CHƯƠNG 1. Giới thiệu về tinh bột khoai mì [2, 3, 13] Khoai mì (sắn – Manihotesculenta Crantz) được trồng chủ yếu ở châu Á, châu Phi và một số nước Nam Mỹ. Ngoài việc sử dụng trực tiếp như một loại lương thực, khoai mì còn được sử dụng để sản xuất tinh bột. Tinh bột khoai mì có khả năng thay thế cho tinh bột bắp, tinh bột gạo và tinh bột lúa mì hiện đang được sử dụng trong các ngành công nghiệp với tính chất tương đương.
Trên thế giới hiện nay, ngoại trừ Mỹ và châu Âu sử dụng phần lớn tinh bột có nguồn gốc từ bắp, các khu vực còn lại chủ yếu sản xuất tinh bột từ các nguồn nguyên liệu khác như gạo, lúa mạch, sago… và đặc biệt là từ khoai mì (theo Hội đồng châu Âu, 2002) [47]. Trong những năm gần đây, Việt Nam đã vươn lên đứng hàng thứ 3 trên thế giới về khối lượng xuất khẩu tinh bột khoai mì [2]. Tinh bột khoai mì có màu rất trắng. Hạt tinh bột có kích thước khoảng 4 – 35µm, bề mặt nhẵn, có hình tròn hay hình trứng vát đầu (oval, truncated “kettle drum”), có một chỗ lõm và núm ở giữa.
Hạt tinh bột có cấu trúc tinh thể dạng A và dạng hỗn hợp A, B, có cấu trúc tương đối xốp, liên kết giữa các phần tử trong cấu trúc tinh thể yếu, vì vậy dễ bị phân hủy bởi các tác nhân hóa học và enzyme hơn so với các loại tinh bột khác như bắp, gạo. Hạt tinh bột khoai mì [2, 3] Tinh bột khoai mì chứa rất ít lipid (< 0,1%), hàm lượng amylose từ 8 – 29%, trung bình 16 – 18%. Tinh bột khoai mì có tính chất tương tự các loại tinh bột chứa nhiều amylopectin như độ nhớt cao, xu hướng thoái hóa thấp và độ bền gel cao. Trang 3 Nhiều nghiên cứu đã xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai mì nằm trong khoảng từ 49 – 64oC đến 62 – 73oC [13], cao hơn khoai tây và thấp hơn bắp.
Độ nhớt của hồ tinh bột khoai mì và khoai tây cao hơn tinh bột bắp, tinh bột lúa mì hay tinh bột gạo. Khả năng hồ hóa sớm, độ nhớt cao của tinh bột khoai mì thể hiện lực liên kết yếu giữa các phân tử tinh bột trong cấu trúc hạt. Hồ tinh bột khoai mì có độ trong cao do có khả năng trương nở tốt và xu hướng thoái hóa thấp. Khả năng trương nở và hòa tan cao của tinh bột khoai mì một lần nữa thể hiện lực liên kết yếu trong cấu trúc hạt.
Độ trong cao và vị nhạt (bland flavour) của tinh bột khoai mì rất thích hơp để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm. Cấu trúc gel của tinh bột khoai mì có độ bền tốt nên có nhiều ứng dụng trong thực phẩm, đặc biệt trong các sản phẩm có thời gian bảo quản lâu. Giới thiệu về tinh bột biến tính Tinh bột tự nhiên với các tính chất đặc trưng đã và đang được khai thác đến mức có thể để phục vụ cho nhu cầu sản xuất. Tuy nhiên, khi ngành công nghiệp thực phẩm mở rộng với chủng loại sản phẩm đa dạng thì tinh bột tự nhiên cho thấy nó có những hạn chế, hoặc có những tính chất mặc dù thích hợp cho sản phẩm này nhưng lại bất lợi cho sản phẩm khác.
