Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về tinh bột 1. Thành phần hóa học của tinh bột Tinh bột là thành phần carbohydrate dự trữ chính trong thực vật và là polymer sinh học tự nhiên lớn thứ 2 sau cellulose (Liu, 2005). Trong tự nhiên, tinh bột được cấu tạo từ các hạt rời rạc (Bertolini, 2010).
Hạt tinh bột được cấu tạo chủ yếu từ 2 loại α-glucan là amylose và amylopectin với hàm lượng chất khô chiếm 98-99% so với tổng khối lượng chất khô của hạt tinh bột tự nhiên (Copeland và cộng sự, 2009). Amylose và amylopecin có cấu trúc và tính chất khác nhau (Srikaeo, 2016). Tỷ lệ, cấu tạo và cấu trúc của hai loại polysaccharide này khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của tinh bột (Wang và cộng sự, 2012; Bello-Perez và cộng sự, 2010). Hàm lượng ẩm khi tinh bột cân bằng ẩm với không khí khoảng 10-12% đối với tinh bột ngũ cốc và 14-18% đối với tinh bột củ (Tester và cộng sự, 2004).
Ngoài các thành phần trên, hạt tinh bột còn chứa protein, lipid và khoáng (Appelqvist và Debet, 1997). Các thành phần này tuy chiếm hàm lượng thấp trong hạt nhưng đóng vai trò quan trọng trong các tính chất lý hóa của tinh bột (Liu, 2005). Hàm lượng amylose trong tinh bột ngô sáp thấp hơn 15%; trong các loại tinh bột tự nhiên khác hàm lượng amylose khoảng 20-35% (Puthussery và cộng sự, 2015). Amylose có cấu trúc tương đối dài, mạch thẳng, bao gồm các gốc α-D-glucopyranose liên kết với nhau qua liên kết α-1,4-glycosidic (Tester và cộng sự, 2004; Yu và cộng sự, 2013).
Amylose có sự phân nhánh qua liên kết α-1,6-glycosidic với số lượng ít hơn 1% (Buléon và cộng sự, 1998; Yoshimoto và cộng sự, 2002). Kích thước, cấu trúc và tỷ lệ liên kết alpha glycosidic trong mạch amylose phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật (Tester và cộng sự, 2004). Amylose có khối lượng phân tử xấp xỉ 104-105 (đơn vị) với mức độ polymer hóa trung bình mỗi chuỗi khoảng 500 (Mua và cộng sự, 1997; Bello-Perez và cộng sự, 2010). Amylose có khoảng 9-20 điểm phân nhánh trên mỗi phân tử (Tester và cộng sự, 2004).
Do có cấu trúc mạch thẳng và số lượng các nhóm thế ít nên amylose có xu hướng tập hợp lại với nhau thông qua liên kết hydro và vì vậy amylose không tan trong nước lạnh (Ross, 2012). 2 Với các hạt tinh bột tự nhiên có nguồn gốc khác nhau, amylopectin chiếm khoảng 70- 80% hàm lượng chất khô (Jobling, 2004). Hàm lượng amylopectin có ảnh hưởng lớn đến tính chất lí hóa và tính năng công nghệ của tinh bột (Dona và cộng sự, 2010; Bello-Perez và cộng sự, 2010). Amylopectin có khối lượng phân tử lớn hơn nhiều so với amylose (Bertoft, 2004).
Mỗi phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử (Ross, 2012). Khối lượng phân tử amylopectin khoảng 106-109 (đơn vị) (Liu, 2005). Khối lượng phân tử phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật, phân đoạn tinh bột, phương pháp xác định và dung môi hòa tan (Bertoft, 2004; Liu, 2005). Amylopectin có cấu trúc phân nhánh với tỷ lệ liên kết 𝛼-1,6 glycosidic khoảng 5% (Gallant và cộng sự, 1992; Pérez và cộng sự, 2009).
Liên kết 𝛼-1,4-glycosidic trong phân tử amylopectin chiếm 95% (Ross, 2012). Mức độ polymer hóa khoảng 4,8-15,0×103 (Bertoft, 2004). Chuỗi đơn vị amylopectin tương đối ngắn khi so sánh với phân tử amylose. Giống với amylose, kích thước, hình dạng, cấu trúc và mức độ đồng nhất của phân tử amylopectin phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật (Srikaeo, 2016).
