CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tinh bột và tinh bột biến tính 1. Tinh bột và cấu trúc hóa học của tinh bột của tinh bột Tinh bột là chất dự trữ của thực vật, nó có nhiều trong tự nhiên và là sản phẩm của quá trình quang hợp cây xanh. Đây là nguồn cung cấp carbohydrate quan trọng trong chế độ dinh dưỡng của con người cũng như của nhiều loại động vật.
Hạt tinh bột gồm hai loại alphaglucan: amylose và amylopectin, chúng chiếm khoảng 98-99% trọng lượng khô. Tỉ lệ giữa hai loại polysaccharides này thay đổi tùy thuộc vào các loại tinh bột khác nhau. Các loại tinh bột nghèo amylose chứa ít hơn 15% amylose, tinh bột bình thường chứa 20-35% và tinh bột giàu amylose chứa nhiều hơn 40% amylose. Giữa amylose và amylopectin có sự khác nhau về hình dạng và cấu trúc (Tester, Karkalas và Qi, 2004).1: Cấu tạo của amylose và amylopectin (Moorthy, 2004) 1 Luan van Amylose là polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các phân tử đường D-glucose liên kết với nhau bởi liên kết α- 1,4 glucoside và có một lượng nhỏ liên kết α-1,6 glucoside tạo nhánh chứa trong amylose.
Tuy nhiên do lượng nhánh này xuất hiện rất ít và các nhánh này dài nên có thể xem amylose là một polyme mạch thẳng. Mỗi phân tử amylose có một đầu khử và một đầu không khử. Amylose có khối lượng phân tử nhỏ hơn amylopectin, nằm trong khoảng 104 đến 105, mức độ polymer hóa (DP) của amylose nằm trong khoảng từ 250-1000 gốc glucose (Wrolstad, 2012). Amylopectin có cấu tạo mạch nhánh và mạch thẳng kết hợp nhau do các phân tử đường α – D-glucose liên kết nhau bằng liên kết α- 1,4 glucoside tạo các đoạn mạch thẳng, còn liên kết α- 1,6 glucoside (chiếm khoảng 5 % số phân tử α – D-glucose) sẽ giúp tạo mạch nhánh.
Mỗi phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử duy nhất và rất nhiều đầu không khử. Amylopectin có khối lượng phân tử lớn hơn amylose, và nằm trong khoảng 106 - 108 với mức độ DP nằm trong khoảng 5000 đến 50000 đơn vị glucose. Tinh bột biến tính Biến tính tinh bột là làm thay đổi cấu trúc và tác động đến các liên kết hydro một cách có kiểm soát nhằm nâng cao và mở rộng các ứng dụng của nó. Những thay đổi này diễn ra ở cấp độ phân tử, có rất ít và hầu như không có sự thay đổi nào xuất hiện bề mặt hạt tinh bột (Moorthy, 2004).
Việc biến tính tinh bột giúp khắc phục được những điểm bất lợi của nó như không tan trong nước, độ nhớt thấp hay sự thoái hóa tinh bột. Các phương pháp biến tính được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm: Biến tính bằng phương pháp hóa học : Biến tính bằng phương pháp hóa học được thực hiện trên ba trạng thái của tinh bột là huyền phù, bột nhão và rắn. Các biến đổi hóa học phổ biến nhất gồm: quá trình oxy hóa, ester hóa, ether hóa, và liên kết ngang. Kết quả là giúp tăng cường sự ổn định của các phân tử tinh bột trước các tác động của cơ học, acid, nhiệt độ (Cui, 2005).
Biến tính bằng phương pháp vật lý: Phương pháp vật lý chủ yếu được ứng dụng để biến đổi cấu trúc hạt của tinh bột và chuyển đổi tinh bột dạng tự nhiên không tan thành dạng tinh bột có thể hòa tan trong nước lạnh hay tinh bột có vùng tinh thể nhỏ. Các phương pháp vật lý thường dùng là xử lý nhiệt ẩm, hồ hóa, và ủ. 2 Luan van Biến tính bằng phương pháp enzyme: Phương pháp này sử dụng enzyme để thủy phân tinh bột. Tùy thuộc vào mức độ thủy phân enzyme mà tạo nên các chuỗi dài ngắn khác nhau cho ra các sản phẩm tương ứng khác nhau như glucose, maltose, oligosacharide, polysacharide (Moorthy, 2004).
