CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.Tổng quan về tinh bột 1. Thành phần hóa học của tinh bột Tinh bột là nguồn carbohydrate chính trong bữa ăn hàng ngày của con người (Ratnayake và Jackson, 2008). Chúng được tìm thấy trong bộ phận của một số loài thực vật: hạt ngũ cốc, rễ, củ, thân, lá, hạt, trái cây và phấn hoa (Ingrid và Martine, 2009). Tinh bột xuất hiện dưới dạng các hạt rời rạc có cấu trúc tinh thể và lưỡng chiết khi quan sát dưới ánh sáng phân cực, có kích thước từ dưới 1 μm đến hơn 100 μm (A.
Kích thước, hình dạng, hình thái học, thành phần và cấu trúc siêu phân tử của hạt tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật (Andréa C. Độ ẩm của tinh bột khoảng 10- 12% (ngũ cốc) và khoảng 14- 18% (một vài loại củ và rễ) (Richard F. Tester và cộng sự, 2004). Tinh bột gồm 2 loại α- glucan: amylose và amylopectin, chiếm khoảng 98- 99% khối lượng khô (Jaroslav Blazek, 2008).
Tỷ lệ của hai loại polysaccharide tùy thuộc vào nguồn gốc của tinh bột (Richard F. Tester và cộng sự, 2004). Amylose và amylopectin là không đồng nhất, được thể hiện ở sự phân bố của cấu trúc và kích thước phân tử (Costas G. Amylose chiếm 20- 30% trọng lượng của hầu hết tinh bột và phần lớn bao gồm các chuỗi mạch thẳng của các gốc α- D- glucopyranose được liên kết với nhau bằng liên kết α- 1, 4 (Keiji Kainuma, 1988).
Trung bình amylose có khoảng 500- 6000 đơn vị glucose được phân bố trong 1 đến 20 chuỗi. Amylose có khối lượng phân tử khoảng 105- 106 (A. Mặc dù, amylose được định nghĩa là các phân tử không phân nhánh nhưng có một vài điểm phân nhánh được phát hiện trong amylose (Luis Arturo Bello-Perez và cộng sự, 2010). Hầu hết amylose bao gồm trung bình 3- 5 chuỗi trên một phân tử.
Amylose của bắp chứa các phân tử phân nhánh ít hơn 5 chuỗi, còn lúa mì, khoai lang 14- 17 chuỗi, trong khi gạo, hạt dẻ, kuzu, nagaimo và lily 8- 11 chuỗi (Yasuhito Takeda, Susumu Hizukuri, 1987). Hàm lượng amylose có thể khác nhau trong cùng một nguồn thực vật do sự khác nhau về nguồn gốc địa lí và điều kiện canh tác (Cunxu Wei, 2014). Số lượng amylose có trong hạt ảnh hưởng đáng kể đến tính chất lí hóa và chức năng của tinh bột (Meireles, 2015). 3 Luan van Amylopectin là một thành phần chính của tinh bột.
Chuỗi amylopectin tương đối ngắn, có cấu trúc phân nhánh cao (Alison M. Amylopectin được hình thành thông qua các chuỗi đơn vị α-D-glucopyranose được liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết 1, 4 nhưng có 5- 6% là liên kết 1, 6 tại các điểm nhánh. Amylopectin có khối lượng phân tử tương đối lớn, từ 107- 109 (A. Có ba loại phân tử amylopectin khác nhau về kích thước: lớn, trung bình và nhỏ.
Loại lớn là chủ yếu, trung bình và nhỏ khác nhau về số lượng trong cùng một loại thực vật. Mức độ polymer hóa trung bình của ba loại lần lượt là 13400- 26500; 4400- 8400; 700-2100 đơn vị glucose (Yasuhito Takeda, Susumu Hizukuri, 1987). Các chuỗi đơn vị của amylopectin ngắn hơn so với amylose (Khongsak Srikaeo, 2016). Trong hạt tinh bột, phân tử amylopectin được sắp xếp hướng tâm với các gốc tự do, đầu khử hướng ra ngoài (Alison M.
Cấu tạo của phân tử amylose và amylopectin được thể hiện ở hình 1. Lipid có thể chiếm tới 1,5% trọng lượng khô của hạt tinh bột (Delcour, 2010). Lipid bên trong hạt tinh bột được gọi là lipid tinh bột (Morrison, 1981). Chúng chủ yếu là monoacyllipid (một fatty acid trên mỗi phân tử) (Morrison 1988).