Cấu tạo của phân tử amylose và amylopectin được thể hiện ở hình 1.1 theo Xie và cộng sự (2013). Cấu trúc amylose (trái) và amylopectin (phải) (Xie và cộng sự, 2013). 3 Trong hạt tinh bột, lipid có thể chiếm tới 1,5% khối lượng chất khô (Ross, 2012). Lipid có trong hạt tinh bột được gọi là lipid tinh bột, chủ yếu tồn tại dưới dạng monoacyl lipid (lysophospholipid và các acid béo tự do) và có mối quan hệ rõ ràng với thành phần amylose trong hạt (Belitz và cộng sự, 2009; Wang và cộng sự, 2012; Wani và cộng sự, 2016).
Tuy nhiên, các hạt tinh bột cũng có các thành phần tạp chất lipid còn được gọi là lipid bề mặt hay lipid không tinh bột (Liu và cộng sự, 2005). Các tạp chất này bao gồm triglyceride, glycolipid và các acid béo tự do có nguồn gốc từ màng lạp bột và các nguồn không phải tinh bột (Morrison, 1995). Một phần amylose trong hạt tinh bột tồn tại dưới dạng phức với lipid (Bello-Perez và cộng sự, 2010). Chuỗi acid béo đóng vai trò là lõi kị nước trong trong mạch xoắn đơn amylose (Puthussery và cộng sự, 2015).
Tinh bột tinh khiết chứa ít hơn 0,6% protein (Tester và cộng sự, 2004). Protein hiện diện trên bề mặt và bên trong hạt tinh bột (Appelqvist và Debet, 1997; Srikaeo, 2016). Protein trong hạt tinh bột chiếm số lượng tương đối nhỏ, khoảng 0,1-0,3% (Dona và cộng sự, 2010). Khối lượng phân tử protein trong hạt tinh bột khoảng 30-140kDa lớn hơn so với protein trên bề mặt (5-30kDa) (Appelqvist và Debet, 1997).
Protein liên kết với tinh bột và cũng liên kết với lipid ở bề mặt hạt (Baldwin, 2001). Cả lipid và protein đều ảnh hưởng đến tính chất chức năng của tinh bột (Tester và cộng sự, 2004). Sự có mặt của protein có thể tạo ra các hợp chất màu và mùi không mong muốn thông qua phản ứng Maillard. Hơn nữa, protein có thể ảnh hưởng đến sự tích điện bề mặt, tốc độ hydrate hóa và gây cản trở sự tương tác giữa hạt tinh bột và enzyme thủy phân (Liu, 2005).
Tinh bột cũng chứa một lượng tương đối nhỏ (<0,4%) các chất khoáng như calci (CaO), silic (SiO2), phospho, natri (Na2O) và kali (K2O) (Liu, 2005). Trong đó, phospho được cho rằng có đóng góp nhỏ vào chức năng của tinh bột (Tester và cộng sự, 2004). Phospho được tìm thấy ở ba dạng là phosphate monoester, phospholipid và muối phosphate vô cơ (Blennow và cộng sự, 2000, 2002; Tester và cộng sự, 2004). Ở một số loài thực vật, vị trí C-6 của amylose liên kết với nhóm phosphate (Liu và cộng sự, 2005).
Cấu trúc hạt tinh bột Hạt tinh bột có hình dạng cân đối (hình cầu, ovan hoặc dạng có góc) hoặc rất không đều với sự bao quanh của lipid và protein bề mặt (Bertolini, 2010; Buléon và cộng sự, 1998; Morrison, 1995). Đường kính hạt từ 1-100𝜇m (Fuentes-Zaragoza và cộng sự, 2010). Hạt tinh bột gồm lớp vỏ cứng kết tinh, bán kết tinh và rốn hạt nằm lệch tâm (Gallant và cộng sự, 1997). Các lớp vỏ này mỏng hơn khi nằm ở những vòng ngoài do diện tích bề mặt tăng nhưng tốc độ phát triển không đổi.
Ở cấp cao hơn, các lớp vỏ kết tinh được cấu tạo từ các Blocklet liên kết với kênh xuyên tâm vô định hình (Gallant và cộng sự, 1992; Bello-Perez và cộng sự, 2010). Kích thước của Blocklet trong vỏ bán kết tinh nhỏ hơn so với vỏ kết tinh. Bocklet bao gồm chủ yếu là các phiến kết tinh và vô định hình (Gallant và cộng sự, 1997). Vùng kết tinh được cấu tạo chủ yếu từ các khối do phân tử amylopectin liên kết với nhau (Manners, 1989).
