Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về tinh bột Tinh bột là polymer tự nhiên được cấu thành từ amylose và amylopectin. Chúng được tinh sạch từ một số nguồn dưới dạng bán tinh thể có hình dạng và kích thước khác nhau (Wurzburg, 1989). Các giống cây trồng, điều kiện trồng trọt, quá trình sinh trưởng và phát triển của cây lương thực sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc hình thái, tính chất hóa lý cũng như tỉ lệ thành phần của tinh bột (Whistler R. Trong nhiều loại thực phẩm, tinh bột tạo nên kết cấu và sự hấp dẫn.
Ngoài ra, tinh bột còn đóng vai trò làm chất làm dày và kết dính trong các món tráng miệng, các món súp, nước sốt, chế phẩm dành cho trẻ sơ sinh, mayonnaise. Tinh bột có tỉ lệ amylose cao được dùng để bảo vệ khoai tây chiên tránh bị nhạy cảm với quá trình oxy hóa. Amylopectin sử dụng như là chất làm đặc, chất ổn định và chất kết dính. Ngoài ra, tinh bột còn được sử dụng để tạo một lớp màng mỏng bao bọc trái cây hạn chế sự hư hỏng (Belitz H., Schieberle P, 2009) Dù được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm và các ngành công nghiệp khác ngoài thực phẩm, tuy nhiên, tinh bột tự nhiên có nhiều nhược điểm cho những ứng dụng công nghiệp ví dụ như không hòa tan trong nước lạnh, mất độ nhớt, khả năng làm dày sau khi nấu.
Thêm vào đó, thoái hóa diễn ra sau quá trình hồ hóa, dẫn đến hiện tượng tách nước (Cui, 2005). Những hạn chế của tinh bột tự nhiên có thể khắc phục được bằng cách sử dụng những phương pháp biến tính khác nhau. Việc biến tính dẫn đến thay đổi các tính chất của tinh bột bao gồm: độ nhớt, khả năng liên kết và độ ổn định của sản phẩm. Những tính năng công nghệ của tinh bột có thể được thay đổi bằng các phương pháp biến tính hóa học, vật lý và công nghệ sinh học như trình bày ở Bảng 1.
1 Luan van Bảng 1: Các loại biến tính tinh bột trong công nghiệp thực phẩm Nhóm biến tính Loại biến tính Oxy hóa Tạo liên kết chéo Biến tính hóa học Ester hóa Ether hóa Tiền hồ hóa Xử lý nhiệt ẩm Biến tính vật lý Ủ(Annealing) Ép đùn Thủy phân bằng acid Thủy phân Thủy phân bằng enzyme Công nghệ sinh học Đột biến giống cây tinh bột *Theo Cui (2005) Ngoài những phương pháp biến tính như Bảng 1, hiện tại các nhà khoa học có nhiều nghiên cứu về việc ứng dụng các phương pháp chiếu xạ như tia gamma, chùm tia điện tử để xử lý tinh bột.2 Đặc điểm chung của hạt tinh bột 1.1 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 (Hình 1). Các hạt tinh bột củ thường có kích thước to và có dạng hình bầu dục. Các hạt tinh bột ngũ cốc như bắp, yến mạch và gạo có hình dạng đa giác hoặc hình tròn.
Kích thước của các hạt tinh bột khác nhau với đường kính nằm trong khoảng 2-100 µm. 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). 2 Luan van Hình 1: Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột (Whistler, 2009) (a) bắp bình thường; (b) bắp sáp; (c) khoai tây; (d) lúa mì; (e) miến; (f) bắp đường 1.2 Cấu trúc tinh thể tinh bột Tinh bột được tinh sạch từ tự nhiên có cấu trúc bán tinh thể gồm các vùng tinh thể đan xen vùng vô định hình.
Mức độ kết tinh của hạt tinh bột dao động từ 15-45% (Zobel, 1988). 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. 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.
