Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu sản xuất tinh bột biến tính

Mục đích của đề tài “Nghiên cứu sản xuất tinh bột biến tính” này là tạo ra sản phẩm tinh bột biến tính kiểu liên kết ngang từ tinh bột khoai mì với giá thành hạ và phù hợp với điều kiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ĐÌNH YẾN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS ĐỐNG THỊ ANH ĐÀO

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS LÊ VĂN VIỆT MẪN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 01 năm 2007

Tp HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐẶNG THỊ HOÀNG LAN Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1981 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ Thực phẩm MSHV: 01104288

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của các anh, chị công tác tại Phòng kiểm nghiệm Bệnh viện Y học Cổ truyền TP Hồ Chí Minh Cảm ơn các thầy, cô quản lý phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, các anh, chị và các bạn cùng làm việc tại phòng thí nghiệm đã hỗ trợ tôi trong thời gian thực hiện đề tài

Xin gởi đến gia đình, những người thân và bạn bè lời cảm ơn sâu sắc vì tất cả những giúp đỡ, động viên mà mọi người đã dành cho tôi trong suối thời gian qua

TÓM TẮT

Tinh bột liên kết ngang là một dạng tinh bột biến tính được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, trong y học và một số ngành khác Mặc dù vậy, các nghiên cứu về loại tinh bột này không nhiều, riêng ở nước ta chưa thấy có tài liệu nào được công bố

Mục đích của đề tài “Nghiên cứu sản xuất tinh bột biến tính” này là tạo ra sản phẩm tinh bột biến tính kiểu liên kết ngang từ tinh bột khoai mì với giá thành hạ và phù hợp với điều kiện nguyên liệu sẵn có của nước ta, và ứng dụng vào sản xuất sản phẩm thực phẩm Kết quả nghiên cứu đã đưa ra được một quy trình công nghệ sản xuất hợp lý cùng với các thông số của các quá trình công nghệ Chất lượng sản phẩm tinh bột khoai mì biến tính kiểu liên kết ngang sản xuất trong điều kiện phòng thí nghiệm có thể chấp nhận được Sản phẩm tinh bột khoai mì liên kết ngang đã được ứng dụng để sản xuất sữa chua, thay thế chất ổn định nhập ngoại và thay thế một phần nguyên liệu chính cho chất lượng sữa chua đạt yêu cầu

ABSTRACT

Crosslinked starch is an important starch derivative which is well explored by the food industry, medicine as well as many other applications thanks to its high stability and resistance to severe technological stress Nevertheless, there are relatively few researches on this useful kind of modified starch, especially there is hardly any report found in Vietnam

In this thesis of “Modification of starch”, the attention was focused not only on developing a crosslinked starch from cassava starch with a lower price and in conditions in accordance with Vietnamese available materials reality, but on using such starch as an ingredient in food production as well The achievement of this work was to suggest an appropriate process of making crosslinked cassava starch combined with reaction parameters The quality of distarch phosphate produced from such process in laboratory scale was acceptable In addition, crosslinked cassava starch was used as both a stabilizer and a main ingredient replacer in production of yogurt which was accepted by the taste panel