Vùng vô định hình được tạo nên từ phân tử amylose, các điểm nhánh của phân tử amylopectin và những chuỗi B-amylopectin dài (Kozlov và cộng sự, 2007). Trong cấu trúc Bocklet, các phân tử lipid hoặc protein liên kết với thành phần amylose (Gallant và cộng sự, 1997; Buléon và cộng sự, 1998). Phospho tạo liên kết ester với vùng vô định hình và vùng kết tinh của phân tử amylopectin (Blennow và cộng sự, 2000). Dựa vào sự tổ chức của các mạch xoắn kép amylose, tinh bột được chia thành tinh bột loại A, B, C (được cho rằng là sự kết hợp của loại A và B) (Fuentes-Zaragoza và cộng sự, 2010) và V (Gallant và cộng sự, 1992).
Tinh bột loại A có trong các loại ngũ cốc (Imberty và cộng sự, 1988). Tinh bột loại B có chủ yếu trong tinh bột củ và các loại tinh bột giàu amylose (Wu và cộng sự, 1978; Parker và Ring, 2001). Tinh bột loại C chủ yếu có trong các loại đậu và các loại legume (Fuentes-Zaragoza và cộng sự, 2010; Pérez và cộng sự, 2009). Tinh bột loại V chỉ được tìm thấy trong tinh bột sau hồ hóa (Gallant và cộng sự, 1992).
Cấu trúc loại A cho thấy sự tổ chức chặt chẽ của các mạch xoắn kép (Sajilata và cộng sự, 2006). Tinh bột loại B có cấu trúc chuỗi xoắn mở do chứa một lượng lớn nước trong cấu trúc xoắn kép và có chiều dài chuỗi lớn hơn loại A (Tester và cộng sự, 2004). Sự tổ chức trong tinh bột loại A được cho rằng bền hơn so với tinh bột loại B (Michael , 1987). Cấu trúc hạt tinh bột có thể được mô hình hóa với sự biến đổi của các tác giả theo hình 1.
5 Lipid và protein bề mặt Lớp Aleuron Hạt tinh bột Nội nhũ trong Vỏ cứng kết tinh Phôi Vỏ mềm Bề mặt hạt tinh bột bán kết tinh Rốn hạt Vỏ cứng kết tinh Blocklet lớn Vỏ mềm bán kết tinh Blocklet nhỏ Kênh vô định hình Vùng vô định hình Loại A Loại B Vùng kết tinh Amylopectin Amylose Phosphate Nước Lipid ester Hình 1. Cấu trúc hạt tinh bột 6 1. Tính năng công nghệ của tinh bột Tinh bột có nhiều tính năng công nghệ được ứng dụng trong thực phẩm và các lĩnh vực không thuộc thực phẩm như khả năng tạo dầy, tạo gel (Peris-Tortajada và cộng sự, 2004); làm chất ổn định, chất giữ ẩm, chất làm đầy (Singh và cộng sự, 2007); khả năng tạo màng, khả năng cố kết, tạo cấu trúc (White và cộng sự, 2004); vi bao (Tomasik, 2007); khả năng tạo độ bóng (Pomeranz, 1991); chất tạo đục và chất tạo nhũ (Ashwar và cộng sự, 2014). Trong các ứng dụng của tinh bột, hiện tượng hồ hóa, pasting và thoái hóa được xem là những tính chất sơ bộ và quan trọng nhất của tinh bột (Cooke và Gidley, 1992; Liu, 2005).
Các quá trình này quyết định chất lượng, mức độ chấp nhận, giá trị dinh dưỡng và shelf-life của sản phẩm thực phẩm (Wang và Copeland, 2013).Hiện tượng hồ hóa và pasting của tinh bột Các hạt tinh bột tự nhiên không tan trong nước lạnh do có liên kết hydro nội phân tử (Lund và cộng sự, 1984; Wang và cộng sự, 2012). Hạt tinh bột chỉ trương nở một phần nhỏ trong nước lạnh nhưng trở lại hình dạng và độ bền vững ban đầu khi sấy (Pomeranz, 1991). Khi gia nhiệt, tính chất chảy của huyền phù tinh bột thay đổi rõ rệt khi chuyển sang hệ phân tán của các hạt tinh bột trương nở (Liu, 2005). Hiện tượng hồ hóa của tinh bột được định nghĩa là quá trình phá hủy sự sắp xếp của các phân tử trong hạt tinh bột khi gia nhiệt huyền phù tinh bột (Atwell và cộng sự, 1988).