CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về tinh bột 1. Khái quát về tinh bột Quá trình tổng hợp tinh bột từ thực vật là kết quả của quá trình quang hợp, quá trình mà năng lượng từ ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng hóa học. Tinh bột được tổng hợp trong plastids tìm thấy trong lá như một hợp chất dự trữ cho quá trình hô hấp khi đêm đến.
Nó cũng được tổng hợp trong các amyloplasts có trong củ, hạt và rễ như một hợp chất lưu trữ lâu dài (Marc J. van der Maarel và cộng sự, 2002). Tinh bột có thể được phân thành ba nhóm: (1) gồm các loại tinh bột ngũ cốc phổ biến (ngô, lúa mì, lúa miến, gạo), (2) gồm các loại tinh bột từ củ (khoai tây) và củ (khoai mì, dong riềng, khoai lang), (3) gồm các loại tinh bột sáp (ngô sáp, cao lương sáp, lúa sáp) (J. Thành phần hóa học của hạt tinh bột Tinh bột là một polysaccharide gồm các đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên kết glycosidic tại các oxygen ở vị trí C-1 (Marc J.
van der Maarel và cộng sự, 2002). Hai loại glucan chính có trong tinh bột là amylose và amylopectin. Hầu hết các loại tinh bột đều chứa từ 20-30% amylose (Hoàng Kim Anh, 2008). Hàm lượng amylose và amylopectin trong một vài loại tinh bột điển hình (S.
Kearsley, 1995) Loại tinh bột Amylose (%) Amylopectin (%) Ngô 27 73 Khoai tây 21 79 Lúa mì 27 73 Bột báng 14 86 4 Luan van 1. Cấu trúc của polyme này chủ yếu là tuyến tính, nhưng điều này dường như chỉ đúng với một phần của AM, phần còn lại hơi phân nhánh (Justyna Rosicka-Kaczmarek và và cộng sự, 2018). Phức hợp xoắn amylose-polyiodide có màu xanh lam đậm đặc trưng với độ hấp thụ λmax ở bước sóng 640 nm. Việc giảm chiều dài chuỗi của amylose sẽ làm λmax của phức chất giảm xuống một bước sóng ngắn hơn, và màu sắc của phức chất chuyển sang màu tím, đỏ và cuối cùng là màu da cam khi DP của chuỗi amylose giảm xuống còn 19 - 25 (Mold and Synge, 1954).
Sự hình thành phức hợp giữa các amylose và polyiodide có thể được sử dụng để xác định hàm lượng amylose có trong tinh bột (Duan và và cộng sự, 2012; Chrastil, 1987). Tuy nhiên, kết quả thu được từ các phương pháp này bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của lipid và cấu trúc của amylopectin, các chuỗi nhánh dài của amylopectin cũng có thể tạo phức với iodine, ngoài ra amylose cũng có thể tạo phức với lipid làm giảm khả năng tạo phức iodine (Morrison WR, Karkalas J và và cộng sự, 1990; Jane J và và cộng sự,1999). Nếu không có sự hiện diện của chất tạo phức, mảng kỵ nước của chuỗi amylose sẽ tương tác với chuỗi amylose liền kề để tạo thành chuỗi xoắn kép. Cấu trúc xoắn kép của amylose có chứa các mảng kỵ nước được gấp lại bên, cách xa môi trường nước, để đạt được trạng thái năng lượng thấp hơn và ổn định hơn.
Do đó, các chuỗi amylose tự do trong hệ phân tán trong nước có xu hướng hình thành các vòng xoắn kép và sau đó tạo gel hoặc kết tủa. Một khi các xoắn kép được hình thành giữa các phân tử amylose, nó đòi hỏi phải gia nhiệt đến 1700C để phân tách cấu trúc xoắn kép (Sievert và Wursch, 1993). Tốc độ hình thành chuỗi xoắn kép được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm chiều dài chuỗi của amylose, nồng độ của amylose trong hệ phân tán và nhiệt độ. Chiều dài tối ưu của chuỗi amylose cho quá trình thoái hóa ngược là khoảng DP 100 (90-110) (Gidley và Bulpin, 1989).
