CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1. Cơ sở lý thuyết về tinh bột sắn 1. Sơ lược về tinh bột sắn Tinh bột là một polysaccharide trắng không vị, không mùi, có thể có trong rễ, củ và hạt của giới thực vật. Tinh bột chia làm ba nhóm chính bao gồm: Tinh bột tự nhiên, tinh bột thủy phân, tinh bột biến tính.Thành phần chính của tinh bột là amylose và amylopectin, hàm lượng và cấu trúc của chúng góp phần tạo nên các đặc tính độc đáo được sử dụng trong chế biến thực phẩm và các ứng dụng công nghiệp.Trên toàn thế giới, các nguồn chính của tinh bột bao gồm ngô (73%), bột sắn (11%) lúa mì (9%), khoai tây (6%) và các loại khác (2-3%) [10].
Sắn (Manihot esculenta Crantz) là một loại cây lấy củ giàu tinh bột được sử dụng làm lương thực chính cho con người ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, cũng như trong nhiều ứng dụng công nghiệp.Sắn có thể trồng được trong nhiều loại đất.Trong các loại thực vật sản xuất tinh bột, sắn là loại cây sản xuất carbohydrate cao nhất và có thể được trồng với chi phí thấp hơn đáng kể [11].1: Tinh bột sắn 1 1. Cấu trúc của tinh bột sắn Tinh bột có cấu trúc bán tinh thể, xuất hiện ở dạng hạt trong lục lạp của lá xanh và lục lạp của củ và ngũ cốc. Về mặt cấu trúc hóa học tinh bột được cấu tạo từ hai đơn vị polysaccharide là amylose (vô định hình) và amylopectin (tinh thể) hình 1. Cả amylose và amylopectin đều được cấu tạo từ các đơn vị glucose.
Amylose là một polyme mạch thẳng, được liên kết bởi các liên kết glycosidic α-D-(1-4), chiếm khoảng 20–30% tổng lượng tinh bột trong khi amylopectin là một polyme mạch nhánh với các liên kết glycosidic α-D-(1-4) trong chuỗi thẳng và α-D-(1-6) liên kết nhánh. Tinh bột sáp chứa nhiều amylopectin hơn. Một số giống cây trồng phổ biến chỉ chứa tinh bột bao gồm amylopectin (được gọi là tinh bột sáp, ví dụ ngô sáp, khoai tây sáp) [12]. Tinh bột sáp có một ưu điểm là bột nhão của chúng ổn định hơn trong quá trình thoái hóa ngược, trong khi tinh bột có hàm lượng amylose cao được sử dụng làm tinh bột kháng.
Có sự khác biệt lớn về đặc tính của tinh bột từ các loài thực vật khác nhau do sự khác biệt về tỷ lệ amylose. Kích thước hạt tinh bột phụ thuộc vào độ đặc cấu trúc của amylopectin. Hình dạng amylopectin bị chi phối bởi tỷ lệ giữa các nhánh chuỗi dài và các nhánh chuỗi ngắn, điều này càng có ảnh hưởng đến độ đặc của tinh bột và kích thước hạt tinh bột [13]. Lượng amylose, sự phân bố của các chuỗi nhánh trong amylopectin, cấu trúc dạng hạt, lượng phospholipid, phosphat-monoester và lipid có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất chức năng của tinh bột.
Kích thước của hạt tinh bột có đường kính từ 1 đến 100 nm và hình dạng thay đổi từ hình đa giác, hình cầu, hình thấu kính, hình bầu dục [14].2: Cấu trúc của tinh bột 2 1. Tính chất của tinh bột sắn a) Tính chất vật lý của tinh bột Các đặc tính của tinh bột thể hiện trong nước bao gồm hòa tan, trương nở, hồ hóa và nhão. Độ trong của bột nhão được đặc trưng bởi sự truyền ánh sáng, trong khi hành vi bảo quản lạnh được đặc trưng bởi tính chất đông lạnh. b) Sự trương nở và độ hòa tan của tinh bột Đun nóng các phân tử tinh bột trong nước dư dẫn đến phá vỡ cấu trúc tinh thể và tiếp xúc với nhóm hydroxyl.