1.1 Giới thiệu về tinh bột khoai mì 2

1.2 Giới thiệu về tinh bột biến tính 3

1.2.1 Tinh bột biến tính bằng phương pháp vật lý 8

1.2.2 Tinh bột biến tính bằng các phương pháp hóa học 9

1.2.3 Tinh bột biến tính bằng phương pháp tạo liên kết ngang (crosslinking) 19

1.3 Ứng dụng của tinh bột và tinh bột biến tính 27

1.3.1 Ứng dụng của tinh bột 27

1.3.2 Ứng dụng của tinh bột biến tính 28

1.3.3 Sử dụng tinh bột biến tính liên kết ngang trong sản xuất sữa chua 30

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 U2.1 Nguyên liệu 33

2.2.1 Nghiên cứu đánh giá chất lượng của tinh bột khoai mì nguyên

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 44

3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NGUYÊN LIỆU SỬ DỤNG 44

3.1.1 Kết quả nghiên cứu các chỉ tiêu chất lượng của tinh bột khoai mì nguyên liệu 44

3.1.2 Kết quả nghiên cứu chất lượng các nguyên liệu sản xuất sữa chua 47

3.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ LIÊN KẾT NGANG 49

3.2.1 Kết quả nghiên cứu chọn nồng độ huyền phù tinh bột khoai mì thích hợp cho phản ứng liên kết ngang 49

3.2.2 Kết quả nghiên cứu pH thích hợp cho phản ứng liên kết ngang tinh bột khoai mì 54

3.2.3 Kết quả nghiên cứu nhiệt độ thích hợp cho phản ứng liên kết ngang tinh bột khoai mì 60

3.2.4 Kết quả nghiên cứu nồng độ hóa chất POCl3 thích hợp cho phản ứng liên kết ngang tinh bột khoai mì 65

3.2.5 Kết quả nghiên cứu thời gian phản ứng thích hợp cho phản ứng liên kết ngang tinh bột khoai mì 70

3.2.6 Kết quả nghiên cứu phân tích hồi quy ảnh hưởng đồng thời

của các yếu tố đến phản ứng liên kết ngang tinh bột khoai mì 75

3.2.7 Kết quả nghiên cứu các tính chất của tinh bột khoai mì liên kết ngang 79

3.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TINH BỘT KHOAI MÌ LIÊN KẾT NGANG VÀO SẢN XUẤT SỮA CHUA 82

3.4 TÍNH HIỆU QUẢ KINH TẾ 86

3.4.1 Tính hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất tinh bột khoai mì liên kết ngang 86

3.4.2 Tính giá thành sản xuất sữa chua sử dụng tinh bột khoai mì liên kết ngang 91

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Các sản phẩm tinh bột biến tính dùng trong thực phẩm và một

Bảng 3.2 Kết quả nghiên cứu tính chất hóa lý của tinh bột khoai mì 46

Bảng 3.3 Kết quả phân tích chất lượng của bột sữa gầy 47

Bảng 3.4 Kết quả phân tích chất lượng của bột whey 48

Bảng 3.5 Kết quả phân tích chất lượng của chất béo sữa 48

Bảng 3.6 Kết quả phân tích chất lượng của đường 49

Bảng 3.7 Kết quả phân tích chất lượng của vi khuẩn lactic đông khô 49

Bảng 3.8 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ tinh bột phản ứng lên độ nhớt, độ bền và lực trương nở của tinh bột khoai mì liên kết ngang 50

Bảng 3.9 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH phản ứng lên độ nhớt, độ bền và lực trương nở của tinh bột khoai mì liên kết ngang 55

Bảng 3.10 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng lên độ nhớt, độ bền và lực trương nở của tinh bột khoai mì liên kết ngang 61

Bảng 3.11 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hóa chất POCl3 phản ứng lên độ nhớt, độ bền và lực trương nở của tinh bột khoai mì liên kết ngang 66

Bảng 3.12 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên độ nhớt, độ bền và lực trương nở của tinh bột liên kết ngang 71

Bảng 3.13 Các mức của các yếu tố trong mô hình hồi quy 77

Bảng 3.14 Mô hình thí nghiệm phân tích hồi quy và các kết quả thí

nghiệm 77

Bảng 3.15 Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng của tinh bột khoai mì

liên kết ngang phosphate 81

Bảng 3.16 Kết quả đánh giá cảm quan các sản phẩm sữa chua có sử dụng

Bảng 3.20 Bảng dự toán vốn đầu tư dây chuyền sản xuất tinh bột khoai mì

liên kết ngang năng suất 25 tấn/tháng 89

Bảng 3.21 Bảng tính chi phí giá thành sữa chua ăn (định mức cho 1000

hũ, tương đương 120 kg) 91

Bảng 4.1 Công thức sản phẩm sữa chua ăn sử dụng tinh bột khoai mì

biến tính kiểu liên kết ngang 94

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Hạt tinh bột khoai mì 2

Hình 1.2 Phân loại tinh bột biến tính 4

Hình 1.3 Hạt tinh bột hồ hóa trước thông thường (A) và tinh bột CWS (B) dưới kính hiển vi điện tử 8

