CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tinh bột Tinh bột là nguồn năng lượng dự trữ chính trong các loại ngũ cốc. Mặc dù hàm lượng tinh bột có trong ngũ cốc khác nhau, nhưng nó thường nằm trong khoảng 60 ÷ 75% trọng lượng của hạt và cung cấp 70 ÷ 80% lượng calo mà con người tiêu thụ trên toàn thế giới (Thomas và Atwell, 1999). Ngoài giá trị dinh dưỡng của chúng, tinh bột và tinh bột biến tính có thể được sử dụng để làm ảnh hưởng đến tính chất vật lý của nhiều loại thực phẩm. Ví dụ, các loại tinh bột thương mại thu được từ cây ngũ cốc bắp, lúa mì, các loại gạo khác nhau và củ như khoai tây, sắn có thể sử dụng trong tạo gel, làm dày, bám dính, giữ ẩm, ổn định, kết cấu,… Các hạt tinh bột trong các tế bào dự trữ có thể khác nhau về hình dạng, kích thước và thành phần (Pe´rez and Bertoft, 2010).
Chúng có thể là hình cầu, hình bầu dục, hình đa giác, hình hạt đậu,… Kích thước của các hạt tinh bột thay đổi từ 2 ÷ 3𝜇𝑚 (Eliasson, 2004).1 Hình thái học Hạt tinh bột từ nhiều nguồn thực vật khác nhau thì có hình dạng, kích thước và hình thái học khác nhau (Jane và cộng sự, 1994). Các hạt tinh bột có cấu trúc tinh thể khác nhau. Nghiên cứu hình thái học của hạt tinh bột bằng tia X cho thấy có ba loại cấu trúc là A, B và C, phụ thuộc vào chiều dài của chuỗi amylopectin (Hizukuri, 1985). 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 (36 phân tử H2O/ 1 unit cell).
Cấu trúc tinh thể dạng A tương tự như cấu trúc dạng B, nhưng tâm của hình lục giác thay bằng H2O là một chuỗi xoắn kép khác, khiến cho 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. Dạng C là sự kết hợp giữa dạng A và B (Anh, 2007). 1 do an Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể của hạt tinh bột loại A và B (Imberty và cộng sự, 1991). Các vòng tròn nhỏ màu đen đại diện cho các phân tử nước trong cấu trúc; phân tử glucose được đại diện bằng các vòng tròn mở.1 Amylose Là phân tử xếp thẳng hàng nối với nhau bằng liên kết α-1,4-glycosidic.
Khi quan sát phân tử ở kích thước lớn hơn, có thể thấy nó có hình dạng xoắn ốc. Phần bên trong của chuỗi xoắn ốc chứa các nguyên tử hydro do đó kỵ nước, cho phép amylose hình thành một loại phức chất với acid béo tự do, hợp chất acid béo của glycerides, một số alcohols và iodine (Fennema và cộng sự, 1985). Có một số bằng chứng chứng minh mức độ nhỏ phân nhánh 1-6 trong amylose, nhưng sự phân nhánh không thường xuyên và các nhánh dài, vì vậy tính chất hóa lý của nó phù hợp với tính chất của đoạn polymer mạch thẳng (Ronal, 2012). Trọng lượng phân tử của amylose trong khoảng 105 – 106, với mức độ polyme hóa DP (degree of polymerization) từ 1000 – 2000 (thấp) và 4500 – 6000 (cao) (Anh, 2007).2: Cấu trúc amylose 2 do an 1.2 Amylopectin Phân tử chiếm ưu thế trong hầu hết các loại tinh bột thông thường, chiếm khoảng 65 ÷ 85% hạt tinh bột (Fredriksson và cộng sự, 1998; Gérard và cộng sự, 2001).
Tuy nhiên, một số loại cây đột biến thì hàm lượng amylopectin cao hơn nhiều và có thể đạt tới 100%. Là một polymer phân nhánh lớn lơn hơn nhiều so với amylose. Amylopectin được cấu tạo bởi các đoạn glucose nối bằng liên kết α-1,6 và α-1,4, ước tính rằng phân tử amylopectin có liên kết α-1,6 trung bình chiếm 4 ÷ 6% (Hood và cộng sự, 1982). Mỗi phân tử amylopectin có một đầu khử.