Sự hình thành liên kết hydro của nhóm hydroxyl và các phân tử nước dẫn đến sự trương nở và độ hòa tan của hạt tinh bột. Tinh bột sắn được cho là có độ trương nở cao nhất. Một số yếu tố đã được đề cập đến là nguyên nhân gây ra sự biến đổi sức trương nở của tinh bột [9]. Sự có mặt của các thành phần không có tinh bột trong nền tinh bột là một trong những yếu tố nổi bật nhất được nghiên cứu.
Sự thay đổi về hàm lượng phốt pho và sự có mặt của các hợp chất không phải tinh bột (lipid và protein) đã được cho là có ảnh hưởng đến sức trương nở. Các hợp chất protein được biết là hạn chế sự trương nở của các hạt tinh bột vì tính kỵ nước tăng lên làm hạn chế sự hấp thụ nước. Vì hạt tinh bột sắn chứa ít lipid và protein những điều này có thể giải thích giá trị độ trương nở và độ hòa tan cao nhất là tinh bột sắn. Hơn nữa, sự khác biệt về sức trương nở và độ hòa tan của tinh bột cũng có liên quan đến sự thay đổi hàm lượng amyloza [11].
c) Đặc tính hồ hóa của tinh bột Tinh bột không hòa tan được trong nước lạnh, tuy nhiên khi đun nóng trong nước ở nhiệt độ trên 52°C, nó trải qua một quá trình được gọi là hồ hóa (thường được nghiên cứu bằng phương pháp đo nhiệt lượng quét vi sai). Hồ hóa là một quá trình thu nhiệt hai giai đoạn, trong giai đoạn đầu các hạt tinh bột nở ra do sự phá vỡ các liên kết hydro trong các phần vô định hình của tinh bột và trong giai đoạn tiếp theo nước đóng vai trò là chất hóa dẻo, dẫn đến sự thủy phân và trương nở các vùng vô định hình [12]. Quá trình hồ hóa dẫn đến sự phá vỡ các liên kết giữa các phân tử của tinh bột và nước được hấp thụ nhiều hơn. Khi đun nóng, cấu trúc amylopectin 3 (tinh thể) bị thay đổi làm giảm độ kết tinh và nước bị hấp thụ gây ra một số thay đổi bao gồm sự hòa tan tinh bột, sự trương nở của hạt tinh bột và mất tính lưỡng chiết.
Hạt tinh bột cuối cùng bị vỡ ra và amyloza được giải phóng ra ngoài dẫn đến sự hình thành hồ tinh bột, do đó làm tăng độ nhớt của dung dịch. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột phụ thuộc vào nguồn tinh bột, nguồn nước, pH, muối,. Nước đóng vai trò là chất hóa dẻo trong quá trình hồ hóa.Tinh bột sắn có nhiệt độ hồ hóa ban đầu thấp. Sự khác biệt về độ hồ hóa của tinh bột là do sự khác nhau về hàm lượng không phải tinh bột, hàm lượng amylose, chiều dài chuỗi amylopectin và độ kết tinh.
Sự xuất hiện của phức hợp amylose-lipid ức chế sự hồ hóa của các hạt tinh bột [13]. Nhiệt độ hồ hóa tăng lên do hàm lượng amyloza tăng được cho là do tác động giữa hạt tinh bột và amylose đối với các phân tử nước. Sự hiện diện của phức hợp amylose-lipid ức chế sự hồ hóa của các hạt tinh bột. Các hạt protein và tinh bột cạnh tranh các phân tử nước, điều này có thể dẫn đến hiện tượng trương nở bị ức chế dẫn đến tăng nhiệt độ hồ hóa.
Chiều dài chuỗi amylopectin được cho là ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa (To, Tp) vì tinh bột có chiều dài chuỗi amylopectin ngắn (mức độ trùng hợp nhỏ hơn 12) thể hiện nhiệt độ hồ hóa thấp hơn so với chuỗi dài. Sự không thành công trong chuỗi ngắn để hình thành cấu trúc xoắn kép dẫn đến khiếm khuyết về bản chất tinh thể, tạo ra một hạt có cấu trúc yếu, dễ bị phá vỡ ở nhiệt độ thấp. Ngược lại, nhiệt độ hồ hóa cao có liên quan đến mức độ kết tinh cao, liên quan đến sự ổn định cấu trúc của hạt tinh bột, và do đó làm cho nó có khả năng chống gia nhiệt [14]. d) Sự thái hóa của tinh bột Quá trình thoái hóa xảy ra khi các phân tử tinh bột vô định hình trong môi trường nước (hồ tinh bột hồ hóa) kết tinh lại để tạo thành các tinh thể xoắn kép kèm theo mất khả năng liên kết với nước.
