CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.Giới thiệu chung Bắp còn gọi là ngô (Zea máy L), tiếng Anh là maize được gieo trồng rộng khắp trên thế giới với sản lượng hàng năm rất cao. Bắp là một trong những loại cây lương thực quan trọng của nước ta và trên thế giới. Nhờ có giá trị dinh dưỡng cao, có nơi bắp đã thay thế gạo trong bữa ăn hàng ngày của người dân. Bên cạnh vai trò cung cấp lương thực cho con người, bắp còn là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp chế biến thức ăn gia súc và công nghệ sinh học, nhiều nước đang sử dụng bắp để chế biến ethanol-năng lượng sạch cho tương lai (Moorthy, 2004).
Tinh bột là một polysaccharide dự trữ chính của cây xanh và là cacbohydrat phổ biến thứ hai trong tự nhiên bên cạnh cellulose (Hizukiri, Abe, & Hanashiro, 2006). Tinh bột có nhiều trong bắp, sắn,… với hàm lượng tinh bột từ 65 đến 90 % (hàm lượng chất khô). Tinh bột từ nhiều nguồn khác nhau sẽ có hình dạng, kích thước và thành phần thay đổi (Whistler, 2009). Nó ảnh hưởng sâu sắc đến kết cấu của nhiều loại thực phẩm, bao gồm một số sản phẩm thông dụng như bánh mì, mì, mì ống, gạo (Wrolstad, 2012).
Trong chế độ dinh dưỡng của con người, tinh bột đóng một phần quan trọng trong việc cung cấp năng lượng chuyển hóa cho phép cơ thể thực hiện các chức năng khác nhau của nó. Các nghiên cứu gần đây cho thấy tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột trơ (RS) có ý nghĩa quan trọng đối với sức khỏe con người. Không giống như tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột trơ (RS) giúp chống lại quá trình thủy phân enzyme trong đường tiêu hóa, dẫn đến sự hấp thu glucose trực tiếp ít hoặc không có. Ngoài ra, tinh bột trơ (RS) không bị tiêu hóa ở ruột non sẽ di chuyển đến ruột già, tại đây chúng sẽ được lên men ở các mức độ khác nhau bởi hệ vi sinh đường ruột.
Kết quả làm tăng thể tích khối chất thải và sản sinh ra các acid béo mạch ngắn, một tác dụng tương tự việc ăn uống chất xơ (Cui, 2005).Cấu trúc hóa học tinh bột: Hạt tinh bột gồm hai loại alphaglucan: amylose và amylopectin, chúng chiếm khoảng 98-99% trọng lượng khô. Tỉ lệ giữa hai loại polysaccharides này thay đổi tùy thuộc vào các loại 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. 1 Luan van Giữa amylose và amylopectin có sự khác nhau về hình dạng và cấu trúc (Tester, Karkalas, & Qi, 2004).
Đơn vị cơ bản α- D glucopyranose Hình 1. Cấu tạo của amylose và amylopectin (Moorthy, 2004) 1. Amylose Amylose là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các phân tử đường D-glucose liên kết với nhau bởi liên kết α- 1,4 glucoside. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ liên kết α- 1,6 glucoside tạo nhánh chứa trong amylose nhưng lượng nhánh này xuất hiện rất ít và các nhánh này dài vì vậy có thể xem amylose là một polyme mạch thẳng.
Amylose có khối lượng phân tử nhỏ hơn amylopectin, nằm trong khoảng 104 đến 105 ( mức độ polymer hóa [DP] nằm trong khoảng từ 250-1000 gốc glucose) (Wrolstad, 2012). 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 (DP 2 Luan van 25-29), 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). Amylopectin Amylopectin có cấu tạo mạch nhánh và mạch thẳng kết hợp nhau do các phân tử đường α – D-glucose liên kết nhau bằng liên kết α- 1,4 glucoside tạo các đoạn mạch thẳng, còn liên kết α- 1,6 glucoside (chiếm khoảng 5 % số phân tử α – D-glucose) sẽ giúp tạo mạch nhánh. Mỗi phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử duy nhất và rất nhiều đầu không khử. Amylopectin có khối lượng phân tử lớn hơn amylose, và nằm trong khoảng 106-108 với mức độ DP nằm trong khoảng 5000 đến 50000 đơn vị glucose.
