CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN 1.1 Quá trình thủy phan tỉnh bột Về bản chat, quá trình thủy phân tinh bột là quá trình phân cắt mach phân tử tinh bột có sự tham gia của nước. Xúc tác được sử dụng phổ biến hiện nay là các enzyme amylase. Quá trình thủy phân tỉnh bột thường được chia thành ba giai đoạn: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa [5].1 Cac giai đoạn cua quá trình thủy phân 1.1 Giai đoạn hồ hóa Khi gia nhiệt huyền phù tinh bột trong nước, các phân tử nước sẽ khuếch tán vào bên trong hạt tinh bột khiến cho hạt trương nở. Sự hình thành liên kết hydro giữa các phân tử tỉnh bột ở bên trong hạt với phân tử nước sẽ làm yếu đi liên kết giữa các phân tử tinh bột với nhau.
Vùng cấu trúc tinh thé của hạt tinh bột chuyền dân thành vô định hình. Sự biến đối cấu trúc này là bất thuận nghịch. Tiếp theo, các phân tử amylose và amylopectin mạch ngắn sẽ khuếch tán ra bên ngoài hạt tinh bột. Một số hạt tinh bột bị vỡ ra và không còn hình dạng nhất định.
Các phân tử nước sẽ bao quanh phân tử amylose và amylopectin được giải phóng ra từ hạt tinh bột dé tạo thành micell “nước — tinh bột”. Cac phân tử tính bột nay được gọi là tinh bột hòa tan (soluble starch). Giai đoạn này được gọi là hồ hóa (gelatinization) [6]. Hồ hóa làm chín tỉnh bột, tăng khả năng tiêu hóa [7].
Trong quá trình thủy phân tỉnh bột với xúc tác enzyme, giai đoạn hồ hóa sẽ giải phóng một số phân tử tinh bột ra khỏi hạt tỉnh bột ban dau và làm tăng khả năng tiếp xúc giữa enzyme và cơ chat [8]. Trong khoa học, có nhiều phương pháp để nghiên cứu giai đoạn hồ hóa như xác định mức độ hút nước - trương nở của hạt tính bột bang cách tính chênh lệch khối lượng của hạt tinh bột trước va sau giai đoạn hồ hóa [9], [10]. Trong sản xuất công nghiệp, các biến đối của giai đoạn hồ hóa thường được quan tâm là mức độ hút nước - trương nở của hạt, mức độ gia tăng hàm lượng tinh bột hòa tan, biến đổi về độ nhớt và năng lượng cần tiêu thụ [6], [16], [18], [19]. Dua vào biến đổi độ nhét, giai đoạn hồ hóa được xem là bat đầu khi độ nhớt của huyén phù tăng vọt.
Nhiệt độ tại thời điểm đó được gọi là nhiệt độ bat đầu hồ hóa (Pasting Temperature - Tpaste hay To). Nhiệt độ tại thời điểm độ nhớt đạt cực đại (T|peak) goi là nhiệt độ đạt đỉnh nhớt (Peak temperature - Tpeak). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ vượt quá giá trị nhiệt độ đạt đỉnh nhớt, độ nhót của hỗn hợp sẽ giảm. Khoảng nhiệt độ từ Tpaste đến Tpea¿ được gọi là khoảng nhiệt độ hồ hóa (Hình 1.
Khoảng nhiệt độ hồ hóa của các loại tinh bột có nguồn gốc khác nhau sẽ khác nhau. Đó là do sự khác nhau về cau trúc hạt của loại tinh bột. Dựa vào sự bién đổi độ nhớt, khoảng nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai mì thường là 57 — 77°C [20], [21], [22]. 150 T 120 am, 'peak (b) en - ——> Sas X Mau 1 125 100 "xxx.
