CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Cấu trúc và tính chất của phức hợp tinh bột-lipid Phức hợp tinh bột-lipid là một phức hợp mà phần kỵ nước của lipid ở bên trong cấu trúc tinh bột xoắn, [Hình 1. Những mô tả này phù hợp với cả phức hợp amylose-lipid và amylopectin-lipid. Tuy vậy hai phức hợp này vẫn có những khác biệt đáng kể ở mức độ siêu phân tử (Eliasson và M.1 Cấu trúc xoắn Cấu trúc xoắn rất phổ biến trong các đại phân tử sinh học chẳng hạn các xoắn kép DNA. Một số cấu trúc xoắn có thể tìm thấy trong các protein hay trong các polysaccharide như tinh bột.
Trong tinh bột có hai loại xoắn: xoắn kép của các tinh thể tinh bột và xoắn đơn được hình thành giữa tinh bột và các tác nhân tạo phức như iodine (Rundle và Baldwin, 1943, Morrison và Laignelet, 1983a), các hợp chất hữu cơ (Rundle và Edwards, 1943, Manley, 1964, Kowblansky, 1985, Wulff và các cộng sự, 1998) và lipid (Mikus và các cộng sự, 1946, Yamashita, 1965, Carlson và các cộng sự, 1979, Biliaderis và các cộng sự, 1985, Eliasson và Krog, 1985). Tất cả những cấu trúc này có điểm chung là đều được ổn định bằng liên kết hydro. Trong các dung dịch không phân cực, năng lượng tăng lên từ sự hình thành liên kết hydro thường đủ để chống lại sự giảm entropy khi hình thành các chuỗi xoắn. Trong nước, tinh bột có khả năng tạo liên kết hydro với môi trường.
Điều này làm giảm số liên kết hydro nội phân tử dẫn đến sự hình thành cấu trúc xoắn. Lý do hình thành cấu trúc xoắn là để các phần kỵ nước của phân tử tránh tiếp xúc nhiều với nước. Do đó, bề mặt bên trong của hình xoắn là kỵ nước, tương tự với cấu trúc xoắn của phức tinh bột-lipid (Immel và Lichtenthaler, 2000). Bên cạnh đó, sự hình thành các vòng xoắn có sự cân bằng giữa sự giảm entropy do khóa các phân tử của hình xoắn vào một cấu trúc với sự tăng enthanpy do liên kết hydro và / hoặc entropy tăng do hiệu ứng kỵ nước.
Sự hình thành phần đầu của hình xoắn làm entropy giảm mạnh nhất, trong khi đó quá trình này lại thấp hơn đối với phần tiếp theo của chuỗi xoắn (Eliasson và M. 2 do an Hình 1. Hình xoắn đơn ngược chiều kim đồng hồ của amylose Vh. (a) mặt trong, (b) mặt trước.2 Các thuộc tính của phức hợp tinh bột-lipid Như đã đề cập, amylose và amylopectin đều có thể tạo phức với các phân tử lipid.
Bản thân phức hợp của hai polyme tinh bột có lẽ là tương tự nhau, nhưng sự tổ chức và cấu trúc siêu phân tử thì khác nhau. Phức hợp hình thành với amylose dễ dàng phát hiện bằng phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC), trong đó sự nóng chảy của phức hợp là một đỉnh thu nhiệt. Trong tinh thể học tia X, tinh thể của phức amylose-lipid thường làm tăng cấu hình V (Zobel và các cộng sự, 1967). Trong khi đó, amylopectin không thể hiện bất kỳ đặc tính nào như vậy.
Do đó chỉ gần đây, khả năng tạo phức của nó mới được chứng minh một cách rõ ràng (Svensson và các cộng sự, 1996; Lundqvist, 2001; Lundqvist và các cộng sự, 2002a). Các phức hợp tinh bột-lipid thường được mô tả là có sáu phân tử glucose mỗi vòng, gồm hai hoặc ba vòng xoắn trên phức hợp. Immel và Lichtenthaler (2000) đã hoàn thành mô hình phân tử của phức ngậm nước (Vh-amylose) dựa trên các dữ liệu tia X đối với iodine. Họ mô tả các chuỗi xoắn có đường kính tổng cộng khoảng 13.5 Ǻ, khoảng cách tâm là 5.4 Ǻ, và bề rộng đường biên là 8.
