CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT VÀ CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ 1.1 Tổng quan về tinh bột 1.1 Cấu tạo Tinh bột thuộc nhóm hợp chất hữu cơ cao phân tử gọi là polysaccharide gồm các đơn phân là glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-glycoside, công thức phân tử là (C6H10O5)n trong đó n từ vài trăm đến hơn một triệu và tỷ lệ C:H:O là 6:10:5. Liên kết nhánh Hình 1.1 Công thức cấu tạo của tinh bột Bảng 1.1 Hàm lượng tinh bột của một số loại củ quả Kích thước hạt Hàm lượng tinh bột Loại hạt Hình dáng hạt (µm) (%) Hạt ngô 10 - 30 Đa giác hoặc tròn 25 Lúa mì 5 - 50 Tròn 20 Lúa 2 -10 Đa giác 13 - 35 Đậu đỗ 30 - 50 Tròn 46 - 54 Khoai mì 5 - 35 Tròn 35 Khoai tây 1 - 120 Bầu dục 23 Khoai lang 5 - 50 Bầu dục 20 3 1.2 Phân loại Tinh bột là hỗn hợp gồm hai loại polysaccharide là: amylose và amylopectin. Tỷ lệ amylose / amylopectin thay đổi tùy theo từng loại tinh bột, thông thường là ¼. Trong tinh bột loại nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) amylopectin chiếm gần 100%.
Trong tinh bột đậu xanh hàm lượng amylose chiếm khoảng 50%. Amylose: là polymer mạch thẳng, có trọng lượng phân tử 50000 – 160000 Da, được cấu tạo từ 500 – 2000 phân tử D-glucose nối với nhau bởi liên kết α-1,4 glycoside tạo thành một mạch xoắn dài không phân nhánh. Amylose nguyên chất có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn. Có hai loại amylose: - Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp (khoảng 2000) thường không có cấu trúc bất thường và bị thủy phân hoàn toàn bởi β-amylase.
- Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc phức tạp đối với β- amylase nên chỉ bị phân hủy 60%. Trong hạt tinh bột, trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa thì amylose thường có cấu hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc. Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucose. Đường kính của xoắn ốc là 12,97 A0, chiều cao của vòng xoắn là 7,91 A0.
Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H.2 Cấu tạo của amylose Amylopectin: là polymer mạch nhánh, có trọng lượng phân tử 400000 đến hàng chục triệu Da, được cấu tạo từ 600 – 6000 phân tử D-glucose, nối với nhau bởi liên kết α-1,4 glycoside và α-1,6 glycoside tạo thành mạch có nhiều nhánh. Mỗi liên kết nhánh này làm cho phân tử phức tạp hơn, chiều dài của mỗi chuỗi mạch nhánh khoảng 25 – 30 đơn vị glucose.3 Cấu tạo của amylopectin 1.3 Tính chất vật lý 1.1 Độ tan của tinh bột Amylose mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền, nhanh chóng bị thoái hóa trở lại, không hòa tan trong nước. Amylopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng. Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột.2 Sự trương nở Khi ngâm tinh bột vào nước thì thể tích hạt tăng lên do sự hấp thụ nước, làm cho hạt tinh bột trương phồng lên.
Hiện tượng này gọi là hiện tượng trương nở của hạt tinh bột. Độ tăng kích thước của các loại tinh bột khi ngâm vào nước là khác nhau, ví dụ như: tinh bột bắp có sự trương nở là 9.1%, tinh bột khoai tây là 12.7%, còn tinh bột mì là 28.3 Tính hồ hóa của tinh bột Nhiệt độ để phá vỡ hạt tinh bột chuyển từ trạng thái ban đầu thành dung dịch keo gọi là nhiệt độ hồ hóa. Phần lớn tinh bột bị hồ hóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ở trạng thái tự nhiên. Các biến đổi hóa lý khi hồ hóa như sau: hạt tinh bột trương lên, tăng độ trong suốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với nhau để tạo thành gel.
Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độ nhất định. Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một cách rộng lớn.2 Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột Tinh bột tự nhiên Nhiệt độ hồ hóa (Tp) Ngô 62 – 73 Lúa miến 68 – 75 Lúa mì 68 – 75 Gạo 68 – 74 Khoai mì 52 – 59 Khoai tây 59 – 70 1.4 Độ nhớt của tinh bột Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm thực phẩm đó là độ nhớt và độ dẻo. Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn. Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột như: kích thước, thể tích, cấu trúc, và sự bất đối xứng của phân tử.
Ngoài ra, nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxy hóa, các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của các phân tử tinh bột thay đổi do đó làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột.5 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa của gel Tinh bột sau khi hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng ba chiều. Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở trạng thái yên tĩnh. Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hydro tham gia, có thể nối trực tiếp các mạch polyglucoside hoặc gián tiếp qua phân tử nước. Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ thoát ra, gọi là sự thoái hóa.
Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó rã đông.4 Tính chất hóa học 1.1 Phản ứng thủy phân Một tính chất quan trọng của tinh bột là quá trình thủy phân liên kết giữa các đơn vị glucose bằng acid hoặc bằng enzyme. Acid có thể thủy phân tinh bột ở dạng hạt ban đầu hoặc ở dạng hồ hóa, còn enzyme chỉ thủy phân hiệu quả ở dạng hồ hóa. Một số enzyme thường dùng là α-amylase, β-amylase,…Acid và enzyme giống nhau là đều thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α-D 1,4 glycoside. Đặc trưng của phản ứng này là sự giảm nhanh độ nhớt và sinh ra đường.4 Phản ứng thủy phân của tinh bột Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxy hóa tạo thành aldehyte, cetone và tạo thành các nhóm carboxyl.
Quá trình oxy hóa thay đổi tùy thuộc vào tác nhân oxy hóa và điều kiện tiến hành phản ứng. Quá trình oxy hóa tinh bột trong môi trường kiềm bằng hypoclorit là một trong những phản ứng hay dùng, tạo ra nhóm carboxyl trên tinh bột và một số lượng nhóm carbonyl. Quá trình này còn làm giảm chiều dài mạch tinh bột và tăng khả năng hòa tan trong nước. Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể được ete hóa và este hóa.
Một số monomer vinyl (vinyl acetate, acetic anhydride,…) đã được dùng để ghép lên tinh bột. Quá trình ghép được thực hiện khi các gốc tự do tấn công lên tinh bột và tạo ra các gốc tự do trên tinh bột ở các nhóm hydroxyl. Những nhóm hydroxyl trong tinh bột có khả năng phản ứng với aldehyte trong môi trường acid. Khi đó xảy ra phản 7 ứng ngưng tụ tạo liên kết ngang giữa các phân tử tinh bột gần nhau.
Sản phẩm tạo thành không có khả năng tan trong nước.2 Phản ứng tạo phức Phản ứng rất đặc trưng của tinh bột là phản ứng tạo màu với iot. Khi tương tác với iot, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng còn amylopectin cho phức màu nâu tím. Vì vậy, iot có thể coi là thuốc thử đặc trưng định tính tinh bột bằng phương pháp trắc quan. Phản ứng xảy ra khi các phân tử amylose phải có dạng xoắn ốc hình thành đường xoắn ốc đơn của amylose bao quanh phân tử iot.
Dextrin là nhóm carbohydrate có khối lượng phân tử thấp, được tạo ra bởi phản ứng thủy phân của tinh bột. Dextrin là hỗn hợp polymer của D-glucose liên kết với các nhóm α-1,4 glycoside và α-1,6 glycoside. Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose (pentose, hexose,…) không cho phản ứng với iot vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh. Acid và một số muối như KI, Na2SO4 tăng cường độ phản ứng.
Amylose với cấu hình xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iot, tương ứng với một vòng xoắn một phân tử iot.5 Phản ứng tạo phức giữa tinh bột với Iot Ngoài khả năng tạo phức với iot, amylose còn có khả năng tạo phức với nhiều chất hữu cơ có cực cũng như không cực như: các rượu no, các rượu thơm, phenol, các cetone phân tử lượng thấp.3 Tính hấp thụ của tinh bột Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì bề mặt trong và ngoài của tinh bột đều tham gia. Vì vậy trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến cần phải hết sức quan tâm tính chất này. Các ion liên kết với tinh bột thường 8 ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột. Khả năng hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc cấu trúc bên trong của hạt và khả năng trương nở của chúng.5 Một số phương pháp xác định các chỉ số cơ bản của tinh bột 1.1 Xác định tinh bột bằng phương pháp so màu Hovencamp Hermelink đưa ra phương pháp so màu nhanh.
Nguyên tắc dựa vào khả năng phản ứng màu đặc trưng của amylose và amylopectin với dung dịch lugol. Nồng độ cơ chất càng cao thì phức tạo màu càng đậm và khả năng hấp thụ ánh sáng càng thấp. Amylose hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng 618nm còn amylopectin hấp thụ ở bước sóng 550nm. Cho nên dùng phương pháp đo quang để xác định hàm lượng amylose và amylopectin trong tinh bột.
Tách amylose và amylopectin Để xác định amylose và amylopectin trong tinh bột thì phải có amylose và amylopectin chuẩn của tinh bột đó, nên phải tách amylose và amylopectin trong tinh bột đó. Tách amylose từ tinh bột: Trình tự tiến hành như sau: Kết tủa chọn lọc amylose nhờ xyclohexanol.