Tính năng công nghệ và ứng dụng của tinh bột

- Tham gia vào thành phần cấu tạo trong cấu trúc tinh thể dạng B là các sợi amylose xoắn kép song song ngược chiều, được sắp xếp cạnh nhau thao hình lục giác, vùng tâm của hình lục giác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

- -Báo cáo Tính năng công nghệ và ứng dụng

của tinh bột

GVHD: Th.S Đặng Thị Ngọc Dung Nhóm thực hiện: Nhóm 2

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 04, NĂM 2014

3 Nguyễn Hoàng T Hồng phượng 12116066

MỞ ĐẦU

Tinh bột theo tiếng Hy Lạp là Amidon có công thức hóa học là : (C6H10O5)n

Tinh bột là polysaccarit chứa hỗn hợp amylose và amylopectin trong hạtcủ,thân cây và lá cây.Một lượng tinh bột đáng kể có trong các loại quả như chuối vàcác loại rau.Trong đó xãy ra các biến đổi thuận nghịch từ tinh bột thành đườngglucozo phụ thuộc vào quá trình chín và chuyển hóa sau thu hoạch

Tinh bột có vai trò dinh dưỡng đặc biệt lớn vì trong quá trình tiêu hóa chúng

bị thủy phân thành đường glucozo là chất tạo nên nguồn calo chính trong thực phẩmcho con người.Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghệ thực phẩm vì nhữngtính chất hóa lý của chúng

Tinh bột thường được dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho thực phẩm dạnglỏng,là tác nhân dạng bền cho thực phẩm dạng keo,là các yếu tố kết tinh và làm đặctạo độ cứng và độ đàn hồi cho nhiều thực phẩm

Trong công nghiệp ứng dụng tinh bột để xữ lý nước thải,tạo màng bao bọc kịnước trong sản xuất thuốc nỗ nhủ tương,thành phần chất kết tinh trong công nghêsơn.Các tính chất sản có của tinh bột có thể thay đổi nếu chúng bị biến hình( hóa họchoặc sinh học)để thu đucợ những tính chất mới,thậm chí hoàn toàn mới lạ

Chúng em xin chân thành cảm ơn Th.S Đặng Thị Ngọc Dung – Giảng viênmôn Hóa học thực phẩm đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Vì kiến thức chuyên môn chưa tốt nên trong quá trình tìm hiểu không trách khỏi thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến cô và các bạn

MỤC LỤC

I. Tổng quan về tinh bột……… 4

1. Amylose……….4

a) Cấu trúc hóa học……….4

b) Độ hòa tan, tính lưu biến………5

c) Cấu trúc xoắn……… 6

d) Khả năng tạo phức……… 7

e) Các tính chất đặc trưng……… 7

2. Amylopectin……… 7

a) Cấu trúc hóa học……….7

b) Độ hòa tan, tính lưu biến………9

c) Cấu trúc xoắn……… 9

d) Khả năng tạo phức………

e) Các tính chất đặc trưng………

II. Cấu trúc tinh thể của tinh bột………

III. Tính năng công nghệ của tinh bột………

1. Khả năng hấp thụ nước và sự hồ hóa của tinh bột………

2. Độ trong của hồ tinh bột………

3. Khả năng tạo gel và sự thoái hóa của tinh bột………

4. Tính nhớt dẻo của tinh bột………

5. Khả năng tạo màng của tinh bột………

6. Khả năng tạo sợi của tinh bột………

7. Khả năng phông nở của tinh bột………

IV. Các phương pháp biến tính tinh bột………

1. Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý………

2. Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học………

3. Biến tính tinh bột bằng enzyme………

V. Ứng dụng của tinh bột………

1. Tinh bột………

2. Tinh bột biến tính………

VI. Tài liệu tham khảo……….

• Tinh bột là chất dinh dưỡng dự trữ của thực vật Tinh bột do cây xanh quang hợp nên.Tinh bộtcó nhiều trong hạt củ,quả

• Trong thực vật,tinh bột thường có mặt dưới dạng không hòa tan trong

nước.Do đó có thể tích tụ một lượng lớn trong tế bào mà vẫn không bị ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu.Các hidrat cacbon đầu tiên được tạo ra từ lục lạp

do quang hợp,nhanh chóng được chuyển hóa thành tinh bột.Tinh bột ở mức độnày được gọi là tinh bột đồng hóa,rất linh động và có thể được sử dụng ngay trong qua trình trao đổi chất hoặc có thể được chuyển hóa thành tinh bột dự trữ trong hạt, quả,củ,rễ thân và bẹ lá