Bề mặt ngoài của hình xoắn là ưa nước, trong khi bề mặt bên trong là kỵ nước. Hình 1 thể hiện hình xoắn Vh theo mô tả này. 3 do an Không có bất kỳ giới hạn về số lượng các phân đoạn xoắn ốc có thể được hình thành. Trên thực tế, chiều dài của xoắn Vh với phức hợp iodine được báo cáo cao hơn 2-3 vòng so với mười vòng đã được phát hiện đối với phức hợp lipid (Yu và các cộng sự, 1996).
Điều này rất có thể là do thuộc tính của lipid đã giới hạn độ dài của phức hợp (Eliasson và M. Trong một số trường hợp, các cấu trúc khác có hơn sáu đơn vị glucose mỗi vòng được đề xuất. Các cấu trúc hữu cơ cồng kềnh sẽ gặp khó khăn khi chứa trong cấu trúc sáu phân tử glucose mỗi vòng. Vì thế mà những xoắn gồm bảy đến tám phân tử glucose mỗi vòng đã được đề xuất (Yamashita và Hirai, 1966, Yamashita và Monobe, 1966).
Phức hợp amylose-lipid tạo thành các cấu trúc nóng chảy được phân thành loại I và loại II. Những cấu trúc này khi quan sát với DSC cho thấy sự nóng chảy ở hai nhiệt độ rất khác biệt (Biliaderis, 1992, Biliaderis và Galloway, 1989, Biliaderis và Seneviratne, 1990). Tùy vào điều kiện thực nghiệm và loại lipid được khảo sát, nhiệt độ nóng chảy của cấu trúc loại I thường thấp hơn 10 -30 độ so với loại II, (Eliasson và Krog, 1985, Kowblansky, 1985, Eliasson, 1994, Karkalas và các cộng sự, 1995, Tufvesson và các cộng sự, 2003a, b). Cấu trúc loại II được phát hiện trong tinh thể học tia X, trong khi loại I thì không.
Vì vậy, loại I có lẽ là ở một trạng thái vô định hình. Các tinh thể của phức loại II biểu thị cấu hình Vh (Zobel và các cộng sự, 1967) khi quan sát với các dòng nhiễu xạ tương ứng 11. Mặc dù những phức hợp khác nhau về trật tự tinh thể nhưng chúng vẫn có enthalpy nóng chảy tương tự. Điều đó chỉ ra rằng năng lượng thu được khi làm nóng chảy một chuỗi xoắn đơn chi phối quá trình nóng chảy của cả phức loại I và loại II (Kowblansky, 1985).
Như vậy, sự khác biệt giữa hai dạng phức hợp có lẽ là do sự khác biệt về entropy, không phải enthanpy (Eliasson và M. Các tinh thể của phức amylose-lipid được cho là tạo thành từ các lớp lamellar của phức hợp. Sự gấp của amylose cho phép các chất béo được định hướng đối diện với nhau tương tự như định hướng trong một lớp kép (Manley, 1964, Biliaderis và Galloway, 1989, Biliaderis, 1992, Godet và các cộng sự, 1996). Cũng có những báo cáo về một cấu trúc thứ ba xảy ra ở hàm lượng nước thấp và nhiệt độ cao hoặc áp lực như trong quá trình ép đùn (Le Bail và các cộng sự, 1999, Mercier và các cộng sự, 1979).
Dạng thứ ba này được gọi là cấu hình Eh, chúng có lẽ tương tự dạng Vh nhưng có sự giảm bớt các khoảng cách trong chuỗi xoắn (Eliasson và M.2 Sự hình thành của phức hợp tinh bột-lipid Sự hình thành các phức hợp tinh bột-lipid bao gồm một số quá trình: Sự chuyển đổi của cuộn xoắn, sự hình thành liên kết hydro giữa các phân tử glucose và quá trình loại nước từ các phần bên trong của xoắn ốc. Các tương tác kỵ nước giữa lipid và phần tử kỵ nước bên trong xoắn tinh bột. Sự tạo thành siêu cấu trúc của phức hợp xảy ra ở cả hai cấu hình loại I và loại II (Eliasson và M. Biểu đồ Scratchcard cho liên kết của hexadecyltrimethylamoniumbromide (CTAB) với các polysaccharide ở 270C.
