Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu chung Tinh bột là nguồn dinh dưỡng dự trữ của thực vật và là nguồn cung cấp dinh dưỡng chính cho con người, do cây xanh quang hợp tổng hợp nên, chúng chứa nhiều trong các loại lương thực như hạt, củ, quả,. Hình dáng và kích thước, mức độ tinh thể hóa của hạt tinh bột, cũng như thành phần hóa học và tính chất của tinh bột phụ thuộc nhiều vào giống cây, điều kiện trồng trọt, quá trình sinh trưởng của cây,…(Whistler, 2009). Tinh bột sử dụng để tạo nên kết cấu, sự hấp dẫn của nhiều thực phẩm (Wrolstad, 2012).
Tinh bột dùng làm chất làm dày và kết dính, sử dụng rộng rãi trong sản xuất bánh tráng miệng, các món súp, nước sốt, trộn salad, chế phẩm thực phẩm dành cho trẻ sơ sinh, bánh điền, mayonnaise,…Một lớp amylose có thể được sử dụng như màng bảo vệ vỏ trái cây, tránh kẹo trái cây khô bị dính vào nhau. Đồng thời amylose còn bảo vệ khoai tây chiên tránh bị nhạy cảm với quá trình oxy hóa. Việc sử dụng amylopectin cũng rất đa dạng. Nó sử dụng với lượng lớn như là một chất làm đặc, chất ổn định và chất kết dính (Belitz, H.
Dù được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm và còn được dùng trong các ngành công nghiệp khác, tuy nhiên, các tính chất của tinh bột tự nhiên không đáp ứng đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật trong sản xuất công nghiệp. Vì vậy, tinh bột thường được biến tính để có được những tính chất khác nhau đáp ứng nhu cầu ngày một tăng của người tiêu dùng. Các phương pháp biến tính bằng hóa học hiện nay được sử dụng rộng rãi, cung cấp đa dạng các loại tinh bột biến tính. Mặc dù vậy chúng lại có một số nhược điểm là chi phí biến tính, chi phí xử lý môi trường sau biến tính khá cao và quan trọng hơn là sự e ngại của người tiêu dùng về tồn dư chất hóa học trong thực phẩm.
Hiện nay các phương pháp biến tính hiện đại hơn, nhanh và an toàn được nghiên cứu, song song với phương pháp biến tính hóa sinh (như dùng enzyme) thì các phương pháp biến tính bằng vật lý lại được ưu chuộng. Các phương pháp vật lý thường dùng là dùng lực cơ học, ép đùn, hồ hóa trước,… và các phương pháp đang nghiên cứu gần đây như xử lý nhiệt ẩm, xử lý plasma và các phương pháp chiếu xạ ion hóa 1 do an (gamma, EB,…). Trong nghiên cứu của chúng tôi bước đầu đánh giá sự ảnh hưởng của xử lý EB lên sự thay đổi về cấu trúc, các tính chất hóa lý và độ tiêu hóa của tinh bột bắp, làm tiền đề cho việc xác định các thông số xử lý EB để đạt những tính chất mong muốn của tinh bột trong sản xuất công nghiệp sau này. Tinh bột bắp là loại tinh bột được tách ra từ hạt bắp.
Quá trình bắt đầu khi hạt bắp được ngâm trong nước, mầm được tách ra khỏi nội nhũ, sau đó nghiền nhỏ và rửa nhiều lần và cuối cùng đem đi sấy khô để thu được thành phần tinh bột. Bắp là loại cây lương thực được sử dụng rộng rãi và có sản lượng dẫn đầu thế giới về cây lương thực, được trồng nhiều ở Mỹ (chiếm gần một nữa), Trung Quốc, Brasil, México, Argentina, Ấn Độ, Pháp, Indonesia, Nam Phi và Italia (FAO, 2005). Chính vì là cây lương thực chính và có sản lượng lớn nhất nên chúng tôi đã lựa chọn tinh bột bắp là nguyên liệu được đem đi xử lý trong nghiên cứu này. Cấu trúc hóa học của tinh bột Tinh bột là hợp phần từ hai đại phân tử là amylose và amylopectin (Mayer, 1895; Mayer, 1896; Maquenne và Roux, 1903), mà cả hai đều là polymer của glucose.
