CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tinh bột Tinh bột là một loại polysaccharide cao phân tử gồm các phân tử glucose nối với nhau theo liên kết α- glycozit. Cấu trúc phân tử của tinh bột: (C6H10O5)n. Tinh bột đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Như một chất phụ gia, tinh bột có tác dụng làm dày và ổn định kết cấu thực phẩm [28].
Nó thường được sử dụng để tạo độ nhớt sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc làm bền keo, hệ nhũ tương hay sử dụng như chất kết dính, làm đặc…Khi bổ sung 30% tinh bột sắn vào bột mì thì độ nhớt, chất lượng gel và màu trong mì ăn liền được cải thiện. Đồng thời, sự tương tác nội phân tử giữa các phân tử Amylose (AP) và Amylopectin (AP) giảm đi. Đây là nguyên nhân tạo ra cấu trúc gel nhẹ nhàng hơn trong các hệ thống thực phẩm ăn liền. Điều này cho thấy tinh bột sắn đóng vai trò như một chất độn tổng hợp trong bột mì [17].
Ta có thể chia tinh bột ra làm 3 hệ thống: Hệ thống tinh bột các hạt ngũ cốc Hệ thống tinh bột của các hạt họ đậu Hệ thống tinh bột của các củ 1.1 Hình dạng, đặc điểm, cấu tạo của tinh bột sắn. Hình dạng tinh bột sắn Các hạt tinh bột là những tinh thể đa hình phụ thuộc vào nguồn gốc xuất xứ, trong đó có hai loại polyme được sắp xếp đối xứng xuyên tâm. Quan sát bằng SEM, hạt tinh bột sắn có kích thước từ 5 đến 40µm với những hạt lớn 25-35 µm, hạt nhỏ 5-15 µm và nhiều hình dạng, chủ yếu là hình bầu dục, bề mặt nhẵn, một bên mặt có chỗ lõm hình nón và một núm nhỏ ở giữa.1: Ẩnh chụp SEM của cation tinh bột sắn 1 do an Đặc điểm cấu tạo Tinh bột là một hợp chất hóa học không đồng nhất tạo thành từ hai thành phần chính AM và AP. Dạng lò xo không phân nhánh gọi là AM, dạng phân nhánh gọi là AP.
Trong đó, AP có một khối lượng phân tử khoảng 107- 108 còn các thành phần AM có khối lượng phân tử tương đối thấp hơn khoảng 105-106. AM và AP có những tính chất vật lý khác nhau rõ rệt.2: Cấu tạo của AM và AP Hạt tinh bột có cấu tạo lớp khá phức tạp, trong mỗi lớp đều có lẫn lộn các phân tử AM dạng tinh thể và AP sắp xếp theo phương hướng tâm. Phương pháp hiển vi điện tử và nhiễu xạ tia X cho thấy rằng trong hạt tinh bột nguyên thủy có chuỗi polyglucozit của AM và AP tạo thành xoắn ốc với ba gốc glucose một vòng.3: Tinh bột 2 do an Bên trong hạt tinh bột có phần kết tinh do AM và phần nhánh của AP tạo nên làm cho chúng không tan trong nước lạnh và tương đối trơ đối với enzyme thủy phân. Vỏ hạt tinh bột chứa ít ẩm hơn và bền hơn so với bên trong hạt tinh bột, trên bề mặt vỏ có các lỗ nhỏ, do đó các chất tan có thể xâm nhập vào bên trong qua con đường khuếch tán vỏ.
Thành phần cấu trúc của AM. AM là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị α−D-glucose, liên kết nhau bởi liên kết α−1,4 glicoside. Các nguyên tử carbon trên glucose được đánh số, bắt đầu từ các aldehyde (C = O) carbon, do đó, trong AM, 1-carbon trong một phân tử glucose liên kết với 4-carbon trên phân tử glucose tiếp theo theo liên kết (α (1 → 4. Số lượng các tiểu đơn vị glucose lặp đi lặp lại thường nằm trong khoảng từ 300 đến 3000, nhưng có thể là lên đến hàng nghìn.
Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucozơ. Đường kính của xoắn ốc là 12,97 A0, chiều cao của vòng xoắn là 7,91A0. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucozơ được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. Cấu tạo AM.
Trong hạt tinh bột, hoặc trong dung dịch, hoặc ở trạng thái thoái hóa, AM thường có cấu hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào mới chuyển sang dạng xoắn ốc. Mỗi vòng xoắn ốc thường có 6 đơn vị glucose. Liên kết hidro giữa các chuỗi liên kết làm thoái hóa và giải phóng một số phân tử nước (syneresis). Sau đó các chuỗi liên kết có thể hình thành các tinh thể đôi bị mắc kẹt có khả năng kháng amylase.
Trong công nghiệp thực phẩm thì hạ thấp hàm lượng AM sẽ có lợi hơn trong việc sử dụng làm chất tạo đặc. Tuy nhiên, khi tinh bột có tỷ lệ phần trăm AM cao, nó có thể bị biến đổi do quá trình oxy hóa tạo ra các tính chất vật lý cần thiết của tinh bột [23]. Thành phần cấu trúc của AP 3 do an AP là một polysacharide và là một polyme đa nhánh của glucose. 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. Trong khi đó, AM có rất ít liên kết α (1→6) nên bị thủy phân chậm hơn và có tỉ trọng cao hơn. AP chỉ tan trong nước ở nhiệt độ cao, tạo thành dung dịch keo có độ nhớt cao và rất bền vững. Sự thoái hóa AP xảy ra trong thời gian dài hơn so với AM, có lẽ vì cấu trúc phân nhánh của AP.