Amylopectin sẽ tạo phức màu đỏ nhạt với dung dịch iodine (Wrolstad, 2012). 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.
Các hạt tinh bột củ thường có kích thước to và có dạng hình bầu dục. Các hạt tinh bột ngũ cốc như ngô, 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 m. 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). 3 Luan van Hình 1. Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột: (a) ngô bình thường; (b) ngô sáp; (c) khoai tây; (d) lúa mì; (e) miến; (f) ngô đường (Whistler, 2009). Cấu trúc tinh thể Hạt tinh bột có cấu trúc bán tinh thể gồm các vùng tinh thể, vùng vô định hình.
Các vùng tinh thể và vùng vô định hình được sắp xếp xen kẽ nhau (Cheetham & Tao, 1998). Khả năng tạo tinh thể của tinh bột gắn liền với thành phần amylopectin, tinh bột không chứa amylose có một mức độ tinh thể hóa không thay đổi. 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 9-10nm.
Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch thẳng liên 4 Luan van 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 (Anh Hoàng Kim, Sương Kế Ngô, 2004) Dựa trên kết quả phân tích nhiễu xạ tia X, tinh bột có các kiểu cấu trúc tinh thể loại A, B và C. 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 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 có nhiệt độ nóng chảy cao hơn do đó bền với nhiệt hơn so với loại B (Cui, 2005). Cấu trúc tinh thể loại A và loại B(Cui, 2005) 5 Luan van Hình 1.
Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B và C. Phổ FTIR của tinh bột Hấp thu (cm-1) Nhóm < 800 Pyranose 860 C-H, CH2 930 Liên kết - 1,4 glycosidic (C-O-C) 993 C-O-H 1016 C-O, C-C, C-O-H 1242 CH2OH 1344 C-O-H, CH2 1415 CH2, C-O-O 1642 Hấp thụ phân tử nước vào vùng vô định hình của tinh bột 3000-2800 CH2 3000-3600 O-H Bảng 1. Phổ FTIR của tinh bột (Kizil, Irudayaraj, & Seetharaman, 2002). 6 Luan van Trong phân tích, vùng phổ có ý nghĩa thực tiễn quan trọng là giữa 4000 và 400 cm-1 gồm bốn vùng nhỏ: < 800 cm-1, 1500-800 cm-1, 3000-2800 cm-1 và vùng 3600-3000 cm- 1 (Kizil et al.
Vùng < 800 cm-1: chứa những giao động phức tạp đặc trưng nhất là của đường pyranose mạch vòng. Vùng 1500-800 cm-1: dạng hấp thu trong vùng này thường phức tạp, với các dải có liên quan đến tương tác của các dao động. Trong vùng này sự rung động chiếm ưu thế là dao động của khung pyranose trong phân tử glucose của tinh bột. Đây cũng là lí do mà thông tin thu được từ phổ glucose được xem như tần số dao động của phân tử tinh bột.(Cael, Koenig, & Blackwell, 1975), (Kizil et al., 2002) trong 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 1500-1300 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 et al., 1975), (Kizil et al. 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 giao động biến dạng CH2 (Kizil et al.
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 Tinh bột tự nhiên không hòa tan trong nước lạnh nhưng lại tan tốt trong nước nóng. Khi hạt tinh bột được đun nóng trong môi trường nước thì hạt tinh bột sẽ xảy ra quá trình biến đổi từ cấu trúc hạt sắp xếp có trật tự thành dạng vô định hình.
Hồ hóa tinh bột là sự phá vỡ tính trật tự của các phân tử bên trong hạt tinh bột theo đó 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 sự hồ hóa của tinh bột đã được nghiên cứu dựa trên các đồ thị nhiệt vi sai (DSC).