Amylose chủ yếu là polymer mạch thẳng, có những đơn vị glucose được gắn với nhau thông qua liên kết α-1,4- glycosidic. Trong các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng glucose có khoảng 0.1% điểm nhánh α-1,6 glycosidic. Ngược lại, mặc dù amylopectin cũng chủ yếu là liên kết α-1,4-glycosidic, nhưng nó có một tỉ lệ cao hơn liên kết α-1,6-glycosidic (4%). Amylopectin có phân tử lớn hơn rất nhiều so với amylose, bởi vì khối lượng phân tử ở khoảng 107 tới 108, trong khi amylose có khối lượng phân tử từ 5x105 đến 106.
Hai loại phân tử có thể được phân biệt bởi kích thước phân tử và đặc tính trong đó có thể hình dung bằng cách sự liên kết khác nhau của chúng với dung dịch iodine (Banks và Greenwood, 1975). Đơn vị cơ bản α- D Hình 1.1 Cấu tạo của amylose và amylopectin (Moorthy, 2004) 3 do an Chuỗi dài amylose hoạt động như một cuộn đây linh hoạt trong nước và có ái lực cao với iodine. Chuỗi có chiều dài của 200 đơn vị glucose thể hiện tối đa liên kết của nó với tinh bột (20%) ở 20oC. Phức hợp có λmax (bước sóng có độ hấp thu cao nhất) là 620nm, kết quả là màu xanh tối.
Có một mối quan hệ tuyến tính giữa chiều dài chuỗi glucan và ái lực liên kết của nó với iodine. Bởi vì chiều dài chuỗi giảm khả năng liên kết với iodine của polysaccharide giảm cũng như λmax. Ở 20oC, amylopectin có khả năng liên kết với iodine 0.2% (w/w) và phức hợp polysaccharide/iodine có λmax =550nm. Để phản ứng được với iodine, phân tử amylose phải có dạng vòng xoắn ốc (Taylor, Kossmann, & Lloyd, 2010).
Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iodine vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh (Hance, 1938). a) Cấu trúc của phức tinh bột với iodine. Chuỗi amylose tạo một đường xoắn ốc quanh đơn vị I6 (b) Góc nhìn từ trên xuống thấy iodine bên trong vòng helix Hình 1.2 Cấu trúc của phức tinh bột với iodine 1. Đặc điểm chung của hạt tinh bột 1.
Hình thái hạt tinh bột Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng vi hạt. Tùy thuộc vào nguồn gốc của các hạt tinh bột mà chúng sẽ khác nhau về kích thước, hình dạng và vị trí tâm hạt. Các hạt tinh bột củ thường có kích thước to và có dạng hình bầu dục. Các hạt tinh bột ngũ cốc như bắp, yến mạch và gạo có hình dạng đa giác hoặc hình tròn.
Kích thước của các hạt tinh bột khác nhau với đường kính nằm trong khoảng 2-100 µm. Tinh bột khoai tây có hạt lớn nhất trong số tất cả các tinh bột. 4 do an Kích thước của hầu hết các hạt tinh bột ngũ cốc là nhỏ hơn so với các loại củ và tinh bột đậu (Cui, 2005). (a) bắp bình thường; (b) bắp sáp; (c) khoai tây; (d) lúa mì; (e) miến; (f) bắp đường Hình 1.3 Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột (Whistler, 2009) 1.
Cấu trúc tinh thể Tinh bột trong tự nhiên có cấu trúc bán tinh thể, mức độ kết tinh của hạt tinh bột dao động từ 15-45% (Zobel, 1988). Vùng tinh thể chỉ có amylopectin trong khi đó amylose chỉ có ở vùng vô định hình (French, 1984; Oostergetel và van Bruggen, 1989; Imberty, 1991; Shi và Seib, 1995). 5 do an Lớp tinh thể của hạt tinh bột được tạo thành từ mạch xoắn kép amylopectin, sắp xếp theo phương tiếp tuyến với bề mặt hạt, đầu không khử hướng vào bề mặt của hạt. Các lớp tinh thể và vô định hình được sắp xếp với chiều dày theo chu kỳ 9-10nm.
Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch thẳng liên kết với nhau thành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chùm trong khi phần mạch nhánh nằm trong các lớp vô định hình. Amylose có thể được hòa tan ra khỏi hạt mà không làm ảnh hưởng đến tính chất tinh thể và thậm chí tinh bột không có amylose giống như tinh bột nếp, là một dạng bán tinh thể. Mức độ tinh thể phụ thuộc vào hàm lượng nước. Mức độ tinh thể là 24% đối với tinh bột khoai tây đã sấy khô bằng không khí (19.8% ẩm), 29-35% đối với sản phẩm ướt (45-55% ẩm) và chỉ có 17% đối với tinh bột được sấy khô bằng P2O5 và sau đó ngậm nước lại (Belitz, H.4 Cấu trúc tinh thể loại A và loại B(Cui, 2005) Các nghiên cứu bằng tán xạ tia X cho thấy tinh bột có cấu trúc tinh thể dạng A, B, C (hỗn hợp giữa A và B) và cấu trúc tinh thể dạng V (trong các hạt đã trương nở)(Belitz, H.
Tham gia vào thành phần cấu tạo trong cấu trúc tinh thể dạng B là các sợi amylose xoắn kép song song ngược chiều, được sắp xếp cạnh nhau theo hình lục giác, vùng tâm của hình lục giác chứa đầy nước (với 36 phân tử H 2O/ 1 đơn vị). Cấu trúc tinh thể dạng A tương tự như cấu trúc dạng B, nhưng tâm của hình lục giác 6 do an thay bằng H2O là một chuỗi xoắn kép khác, khiến toàn bộ “bó sợi” có cấu trúc chặt chẽ hơn và trong trường hợp này chỉ có 8 phân tử nước nằm xen kẽ giữa các chuỗi xoắn kép (Sarko & Wu, 1978). Tinh bột loại C là một hỗn hợp của tinh thể loại A và loại B, nhưng nó cũng thường có nhiều trong các loại tinh bột lấy từ đậu. Tinh thể loại V là kết quả tạo thành giữa phức amylose với các chất không phân cực hoặc phân cực yếu như acid béo, chất nhũ hóa, butanol và iodine.5 Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B và C 7 do an 1.
Phổ FTIR của tinh bột Bảng 1.1 Phổ FTIR của tinh bột (Kizil, Irudayaraj, & Seetharaman, 2002). Phân giải hồng ngoại Số sóng (cm-1) Vòng pyranose hình xương 537 C-C duỗi thẳng 764 C(1)-H; CH2 biến dạng 860 Dao động hình xương của liên kết α-1,4 glycosidic, (C-O-C) 930 Liên kết α-1,6 glycosidic 1080* C(1)-H uốn cong 1067 C-O-H uốn cong 1094 C-O, C-C duỗi thẳng 1163 CH2OH (mạch bên) chế độ liên quan 1242 C-O-H uốn cong, CH2 xoắn 1344 CH2 uốn cong, C-O-O duỗi thẳng 1415 Nước hấp thụ trong vùng vô định hình của tinh bột 1642 CH2 biến dạng 2800-3000 O-H duỗi thẳng 3000-3600 * Theo Irudayaraj (2006) Trong phân tích phổ, vùng phổ có ý nghĩa thực tiễn quan trọng là giữa 4000 và 400 cm - 1 gồm bốn vùng nhỏ: <800 cm-1, 1500-800 cm-1, 3000-2800 cm-1 và vùng 3600-3000cm-1 (Kizil, 2002). Vùng <800 cm-1 chứa những giao động phức tạp đặc trưng cho vòng pyranose hình xương. Vùng 1500-800 cm-1: dạng hấp thu vùng này thường phức tạp, với các dải có liên quan đến tương tác của các dao động.
Trong vùng này sự rung động chiếm ưu thế là dao động của khung pyranose trong phân tử glucose của tinh bột. Đây cũng là lý do mà thông tin thu được từ phổ glucose được xem như tần số dao động của phân tử tinh bột (Cael, Koenig, & Blackwell, 1975), Kizil (2002) trong quá trình nghiên cứu trên phân tử tinh bột đã nhận thấy sự hấp thu tại đỉnh 1242 cm-1 là do các CH2OH.