Amylose có thể được đào thoát ra khỏi hạt mà không làm ảnh 3 Luan van 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 của tinh bột phụ thuộc vào hàm lượng nước (Belitz, H. A B Hình 2: Cấu trúc tinh thể loại A và loại B (Cui, 2005) Dựa trên kết quả phân tích nhiễu xạ tia X, tinh bột có các kiểu cấu trúc tinh thể loại A, B và C (Hình 3). Tinh thể loại A có chiều dài chuỗi amylopectin từ 23-29 đơn vị glucose, phổ biến trong các loại tinh bột của hạt ngũ cốc.
Trong khi đó các tinh thể loại B có cấu tạo từ các chuỗi amylopectin với chiều dài 30-44 đơn vị glucose, thường được chứa trong các loại tinh bột lấy từ củ. Tinh bột loại C là một hỗn hợp của tinh thể loại A và loại B, nhưng nó cũng thường có nhiều trong các loại tinh bột lấy từ đậu. Tinh thể loại V là kết quả tạo thành giữa phức amylose với các chất khác như acid béo, chất nhũ hóa, butanol và iodine. Sự khác biệt chính giữa loại A và loại B (Hình 2) chính là loại B có cấu trúc xoắn kép được sắp xếp tạo nên các khoảng trống để phân tử nước thâm nhập vào bên trong còn cấu trúc xoắn kép của loại A rất dày đặc (Sarko&Wu,1978).
Tinh bột loại A 4 Luan van có nhiệt độ nóng chảy cao hơn do đó bền với nhiệt hơn so với loại B (Cui,2005).3 Phổ FTIR của tinh bột Bảng 2: Phổ FTIR của tinh bột Phân giải hồng ngoại Số sóng (cm–1) Vòng pyranose hình xương 537 C–C duỗi thẳng 764 C(1)–H; CH2 biến dạng 860 Dao động hình xương của liên kết α-1,4 930 glycosidic, (C–O–C) Liên kết α-1,6 glycosidic 1080 C(1)–H uốn cong 1067 C–O–H uốn cong 1094 C–O, C–C duỗi thẳng 1163 CH2OH (mạch bên) chế độ liên quan 1242 C–O–H uốn cong, CH2 xoắn 1344 CH2 uốn cong, C–O–O duỗi thẳng 1415 Nước hấp thụ trong vùng vô định hình của 1642 tinh bột CH2 biến dạng 2800 - 3000 O–H duỗi thẳng 3000 - 3600 * Theo Kizil (2002) và Irudayaraj (2006) 5 Luan van Trong phân tích phổ hồng ngoại, vùng phổ có ý nghĩa thực tiễn quan trọng là giữa 4000 và 400 cm–1 gồm bốn vùng nhỏ: vùng liên kết kéo dãn X-H (4000 - 2500 cm-1), vùng liên kết ba (2500 - 2000 cm-1), vùng liên kết đôi (2000 - 1500 cm-1) và vùng đặc trưng của tinh bột (1500 - 600 cm-1). Dao động cơ bản trong vùng 4000 - 2500 cm-1 là dao động kéo dãn OH, C-H và N-H. Liên kết O-H tạo ra một vùng phổ rộng 3700 - 3600 cm-1. Liên kết N-H thường có trong vùng 3400 - 3300 cm-1.
Liên kết C-H của hợp chất béo nằm trong vùng 3000 - 2850 cm-1. Nếu liên kết C-H liền kề với liên kết đôi hay vòng thơm thì số sóng của liên kết C-H tăng lên và vùng hấp thu sẽ là 3100 - 3000 cm-1. Vùng phổ 2000 - 1500 cm-1 do liên kết C=C và C=O tạo thành. Liên kết carbonyl dễ nhận biết trong phổ hồng ngoại do cường độ hấp thu cao của nó và tùy vào kiểu liên kết C=O, xảy ra trong vùng 1830 - 1650 cm-1.
