeCUsF7gdc3RzCcRd7omW9yg