Vì vậy, quá trình biến tính tinh bột được sử dụng để tạo ra những loại tinh bột có các tính chất phù hợp với những sản phẩm nhất định. Biến tính tinh bột là các quá trình làm biến đổi cấu trúc và tác động lên các liên kết hydro của tinh bột một cách có kiểm soát. Ngoại trừ tinh bột biến tính vật lý (hồ hóa trước), sự biến đổi này chỉ diễn ra ở cấp độ phân tử, với ít hoặc không có thay đổi trên bề mặt bên ngoài của hạt tinh bột, do đó, nguồn gốc thực vật của tinh bột vẫn có thể xác định được bằng kính hiển vi. [22] Có thể phân loại tinh bột biến tính theo phương pháp làm biến tính tinh bột như sau [16]: Trang 4 Tinh bột biến tính Biến tính vật lý Biến tính hóa học Hồ hóa trước Cắt mạch tinh bột Tạo nhóm thay thế Tạo liên kết ngang (Pregelatinization) (Degradation) (Substitution) (Cross bonding) Tinh bột tan trong nước Cắt một phần mạch Tinh bột Tinh Tinh bột bột Di - ester Di - ether lạnh (CWS Starch) tinh bột ester hóa ether ether hóa hóa Tinh bột Tinh bột Tinh bột anion non-ion cation Dextrin Thủy phân Enzyme Oxi hóa Carboxy- Hydroxy- Quat.
methyl alkyl Ammon. Tinh bột di- Tinh bột Cắt mạch Tinh bột acetate Tinh bột aldehyde carboxyl bằng sulfate phosphate Hình 1. Phân loại tinh bột biến tính [16] Hiện nay, sự phát triển của ngành công nghệ sinh học còn cho phép quá trình biến tính tinh bột được thực hiện trên cây trồng lúc đang phát triển, tạo ra các loại thực vật có các hàm lượng amylose hoặc hàm lượng phosphorous khác nhau. Loại tinh bột biến tính này trong tương lai có thể được sử dụng rộng rãi do vừa có bản chất tự nhiên không phải qua các quá trình xử lý vật lý hoặc hóa học, vừa có những tính chất ưu việt của tinh bột biến tính.
Các sản phẩm tinh bột biến tính dùng trong thực phẩm và một số quy định về độ tinh sạch (Các nồng độ % tính theo chất khô) [26] Loại tinh bột biến Mã số Quy định về quá trình sản xuất Yêu cầu của sản phẩm tính ISN Dextrin khô (Dextrin 1400 Xử lý nhiệt khô với acid hydrochloric pH 2,5 – 7,0 roasted starch) hoặc acid ortho-phosphoric Tinh bột xử lý bằng 1401 Xử lý với acid hydrochloric, hoặc pH 4,8 – 7,0 acid (Acid treated acid ortho-phosphoric, hoặc acid starch) sulfuric Tinh bột xử lý bằng 1402 Xử lý với sodium hydroxide hoặc pH 5,0 – 7,5 kiềm (Alkaline treated potassium hydroxide starch) Tinh bột tẩy trắng 1403 Xử lý với peracetic acid và/hoặc Các nhóm carbonyl được gắn vào mạch tinh bột (Bleached starch) hydrogen peroxide, hoặc chiếm không quá 0,1% sodium hypochlorite hoặc sodium Không còn tác nhân phản ứng sót lại trong sản chlorite, hoặc phẩm sulfur dioxide hoặc các dạng thay thế Hàm lượng sulfur dioxide còn lại trong sản phẩm của sulfite được phép sử dụng, hoặc không quá 50 mg/kg potassium permaganate hoặc Hàm lượng manganese còn lại trong sản phẩm ammonium persulfate không quá 50 mg/kg Trang 6 Tinh bột oxi hóa 1404 Xử lý với sodium hypochlorite Các nhóm carboxyl gắn vào mạch tinh bột không (Oxidized starch) quá 1,1% Hàm lượng sulfur dioxide còn lại trong sản phẩm không quá 50 mg/kg Tinh bột xử lý bằng 1405 Xử lý trong môi trường lỏng ở nhiệt Hàm lượng sulfur dioxide còn lại trong sản phẩm enzyme (Enzyme- độ dưới nhiệt độ hồ hóa, sử dụng một không quá 50 mg/kg treated starch) hoặc nhiều enzyme thủy phân tinh bột dùng trong thực phẩm Monostarch phosphate 1410 Ester hóa với acid ortho-phosphoric, Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không hoặc sodium hoặc potassium ortho- quá 0,5% đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và phosphate, hoặc sodium không quá 0,4% cho các tinh bột khác tripolyphosphate Distarch phosphate 1412 Ester hóa với sodium Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không