CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về sắn và tinh bột sắn 1. Nguồn gốc cây sắn Sắn (hay còn gọi là khoai mì) có tên khoa học là Manilhot Esculenta, tiếng Anh là Cassava hay Tapioca. Sắn là một trong số các loại cây có củ mọc ở hơn 80 quốc gia có khí hậu nhiệt đới ẩm trên thế giới.
Nó bắt nguồn từ lưu vực sông Amazone Nam Mỹ, từ thế kỉ XVI mới được trồng ở châu Á và châu Phi. Tinh bột sắn là một thực phẩm được dùng ổn định trong một số khu vực và trên toàn thế giới (R. Giới thiệu về tinh bột Tinh bột là nguồn carbohydrate dự trữ của thực vật. Vì vậy nó được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên.
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 chiếm từ 65-90% tổng lượng chất khô, là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp (J. Thành phần cấu tạo tinh bột Tinh bột có dạng hạt màu trắng, là một carbohydrate cao phân tử bao gồm các đơn vị D- glucose nối với nhau bởi một liên kết duy nhất là α-D-glucoside. Công thức phân tử gần đúng là (C6H10O5)n trong đó n có giá trị từ vài trăm đến khoảng mười nghìn.
Hầu hết các hạt tinh bột trong tự nhiên, bất kể chủng loại hoặc vị trí mô thực vật, đều chứa hai loại polysaccharide chính, là amylose và amylopectin (Robin, 1974). Amylose là polysaccharide mạch thẳng, chuỗi dài chứa từ 840 đến 22.000 đơn vị glucose, liên kết với nhau bởi liên kết α-1,4-glycoside (P. Có hai loại amylose: – Amylose có mức độ trùng hợp thấp (dưới 2000 đơn vị glucose) bị phân ly hoàn toàn bởi enzyme β-amylase. – Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, bền hơn với enzyme β-amylase nên chỉ bị phân hủy khoảng 60%.
1 do an Amylose chỉ gồm một hoặc một vài chuỗi phân tử glucose mạch thẳng hoặc hơi nhánh. Hàm lượng amylose của hầu hết các loại tinh bột là 20-30%. Tuy nhiên, một số loại tinh bột đột biến gen, được gọi là “waxy” có hàm lượng amylose thấp hơn nhiều, thậm chí hoàn toàn không chứa thành phần amylose. Một số khác thì lại chứa hàm lượng amylose cao hơn, hình dạng của các hạt tinh bột này thường bị biến dạng hơn (E.
Amylose thường có cấu hình mạch thẳng, khi thêm tác nhân kết tủa, amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc. Đường kính của xoắn ốc là 12,97Ao, chiều cao của vòng xoắn là 7,91Ao. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. Mạch amylose dài tạo thành một vòng linh động trong nước và có ái lực mạnh với iodine (Hoàng Kim Anh, 2005).
Amylose có thể bị phá vỡ liên kết chỉ đơn thuần bằng cách đun nóng trong nước (Detex French, 1973).2: Cấu trúc cuộn xoắn của phân tử amylose Amylopectin cũng là một polysaccharide chứa các phân tử glucose liên kết với nhau bởi liên kết α-1,4-glycoside tạo thành mạch chính. Ngoài ra amylopectin còn có mạch nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6-glycoside. Phân tử amylopectin có thể chứa từ 300. Mạch nhánh của amylopectin thì chỉ chiếm khoảng 30 đơn vị glucose.
Tuy nhiên có rất nhiều mạch nhánh của amylopectin giúp nó có trọng lượng phân tử gấp 1000 lần amylose. Amylopectin là một đại phân tử trong tự nhiên với khối lượng phân tử là 400 triệu. Amylopectin không tan trong nước ở nhiệt độ thường và chiếm khoảng 70% khối lượng hạt tùy thuộc vào chủng loại hạt tinh bột (P. 2 do an Hình 1.3: Cấu tạo của amylose và amylopectin.
