Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu chung Tinh bột là nguồn dinh dưỡng dự trữ của thực vật, do cây xanh quang hợp tổng hợp nên, chúng chứa nhiều trong các loại lương thực như hạt, củ, quả,. và là nguồn vật chất quan trọng ứng dụng trong thực phẩm và công nghiệp. Ở các nước Châu Âu và Mỹ, khoảng 70% lượng tinh bột được ứng dụng trong công nghiệp, 30% còn lại làm thực phẩm cho con người và thức ăn gia cho gia súc (Hizukiri, Abe, & Hanashiro, 2006).
Tinh bột ảnh hưởng sâu sắc đến kết cấu của nhiều loại thực phẩm, bao gồm một số sản phẩm thông dụng như bánh mì, mì, mì ống, gạo (Wrolstad, 2012). Hiện nay, tinh bột đang giành được nhiều sự quan tâm như một loại vật liệu nhiệt dẻo có khả năng phân hủy sinh học (Jeroen, Hubertus Tournois, Dick de Wit, 1995). 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.
Màng amylose có thể được sử dụng để đóng gói thực phẩm, như nhiều loại trà hoặc café uống liền. 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 (gamma, EB,…) (Rajeev Bhat và A. 1 Khoai tây là một loại lương thực chủ yếu được trồng trên toàn thế giới và trung bình mỗi người dân trên toàn cầu tiêu thụ khoảng 33kg khoai tây/năm trong thế kỷ 21 (FAO, 2010). Tinh bột khoai tây được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm thực phẩm như là một chất làm dày hoặc tác nhân ổn định để cải thiện cấu trúc, kết cấu của sản phẩm. Nó được sử dụng chủ yếu trong súp, nước sốt, đồ nướng, các sản phẩm bánh mỳ, kẹo sữa, đồ ăn nhẹ, bột nhào, chất phủ và trong các sản phẩm thịt (Davies, 1995).
Có một số ứng dụng phi thực phẩm của tinh bột khoai tây như lĩnh vực dược phẩm, dệt, nhiên liệu và chất kết dính. Một số ứng dụng mới bao gồm chất thay thế ít calo, vật liệu đóng gói phân huỷ sinh học, màng mỏng và vật liệu nhiệt dẻo chịu (Billiaderis, 1998). Chính vì là cây lương thực chính và những ứng dụng rộng rãi trên nên chúng tôi đã lựa chọn tinh bột khoai tây là nguyên liệu được đêm 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.
Tỉ lệ giữa hai loại polysaccharide 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, & Qi, 2004). Amylose chủ yếu là polymer mạch thẳng, có những đơn vị glucose được gắn với nhau thông quan liên kết α-1,4-glycosidic.
Trong các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng Amylose 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).
Mỗi phân tử amylose có một đầu khử và một đầu không khử. Màu sắc của liên hợp amylose-iodine sẽ thay đổi tùy vào chiều dài của chuỗi amylose. Nó thay đổi từ màu nâu (DP21-24), đến màu đỏ (DP25-29), tím đỏ (DP 30-38), xanh tím (DP 39-40), và cuối cùng là màu xanh (DP > 47). Khi DP thấp hơn 20, không có màu sắc được hình thành (Cui, 2005).
Mỗi phân tử amylopectin chỉ có một 2 đầu khử duy nhất và rất nhiều đầu không khử. Amylopectin sẽ tạo phức màu đỏ nhạt với dung dịch iodine (Wrolstad, 2012). Chuỗi dài amylose hoạt động như một cuộn dây 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 620 nm, 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 = 550 nm.
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). Đơn vị cơ bản α- D Hình 1. Cấu tạo của amylose và amylopectin (Moorthy, 2004) *Các công thức với né | là các hydrogen 3 Hình 1.
Cấu trúc của phức tinh bột với iodine (Taylor, Kossmann, 2010) 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 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. 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). Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột (Whistler, 2009) (a) bắp bình thường; (b) bắp sáp; (c) khoai tây; (d) lúa mì; (e) miến; (f) bắp đường 1. Cấu trúc tinh thể Tinh bột trong tự nhiên có cấu trúc bán tinh thể gồm các vùng tinh thể, vùng vô định hình.
Các vùng tinh thể và vùng vô định hình được sắp xếp xen kẽ nhau (Cheetham & Tao, 1998). 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). 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 9-10 nm. 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 5 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. Dựa trên kết quả phân tích nhiễu xạ tia X, tinh bột có các kiểu cấu trúc tinh thể loại A, B và C. Tinh thể loại A có chiều dài chuỗi amylopectin từ 23-29 đơn vị glucose, phổ biến trong các loại tinh bột của hạt ngũ cốc. Trong khi đó các tinh thể loại B có cấu tạo từ các chuỗi amylopectin với chiều dài 30-44 đơn vị glucose, thường được chứa trong các loại tinh bột lấy từ củ.
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 khác như acid béo, chất nhũ hóa, butanol và iodine. Sự khác biệt chính giữa loại A và loại B chính là loại B có cấu trúc xoắn kép được sắp xếp tạo nên các khoảng trống để phân tử nước thâm nhập vào bên trong còn cấu trúc xoắn kép của loại A rất dày đặc (Sarko&Wu,1978). Tinh bột loại A có nhiệt độ nóng chảy cao hơn do đó bền với nhiệt hơn so với loại B (Cui,2005).
Cấu trúc tinh thể loại A và loại B (Cui, 2005) 6 Hình 1. Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B và C (Cui, 2005) 1. Các phân đoạn tiêu hóa của tinh bột Theo Englyst và cộng sự (1992), tinh bột được chia làm 3 loại : Tinh bột tiêu hóa nhanh (Rapidly Digestible Starch - RDS), Tinh bột tiêu hoá chậm (Slowly Digestible Starch - SDS), Tinh bột trơ (Resistant Starch - RS).