Quá trình thoái hóa tinh bột được đẩy nhanh bằng cách tăng nồng độ tinh bột trong bột nhão, tăng hàm lượng amyloza, tăng chiều dài chuỗi của amylopectin và quá trình bảo quản đông lạnh của bột nhão. Sự tái liên kết của amylose là nguyên nhân chủ yếu cho sự đông cứng ban đầu của gel.Sự tạo keo lâu dài và sự phân hủy ngược phần lớn được xác định bởi sự tái kết tinh của amylopectin [14]. e) Đặc tính keo của tinh bột Quá trình keo xảy ra sau khi hồ hóa, dẫn đến sự hình thành hỗn hợp bột nhão amylose-amylopectin và mạng lưới gel. Đặc tính keo được xác định 4 bằng máy phân tích độ nhớt nhanh hoặc máy đo độ nhớt Brabender.
Các thuộc tính keo được nghiên cứu về nhiệt độ keo và độ nhớt được đặc trưng như độ nhớt đỉnh, độ phân giải. Mức độ nhớt phân hủy của tinh bột sắn bằng một nửa độ nhớt đỉnh, và tương tự cũng được quan sát thấy ở một số tinh bột lúa mì, ngô và khoai tây. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ keo là hàm lượng amylose và tỷ lệ các thành phần trong hệ thống thực phẩm. Tinh bột sắn sáp có độ nhớt hẹp do hàm lượng amyloza thấp.
Tinh bột sắn có liên quan đến nhiệt độ nhão thấp do hàm lượng cao các nhóm photphat tích điện âm trong cấu trúc tinh bột sắn [11]. f) Tính chất đàn hồi của tinh bột Các tính chất đàn hồi và ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của hồ tinh bột là những đặc tính lưu biến đáng kể. Máy đo độ nhớt Brabender và máy phân tích độ nhớt nhanh đã được sử dụng rộng rãi để đo độ nhớt trong quá trình đun nóng và khuấy tinh bột sắn. Tinh bột sắn có mô đun lưu trữ và hao hụt nhỏ hơn so với các loại tinh bột khác.
Sự khác biệt về tính chất nhớt dẻo được cho là do sự thay đổi trong cấu trúc hạt, chiều dài chuỗi amylopectin và hàm lượng amyloza. Các hạt tinh bột có kích thước nhỏ và hình bầu dục cho thấy mô đun lưu trữ và hao hụt nhỏ hơn [14]. Ứng dụng của tinh bột Tinh bột có một loạt các đặc tính chức năng cho cả sản phẩm thực phẩm cũng như các mặt hàng phi thực phẩm, ở dạng tự nhiên, dạng biến tính và dạng thủy phân. Các ứng dụng khác nhau của tinh bột được liệt kê: a) Tinh bột tự nhiên Nó được sử dụng để sản xuất tinh bột biến tính, tinh bột thủy phân, chất làm đặc, cung cấp khả năng kiểm soát độ ẩm, chất kết dính, nước trộn salad, lớp trên bề mặt, xi-rô, sữa chua,…[11].3: a) Siro từ tinh bột bắp; b) Tinh bột biến tính tự nhiên b) Tinh bột thủy phân Nó được sử dụng để sản xuất các axit hữu cơ (axit xitric, lactic và axit malic), Chất ngọt (maltodextrins, xi-rô ngô, xi-rô dextrose, oligosaccharides, dextrose kết tinh và fructose), Polyols (mannitol, sorbitol, maltitol, và xylitol), Các axit amin như cysteine, threonine, lysine, tryptophan và methionine (sử dụng chất thủy phân tinh bột làm chất nền), Alcohol (Ethanol) [11].