Hơn nữa một số nhà nghiên cứu đã cho thấy rằng sự tái kết tinh của AM và AP có thể xảy ra trong suốt quá trình thoái hóa. Sự thoái hóa của AP đã được nhiều nhà khoa học chứng minh có liên quan đến các nguồn tinh bột ([66, 48, 24, 89]) và nồng độ ([66, 83]) và một số yếu tố khác, ví dụ như nhiệt độ lưu trữ [83, 29], cấu trúc AP và các thành phần khác có mặt trong tinh bột cũng có tầm quan trọng.5: Cấu tạo AP 1.2 Một số tính chất của tinh bột Độ tan và tính lưu biến của tinh bột AM thu được bằng phương pháp công nghiệp thường là sản phẩm thoái hóa nên không hòa tan. AM mới tách ra từ tinh bột bằng phương pháp tạo phức với n – butanol ở dạng bột xốp khô, có thể hòa tan dễ dàng trong nước nóng đến 15%. Chúng cũng có thể hòa tan trong dung dịch kiềm loãng, tại nồng độ kiềm tối ưu.
Do trọng lượng phân tử lớn và có cấu tạo mạch thẳng nên độ nhớt của dung dịch AM thu được cũng cao. 4 do an AP khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng. Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột Sự trương nở 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 phần tử tinh bột. Tại đây chúng sẽ tương tác với nhóm hoạt động của tinh bột, quay cực, 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 rồ bị “rão” ra và trương lên. Quá trình trương xảy ra không hạn chế sẽ làm bung các phân tử tinh bột và hệ chuyển thành dạng dung dịch. Tính chất hồ hóa và khả năng tạo gel của tinh bột Nhiệt độ hồ hóa: Là nhiệt độ để phá vỡ hạt, chuyển tinh bột từ trạng thái ban đầu có mức độ hydrat hóa khác nhau thành dung dịch keo. Tinh bột bắt đầu biến tính tạo gel ở nhiệt độ 60oC– 70oC, khi tinh bột bị xử lý đồng thời bằng nhiệt và ẩm sẽ xảy ra hiện tượng hồ hóa.
Các hạt tinh bột hấp thụ nước vào các nhóm hydroxyl phân cực trương nở lên. Khi đó độ nhớt dịch tinh bột sẽ tăng. Liên kết hydro có thể nối trực tiếp các mạch polyglucozit lại với nhau hoặc gián tiếp qua cầu phân tử nước. Khác với gel protein, gel tinh bột chỉ có liên kết hydro tham gia.
Vì gel tinh bột chứa cả AM và AP nên trong gel tinh bột có vùng kết tinh và vùng vô định hình. Tham gia vào vùng kết tinh có các phân tử AM và các đoản mạch AP kết dính lại với nhau. Cấu trúc nhiều nhánh mà chủ yếu là các nhánh bên của phân tử AP sẽ cản trở sự dàn phẳng và sự kết dính. Vùng kết dính vừa nằm trong các hạt đã trương vừa nằm trong dung dịch nước giữa các hạt sẽ tạo ra độ bền và độ đàn hồi của gel.
Phần của đại phân tử AM và AP nối vào mixen kết tinh nhưng nằm trong phần vô định hình ở giữa các mixen sẽ tạo cho gel một áp suất nhất định không bị phá hủy và trong một chừng mực đáng kể áp suất này do số lượng tương đối của phần tử vô định hình quyết định. Gel tinh bột để nguội trong một thời gian dài sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ thoát ra, quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó cho tan giá. Theo nghiên cứu của Chaisawang và Suphantharika (2005) về việc xác định RVA về tính hồ hóa của tinh bột sắn cation có và không có gum được thể hiện trong hình. 5 do an Hình 1.6 : RVA độ nhớt của xanthan gum (XG), guar gum (GG), cation tinh bột sắn (CT), và cation tinh bột sắn có bổ sung guar gum (CTC GG) hoặc xanthan gum (CTC XG) Tính hồ hóa của tinh bột sắn cation bị ảnh hưởng rất nhiều bởi việc bổ sung các gum.
Từ quan điểm hóa -lý, người ta cũng cho rằng việc bổ sung các loại gum có thể làm tăng độ nhớt của tinh bột nhão. Tác dụng vào độ nhớt tồn tại giữa các cation tinh bột khoai mì và gum. Việc nhanh chóng tăng độ nhớt trong hệ thống treo của hỗn hợp tinh bột gum đã được phát hiện khi nhiệt độ tăng từ 50-95oC [61]. Các thành phần tự nhiên chứa trong tinh bột, chẳng hạn như chất béo hoặc protein, cũng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của hỗn hợp gel [59].2 Hiện tượng thoái hóa của tinh bột Sự thoái hóa của tinh bột là hiện tượng tinh bột đã được hồ hóa, từ một trạng thái ban đầu không định hình chuyển thành nhiều trạng thái hoặc trạng thái kết tinh.
Điều này xảy ra bởi vì dạng bột nhão hoặc gel của tinh bột hồ hóa không phải là trong trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Đặc tính lưu biến của gel thay đổi, bằng chứng là tăng độ cứng. Sự thoái hóa làm mất khả năng giữ nước và sự kết tinh. Điều này ảnh hưởng lớn đến các sản phẩm có chứa tinh bột.