• Trong nước nóng từ 65°C trở lên,tinh bột tan thành dung dịch keo,tạo thành

hồ tinh bột,cấu trúc phân tử của tinh bột 6 10 5

(C H O)n

• Tinh bột có nhiều trong các hạt lương thực,do đó lương thực được xem là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột cũng như những sản phẩm liên quan đến tinh bột

• Ta có thể chia tinh bột thực phẩm thành 3 hệ thống:

 Hệ thống tinh bột của các hạt ngủ cốc

 Hệ thống tinh bột của các hạt họ đậu

 Hệ thống tinh bột của các loại củ

Tinh bột là hỗn hợp của hai loại glucan là amylose và amylopectin

1. Amylose.

a) Cấu trúc hóa học.

- Amylose là một polymer mạch thẳng cấu tạo từ D – glucopyranose nhờcác liên kếtα – 1,4 – glucozit

Hình I.1 Công thức cấu tạo của Amylose.

- Quá trình thủy phân của amylose có thể được tiến hành bằng các enzyme α – amylose, β – amylase và glucoamylase

- Trong amylose có khoảng 0,1 % các liên kết phân nhánh α – 1,6 nên β – amylase thường không thể thủy phân được amylose một cách hoàn toàn

- Trọng lượng phân tử amylose trong khoảng 105 – 106

- Mức độ polymer hóa DP ( Degree of Polymerisation ) từ 1000 – 2000 (thấp) và 4500 – 6000 ( cao )

Hình I.2 cấu trúc một phần của amylose

b) Độ hoà tan tính lưu biến.

- Amylose thu được bằng phương pháp công nghiệp thường là sản phẩm thoái hóa nên không hòa tan

- Amylose mới tách ra từ tinh bột bằng phương pháp tạo phức với n – butanol ở dạng bột xốp khô, có thể hòa tan dễ dàng trong nước nóng đến 15%

- Amylose cũng có thể hòa tan trong dung dịch kiềm loãng, tại nồng độ kiềm tối ưu

- Do trọng lượng phân tử lớn và có cấu tạo mạch thẳng nên độ nhớt của dung dịch amylose thu được cũng cao

- Dung dịch amylose rất dễ tạo keo, ngay cả khi ở nhiệt độ cao Tốc độ tạo keo là hàm của thời gian, nhiệt độ, pH, nồng độ và phương pháp hòa tan.

c) Cấu trúc xoắn.

- Tham gia vào thành phần cấu tạo trong cấu trúc tinh thể dạng B là các sợi amylose xoắn kép song song ngược chiều, được sắp xếp cạnh nhau thao hình lục giác, vùng tâm của hình lục giác chứa đầy nước

Hình I.3 cấu trúc xoắn của amlose

- Cấu trúc tinh thể tinh bột dạng A tương tự như dạng B, nhưng tâm hìnhlục giác không chứa nước mà chứa nước mà là một chuỗi xoắn kép khác, khiến cho toàn bộ “ bó sợi “ có cấu trúc chặt chẽ hơn và trong trường hợp này chỉ có 8 phân tử nước nằm xen kẽ giữa các chuỗi xoắn kép

- Điều kiện môi trường có thể làm thay đổi cấu hình của các chuỗi xoắn kép

- Nhiều phân tử như iodine, acid béo, các ester của acid béo, acid

hydroxycarboxylic,… có khả năng tạo thành một dạng mắt lưới với amylose

- Kích thước của phòng helix ( khoảng 13,7 A0 – 16,2 A0 ) có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng tạo phức của amylose

Khả năng tạo phức.

- Amylose, đặc biệt là từ ngũ cốc có thể tạo phức với một lượng tương đối lớn lipid

- Lipid làm tăng độ bền của cấu trúc helix, và giảm khả năng trương nở của tinh bột ngũ cốc

- Khả năng này có thể được cải thiện khi có mặt một số alcohol, như etanol, amyl alcohol,… Chính các alcohol này chui vào bên trong vòngxoắn ưa béo và đẩy lipid ra khỏi cấu trúc helix

- Các phức được làm khô thường rất bền, ví dụ phức giữa amylose và vitamin A tính chất này được dùng để tránh hieemnj tượng oxy hóa, bảo vệ vitamin A trong thuốc và thức ăn gia súc

e) Các tính chất đặc trưng.