Khối lượng phân tử của amylopectin trong khoảng 106 ÷ 108 tương đương với DP từ 5000 đến 50 000 D – glucose units (Ronal và cộng sự, 2012).3: Cấu trúc amylopectin 1.3 Thành phần hóa học của hạt tinh bột Tinh bột ngũ cốc chứa lipid tích hợp ở dạng lysophospholipids và acid béo tự do có mối tương quan tích cực với hàm lượng amylose trong hạt tinh bột. Hàm lượng lysophospholipids có thể chiếm tới 2% khối lượng tinh bột (Morrison, 1985, 1988, 1995). Tinh bột chứa 0,6% protein. Tương tự như lipid trong tinh bột, protein cũng được tìm thấy trên bề mặt tinh bột (và bao gồm các protein không có nguồn gốc từ tinh bột).
Cả lipid và protein của tinh bột đều có khả năng điều tiết chức năng tinh bột (Appelqvist and Debet, 1997). Protein trong tinh bột có khối lượng phân tử cao hơn protein trên bề mặt (~ 50 ÷ 150 và ~ 15 ÷ 30 kDa, tương tự) và bao gồm dư lượng enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp tinh bột (Baldwin, 2001). 3 do an Tinh bột cũng chứa một lượng tương đối nhỏ (0,4%) khoáng chất (canxi, magie, phospho, kali và natri), ngoại trừ phospho. Phospho được tìm thấy ở 3 dạng chính: monoester, phospholipid và phosphate vô cơ (Blennow và cộng sự, 1998, 2000 a,b, 2002; Kasemsuwan và Jane, 1996).4 Tính năng công nghệ 1.1 Hồ hóa và pasting Hồ hóa và pasting đã được mô tả như là một tập hợp các hiện tượng chứ không phải là hiện tượng đơn lẻ (Atwell và cộng sự, 1988; Parker và Ring, 2001).
Đun nóng tinh bột với sự có mặt của nước dẫn đến sự phá vỡ cấu trúc hạt bất thuận nghịch ở nhiệt độ (nhiệt độ hồ hóa) là điểm đặc trưng của các loại hạt tinh bột với nguồn gốc thực vật và thành phần phân tử khác nhau. Nếu được thực hiện trong một khoảng thời gian đủ dài với sự có mặt của nước dư (nước:tinh bột > 1,5), có thể dẫn đến sự phá vỡ hoàn toàn các hạt và tạo ra sự phân tán phân tử của các phân tử tinh bột (Atwell và cộng sự, 1999). Quá trình hồ hóa bao gồm một số giai đoạn trương nở của hạt khi đun nóng dần trong nước, hình thái học thay đổi giữa các loại tinh bột khác nhau. Đồng thời các hạt trương nở lên gấp nhiều lần so với kích thước ban đầu của chúng.
Trong quá trình hồ hóa, amylose với kích thước nhỏ hơn, sẽ bị hòa tan và thoát ra ngoài. Sự rò rỉ có thể được thúc đẩy bởi sự không tương thích nhiệt động học (không trộn lẫn được) giữa amylose và amylopectin (Kalichevsky và Ring 1987). Khi gia nhiệt tiếp tục vượt quá nhiệt độ hồ hóa, các hạt tinh bột tiếp tục phồng lên, dạng paste được hình thành (Cui, 2005).2 Tính thoái hóa của tinh bột Thuật ngữ thoái hóa được sử dụng để chỉ sự ngược lại của tinh bột bị trương nở, hồ hóa hoặc hòa tan hoàn toàn hay không hoàn toàn. Hiện tượng này dễ dàng quan sát thấy nếu dung dịch tinh bột 1% hòa tan để trong tủ lạnh trong vài ngày.
Một phần tinh bột dần dần kết tủa và lắng xuống (French, 1973). Về cơ bản, thoái hóa tinh bột liên quan đến việc liên kết các chuỗi phân tử thành các tập hợp có tổ chức. Nguyên nhân của hiện tượng thoái hóa là do sự hình thành các cầu hydro giữa các phân tử tinh bột. Amylose có cấu trúc mạch thẳng nên khả năng định hướng và tập hợp lại dễ dàng hơn so với amylopectin.