_--- SN Ne = Pa +” Mẫu 2 ~_ NN S 100 > 80 — NV ùŠ \ _ a $ Le! T\ Thy ¬ <£ ~ ` T2 =6 “ E Hƒ lel "2 ee ~ \ ⁄ Mẫu 4 a 2 a 50 | ý 40 T kỘ N Yi “ca TanaTP ” Mau về 5 7= Nâu1 —— Mau 2 onset N ff 25 + —— Mẫu 3 20 : 0,2mW , # 0 he J Tpaste =———— Wẫu5 0 Ì | | Tpeak | l | Thời gian (giây) 40 50 60 70 80 90 Nhiệt độ (°C) Hình 1. Đường cong mô tả giai đoạn hồ hóa tinh bột khoai mì của một số giống khoai mì trồng tại Brazil (a) Giản đồ thay đổi độ nhớt theo thời gian (b) Đường cong hap thu năng lượng nhiệt [23] Dựa vào đường cong mô tả năng lượng nhiệt hấp thu, có ba điểm uốn ứng với ba giá tri nhiệt độ được quan tam nhiều nhất là Tonset, Tpeak và Tend. Nhiệt độ tương ứng với thời điểm độ hap thu nhiệt của hỗn hop bat dau tăng mạnh là nhiệt độ bat đầu hồ hóa Tonset. Giá trị nhiệt độ tại đó hỗn hop hấp thu năng lượng nhiệt nhiều nhất thì được gọi là Tpeak.
Giá trị nhiệt độ tương ứng với thời điểm đường hấp thu năng lượng nhiệt bat đầu 6n định được gọi là Tena. Khi đó, giai đoạn hồ hóa được xem là kết thúc. Khoảng nhiệt độ từ Tonse đến Tena gọi là khoảng nhiệt độ hồ hóa (Hình 1. Tonset của tinh bột khoai mi dao động trong khoảng 50,0 — 66,7°C, Tpeak dao động trong khoảng 60 — 70,5°C va Tena dao động trong khoảng 69,0 — 82 79C [21], [22], [25], [26], [27].
Đề biểu diễn mức độ hồ hóa, hai thông số thường được sử dụng là độ trương nở (swelling power — SP) và độ hòa tan tinh bột (degree of solubilization — DSOL) của hạt tinh bột. Hai thông số nay được xác định băng cách lẫy một lượng thể tích mẫu huyền phù tinh bột trong giai đoạn hồ hóa để phối trộn với nước, sau đó ly tâm thu phan cặn. Thông số SP được tính theo công thức (1. Thông số này càng cao chứng tỏ hạt càng hút được nhiều nước và trương nở cảng lớn.
Thông số DSOL được xác định theo công thức (1. Thông số này càng lớn thì mức độ phân rã hạt tinh bột dé giải phóng các phân tử tinh bột ra ngoài hạt sẽ càng cao [9], [10], [11]. Đối với tinh bột khoai mì, trong khoảng nhiệt độ hồ hóa 65 — 85°C, giá trị SP là 40 — 60 g/g [28] và DSOL là 0,13 — 0,24g/g [29].2) m Voi mz là lượng chat khô của tinh bột trong mau huyền phủ ban dau [g] mạ là lượng tinh bột ướt thu được sau khi ly tâm (phan cặn) của VmL mẫu trong giai đoạn hồ hóa [g] ma là lượng tinh bột hòa tan trong giai đoạn hồ hóa huyền phù [g] 1.2 Giai đoạn dịch hóa Sau giai đoạn hồ hóa, nếu bổ sung a — amylase vào huyền phi tinh bột, độ nhớt của hỗn hợp giảm nhanh, giai đoạn này được gọi là dịch hóa (liquefaction). Khi đó, các phân tử tinh bột hòa tan bị thủy phân, cắt ngắn mạch dưới tac dụng của ơ-amylase.
Enzyme a — amylase là endo-enzyme có khả năng thủy phân liên kết a- 1,4 glycoside tại vị trí giữa mach phân tử amylose và amylopectin [30]. Nếu b6 sung a — amylase chịu nhiệt vào huyền phù từ đầu quá trình thủy phân, giai đoạn hồ hóa và dịch hóa xảy ra đồng thời và được gọi chung là dịch hóa. Khi đó, quá trình thủy phân dưới xúc tác của hệ enzyme amylase chỉ được chia thành hai giai đoạn dịch hóa và đường hóa [8]. Trong công nghiệp, dịch hóa tính bột được sử dụng để sản xuất dextrin, maltodextrin và là giai đoạn đầu của đường hóa dé sản xuất maltose, glucose [8].