- Phản ứng đặc trưng với iodine cho màu xanh dương

- Dung dịch không bền, ở nhiệt độ thấp chuyển sang trạng thái vô định gây kết tủa không thuận nghịch gọi là sự thoái hóa tinh bột

Bảng I.1.Thành phần amilose và amilopectin của một số loại tinh bột:

Loại tinh bột Amylose % Amilopectin,%

8183

2. Amylopectin.

a) Cấu tạo hóa học.

- Amylopectin là một glucan phân nhánh

- Trong phân tử Amylopectin ngoài liên kết α – 1,4, tỷ lệ liên kết phân nhánh α – 1,6 chiếm khoảng 4 %

- Trung bình, mỗi nhánh của amylopectin chứa khoảng 15 – 30 gốc glucose

Hình I.3 Một phần cấu trúc của amylopectin.

- Amylopectin có khối lượng phân tử nằm trong khoảng 500 ngàn đến

1000000 dalton

- Amylopectin thường phân bố ở phía ngoài hạt tinh bột

- Cấu tạo của amylopectin còn lớn và dị thể hơn amyloza nhiều.Trong tinh bột tỉ lệ amyloza/amylopectin khoảng ¼.Tỉ lệ này có thể thay đổi phụ thuộc vào thời tiết mùa vụ hay cách chăm bón

- Sự khác biệt giữa amylose với amylopectin không phải luôn luôn rõ nét.Bởi lẽ các phân tử amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh

do đó cũng có những tính chất giống như amylopectin

Hình I.4 Dạng amylopectin của tinh bột.

b) Độ hòa tan.

- Amylopectin chỉ tan được trong nước ở nhiệt độ cao tạo thành dung dịch

có độ nhớt cao và rất bền vững Amylopectin không có khả năng tạo phức với butanol và các hợp chất hữu cơ khác,không bị hấp thụ trên cellulose

c) Cấu trúc xoắn.

- Tương tự amylose, amylopectin cũng có cấu trúc xoắn kép với các chuỗi helix song song

- Cấu trúc tinh thể của tinh bột có liên quan chặt chẽ đến thành phần

amylopectin và khả năng tạo chuỗi xoắn kép

d) Khả năng tạo phức.

- Amylopectin không có khả năng tạo phức với butanol và các hợp chất hữu

cơ khác,không bị hấp thụ trên cellulose

- Khi đung nóng trong nước, tạo thành dung dịch đặc, trong, dính và có độ nhớt cao Độ nhớt giảm nhanh trong môi trường acid, trong quá trình hấp tiệt trùng và khi chịu một lực cắt

- Amylopectin không bị thoái hóa, khả năng tạo gel cũng kém ( trừ khi ở nồng độ rất cao )

II. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA TINH BỘT.

- Hạt tinh bột có dạng hình tròn, bầu dục hoặc đa giác

- Hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn nhất, còn hạt tinh bột gạo có kích thước nhỏ nhất.

- Trong cùng một loại tinh bột, hình dáng kích thước của các hạt cũng không giống nhau Kích thước các hạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lý khác nhau như nhiệt độ hồ hóa, khả năng hấp thụ xanh methylene,…

- Hạt nhỏ có cấu tạo chặt, còn hạt lớn thường có cấu tạo xốp hơn

Hình II.1 cấu trúc tinh thể của một số loại hạt tinh bột

- Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch thẳng của amylopectin liên kết với nhau tạothành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chum trong khi phần mạchnhánh nằm trong các lớp vô định hình

- Người ta ước tính rằng, có khoảng 80% các phân tử amylopectin nằm trong cấu trúc chùm và khoảng 10 – 20 % các phân tử amylopectin tham gia vào cáckiên kết giữa các chùm với nhau

- Các nghiên cứu bằng X quang cho biết hai kiểu cấu trúc tinh bột từ các nguồn khác nhau