Tinh bột ngũ cốc chứa lipid tích hợp dưới dạng lysophospholipid (LPL) và acid béo tự do (FFA); có liên kết với amylose. LPL có thể chiếm đến 2% khối lượng tinh bột (trong tinh bột ngũ cốc hàm lượng 4 Luan van amylose cao) (Richard F. Tester và cộng sự, 2004). Ngoài ra, lipid còn tồn tại trên bề mặt tinh bột được gọi là lipid bề mặt.
Lipid xuất hiện trên bề mặt tinh bột được bắt nguồn từ lipid phi tinh bột hoặc tự do (Morrison 1988); hoặc liên kết với protein gắn chặt trên bề mặt hạt tinh bột (Morrison và công sự, 1984). Một phần mảnh amylose trong hạt chứa lipid tồn tại như phức amylose- lipid; ở đó chuỗi fatty acid giữ một lõi kị nước nằm trong amylose đơn xoắn (Ipsita Roy và cộng sự, 2015). Số lượng chính xác của lipid liên kết với tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật của tinh bột và mức độ tinh chế trong quá trình chiết xuất (Baldwin, 2001). Trong các tinh bột thương mại, tinh bột ngũ cốc (lúa mì, bắp, lúa mạch, gạo) chứa nhiều lipid (0,6- 1%) hơn tinh bột củ (khoai tây, 0,05%), tinh bột rễ (khoai mì, 0,1%), tinh bột đậu (ít hơn 0,6%) (Appelqvist và Debet, 1997).
Tinh bột tinh khiết chứa ít hơn 0,6% protein (Richard F. Tester và cộng sự, 2004). Cũng giống như lipid, số lượng chính xác của protein liên kết với tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật của tinh bột và mức độ tinh chế trong quá trình chiết xuất (Baldwin, 2001). Protein liên kết với hạt tinh bột hầu hết là enzyme tổng hợp tinh bột và các protein bề mặt (Andrew S.
Protein xuất hiện trong hạt tinh bột là do enzyme tham gia vào tổng hợp tinh bột bị mắc kẹt trong quá trình phát triển hạt tinh bột (Appelqvist và Debet, 1997). Protein trong hạt tinh bột tương đối nhỏ (0,1- 0,3%) (Baldwin, 2001). Chúng có khối lượng phân tử 50- 150 kDa cao hơn protein bề mặt (15- 30 kDa) (Kuchel và cộng sự, 2010). Trong các tinh bột thương mại hàm lượng protein 0,25- 0,6% đối với tinh bột ngũ cốc, 0,06% tinh bột khoai tây và 0,1% tinh bột khoai mì (Appelqvist và Debet, 1997).
Tinh bột chứa một lượng nhỏ (< 0,4%) khoáng chất (canxi, magie, phospho, kali, natri) (Richard F. Tester và cộng sự, 2004). Trong số này, phospho trong tinh bột đóng vai trò quan trọng trong tính chất chức năng của tinh bột (Kasemsuwan, 1996). Ví dụ, monoester phosphate trong tinh bột khoai tây giải thích cho độ trong, độ nhớt cao, nhiệt độ hồ hóa thấp và tốc độ thoái hóa chậm (Schoch, 1942).
Monoester phosphate tìm thấy trong tinh bột với ba dạng chính: monophosphate ester, phospholipid và phosphate vô cơ (Meireles và cộng sự, 2015). Cấu trúc hạt tinh bột Hạt tinh bột có cấu trúc rất phức tạp. Sự phức tạp này được xây dựng dựa trên sự khác nhau về thành phần của chúng (α- glucan, độ ẩm, lipid, protein và phosphoryl hóa), cấu trúc thành phần và sự khác nhau giữa vùng vô định hình và vùng kết tinh (Meireles và cộng sự, 2015). Hình thái học của hạt khác nhau giữa các hình dạng như: oval, elip, cầu, hình hạt 5 Luan van đậu.
Sự khác nhau này phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật (A. Hạt bao gồm các lớp đồng tâm (gọi là vòng sinh trưởng) của các vùng vô định hình và bán kết tinh, vòng sinh trưởng được đặt cách nhau khoảng cách 100 nm trở lên. Khoảng cách có thể khác nhau và phụ thuộc vào vị trí trong hạt (Donald, 2004). Bề mặt hạt không mịn nhưng được đặc trưng bởi các chuỗi nhô ra (Lineback, 1986).