Trong cấu trúc phân tử amylopectin, các phân đoạn khác nhau được phân biệt như hình 1.4: Các chuỗi khác nhau của phân tử amylopectin (Peat S, 1952). A: chuỗi không chứa điểm nối (-CH<) B: chuỗi chứa điểm nối (-CH<). Được chia làm hai loại nhỏ là: – Ba-chuỗi liên kết với ít nhất một chuỗi loại A và – Bb- chuỗi chỉ được liên kết với một hoặc nhiều chuỗi loại B. Ngoài ra, mỗi phân tử amylopectin chỉ chứa duy nhất một chuỗi loại C, chuỗi duy nhất chứa nhóm –OH ở vị trí C1.
3 do an Hình 1.5: Các phân đoạn khác nhau của phân tử amylopectin (Peat S, 1952). – Chuỗi bên ngoài: phần kéo dài từ phân tử glucose ngoài cùng đến phân tử glucose chứa điểm nối (-CH<). Vậy tất cả chuỗi loại A và một phần chuỗi loại B là chuỗi bên ngoài. – Chuỗi bên trong: phần còn lại của một chuỗi loại B – Chuỗi trung tâm: chuỗi chứa các đoạn phân nhánh.6: Cấu trúc “chùm” của phân tử amylopectin trong hạt tinh bột (Hizukuki, 1983).
4 do an Hình trên cho thấy sự khác nhau về các chuỗi liên kết trong phân tử amylopectin, gồm có chuỗi loại A, B và C. Chuỗi A là chuỗi ngắn nhất và được liên kết đến phân tử amylopectin bởi 1 liên kết đơn α-1,6-glucoside, chuỗi A là chuỗi phía ngoài. Chuỗi B bao gồm những chuỗi A và các chuỗi loại B khác. Chuỗi B thì được phân chia thành chuỗi B1, B2, B3 và B4 dựa trên sự tương quan về chiều dài của chúng và số lượng vị trí phân nhánh (Kainuma, 1972).
Chuỗi B1 chứa 1 vị trí phân nhánh, B2 chứa 2 vị trí phân nhánh và cứ như thế. Bằng cách tăng các vị trí phân nhánh, chiều dài của những chuỗi này tăng thêm và tạo nên toàn bộ cấu trúc của phân tử. Mỗi phân tử amylopectin có một chuỗi C duy nhất và cũng là chuỗi dài nhất của phân tử. Với cấu trúc này thì thường tại các điểm phân nhánh là vị trí có trọng lượng phân tử thấp và vùng mạch thẳng của chuỗi là vùng có khối lượng phân tử cao.
Sau đó các chuỗi mạch thẳng xoắn đôi lại và kết tinh lại thành một cấu trúc tinh thể, loại A hoặc loại B sẽ trình bày ở phần 1. Cấu trúc tinh thể của hạt tinh bột Trong hệ vi hạt, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có bán kính trong khoảng từ 4-7μm (J. Mỗi loại hạt tinh bột có một hình dạng và kích thước đặc trưng riêng, dạng tròn, bầu dục hay đa diện. Một vài loại hạt, như hạt tinh bột gạo, chỉ có dạng tinh thể hình trứng (Rani, 1995), trong khi một số hạt tinh bột biến đổi gen lại có nhiều hình dạng rất khác nhau (Wang, 1997).
Riêng ở hạt lúa mì lại thể hiện hai dạng tinh thể đặc trưng khác nhau, gọi là cấu trúc tinh thể loại A và loại B. Cấu trúc tinh thể của tinh bột được chia thành 3 loại khác nhau là A, B và C (Katz và Itallie, 1930). Dạng A tìm thấy chủ yếu ở tinh bột ngũ cốc, dạng B ở các loại củ cho tinh bột như khoai tây. Dạng C là cấu trúc hỗn hợp của dạng A và B, với trung tâm của hạt tinh bột là loại B, và vùng ngoài cùng là loại A (Gidley, 1987).
