CHƯƠNG 1. Giới thiệu chung Tinh bột là thành phần carbohydrate dự trữ chính trong thực vật và là polymer sinh học tự nhiên lớn thứ 2 sau cellulose Q. Các hạt tinh bột chủ yếu tìm thấy trong hạt, rễ, củ, cũng như ở thân, lá, trái cây và thậm chí ở cả phấn hoa. Các loại hạt, như hạt ngô, chứa đến 75% tinh bột (Pérez và Bertoft, 2010).
Hạt tinh bột có kích thước, hình thái sinh học, thành phần và cấu trúc phân tử phụ thuộc vào nguồn gốc loài thực vật. Tính chất của mỗi loại tinh bột phụ thuộc vào cấu trúc, cấu trúc phân tử, hàm lượng và tính chất các thành phần hóa học cũng như chất vi lượng. Mỗi tinh bột cần phải biến tính để tăng tính hữu ích và giá trị của nó, nhưng không chắc rằng bất kì dẫn xuất nào tạo ra cũng được chấp nhận (Bemiller, 1997). Cấu trúc hóa học của tinh bột Về mặt khoa học, tinh bột là polysaccharides, gồm một số monosaccharide hoặc các phân tử đường (glucose) liên kết với nhau bằng liên kết (1-4) hoặc liên kết (1-6).
Tinh bột bao gồm 2 thành phần chính, amylose – về bản chất là một polymer mạch thẳng trong đó là liên kết (1-4) D – glocose, thường chiếm 15% đến 20% tinh bột và amylopectin – một phân tử phân nhánh lớn hơn, với liên kết α-(1-4) D – glucose và tồn tại khoảng 5% α- (1-6) D – glucose. Trong một số trường hợp, tính bột biến tính có hàm lượng amylose tăng lên (Bemiller, 1997). 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 (Greenwood, 1975). Amylose và amylopectin có những đặc tính khác nhau.
Amylose có khuynh hướng thoái hóa và tạo ra gel cứng và mạnh. Trong khi đó amylopectin lại phân tán trong nước ổn định hơn, tạo ra các loại gel mềm và các màng yếu. Hàng rào giữa amylose và amylopectin có sự hiện diện của phospholipid và lipid, điều này cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất vật lí (Bemiller, 1997). Trong hạt tinh bột, lipid có thể chiếm tới 1,5% khối lượng chất khô (Ross, 2012).
Lipid có trong hạt tinh bột được gọi là lipid tinh bột, chủ yếu tồn tại dưới dạng monoacyl lipid (lysophospholipid và các acid béo tự do) và có mối quan hệ rõ ràng với thành phần amylose 1 do an trong hạt (X. Wang và cs, 2012). Tuy nhiên, các hạt tinh bột cũng có các thành phần tạp chất lipid còn được gọi là lipid bề mặt hay lipid không tinh bột. Các tạp chất này bao gồm triglyceride, glycolipid và các acid béo tự do có nguồn gốc từ màng lạp bột và các nguồn không phải tinh bột.
Một phần amylose trong hạt tinh bột tồn tại dưới dạng phức với lipid. Protein trong hạt tinh bột chiếm số lượng tương đối nhỏ, khoảng 0,1-0,3%. Protein liên kết với tinh bột và cũng liên kết với lipid ở bề mặt hạt. Cả lipid và protein đều ảnh hưởng đến tính chất chức năng của tinh bột (Tester, Karkalas, và Qi, 2004).
Sự có mặt của protein có thể tạo ra các hợp chất màu và mùi không mong muốn thông qua phản ứng Maillard. Hơn nữa, protein có thể ảnh hưởng đến sự tích điện bề mặt, tốc độ hydrate hóa và gây cản trở sự tương tác giữa hạt tinh bột và enzyme thủy phân (Cui, 2005). Tinh bột cũng chứa một lượng tương đối nhỏ (0,4%) khoáng (canxi, magiê, phốt pho, kali và natri) (Tester và cs, 2004). Hình ảnh cấu trúc cơ bản của amylose và amylopectin.
Hình ảnh phóng to cấu trúc phân tử (Pérez và Bertoft, 2010). Đặc điểm chung của hạt tinh bột Tinh bột bao gồm hai loại phân tử amylose và amylopectin, được xếp vào loại hạt tan không tương đối. Kích thước hạt có ảnh hưởng đến các đặc tính hóa lý của tinh bột, cũng như các phương pháp được dùng để thu nhận tinh bột (Lindeboom, Chang, và Tyler, 2004). Hình thái hạt tinh bột 2 do an Hạt tinh bột xuất hiện với nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau (hình cầu, hình elip, đa giác, tiểu cầu và bất thường).
Chúng có đường kính từ 0,1 đến 200 mm tùy thuộc vào nguồn gốc thực vật. nói chung sự khác biệt về hình thái bên ngoài là cần thiết, cho phép nhận biết đặc trưng rõ ràng nguồn gốc của thực vật, quan sát được qua kính hiển vi quang học (Bemiller, 1997). Kích thước hạt tinh bột sắn từ 5-35μm và có hình oval và cắt ngắn trên mặt (Cui, 2005). Hạt tinh bột có mật độ dày đặc, có cấu trúc bán tinh thể thay đổi 15 – 45%, mật độ khoảng 1,5g/cm3.