Những hình vuông đại diện cho amylose và những hình tam giác là tinh bột amylopectin khoai tây. Kết tủa được phát hiện trong khoảng nồng độ được đánh dấu bằng đường nét đứt. Đối với amylose, sự hình thành phức với lipid và chất hoạt động bề mặt cho thấy sự hỗ trợ nhau một cách tích cực (Yamamoto và các cộng sự, 1983, Bulpin và các cộng sự, 1987, Lundqvist và các cộng sự, 2002a), [Hình 1. Lý do có thể là do sự hỗ trợ lẫn nhau của tương tác amylose-lipid trên sự hình thành chuỗi xoắn.
Trái lại, các chuỗi ngắn hơn 5 do an trong amylopectin sẽ không cho phép sự kết hợp như vậy (Lundqvist và các cộng sự, 2002a). Điều này được minh chứng bằng thực tế là sự kết hợp trong tương tác amylose- lipid biến mất khi chiều dài chuỗi amylose giảm (Yamamoto và các cộng sự, 1983). Các đường đẳng nhiệt liên kết lipid với tinh bột sẽ bị ảnh hưởng bởi cả tính chất của tinh bột và lipid. Tuy nhiên, đối với các lipid với chiều dài chuỗi là mười hoặc lớn hơn thường có khả năng hình thành phức hợp cao ở nồng độ lipid rất thấp.
Ví dụ sự hình thành của phức hợp CTAB và tinh bột (cả amylose và amylopectin) xảy ra ở nồng độ chất hoạt động bề mặt dưới 0.3 mM (Eliasson và M. Nhìn chung, enthanpy hình thành phức hợp đã được xác định bởi Yamamoto cùng các cộng sự (1983) và Lundqvist cùng các cộng sự năm (2002). Cụ thể là, enthanpy của sự hình thành phức hợp là -40 kJ/mol đối với natri dodecylsulphate (SDS) (Yamamoto và các cộng sự, 1983) và -60 kJ/mol đối với CTAB (Lundqvist và các cộng sự, 2002b) khi liên kết với amylose. Trong khi đó, enthanpy cho các liên kết của CTAB với amylopectin hơi thấp, -40 kJ/mol.
Tuy giá trị enthanpy của sự hình thành phức hợp CTAB-amylose chỉ khoảng 11J/g tinh bột nhưng enthanpy nóng chảy của phức hợp này đến 17J/g (Eliasson, 1988). Lý do cho sự khác biệt trong enthanpy đối với sự hình thành có thể là do sự phân ly xảy ra nhiều. Tuy nhiên, điều này rất có thể phản ánh một chuỗi những hiện tượng phức tạp hơn về “sự nóng chảy” những phức hợp, không ngoại trừ cả sự phá hủy cấu trúc siêu phân tử (Eliasson và M. Thậm chí nếu xu hướng tạo phức cao thì sự hình thành phức vẫn còn phụ thuộc vào dạng tồn tại của các lipid.
Chúng nên ở trạng thái tự do trong dung dịch để có thể hình thành phức hợp. Do đó, các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan của chất béo sẽ ảnh hưởng đến lượng phức hình thành. Ví dụ, acid béo sẽ dễ dàng để tạo các phức ở pH cao vì khi đó chúng được tích điện. Lipid hòa tan sẽ tạo thành phức hợp dễ dàng hơn ở điểm Kraft của chúng.
Thêm vào đó, đặc tính phase của lipid cũng đóng vai trò quan trọng. Lipid phân cực trong các cấu trúc tinh thể-lỏng dạng tấm mixen có độ hòa tan cao hơn so với chất béo trong phase rắn. Vì thế, sự khác biệt này dẫn đến lượng phức hợp hình thành ít hơn đối với chất béo rắn (Riisom và các cộng sự, 1984). Hầu hết các phức hợp tinh bột-lipid không tan trong nước.
Tuy vậy phức hợp tan trong nước có tồn tại, chẳng hạn các phức hợp ở nồng độ thấp hay khi chúng chứa các chất hoạt động bề mặt tích điện như CTAB (Lundqvist và các cộng sự, 2002a) hoặc SDS (Svensson và các cộng sự, 1996). Hơn nữa, những phức hợp tan còn có thể thu được bằng 6 do an con đường biến đổi hóa học từ amylose (Wulff và các cộng sự, 1998).