CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu tinh bột Tinh bột đã được biết đến từ hàng nghìn năm. Người La Mã gọi là amilum, một từ bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, amilon. Tinh bột đầu tiên được tách ra từ bột mỳ hoặc một loại ngũ cốc khác đã được biết đến từ thời xa xưa.
Thời gian sau nó được sản xuất từ khoai tây ở Châu Âu và Nhật Bản, từ củ sắn và lúa gạo ở phương Đông và từ ngô ở Mỹ. Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa học khác nhau. Tinh bột được tách ra từ hạt như ngô và lúa mì, từ rễ và củ như sắn, khoai tây, dong là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp [1]. Tinh bột là nguồn nguyên liệu rẻ tiền và được sử dụng rộng rãi, có tiềm năng ứng dụng cao.
Tinh bột được tổng hợp nhờ năng lượng mặt trời và được giữ lại trong quá trình quang hợp. Tinh bột là nguồn cung cấp năng lượng chính, là thành phần quan trọng trong chế độ dinh dưỡng của con người cũng như nhiều loài động vật khác. Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất hóa lí của chúng. Tinh bột thường dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương, như các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng, độ đàn hồi cho nhiều loại thực phẩm Ở nước ta lương thực chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất nông nghiệp và là nguồn nguyên liệu quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp, trong đó có công nghiệp sản xuất tinh bột và các dẫn xuất của tinh bột.
Ngoài sử dụng làm thực phẩm ra, tinh bột còn được dùng trong công nghiệp sản xuất giấy, rượu, băng bó xương. Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột là các loại củ như sắn, khoai lang, khoai tây, dong riềng, huỳnh tinh.và các nguyên liệu hạt như hạt gạo, ngô. Trong những năm gần đây, năng suất và diện tích trồng các cây lương thực trên ngày càng tăng [2]. Khái niệm tinh bột Tinh bột là một polysacarit carbohydrate chứa hỗn hợp amylose và amylopectin, tỷ lệ phần trăm amylose và amylopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này thường từ 20:80 đến 30:70.
Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau có tính chất 1 do an vật lí và thành phần hóa học khác nhau. Chúng đều là các polymer carbohydrat phức tạp của glucose (công thức phân tử là C6H12O6) [1]. Cấu tạo thành phần Tinh bột là phần dự trữ chủ yếu polysaccharide trong thực vật, đồng thời cũng là thành phần quan trọng trong chế độ dinh dưỡng của con người, gồm các đơn vị glucozơ được nối nhau bởi các liên kết α- glycozit, công thức phân tử là (C6H10O5.nH2O)m, ở đây m: có thể từ và trăm đến hơn 1 triệu [2]. Cấu tạo của tinh bột [2] Tinh bột có dạng màu trắng tạo bởi 2 loại polymer là amylose (polymer mạch thẳng) và amylopectin (polymer mạch nhánh) của 𝛼-D glucopyranoza.
Tỷ lệ giữa amylose và amylopectin thay đổi tuỳ thuộc vào từng loại ngũ cốc và thổ nhưỡng. Nếu tinh bột chỉ chứa amylopectin thì thường được gọi là tinh bột sáp (wavy starch) [3]. Hàm lượng amylose và amylopectin trong các loại tinh bột thường khác nhau. Nhìn chung, tỷ lệ amylose/amylopectin trong đa số các loại tinh bột xấp xỉ là ¼.
Riêng trong các loại nếp (gạo nếp, ngô nếp…) thì amylopectin chiếm gần 100%. Trái lại, trong tinh bột đậu xanh, tinh bột củ dong riềng, hàm lượng amylose chiếm trên dưới 50%. Bằng con đường chọn giống ngày nay, người ta đã tạo ra được các loại hạt có hàm lượng amylose đạt trên 70%. Chẳng hạn, người ta chọn được giống ngô có hàm lượng amylose chiếm 85% [4].
Hàm lượng amylose và amylopectin của một số loại tinh bột được thể hiện trong bảng 1.1 như sau: 2 do an Bảng 1. Phần trăm amylose và amylopectin của một số loại tinh bột tự nhiên [5] Loại tinh bột Amylose (%) Amylopectin (%) Gạo nếp 0.2 Khoai mì 17 83 Gạo tẻ 18.64 Củ dong 47 53 Đậu xanh 54 46 1. Thành phần cấu trúc của amylose Amylose là một polymer mạch thẳng tan được trong nước. Trong phân tử amylose, nguyên tử C-1 trên phân tử glucoza thứ nhất liên kết với nguyên tử C-4 của phân tử glucose tiếp theo, gọi là liên kết α(1→4).
Kiểu liên kết này tạo ra chuỗi mạch chứa hàng nghìn đơn vị glucose, các liên kết α(1→4) tạo nên cấu trúc xoắn ốc. Trong công thức cấu tạo của amylose, số đơn vị glucose thường trong khoảng từ 300 đến 3000, thông thường là hàng nghìn. Mỗi vòng xoắn ốc chứa 6 monome glucose. Tinh bột chứa nhiều amylose thì khó bị phân hủy hơn tinh bột nhiều amylopectin vì amylopectin vừa chứa liên kết α(1→4) mạch thẳng vừa chứa liên kết α(1→6) mạch nhánh trong khi đó amylose chỉ chứa rất ít liên kết α(1→6) mà các liên kết α(1→6) dễ bị đứt hơn trong quá trình phân huỷ tinh bột.