Dạng C được tìm thấy ở các loài cây họ đậu và các loài cây cho củ nhiệt đới như sắn. Ở dạng cấu trúc A, các sợi xoắn kép thường rất dày đặc trong khi ở cấu trúc dạng B, chuỗi xoắn kép được sắp xếp tạo thành các khoảng trống để phân tử nước có thể thâm nhập được (Hình 1. 5 do an Hình 1.7: Cấu trúc của tinh bột loại A và loại B của amylose (Imberty, 1991). (Màu đen là các phần tử nước bên trong cấu trúc) Trong tinh thể loại A có một đơn vị cấu trúc hệ đơn tà (a=2.50) với tám phân tử nước trong mỗi đơn vị cấu trúc.
Trong cấu trúc tinh thể loại B có một đơn vị cấu trúc hệ lục phương (a= b=1.04nm) với 36 phân tử nước trong mỗi đơn vị cấu trúc. Cả hai loại tinh thể A và B đều có các ô cở sở là chuỗi xoắn kép của các phân tử glucose (Imberty, 1991). Khi quan sát mặt cắt của hạt tinh bột dưới kính hiển vi điện tử, ta thấy được sự xuất hiện của các vòng tròn đồng tâm, được xem là những vòng sinh trưởng của hạt (Hình 1. Sự phát sinh những vòng tròn này là do sự thay đổi của những yếu tố bên ngoài (như ánh sáng, nhiệt độ hay môi trường dinh dưỡng) nhưng sự ảnh hưởng cụ thể như thế nào chưa được làm rõ.
Nghiên cứu sự phát triển của hạt lúa mì và lúa mạch trong điều kiện môi trường không thay đổi cho thấy hạt tinh thể của chúng thiếu đi những vòng sinh trưởng sau khi tăng trưởng. Tuy nhiên tinh bột khoai tây là môt ngoại lệ. Các vòng tròn này cách nhau khoảng hơn 100nm. Khoảng cách này có thể thay đổi phụ thuộc vào vị trí trong hạt tinh bột (Buttrose, 1962).
6 do an Hình 1.8: Mặt cắt ngang hạt tinh bột khoai tây quan sát bằng kính hiển vi điện tử Cấu tạo bên trong hạt tinh bột khá phức tạp. Vi hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp đều có lẫn các amylose và amylopectin sắp xếp theo chiều hướng tâm. 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. Các lớp tinh thể và vùng vô định hình được sắp xếp với chiều dày theo chu kì 9-10nm.
Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch thẳng liên kết với nhau thành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chùm trong khi phần mạch nhánh nằm trong các lớp vô định hình. Mô hình “chùm” cho thấy rằng phân tử amylopectin bao gồm các loại chuỗi có chiều dài mạch khác nhau (Manners, 1989). Nghiên cứu trên kính hiển vi điện tử quét SEM, kính hiển vi điện truyền qua TEM, kính hiển vi nguyên tử và những nghiên cứu enzyme khác cho thấy lớp tinh thể và vô định hình của phân tử amylopectin tập hợp thành một cấu trúc cầu lớn (Gallant, 1997). 7 do an Hình 1.9: Cấu trúc hạt tinh bột (Lê Ngọc Tú, 2001) 1.
Tính chất của tinh bột 1. Tính chất vật lý Độ hoà tan của tinh bột Amylose mới tách từ tinh bột có độ hoà tan cao. Nhưng không bền nhanh chóng bị thoái hoá trở nên không hoà tan trong nước. Amylopectin không hoà tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hoà tan trong nước nóng.
Khả năng hòa tan thấp của tinh bột do các cấu trúc bán tinh thể của hạt tinh bột và các liên kết hydro được hình thành giữa các nhóm hydroxyl trong phân tử tinh bột (Eliasson, 1996). Tinh bột ngũ cốc có khả năng hòa tan thấp hơn tinh bột củ do tinh thể có cấu trúc nhỏ gọn và độ kết tinh khác với tinh bột củ (Collison, 1968).