trimetaphosphate hoặc phosphorous quá 0,5% đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và oxychloride không quá 0,4% cho các tinh bột khác Phosphated distarch 1413 Xử lý kết hợp các phương pháp sản Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không phosphate xuất monostarch phosphate và quá 0,5% đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và distarch phosphate không quá 0,4% cho các tinh bột khác Acetylated distarch 1414 Ester hóa bằng sodium Hàm lượng các nhóm acetyl không quá 2,5% phosphate trimetaphosphate hoặc phosphorous Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không Trang 7 oxychloride, kết hợp với ester hóa quá 0,14% đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và bằng acetic anhydride hoặc vinyl không quá 0,04% cho các tinh bột khác acetate Hàm lượng vinyl acetate không quá 0,1 mg/kg Tinh bột acetate 1420 Ester hóa với acetic anhydride hoặc Các nhóm acetyl không quá 2,5% (Starch acetate) vinyl acetate Acetylated distarch 1422 Ester hóa với acetic anhydride và Các nhóm acetyl không quá 2,5% và các nhóm adipate adipic anhydride adipate không quá 0,135% Tinh bột 1440 Ester hóa với propylene oxide Các nhóm hydroxypropyl không quá 7,0%; hyproxypropyl propylene chlorohydrin không quá 1 mg/kg (Hydroxypropyl starch) Hydroxypropyl 1442 Ester hóa bằng sodium Các nhóm hydroxypropyl không quá 7,0%; distarch phosphate trimetaphosphate hoặc phosphorius propylene chlorohydrin không quá 1 mg/kg; oxychloride kết hợp ether hóa bằng phosphate tính theo phosphorous không quá 0,14% propylene oxide đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và không quá 0,04% cho các tinh bột khác Tinh bột sodium 1450 Ester hóa bằng octenylsuccinic Các nhóm octenylsuccinyl không quá 3%; hàm octenylsuccinate anhydride lượng acid octenylsuccinic còn trong sản phẩm (Starch sodium không quá 0,3% octenylsuccinate) Trang 8 1. Tinh bột biến tính bằng phương pháp vật lý 1. Tinh bột hồ hóa trước (Pregelatinized starch) [13, 19, 22, 27, 28, 34] Kiểu biến tính hồ hóa trước tạo cho tinh bột khả năng hồ hóa mà không cần nấu. Sản phẩm được gọi là “pregelatinized starch”, “pregel”, “pre-cooked starch” hay “instant starch”.
Phương pháp này có thể áp dụng cho cả tinh bột tự nhiên và tinh bột đã biến tính bằng các phương pháp khác. Nguyên tắc của phương pháp biến tính này là hồ hóa huyền phù tinh bột bằng nhiệt rồi nhanh chóng sấy khô để trả lại trạng thái bột khô trước khi tinh bột bị thoái hóa. Trong thực tế, tinh bột được nấu và sấy khô cùng lúc, bằng cách dùng trống sấy, ép đùn (extrusion) hoặc sấy phun. Trong kỹ thuật sấy bằng trống và ép đùn, hạt tinh bột chịu nhiều tác động cơ học như nhiệt độ, lực cắt cơ học, áp suất nén cao, và bị thay đổi cấu trúc nhiều.
Ngược lại, trong kỹ thuật sấy phun, huyền phù tinh bột được hồ hóa và sấy khô đồng thời nhờ hơi nóng, do đó hạt tinh bột hầu như còn nguyên vẹn, rất ít bị phá hủy bởi lực cắt và nhiệt. Sản phẩm này gọi là tinh bột CWS (cold-water swelling starch). Khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử có thể thấy tinh bột hồ hóa trước bằng kỹ thuật sấy phun hoặc ép đùn thường có cấu trúc dạng mảnh, hạt tinh bột đã bị phá vỡ, tương tự như tinh bột nấu quá điểm hồ hóa (overcooked starch). Ngược lại, tinh bột CWS có cấu trúc hạt tinh bột trương nở nguyên vẹn, tương tự như tinh bột nấu vừa đến điểm hồ hóa (cook-up starch).
Hạt tinh bột hồ hóa trước thông thường (A) và tinh bột CWS (B) dưới kính hiển vi điện tử [27] Trang 9 1. Tinh bột xử lý nhiệt (Heat treated starch) [13, 19, 28, 34] Trong các điều kiện có kiểm soát, hạt tinh bột được xử lý nhiệt và sau đó được trả về trạng thái hạt ban đầu.