Vì thế nói chung hiện tượng thoái hóa thường liên quan đến thành phần amylose của tinh bột (Anh, 2007). Sự thoái hóa có thể nghịch đảo một phần bằng cách gia nhiệt. Ngược lại, sự thoái hóa được thúc đẩy bằng cách làm mát 4 do an hoặc đặc biệt là lạnh đông gel tinh bột. Gel tinh bột nếu thực hiện đến một vài chu kỳ đóng băng và tan băng trở lại thì hoàn toàn không thể nghịch đảo được sự thoái hóa (Pfannemüller, 1971).3 Trương nở và hòa tan Khi tinh bột được gia nhiệt trong nước dư, cấu trúc tinh thể bị phá vỡ do sự bẻ gãy các liên kết hydro.
Các phân tử nước liên kết sẽ với nhóm hydroxyl của amylose và amylopectin nhờ liên kết hydro. Đó là nguyên nhân làm cho các hạt tinh bột trương nở và hòa tan. Độ trương nở và độ hòa tan cho thấy mức độ tương tác giữa các chuỗi tinh bột trong các vùng vô định hình và kết tinh. Mức độ tương tác này bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ amylose/amylopectin, khối lượng phân tử, sự sắp xếp, mức độ, chiều dài phân nhánh và cả cấu tạo hạt tinh bột (Swinkels, 1985).5 Các phương pháp biến tính tinh bột Tinh bột biến tính được sản xuất trong công nghiệp để ứng dụng các tính chất đặc biệt của chúng.
Sự biến tính nhằm mục đích làm thay đổi các đặc tính của hạt tinh bột và dẫn đến sự thay đổi các tính chất hồ hóa, nấu, thoái hóa và sự tạo gel. Các phương pháp biến tính tinh bột có thể được phân loại theo tác nhân gây biến tính. Các tác nhân thường được biết đến bao gồm: - Phương pháp vật lý thường gặp là gia nhiệt khan, hồ hóa sơ bộ, sử dụng các tia năng lượng cao (Huang và cộng sự, 2007). - Phương pháp hóa học được sử dụng rộng rãi và tạo ra tác động sâu sắc đến tính chất hóa học ban đầu của tinh bột.
Các tác nhân hóa học chủ yếu gây tác động lên các nhóm chức, từ đó có thể thay thế hay đưa một nhóm chức mới thay thế vào trong phân tử amylose hay amylopectin (Masina và cộng sự, 2017). Các biến đổi hóa học thường thấy là sự oxi hóa tinh bột, ổn định lại hay phân cắt chuỗi polymer, tạo liên kết ngang (Caballero và cộng sự, 2015). - Phương pháp sử dụng enzyme ngày càng được nghiên cứu nhiều hơn với vai trò như là một kỹ thuật thay thế phương pháp hóa học truyền thống để thay đổi cấu trúc dạng hạt và phân tử tinh bột. Ưu điểm của phương pháp này là: khả năng phản ứng nhanh chóng, độ chọn lọc cao và tạo ra ít hơn các sản phẩm phụ không mong muốn so với các quá trình hóa học đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt và nồng độ các hợp chất tham gia phản ứng phải lớn (Jin, 2018).
Về cơ bản có bốn nhóm enzyme có thể sử dụng nhằm biến tính tinh bột: 5 do an (i) endoamylases; (ii) exoamylases; (iii) debranching enzymes; and (iv) transferases (Maarel và cộng sự, 2002). + Endoamylases: Endoamylase còn được gọi là enzyme dịch hóa mà đặc trưng là alpha – amylase. Các enzyme thuộc nhóm này có tác dụng cắt đứt các liên kết glycosidic nằm bên trong của cả amylose, amylopectin và các polysacharide liên quan như glycogen. Sản phẩm của quá trình thủy phân này là các oligosacharide có độ dài chuỗi khác nhau (Hill và cộng sự, 1987).