Bao gồm ba loại chuỗi nhánh. Chuỗi A là những chuỗi được liên kết với các chuỗi khác (B- hoặc C-) bằng các đầu khử của chúng thông qua liên kết α-D- (1 → 6), nhưng chúng không tự phân nhánh. Chuỗi B là những chuỗi được liên kết với chuỗi B khác hoặc chuỗi C, nhưng chuỗi B được phân nhánh bởi chuỗi A hoặc chuỗi B khác ở O-6 của một đơn vị glucosyl. Mỗi phân tử amylopectin chỉ có một chuỗi C, mang đầu khử duy nhất của phân tử.
Chiều dài trung bình các chuỗi nhánh của amylopectin thay đổi theo nguồn gốc và độ chín của hạt tinh bột, vị trí của các phân tử trong hạt. Chiều dài trung bình của chuỗi tính theo trọng lượng của amylopectin loại A-, B- và C nằm trong khoảng DP lần lượt là 19 - 28, 29 - 31, và 25 – 27 (Jane J và cộng sự, 1999). Một mô hình cụm của amylopectin do Hizukuri đề xuất với chuỗi A và B1 - B3. Chuỗi mang đầu khử (Ø) là chuỗi C, (1 → 4) -α-D-glucan; liên kết α- (1 → 6) (Jane J và cộng sự, 1999) Amylopectin không tạo phức với iodine cho màu xanh lam mà có màu tím và đôi khi có màu nâu đỏ tùy thuộc vào nguồn gốc của nó (A.
Sự phân bố chiều dài chuỗi nhánh đặc trưng của amylopectin tùy thuộc vào nguồn gốc của các loại tinh bột. Amylopectin của tinh bột tự nhiên có dạng nhiễu xạ tia X loại A bao gồm một tỷ lệ phần trăm lớn hơn các chuỗi nhánh ngắn (tức là, DP 6- 12) tồn tại trong một cụm và một tỷ lệ nhỏ hơn các chuỗi nhánh dài kéo dài qua nhiều hơn một cụm. Chuỗi nhánh amylopectin chịu trách nhiệm hình thành cấu trúc tinh th ể 6 Luan van trong hạt tinh bột, chiều dài chuỗi nhánh của các phân tử amylopectin ảnh hưởng đáng kể đến tính chất hồ hóa và thoái hóa của tinh bột. Amylopectin, với trọng lượng phân tử nằm trong khoảng từ 7.
Cấu trúc hạt tinh bột 1. Hình thái của hạt tinh bột Các hạt tinh bột trong tự nhiên có hình dạng và kích thước khác nhau. Các hình dạng phổ biến của hạt tinh bột bao gồm hình cầu, đa giác, hình bầu dục, đĩa, hình th ận và thon dài (Jane và cộng sự, 1994; Perez và Bertoft, 2010). Tinh bột ngô và ngô sáp có hình cầu và đa giác có đường kính 5-20 µm.
Tinh bột lúa mì, lúa mạch và lúa mạch đen có phân bố kích thước theo hai phương thức: lớn, hạt A có hình đĩa và đường kính khoảng 18-33 µm, trong khi hạt nhỏ, hạt B có hình cầu và đường kính 2-5 µm (Kim và và cộng sự, 2004). Hầu hết các loại tinh bột đậu có dạng hình thận 5-70 µm, các hạt hình cầu, tròn, elip và hình dạng bất thường cũng quan sát thấy được (Hoover và cộng sự, 2010; Jane và cộng sự, 1994). Các hạt tinh bột tự nhiên được chụp dưới kính hiển vi điện tử SEM: (a) khoai môn; (b) hạt dẻ; (c) gừng; (d) sắn dây; (e) ngô; (f) chuối xanh; (g) lúa mì; (h) khoai tây (Perez, S. Cấu trúc hạt tinh bột Tinh bột có nguồn gốc thực vật thể hiện hình thái hạt đặc trưng, cấu trúc tinh thể và tổ chức bên trong, chủ yếu là do các thành phần đặc trưng và cấu trúc của các thành phần khác nhau.