Amylose chiếm khoảng 30% khối lượng tinh bột. Có hai loại amylose: - Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp (khoảng 2000) thường không có cấu trúc bất thường và bị phân ly hoàn toàn bởi β-amylase. - Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối với β−amylase nên chỉ bị phân hủy 60%. 3 do an Trong hạt tinh bột trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa, amylose thường có cấu hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc.
Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucose. Đường kính của xoắn ốc là 12.97 Ao, chiều cao của vòng xoắn là 7. Các phân tử iot chiếm gọn các vòng xoắn ốc trong cấu trúc amylose, do đó làm thay đổi sự hấp thụ màu của tinh bột. Vì vậy, có thể nhận biết amylose trong tinh bột bằng cách pha một lượng nhỏ dung dịch iôt màu vàng.
Nếu tinh bột chứa amylose thì sẽ quan sát được màu xanh thẫm. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H [6]. Cấu trúc của amylose [2] 1. Thành phần cấu trúc của amylopectin Amylopetin là polyme đa nhánh của glucose, hầu như không tan trong nước.
Các đơn vị glucose tạo thành mạch thẳng bằng liên kết α(1→4) glycosid. Các mạch nhánh được tạo bởi các liên kết α(1→6) xuất hiện sau mỗi 24 đến 30 đơn vị glucose. Con người và các loài động vật ăn cỏ thì sử dụng amylaza, một loại enzyme có khả năng phá vỡ phân tử amylopectin. Amylopectin chiếm khoảng 70% khối lượng tinh bột, phụ thuộc vào nguồn gốc của tinh bột.
Amylopectin có nhiều nhánh, có thể chứa tới 2. Mỗi chuỗi nhỏ của nó chứa từ 20 đến 24 đơn vị glucose [6]. Cấu trúc của amylopectin [2] 4 do an Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuỗi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucose. Phân tử amylopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose.
Sự khác biệt giữa amylose và amylopectin không phải luôn luôn rõ nét. Bởi lẽ ở các phân tử amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh do đó cũng có những tính chất giống amylopectin [7]. Tính chất của tinh bột 1. Tính chất hấp thụ Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất hấp thụ thì bề mặt bên trong và bên ngoài của tinh bột đều tham gia.
Tinh bột có khả năng hấp thụ một cách chọn lọc hơi nước từ không khí, rượu và các hơi hữu cơ khác. Người ta nhận thấy khi độ ẩm tương đối của không khí là 73% thì khả năng hút ẩm của tinh bột là 10.33%, khi độ ẩm tương đối là 100% thì khả năng hút ẩm lên tới 20. Vì vậy, trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy nhiệt cần phải hết sức quan tâm tới vấn đề này. Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột [2].
Độ hòa tan của tinh bột Amylose mới tách từ tinh bột có độ hòa tan cao song không bền, nhanh chóng bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước. Amylopectin không hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hòa tan trong nước nóng. Trong môi trường acid, tinh bột bị thủy phân và tạo thành “tinh bột hòa tan”. Nếu môi trường acid mạnh sản phẩm cuối cùng là glucose.
Còn ở môi trường kiềm, tinh bột bị ion hóa từng phần do có sự hydrat hóa tốt hơn. Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một dung môi tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột [6]. Sự trương nở và hiện tượng hồ hóa của tinh bột Khi hòa tan tinh bột vào nước, do kích thước phân tử của tinh bột lớn nên đầu tiên các phân tử nước sẽ xâm nhập vào giữa các phân tử tinh bột. Tại đây nước sẽ tương tác với các nhóm hydroxyl của tinh bột tạo ra lớp vỏ nước làm cho lực liên kết ở mắt xích nào đó của phân tử tinh bột bị yếu đi.
Do đó phân tử tinh bột bị xê dịch rồi bị rão ra và bị trương lên. Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột khi ngâm vào nước 5 do an như sau: tinh bột bắp 9.1%, tinh bột khoai tây 12.7%, tinh bột khoai mì 28. Nếu sự xâm nhập của các phân tử nước dẫn đến quá trình trương không hạn chế nghĩa là làm bung được các phân tử tinh bột thì hệ thống chuyển thành dung dịch. Một số kết quả nghiên cứu đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến sự trương nở và hòa tan của tinh bột như loại và nguồn gốc tinh bột, ảnh hưởng của quá trình sấy, sự lão hóa tinh bột, phương thức xử lý nhiệt ẩm, ảnh hưởng của các chất béo cho vào… Ở 55-70oC, các hạt tinh bột sẽ trương phồng do hấp thụ nước vào các nhóm hydroxyl phân cực.
Khi đó độ nhớt của dung dịch tăng mạnh. Kéo dài thời gian xử lý nhiệt, có thể gây nổ vỡ hạt tinh bột, thủy phân từng phần và hòa tan phần nào các phần tử cấu thành của tinh bột, kèm theo sự giảm độ nhớt của dung dịch. Như vậy, nhiệt độ có thể phá vỡ hạt, chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ oxy hóa khác nhau thành dung dịch keo gọi là nhiệt hồ hóa [4]. Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng.
Tùy thuộc vào điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH môi trường mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở hạt có thể biến đổi trong một khoảng khá rộng. Nhìn chung, quá trình hồ hóa ở tất cả các loại tinh bột đều giống nhau.