Đề nghiên cứu giai đoạn dịch hóa tinh bột, các nhà khoa học có thể dựa vào mức độ giảm hàm lượng tinh bột hòa tan, mức độ giảm chiều dài mạch phân tử tinh bột hay mức độ tăng hàm lượng “đường khử” trong dung dịch phản ứng. Hàm lượng tinh bột hòa tan được xác định bang các phương pháp so mau phức iod - tinh bột [31], [32]. Chiéu dai mach phan tu tinh bot — chi số DP (Degree of Polymerization) được xác định bang các phương pháp sắc ky, phổ biến nhất là sắc ký long cao áp (HPLC) [33], [34]. Hàm lượng “đường khử” trong hỗn hợp thủy phân tinh bột được xác định dựa vào phản ứng giữa nhóm khủ-CHO của “đường khử” với các chất oxy hóa như Cu?" [35], hay 3,5- dinitrosalisylic (DNS) [36].
Đề biểu diễn mức độ dịch hóa, các nhà khoa học sử dụng một trong ba thông SỐ: độ dài trung bình của mach dextrin DP, (Number-average Degree of Polymerization) [37], đương lượng dextrose DE (Dextrose Equivalent) [33] hay độ thủy phân tinh bột DH (Degree of Hydrolysis) [38], [39]. Hai chỉ số DE va DH có y nghia khoa hoc va công thức tính tương tự nhau nhưng khác nhau về đơn vị đo. Chỉ số DH có đơn vị là %, chỉ số DE không có thứ nguyên. Độ dài trung bình của mạch maltodextrin là đại lượng cho biết chiều đài trung bình của các maltodextrin trong hỗn hợp thủy phân.
Khi mức độ thủy phân càng nhiều thi giá trị DP, càng nhỏ. DP, được tính theo phương trình (1.3), trong đó c¡ và Mi được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp [40] =—=— My 1 Ye (1. Giá trị DE thay đồi từ 0 (tương ứng với mẫu chứa tinh bột không hòa tan) đến 100 (tương ứng với dung dịch glucose nguyên chất). Chỉ số DE được tinh bang số gram sản phẩm thủy phân có gốc khử được quy đổi thành D-glucose trong 100g chất khô trong huyền phù ban đầu (phương trình 1.4) my Với ma là lượng nhóm khử quy đổi thành đường glucose [g] mi là lượng tinh bột tính theo chat khô trong huyện phủ ban đâu [g] Độ thủy phân tinh bột DH được định nghĩa là lượng đường khử tạo thành (quy đổi ra đường glucose) so với lượng nguyên liệu khô ban dau (Phương trình 1.
DH thay đổi từ 0% đến 100%. Quá trình thủy phân càng nhiêu thì giá trị DH càng cao [42]. DH =—*x 162 x 100%° ~ m, 180 to) Với 162/180 là hệ số chuyền doi từ khối lượng đường khử thành khối lượng tinh bột hòa tan Khi dịch hóa được sử dụng trong sản xuất maltodextrin hay dextrin, sản phẩm có chỉ số DE dao động trong khoảng 12 — 40. Nếu dịch hóa là giai đoạn đầu của đường hóa dé sản xuất glucose hoặc maltose thì chỉ số DE khi kết thúc dịch hóa sẽ dao động trong khoảng 8 — 12 [43].3 Giai đoạn đường hóa Giai đoạn đường hóa là giai đoạn cuối của quá trình thủy phân tinh bột.
Ngoài a- amylase, giai đoạn đường hóa còn sử dụng các exo-enzyme và các enzyme cắt nhánh như B-amylase (thủy phân liên kết a, 1 — 4 glycoside từ đầu không khử và tạo sản phẩm là đường maltose), y-amylase (thủy phân liên kết a, 1 — 4 và a, 1 — 6 glycoside từ đầu không khử va tạo sản phẩm là đường glucose), pullulanase (thủy phân liên kết a, 1 — 6 glycoside làm giảm độ phân nhánh của amylopectin). Sản phẩm của giai đoạn này là hỗn hợp các loại đường tan, chủ yếu là maltose va glucose. Các sản phẩm thông dụng trên thị trường gồm: maltose có DE = 40-45, “high maltose” có DE = 50-55, “high conversion syrup” có DE = 55-70 va “high content of glucose” có DE = 95-97, [43].2 Động học quá trình thủy phân tinh bot 1.