Có rất nhiều enzyme được sử dụng trong quá trình thủy phân tinh bột nhưng phổ biến nhất là α-amylase, β-amylasevà glucoamylase. Định nghĩa Maltodextrin được xem là một loại tinh bột biến tính có công thức phân tử (C6H10O5)n.H2O, được tạo ra bằng quá trình thủy phân tinh bột không hoàn toàn. Maltodextrin được cấu tạo bao gồm các liên kết α – 1,4 – D – glucose oligomer/polymer với đương lượng dextrose (chỉ số DE) dưới 20 (Klinkesorn, Sophanodora, Chinachoti và McClements, 2004). Maltodextrin có phân bố khối lượng phân tử lớn và thường tồn tại dưới dạng bột màu trắng hoặc ở dạng dung dịch cô đặc.
Trái ngược với tinh bột thông thường, đây là loại có thể tan tốt trong nước. Với các tính chất đặc trưng như có độ ngọt thấp, không mùi, không vị, độ nhớt vừa phải, maltodextrin được sử dụng như một loại phụ gia thực phẩm và đặc biệt là sử dụng như một chất trợ sấy trong quá trình sấy phun các loại hương và gia vị, làm chất mang cho các các chất ngọt tổng hợp, ổn định cấu trúc hay được dùng để thay thế chất béo, tạo màng, …. Quá trình sản xuất maltodextrin Maltodextrin được sản xuất bằng cách tiến hành thủy phân tinh bột xuống thành các glucose polymer với chiều dài chuỗi trung bình là từ 5 đến 10 đơn vị glucose. Trên lý thuyết, ta có thể tiến hành quá trình thủy phân bằng enzyme (α – amylase, 1,4-α-D-glucan glucano- hydrolase, EC 3.1) hoặc acid (thông thường là acid hydrochloric) trong quá trình sản xuất.
Với phương pháp thủy phân dưới tác dụng của acid, tinh bột sẽ được thủy phân với acid HCl ở nồng độ 0,02 – 0,03 M tại 135 – 150oC trong thời gian từ 5 – 8 phút, quá trình điều chỉnh DE được thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ phản ứng trong một khoảng thời 3 Luan van gian cố định. Sau đó, dung dịch thủy phân sẽ được tiến hành lọc màu và cô đặc. Tuy nhiên trên thực tế, việc sử dụng acid để thủy phân tạo ra quá nhiều glucose tự do và do đó maltodextrin sau quá trình sản xuất có khuynh hướng bị thoái hóa mạnh và kết quả là tạo ra dung dịch đục. Các mảnh tinh bột thẳng trong sản phẩm thủy phân có chỉ số DE thấp sẽ tái kết hợp với nhau tạo thành một khối không tan dẫn đến dung dịch bị đục, điều này sẽ ảnh hưởng đến quá trình ứng dụng maltodextrin.
Vì thế, quá trình sản xuất maltodextrin thương mại sẽ được thực hiện bằng phương pháp thủy phân tinh bột bằng enzyme (Morehouse, 1972). Huyền phù tinh bột ban đầu được hóa lỏng bằng cách đun nóng ở nhiệt độ 70 – 90oC tại pH trung tính và phản ứng với α – amylase có nguồn gốc từ vi khuẩn để có chỉ số DE từ 2 - 15. Tinh bột sau thủy phân ở dạng lỏng được hấp trong autoclave ở 110 – 150oC để hồ hóa hoàn toàn phần tinh bột còn lại sau đó được làm nguội và tiếp tục xử lý enzyme để đạt được DE mong muốn. Maltodextrin cũng có thể sản xuất bằng cách sử dụng kết hợp cả acid và enzyme là chất xúc tác cho quá trình thủy phân.