 Dạng A: tìm thấy trong tinh bột ngũ cốc, các sợi xoắn kép thường rất dày đặc

 Dạng B: có ở các loại củ cho tinh bột như khoai tây Chuỗi xoắn kép tạo thành các khoảng trống để phân tử nước có thể xâm nhập vào

 Dạng C: cấu trúc hỗn hợp của dạng A và B được tìm thấy trong tinh bột của các cây họ đậu và các cây nhiệt đới cho củ như cây mì

- Các nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử, nguyên tử và những nghiên cứu

enzyme cho thấy các lớp tinh thể và vô định hình của phân tử amylopectin tạo thành một cấu trúc hình cầu Các hạt cầu cói kích thước lớn ( 50 – 500 nm ) tạo ra các lớp tinh thể cứng, còn các hạt hình cầu nhỏ ( 20 – 50 nm ) tạo ra lớpbán tinh thể mềm

Bảng II.1.đặc điểm của một số hệ thống tinh bột

III TÍNH NĂNG CÔNG NGHỆ CỦA TINH BỘT.

1. Khả năng hấp thụ nước và sự hồ hóa của tinh bột.

Quá trình trương nở:

• Khi hòa tan tinh bột vào nước do kích thước phân tử của tinh bột lớn nên đầu tiên các phân tử sẽ xâm nhập vào giữa các phần tử tinh bột

• Tại đây chúng sẽ tương tác với nhóm hoạt động của tinh bột, quay cực, các phổ hồng ngoại và glucoza, tạo ra lớp vỏ nước làm cho lực liên kết

ở mắt xích nào đó của phân tử tinh bột bị yếu đi do đó phân tử tinh bột

bị xê dịch rồ bị “rão” ra và trương lên

• Quá trình trương xảy ra không hạn chế sẽ làm bung các phân tử tinh bột và hệ chuyển thành dạng dung dịch Quá trình trương luôn luôn đếntrước quá trình hòa tan và đây là một quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài

Quá trình hấp thụ nước:

• Ở trạng thái tự nhiên, các phân tử tinh bột liên kết với nhau bằng liên kết hydro rất bền Ở nhiệt độ lạnh, tinh bột vẫn có thể hấp thụ nước một cách thuận nghịch nhưng với một lượng rất nhỏ

• Liên kết với nước kiểu 1

H

R – O O – R

H Khi hấp thụ nước sẽ xảy ra sự hydrat hóa các nhóm hydroxyl tự do và kết quả là tạo thành liên kết hydro với nước theo kiểu 2

• Liên kết với nước kiểu 2:

Nhiệt độ tăng làm đứt các liên kết hydro kiểu 1, và làm khả năng hấp thụ nước tăng Nhệt độ tăng cao quá sẽ làm đứt tiếp các liên kết hydro kiểu 2 Nói chung quá trình hydrat hóa tinh bột trong nước gồm các giai đoạn sau:

Hạt tinh bột Hấp thụ nước qua vỏ Ngưng tụ nướclỏng Hydrat hóa và trương nở Phá vỡ vỏ hạt đứt các liên kết phân tử Phân tán Dung dịch

Nhiệt độ hồ hóa:

• Là nhiệt độ để phá vỡ hạt, chuyển tinh bột từ trạng thái ban đầu có mức

độ hydrat hóa khác nhau thành dung dịch keo

• Các hạt tinh bột có kích thước và nguồn gốc khác nhau thì có nhiệt độ

hồ hóa khác nhau

• Các hạt nhỏ có cấu tạo chặt, liên kết hydro kiểu 1 rất bền nên nhiệt độ

hồ hóa các hạt nhỏ lớn hơn nhiệt độ hồ hóa của các hạt lớn, vì thế nhiệt

độ hồ hóa của tinh bột thường là một khoảng nhiệt độ chứ không phải một điểm

• Trong quá trình hồ hóa độ nhớt tinh bột tang đến một khoảng cực đại rồi giảm xuống

Hình III.1 Vi ảnhtinh bột ngô ở30 0 C, nồng độ 5%, độ phóng đại 3000X

Tinh bột tự nhiên Nhiệt độ hồ hóa (t o C)

HìnhIII 2.Vi ảnhtinh bột

HìnhIII.5 Vi ảnhtinh bột ngô ở850C, nồng độ 5%, độ phóng đại 2000X

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa tinh bột:

