CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Tinh bột là nguồn dinh dưỡng dự trữ của thực vật chúng chiếm tỷ lệ lớn trong các bộ phận hạt, củ, quả,. của các cây lương thực (Kerry, 2010). Hình dáng, kích thước, mức độ tinh thể hóa của hạt tinh bột cũng như thành phần hóa học và tính chất của tinh bột phụ thuộc nhiều vào giống cây, điều kiện canh tác, quá trình sinh trưởng của cây,…(Whistler, 2009).
Tinh bột là nguồn cung cấp năng lượng chính cho dinh dưỡng của con người. Ngoài ra, tinh bột và các sản phẩm của chúng còn có vai trò quan trọng trong ngành Công nghệ thực phẩm. Tinh bột được sử dụng để tạo nên kết cấu, sự hấp dẫn của nhiều loại thực phẩm (Cui, 2005). Tinh bột được dùng trong thực phẩm như là một chất làm dày, chất ổn định, kết dính,… đối với từng loại sản phẩm đặc trưng.
Tinh bột ngày càng được sử dụng rộng rãi không chỉ trong ngành Công nghệ thực phẩm mà còn trong nhiều ngành công nghiệp khác như dệt, giấy,…. Các tính chất của tinh bột tự nhiên đã không còn đáp ứng kịp yêu cầu về kỹ thuật trong sản xuất cũng như nhu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao của người tiêu dùng. Do đó, các nghiên cứu về tinh bột biến tính đã giúp giải quyết vấn đề này. Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta thực hiện các phương pháp với các tác nhân biến tính được chia thành ba loại chủ yếu là Vật lý, Sinh học và Hoá học.
Phương pháp biến tính tinh bột bằng tác nhân hóa học đã được phát triển cách đây nhiều năm và tinh bột biến tính cũng đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Nghiên cứu của chúng tôi sẽ đánh giá sự thay đổi về cấu trúc, tính chất hóa lý của tinh bột bắp, làm tiền đề cho các nghiên cứu phát triển thêm từ đề tài này. Tinh bột bắp là loại tinh bột được tách ra từ hạt bắp. Hạt bắp được ngâm trong nước, mầm được tách ra khỏi nội nhũ, sau đó nghiền nhỏ và rửa nhiều lần và cuối cùng đem đi sấy khô để thu được tinh bột.
Bắp là loại cây lương thực được sử dụng rộng rãi và có sản lượng dẫn đầu thế giới về cây lương thực. Bắp được trồng nhiều ở Mỹ, Trung Quốc, Brasil, México, Argentina, Ấn Độ, Pháp, Indonesia, Nam Phi và Italia (FAO, 2005). Vì là cây lương thực chính và có sản lượng lớn trên thế giới hiện 9 Luan van nay, nên chúng tôi đã lựa chọn tinh bột bắp là nguyên liệu được đem đi xử lý trong nghiên cứu này. Cấu trúc hóa học của tinh bột Tinh bột được tạo thành từ hai đại phân tử là amylose và amylopectin (Cui, 2005), mà cả hai đều được tạo thành từ một tiểu đơn vị là glucose.
Amylose là polymer dạng mạch thẳng, cấu tạo từ những D-glucopyranose chủ yếu thông qua liên kết α-1,4-glycoside. Tuy nhiên, trong amylose cũng chứa khoảng 0.1% các liên kết α-1,6-glycoside (Hizukuri, 1984; Takeda, 1986). Amylopectin là một polymer của các D-glucopyranose dạng mạch phân nhánh thông qua hai liên kết là α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside. Đối với phân tử amylopectin, tỷ lệ liên kết α-1,6-glycoside là 4%, cao hơn nhiều so với amylose (Nakamura, 2015).
Phân tử amylopectin lớn hơn rất nhiều so với amylose, bởi vì khối lượng phân tử của nó ở khoảng 107 tới 108 g/mol, trong khi amylose có khối lượng phân tử từ 5×105 đến 106 g/mol. Hai loại phân tử này có thể được phân biệt bởi kích thước phân tử và khả năng liên kết khác nhau của chúng với dung dịch iodine (Banks và Greenwood, 1975). 10 Luan van Hình 1. Cấu tạo của Amylose và Amylopectin (Sanyang, 2018) Amylose có cấu trúc vòng xoắn helix linh hoạt trong nước và có khả năng tương tác với iodine tạo phức có màu xanh đặc trưng (Kerry, 2010).
Phức hợp này có độ hấp thu cao nhất tại λmax = 620nm cho màu xanh thẫm. Chiều dài mạch polymer phụ thuộc tuyến tính với ái lực của chuỗi với iodine, đây cũng là cơ sở cho phương pháp xác định chiều dài chuỗi glucan. Chiều dài chuỗi thay đổi sẽ dẫn đến ái lực với iodine và bước sóng hấp thụ cực đại thay đổi. Ở 20oC, amylopectin có khả năng liên kết với iodine 0.2% (w/w) và phức hợp tinh bột-iodine có λmax =550 nm.
Theo Kossmann (2000), phân tử amylose phải có dạng vòng xoắn ốc mới có thể phản ứng được với iodine. Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iodine vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh (Hanes, 1938). 11 Luan van (a) Cấu trúc của phức tinh bột với iodine. Chuỗi amylose tạo một đường xoắn ốc quanh đơn vị I6 (b) Góc nhìn từ trên xuống thấy iodine bên trong vòng helix.
Cấu trúc của phức tinh bột với iodine 1. Đặc điểm chung của hạt tinh bột 1. Hình thái hạt tinh bột Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng vi hạt. Tùy thuộc vào nguồn gốc của các hạt tinh bột mà chúng sẽ khác nhau về kích thước, hình dạng và vị trí tâm hạt.