Ở dạng hạt, tinh bột dễ bị phân riêng do trọng lực, lắng đọng, ly tâm và lọc (Bemiller, 1997). 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). Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi quang học ánh sáng phân cực hình ảnh của các loại tinh bột thô từ các giống khác nhau: (a) khoai môn; (b) hạt dẻ; (c) gừng; (d) manioc (Pérez và Bertoft, 2010).
Cấu trúc tinh thể Tinh bột trong tự nhiên có cấu trúc bán tinh thể và có cấu trúc thứ bậc theo chu kì. Cấu trúc tinh bột được hình thành từ 16 lần lặp lại luân phiên của phiến tinh thể (5-6nm) và phiến vô định hình (2-5nm), có độ dày 120-140nm và được bao quanh bằng vùng vô định hình (R. Wang, Sharp, và Copeland, 2011; X. Wang và cs, 2012).
Các 3 do an lớp tinh thể và vô định hình được sắp xếp với chiều dày theo chu kỳ 9-10nm (X. Wang và cs, 2012). Cấu trúc tinh thể đặc trưng bởi sự sắp xếp chuỗi amylopectin và apha helice từ đó hình thành các dạng tinh thể. Có ba dạng tinh thể điển hình là tinh thể loại A, loại B và loại C, các loại tinh thể có thể phân biệt được thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, X- Ray Difraction)(Ellis và cs, 1998).
Trong các loại tinh thể, loại A và loại B thì độc lập với các loại còn lại, loại C là sự hỗn hợp giữa loại A và loại B (Lopez-Rubio, Flanagan, Shrestha, Gidley, và Gilbert, 2008). 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 (Sajilata, Singhal, Kulkarni, và safety, 2006). Ở ngũ cốc thường ở dạng tinh thể loại A (Van Hung, Maeda, Miskelly, Tsumori, và Morita, 2008), tinh thể loại A cũng có ở các loại tinh bột củ (Jayakody, Hoover, Liu, và Donner, 2007) và tinh bột lúa mạch giàu amylose (Yoshimoto, Tashiro, Takenouchi, và Takeda, 2000). Cả hai loại tinh thể A và B đều có nền tảng là hai sợi dây helice xoắn kép song song, trong đó tinh thể loại A có cấu trúc xoắn kép chặt hơn và tinh thể B cho cấu trúc xoắn kép này thả lỏng hơn (Gernat, Radosta, Damaschun, và Schierbaum, 1990).
Hizukuri, Kaneko, and Takeda (1983); S. Hizukuri (1986) đã chỉ ra rằng tinh bột với amylopectin co chiều dài chuỗi ngắn sẽ thuộc tinh thể loại A, trong khi những loại tinh bột có amylopectin với chiều dài chuỗi trung bình sẽ thuộc tinh thể loại B. Trong kết quả XRD, tinh thể loại A có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng khi nhiễu xạ ở 2θ như 15 º, 17º, 18 º và 23 º (Chávez‐Murillo, Wang, và Bello‐Pérez, 2008; N. Singh, Inouchi, và Nishinari, 2006).
Đối với tinh thể loại B là 5. Mức độ tinh thể của hạt tinh bột dao động từ 15 - 45% (Lopez-Rubio và cs, 2008; 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; 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.
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 4 do an tinh bột được sấy khô bằng P2O5 và sau đó ngậm nước lại (Belitz, Grosch, và Schieberle, 2009). Ngũ cốc Củ Củ và rễ Phức amylose với chất không phân cực Góc tán xạ 2 Hình 1. Giản đồ tán xạ tia X của các tinh thể A, B, Cvà V (Zobel, 1988) 1.
Phổ FITR của tinh bột 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, và Blackwell, 1975; Kizil, Irudayaraj, và Seetharaman, 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. Các dao động liên quan đến nguyên tử carbon và hydro được quan sát ở vùng phổ 1500-3000 cm-1. Sự hấp thu tại đỉnh 1344 cm-1 là do nhóm CH2 (Kizil và cs, 2002). Những dao động trong vùng 900-950 cm-1 có nguồn gốc từ liên kết glycosis C-O-C (Cael và cs, 1975; Kizil và cs, 2002).
Vùng phổ 3000-2800 cm-1: hấp thu ánh sáng giao động biến dạng CH2 (Kizil và cs, 5 do an 2002). Và vùng 3000-4000 cm-1 bao hàm 3000-3600cm-1 là vùng hấp thu của OH duỗi thẳng của phân tử nước (Kizil và cs, 2002). Các tính chất của tinh bột 1. Khả năng tạo phức với iodine Khi tương tác với iodine amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng.
Vì vậy, iodine có thể coi là thuốc thử đặc trưng để xác định hàm lượng amylose trong tinh bột bằng phương pháp trắc quang. 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 (Knutson 1999). 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 (Hanes và Cattle, 1938).