• Thành phần amylose và amylopectin: amylose xắp xếp thành chùm song song được định hướng chặt chẽ hơn amylopectin vốn có xu hướng cuốn lại thành hình cầu, có cấu trúc khó cho nước đi qua

• Các ion kim loại liên kết với tinh bột: các chuỗi trong mạch tinh bột chứa các ion tích điện trái dấu sẽ đẩy nhau làm lỏng lẻo cấu trúc tinh bột dẫn đến thay đổi nhiệt độ hồ hóa

• Các muối vô cơ ở nồng độ thấp phá hủy các liên kết hydro nên làm tăng khả năng hòa tan của tinh bột, tuy nhên ở nồng độ cao nó gây hện tượng kết tinh của tinh bột và giảm sự hydrat hóa

• pH của môi trường

• Sự có mặt của các chất không điện ly như đường, rượu cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa và làm cho nhiệt độ hồ hóa tăng lên

2. Độ trong của hồ tinh bột.

• Tinh bột đã hồ hóa thường có một độ trong suốt nhất định Độ trong của

hồ tinh bột đã hồ hóa có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều sản phẩm thực phẩm

• Hồ tinh bột của các loại ngũ cốc loại nếp, tinh bột củ, rễ, thường trong hơncác hạt ngũ cốc bình thường ( hạt tẻ)

• Sự có mặt của các chất khác nhau cũng sẽ có sự ảnh hưởng đến độ trong suốt đó Các đường thường làm tăng đáng kể độ trong của hồ tinh bột, ngược lại các chất nhũ hóa như glixerinmonosterat lại làm đục hồ tinh bột.Các chất hoạt động bề mặt như sodium laurilsulphat dễ tạo phức với amylose và có tác dụng làm tăng độ trong của hồ

Hình III.6 bánh bột lọc.

3. Khả năng tạo gel và sự thoái hóa của tinh bột.

Khả năng tạo gel:

• Khi để nguội hồ tinh bột thì các phân tử sẽ tương tác với nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột

• Các yêu cầu để tạo được một gel tinh bột:

+ Dung dịch tinh bột phải có nồng độ vừa phải

+ Được hồ hóa để chuyển tinh bột thành dạng hòa tan

+ Để nguội ở trạng thái yên tĩnh để tạo gel tinh bột có cấu trúc mạng ba chiều

• òTrong gel tinh bột chỉ có liên kết hydro tham gia nối trực tiếp các mạch

tinh bột hoặc thông qua các cầu phân tử nước Tnh bột này có khả năng tạo gel với protein, nhờ đó mà khả năng giữ nước, độ cứng và độ đàn hồi của gel protein được tốt hơn Tính chất này có ứng dụng quan trọng trong các sản phẩm như giò lụa

Hình III.7 Sản phẩm giò lụa

• Trong tinh bột chứa cả amylose và amylopectin nên trong gel tinh bột có

cả vùng kết tinh và vô định hình Tham gia vào vùng kết tinh có các phân

tử amylose và các đoạn mạch ngắn của amylopectin kết dính với nhau Cấu trúc nhiều nhánh của amylopectin sẽ cản trở sự dàn phẳng và sự kết tinh Vùng kết tinh vừa nằm trong các hạt đã trương vừa nằm trong dung dịch sẽ tạo ra độ bền và đàn hồi cho gel, còn phần của các đại phân tử amylose và amylopectin nối vào phần kết tinh nằm trong phần vô định hình sẽ tạo cho gel một áp suất nhất định không để bị phá hủy

• Tinh bột nếp có hàm lượng amylopectin cao thường khó tạo gel ở nồng độthấp, tuy nhiên với nồng độ tinh bột cao ( khoảng 30%) cũng có thể tạo được gel

• Gel từ tinh bột giàu amylose thường cứng và đàn hồi kém

Sự thoái hóa tinh bột:

• Khi để một thời gian dài, các gel tinh bột sẽ co lại và tách nước Hiện tượng đó gọi là sự thoái hóa

• Nguyên nhân của sự thoái hóa là do sự hình thành các cầu hydro giữa các phân tử tinh bột Amylose có cấu trúc mạch thẳng nên khả năng định hướng và tập hợp lại dễ dàng hơn so với amylopectin, vì thế nói chung hiện tượng thoái hóa thường liên quan đến thành phần amylose của tinh bột