Trong cùng một loại tinh bột, hình dáng và kích thước của các hạt cũng không giống nhau. Các hạt tinh bột củ thường có kích thước to và có dạng hình bầu dục (Whistler, 2009). Các hạt tinh bột ngũ cốc như yến mạch và gạo có hình đa giác hoặc hình tròn. Kích thước của các hạt tinh bột khác nhau với đường kính nằm trong khoảng 2-100 µm (Nakamura, 2015).
Kích thước hạt tinh bột bắp trong khoảng từ 5-25µm, có hình đa giác hoặc hình tròn. Tinh bột khoai tây có hạt lớn nhất trong số tất cả các tinh bột. Kích thước của hầu hết các hạt tinh bột ngũ cốc là nhỏ hơn so với các loại củ và tinh bột đậu (Cui, 2005). 12 Luan van (a) Bắp bình thường; (b) Bắp sáp; (c) Khoai tây; (d) Lúa mì; (e) Miến; (f) Bắp đường Hình 1.
Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột (Whistler, 2009) 1. Cấu trúc tinh thể Tinh bột trong tự nhiên có cấu trúc bán tinh thể, mức độ kết tinh của hạt tinh bột dao động từ 15-45 % (Sajilata, 2006). Vùng tinh thể phần lớn là amylopectin và chỉ có một số ít amylose, ngược lại amylose tồn tại chủ yếu trong vùng vô định hình và chỉ có một lượng nhỏ các mạch nhánh (Cui, 2005; Kerry, 2010). 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 vô định hình được sắp xếp với chiều dày theo chu kỳ 9-10 nm (Whistler, 2009). 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 (Kerry, 2010). Amylose có thể được hòa tan ra khỏi hạt mà 13 Luan van không làm ảnh hưởng đến tính chất tinh thể và thậm chí tinh bột không có amylose giống như tinh bột nếp, là một dạng bán tinh thể. Mức độ tinh thể phụ thuộc vào hàm lượng nước.
Mức độ tinh thể là 24 % đối với tinh bột khoai tây đã sấy khô bằng không khí (19,8 % ẩm), 29-35 % đối với sản phẩm ướt (45-55 % ẩm) và chỉ có 17 % đối với tinh bột được sấy khô bằng P2O5 và sau đó ngậm nước lại (Belitz, 2009). Các tính chất của tinh bột Hiện tượng hồ hóa và tái kết tinh là hai hiện tượng quan trọng của tinh bột được ứng dụng nhiều trong ngành công nghệ thực phẩm. Nghiên cứu về đặc điểm, cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng giúp ta hiểu thêm về mối liên hệ giữa cấu trúc và các tính chất của tinh bột (Cui, 2005). Sự hồ hóa và một số tính chất của tinh bột hồ hóa Tinh bột tự nhiên không hòa tan trong nước lạnh nhưng lại tan tốt trong nước nóng.
Hạt tinh bột dưới tác dụng nhiệt trong môi trường nước sẽ xảy ra quá trình biến đổi từ cấu trúc được sắp xếp có trật tự thành dạng vô định hình. Khi tinh bột bị hồ hóa, tính trật tự của các phân tử bên trong hạt tinh bột bị phá vỡ, kéo theo là sự thay đổi tương thích và bất thuận nghịch của các tính chất của tinh bột như sự trương nở của hạt tinh bột, sự phân rã của vùng tinh thể, mất tính lưỡng chiết, sự gia tăng độ nhớt và tính hòa tan của tinh bột. Cơ chế của sự hồ hóa tinh bột đã được nghiên cứu dựa trên các đồ thị nhiệt vi sai (DSC). Có nhiều giả thiết về cơ chế hồ hóa của tinh bột như Donovan (1979) cho rằng có hai cơ chế riêng biệt quyết định bởi các vùng sắp xếp có trật tự trong hạt tinh bột trải qua giai đoạn chuyển tiếp trong một dãy hàm lượng ẩm.
Sự thu nhiệt ở nhiệt độ thấp phản ánh sự mất dần các lớp vỏ của hạt tinh bột và sự mất định hướng của các chuỗi polymer của vùng tinh thể của tinh bột. Quá trình này tạo điều kiên cho hoạt động trương nở xảy ra trong vùng vô định hình. Khi hàm lượng nước tăng lên và trở nên không đủ cho quá trình tan chảy hoàn toàn ở trên thì vùng tinh thể bị hydrate hóa một phần sẽ có xu hướng tan chảy ở nhiệt độ cao hơn bởi giá trị phụ thuộc vào thể tích pha loãng như theo dự đoán của thuyết Flory (Cui, 2005). Độ nhớt Độ nhớt là một tính chất cơ bản và đặc trưng của mọi chất lỏng.
Khi một dòng chất lỏng chảy nó sẽ tồn tại một trở lực bên trong và độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho trở lực đó. Độ nhớt cũng được xem như là lực kéo và là đại diện của các thuộc tính ma sát của chất lỏng (Dabir S. Độ nhớt phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có nhiệt độ, áp suất và nồng độ chất lỏng. Theo Harding (1997), độ nhớt được chia thành độ nhớt tuyệt đối và độ nhớt động học.
Độ nhớt động lực (Dynamic viscosity) hay còn được gọi là độ nhớt tuyệt đối (Absolute viscosity) được định nghĩa là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích cần thiết để di chuyển một mặt phẳng nằm ngang với một mặt phẳng khác. Đơn vị của độ nhớt động lực theo hệ SI là N. Độ nhớt động học (Kinematic viscosity) là tỷ lệ giữa độ nhớt động lực với tỷ trọng của chất lỏng. Trong hệ SI, độ nhớt động học có đơn vị là m2/s hoặc stoke (St) với 1 St = 10-4 m2/s.