Ban đầu, chất xúc tác acid sẽ thủy phân huyền phù tinh bột đến chỉ số DE từ 5 – 15 sau đó trung hòa và tiếp tục tiến hành thủy phân dưới tác dụng của α – amylase có nguồn gốc từ chủng vi khuẩn Bacillus subtilis hoặc Bacillus mesentericus, việc này giúp cho quá trình đục không xảy ra và sự thoái hóa là không xảy ra trong quá trình lưu trữ (Armbruster và Harjes, 1969, 1971). Với phương pháp như trên sẽ giúp giải quyết được việc dung dịch bị đục khi tiến hành thủy phân tinh bột bằng acid và sản phẩm tạo ra sẽ có tính hút ẩm thấp cũng như khả năng tan trong nước tốt. Sau khi kết thúc quá trình thủy phân, pH của dung dịch maltodextrin thô sẽ được điều chỉnh đến 4,5 và lọc để loại bỏ một lượng nhỏ các chất xơ, lipid và protein còn sót lại. Tiếp đó, dung dịch sẽ được cô đặc chân không đến khi đạt 75% chất khô hoặc thường thì cao hơn và được sấy phun thành dạng bột trắng có độ ẩm từ 3 – 5%.
Phản ứng dextrin hóa được tiến hành đến chỉ số DE sản phẩm mong muốn, sau 1 giờ, DE sẽ đạt 10 – 12, 2 giờ sẽ đạt từ 15 – 16. Sản phẩm maltodextrin có chỉ số DE thấp sẽ có khuynh hướng thoái hóa trong dung dịch trong khi ở giá trị DE cao hơn sẽ tạo ra dung dịch có độ nhớt thấp hơn độ ngọt cao hơn. Có hai loại maltodextrin thương mại thường được sử dụng là maltodextrin có chỉ số DE trong khoảng 10 – 14 và 15 – 19. Thành phần của sản phẩm maltodextrin không chỉ phụ 4 Luan van thuộc vào chỉ số DE mà còn ảnh hưởng bởi phương pháp thủy phân sử dụng acid hay enzyme hoặc kết hợp cả hai, đối với khi sử dụng phương pháp thủy phân bằng acid sẽ cho tỷ lệ dextrin có phân tử lượng cao hơn nhưng lại dễ bị thoái hóa.
Thành phần cấu tạo của maltodextrin Là một sản phẩm của tinh bột do đó maltodextrin cũng chứa các amylose mạch thẳng và các amylopectin mạch nhánh. Maltodextrin được xem là D – glucose polymer trong đó các α – D – glucopyranosly được liên kết lại với nhau bằng liên kết α – 1,4 glycosidic và liên kết α – 1,6 glycosidic (Ioannis S. Maltodextrin cấu tạo gồm một hỗn hợp của các chuỗi khác nhau 3-17 đơn vị glucose có nguồn gốc từ bột bắp, sắn, khoai, lúa mì, v.2: Thành phần cấu tạo chính của maltodextrin (Kennedy, 1995) Đương lượng dextrose (DE) là giá trị nghịch đảo của số lượng đơn vị α – D – glucose khan, ví dụ như một loại maltodextrin có chỉ số DE bằng 5 sẽ tương ứng với một loại polymer có 20 phân tử glucose. Tuy nhiên, chỉ số DE của maltodextrin chỉ cho thấy rằng chúng khác 5 Luan van nhau về hàm lượng dextrose.
Hơn nữa, giữa maltodextrin có cùng chỉ số DE thì vẫn có thể có các tính chất khác nhau do sự tăng lên của một số thành phần trong quá trình thủy phân. Các loại tinh bột sử dụng để sản xuất maltodextrin (ngô, gạo, sắn, … ) cũng là yếu tố giúp phân loại maltodextrin. Nguyên nhân là do đối với mỗi loại tinh bột có nguồn gốc khác nhau thì tỷ lệ giữa amylose và amylopectin sẽ khác nhau. Đa số các loại tinh bột thường có hàm lượng amylose tứ 15 – 35%.
Mặt khác, tinh bột wavy lại có cấu tạo gần như hoàn toàn bởi các phân tử amylopectin vì thế maltodextrin từ nguồn nguyên liệu này chứa đa phần là amylopectin và rất ít thành phần amylose do đó không nhận thấy các hiện tượng thoái hóa điển hình ở tinh bột thông thường. Tính chất của maltodextrin 1.