Các chuỗi này là các đầu của chuỗi amylose và những cụm amylopectin (Baldwin, 1997). Ở mức thấp nhất của cấu tạo hạt, hạt bao gồm lớp vỏ kết tinh cứng xen kẽ lớp bán kết tinh và trung tâm hạt gọi là hilum (rốn hạt) (Luis Arturo Bello-Perez và cộng sự, 2010). Khi ra bề mặt hạt, các lớp vỏ này mỏng hơn do diện tích bề mặt tăng nhưng tốc độ tăng trưởng không đổi. Ở mức cao hơn, cho thấy một cấu trúc với tên gọi là “blocklet” (Luis Arturo Bello-Perez và cộng sự, 2010).
Blocklet có dạng hình cầu và có cấu trúc bất đối xứng (Morris và cộng sự, 2003; Baldwin, 1998). Blocklet có 2 loại, lớn (blocklet bình thường) và nhỏ (blocklet khiếm khuyết) trong cùng một tinh bột và là đơn vị cơ bản cấu trúc nên hạt tinh bột. Các blocklet bình thường tạo ra lớp vỏ cứng còn blocklet khiếm khuyết tạo ra các lớp vỏ mềm (Hanjun Tang và cộng sự, 2006). Blocket liên kết với các kênh vô định hình và kích thước blocklet trong lớp bán kết tinh nhỏ hơn trong lớp kết tinh.
Blocklet bao gồm các phiến kết tinh và vô định hình xen kẽ nhau (Luis Arturo Bello- Perez và cộng sự, 2010). Các điểm nhánh trong phân tử amylopectin không được phân bố ngẫu nhiên mà dọc theo phân tử. Chúng được nhóm lại và các đoạn tuyến tính đan vào nhau hình thành phiến kết tinh mỏng (~5 nm) (Oostergetel và Bruggen, 1993). Phiến vô định hình do amylose và các chuỗi nhánh của amylopectin hình thành nên (Srikaeo, 2016; Lauro và cộng sự, 2000).
Trong cấu trúc blocklet, lipid liên kết với amylose tạo phức ổn định cấu trúc blocklet (Gallant và công sự, 1992). Gốc phosphate tồn tại trên bề mặt của các blocklet để tăng tính ưa nước (Hanjun Tang và cộng sự, 2006). Cấu trúc hạt tinh bột được thể hiện trong hình 1. Theo một số nghiên cứu, tinh bột được phân loại thành A, B, C và V.
Trong hình dạng hạt tinh bột tự nhiên, loại A chủ yếu liên quan đến tinh bột ngũ cốc, loại B thường thu được từ tinh bột củ. Loại C là một hỗn hợp cả hai loại A và B, ví dụ tinh bột các loại đậu. Sự hình thành loại V là kết quả của amylose tạo phức với các chất khác như acid béo tự do, chất nhũ hóa, butanol và iodine (Cheetham và Tao, 1998). 6 Luan van Hình 1.2 Cấu trúc hạt tinh bột 7 Luan van 1.
Tính năng công nghệ của tinh bột Tinh bột được sử dụng chủ yếu trong ngành thực phẩm và công nghiệp giấy, với 57% sản lượng tinh bột tiêu thụ trong ngành thực phẩm và 43% trong lĩnh vực phi thực phẩm. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, xu hướng chính trong ứng dụng tinh bột là sản xuất syrup, thêm vào trong công thức chế biến các loại thực phẩm và sản xuất nước sốt khác (Andréa C. Ngoài ra, tinh bột có nhiều công dụng như chất làm đặc thực phẩm dạng lỏng như soups, nước chấm và custard, chất kết dính nước, ổn định nhũ tương và chất tạo gel. Trong tính năng công nghệ, quá trình hồ hóa và thoái hóa tính chất chức năng quan trọng cho quá trình chế biến thực phẩm, tiêu hóa và ứng dụng trong công nghiệp (Wang và cộng sự, 2016).
Sự hồ hóa tinh bột là một hiện tượng quan trọng xảy ra trong chế biến thực phẩm (Biliaderis, 1980). Quá trình hồ hóa và thoái hóa có tính quyết định đến chất lượng, khả năng chấp nhận, dinh dưỡng và shelf- life của thực phẩm giàu tinh bột (Biliaderis, 1991).Hiện tượng hồ hóa của tinh bột Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh do liên kết hydro giữ các chuỗi tinh bột với nhau (Jiménez, 2012).