Liên kết C=C yếu hơn và xuất hiện trong khoảng 1650 cm-1 (Kizil, 2002). Quá trình nghiên cứu trên phân tử tinh bột đã nhận thấy sự hấp thu tại đỉnh 1242 cm–1 là do các CH2OH. Các dao động liên quan đến nguyên tử carbon và hydro được quan sát ở vùng phổ 1500 - 3000 cm–1. Sự hấp thu tại đỉnh 1344 cm–1 là do nhóm CH2.
Những dao động trong vùng 900-950 cm–1 có nguồn gốc từ liên kết glycosis C–O–C (Cael, 1975; Kizil, 2002). Phân tử nước hấp thu trong vùng vô định hình của tinh bột có thể được xác định tại tần số 1637 cm–1. Vùng này liên quan đến sự kết tinh của tinh bột. Khi mức độ kết tinh của tinh bột tăng, độ hấp thu của đỉnh 1637 cm –1 trong quang phổ hồng ngoại trở nên yếu và hầu như không thể quan sát được.
Nghiên cứu trên tinh bột khoai tây tần số này dịch chuyển đến tần số 1642 cm–1 điều đó theo tác giả là do sự khác biệt về loại tinh thể trong tinh bột. Vùng phổ 3000-2800 cm–1: hấp thu ánh sáng dao động biến dạng CH2 (Kizil, 2002). Và vùng 3000-4000 cm–1 bao hàm 3000-3600 cm– 1 là vùng hấp thu của OH duỗi thẳng của phân tử nước. Cấu trúc hóa học của tinh bột Tinh bột là hợp phần từ hai đại phân tử là amylose và amylopectin (Mayer, 1895; Mayer, 1896; Maquenne và Roux, 1903), mà cả hai đều là polymer của glucose (Hình 4).
Tỉ lệ giữa hai loại polysaccharide này thay đổi tùy thuộc vào các loại 6 Luan van tinh bột khác nhau. Các loại tinh bột nghèo amylose chứa ít hơn 15% amylose, tinh bột bình thường chứa 20 - 35% và tinh bột giàu amylose chứa nhiều hơn 40% amylose. Đơn vị cơ bản α─D glucopyranose Hình 4: Cấu tạo của amylose và amylopectin (Moorthy, 2004) Giữa amylose và amylopectin có sự khác nhau về hình dạng và cấu trúc (Tester, Karkalas, & Qi, 2004). Amylose chủ yếu là polymer mạch thẳng, có những đơn vị glucose được gắn với nhau thông quan liên kết α-1,4-glycosidic.
Trong các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng amylose có khoảng 0,1% điểm nhánh α-1,6 glycosidic. Ngược lại, mặc dù amylopectin cũng chủ yếu là liên kết α-1,4-glycosidic, nhưng nó có một tỉ lệ cao hơn liên kết α-1,6-glycosidic (4%). Amylopectin có phân tử lớn hơn rất nhiều so với amylose, bởi vì khối lượng phân tử ở khoảng 107 tới 108 g/mol, trong khi amylose có khối lượng phân tử từ 5x105 đến 106 g/mol. Hai loại phân 7 Luan van tử có thể được phân biệt bởi kích thước phân tử và đặc tính của chúng (Banks và Greenwood, 1975).
Mỗi phân tử amylose có một đầu khử và một đầu không khử. Màu sắc của liên hợp amylose-iodine sẽ thay đổi tùy vào chiều dài của chuỗi amylose. Nó thay đổi từ màu nâu (DP 21-24), đến màu đỏ (DP25-29), tím đỏ (DP 30-38), xanh tím (DP 39-40), và cuối cùng là màu xanh (DP > 47). Khi DP thấp hơn 20, không có màu sắc được hình thành (Cui, 2005).
Mỗi phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử duy nhất và rất nhiều đầu không khử. Amylopectin sẽ tạo phức màu đỏ nhạt với dung dịch iodine (Wrolstad, 2012). Chuỗi dài amylose hoạt động như một cuộn dây linh hoạt trong nước và có ái lực cao với iodine.