Những đặc điểm cấu trúc này quyết định các tính chất vật lý của tinh bột. Cấu trúc hạt tinh bột (Déborah Le Corre và cộng sự, 2010) Vị trí tương đối của Amylose và Amylopectin trong hạt tinh bột Amylose và amylopectin được tổng hợp đồng thời với sự phát triển của hạt tinh bột. Amylose và amylopectin được sắp xếp cạnh nhau và xen kẽ trong hạt tinh bột (Jane và cộng sự, 1992; Kasemsuwan và Jane, 1994). Quá trình sinh tổng hợp của hạt tinh bột được bắt đầu ở hilum, và các chuỗi tinh bột được kéo dài ra ở đầu không khử vùng ngoại vi của hạt đang phát triển.
Do đó, các chuỗi amylose và amylopectin được sắp xếp xuyên tâm trong một hạt hình cầu (Yongfeng Ai& Jay-lin Jane, 2018). Hai chuỗi nhánh lân cận của amylopectin liên kết với nhau để hình thành tinh thể xoắn kép với cấu trúc tinh thể và vô định hình xen kẽ ở khoảng cách lặp lại khoảng 9-10 nm (Jenkins và và cộng sự, 1993; Jenkins và Donald, 1995). Các xoắn kép hầu hết được đóng gói theo hai kiểu khác nhau để tạo thành cấu trúc hình phiến (Angellier Coussy và cộng sự, 2009): đa hình loại A có đơn vị tế bào đơn tà và đa hình loại B có đơn vị tế bào lục giác (Buleon và và cộng sự., 1998; Sarko và Wu, 1978). 8 Luan van Blocklets trong hạt tinh bột Blocklets hiện diện khắp nơi trong hạt tinh bột và chúng có cấu trúc bất đối xứng với chiều dài tối đa khoảng 130–250 nm đối với hạt tinh bột đậu (Ridout và cộng sự, 2003), 20–50 nm đối với hạt tinh bột khoai tây (Szymoska Krok, 2003), và 10–30 nm đối với hạt tinh bột ngô (Baker và cộng sự, 2001).
Dựa vào kích thước và sự phân bố bloclets trong các hạt tinh bột, đặc điểm cấu trúc và tỷ lệ của phân tử amylopectin, người ta cho rằng chúng được tạo thành từ vùng kết tinh và vùng vô định hình của amylopectin (Gallant và cộng sự, 1997) có đường kính 20-500 nm tùy thuộc vào nguồn gốc thực vật của tinh bột và vị trí bên trong hạt. Tùy thuộc vào nguồn gốc hạt tinh bột mà các blocklets có hình dạng và cấu trúc khác nhau. Trong cùng một giống thực vật, hầu hết các blocklets có kích thước giống nhau mặc dù khác nhau về chức năng. Các phân tử tinh bột được tổ chức ở các mức độ khác nhau thành một hạt.
Kích thước của blocklets không liên quan đến kích thước của hạt tinh bột, độ dày vòng tăng trưởng và vùng vô định hình (các vòng sinh trưởng và vùng vô định hình không phải lúc nào cũng có cấu trúc liên tục). Quá trình hình thành blocklets có thể gây trở ngại cho vùng vô định hình làm chúng có cấu trúc lỏng lẻo. Đồng thời các blocklets liên kết với nhau tạo thành mạng lưới các phức hợp blocklets. Ngoài ra, amylose có thể phá vỡ trật tự cấu trúc trong cấu trúc tinh thể amylopectin (Jenkins & Donald, 1995).
Do đó, amylose tuyến tính liên kết dễ dàng với các blocklet (Craig và cộng sự, 1998; Tang và cộng sự, 2002a). Sơ đồ cấu trúc blocklets thông thường trong hạt tinh bột (Tang và cộng , 2006) 9 Luan van Cấu trúc vô định hình và kết tinh Hầu hết các hạt tinh bột là bán tinh thể, tức là chúng chứa cả phần kết tinh và phần vô định hình sắp xếp xen kẽ nhau dày từ 100 đến 400 nm, cấu trúc này được gọi là vòng tăng trưởng (French D, 1984; Yamaguchi M và cộng sự,1979; Gallant DJ và cộng sự, 1997). Tuy nhiên, không có sự phân định rõ ràng giữa vùng vô định hình và vùng kết tinh.