Hình 1.4 Các sản phẩm chính của phản ứng oxi hóa tinh bột 12

Hình 1.5 Sự tạo thành dextrin 12

Hình 1.6 Mô hình của tinh bột biến tính gắn nhóm thế 16

Hình 1.7 Mô hình cấu trúc hạt tinh bột có liên kết ngang 19

Hình 1.8 Ảnh hưởng của liên kết ngang đến sự hồ hóa của tinh bột 24

Hình 1.9 Ứng dụng của tinh bột thực phẩm 30

Hình 1.10 Cấu trúc vi mô của sữa chua không và có sử dụng tinh bột 31

Hình 2.1 Quy trình sản xuất tinh bột liên kết ngang dùng trong nghiên cứu 36

Hình 2.2 Quy trình sản xuất sữa chua 39

Hình 3.1 Hình dạng hạt tinh bột khoai mì dưới kính hiển vi quang học 44

Hình 3.2 Tinh bột khoai mì nguyên liệu 45

Hình 3.3 Hồ tinh bột khoai mì nguyên liệu 47

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột phản ứng đến độ nhớt hồ tinh bột khoai mì liên kết ngang 51

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột phản ứng đến độ bền của tinh bột khoai mì liên kết ngang 52

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột phản ứng đến lực trương nở của tinh bột khoai mì liên kết ngang 53

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH phản ứng đến độ nhớt của tinh bột khoai mì liên kết ngang 56

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH phản ứng đến độ bền của tinh bột khoai mì liên kết ngang 57

Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH phản ứng đến lực trương nở của tinh bột

khoai mì liên kết ngang 58

Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến độ nhớt của hồ tinh bột

khoai mì liên kết ngang 62

Hình 3.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến độ bền của tinh bột

khoai mì liên kết ngang 63

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến lực trương nở của tinh

bột khoai mì liên kết ngang 64

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nồng độ hóa chất POCl3 phản ứng đến độ nhớt

của tinh bột khoai mì liên kết ngang 67

Hình 3.14 Ảnh hưởng của nồng độ hóa chất POCl3 phản ứng đến độ bền

của tinh bột khoai mì liên kết ngang 68

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nồng độ hóa chất POCl3 phản ứng đến lực

trương nở của tinh bột khoai mì liên kết ngang 69

Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ nhớt của tinh bột

khoai mì liên kết ngang 72

Hình 3.17 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ bền của tinh bột

khoai mì liên kết ngang 73

Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến lực trương nở của tinh

bột khoai mì liên kết ngang 74

Hình 3.19 Tinh bột khoai mì liên kết ngang 80 Hình 3.20 Hình dạng hạt tinh bột khoai mì liên kết ngang phosphate dưới

kính hiển vi quang học 80

Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn kết quả đánh giá cảm quan sản phẩm sữa chua 83 Hình 3.22 Sản phẩm sữa chua sử dụng tinh bột khoai mì liên kết ngang 86 Hình 4.1 Quy trình sản xuất tinh bột khoai mì biến tính kiểu liên kết

ngang 93

MỞ ĐẦU

Tinh bột là một nguyên liệu giá rẻ và rất phổ biến trong các ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng Tính tạo gel và làm đặc của tinh bột có tác động rất tích cực lên tính chất cảm quan của các sản phẩm thực phẩm, và cũng có những ảnh hưởng quan trọng đối với quá trình chế biến Tuy nhiên, việc sử dụng tinh bột tự nhiên trong sản xuất công nghiệp không thuận lợi vì nó kém bền đối với các quá trình chế biến, tạo cấu trúc không tốt, mất tính nhớt khi ở pH thấp, khi chế biến ở nhiệt độ cao hoặc khi chịu các xử lý cơ học, và dễ tách nước Vì vậy, các sản phẩm tinh bột biến tính được sử dụng để đáp ứng nhu cầu của sản xuất công nghiệp

Việt Nam có nguồn nguyên liệu sản xuất tinh bột rất dồi dào, đặc biệt tinh bột khoai mì của Việt Nam đã vươn lên đứng hàng thứ ba trên thế giới về sản lượng xuất khẩu trong những năm gần đây Tuy nhiên, tinh bột biến tính dùng trong sản xuất thực phẩm vẫn còn khá xa lạ Phần lớn các sản phẩm tinh bột biến tính phải nhập khẩu với giá thành cao

Với mong muốn tạo ra một loại nguyên liệu có nhiều ứng dụng cho công nghiệp thực phẩm nói chung và công nghệ chế biến các sản phẩm sữa nói riêng với giá cả thích hợp, không phải sử dụng nguồn hàng nhập khẩu, giảm chi phí sản xuất, đồng thời tận dụng được nguồn nguyên liệu tinh bột phong phú của nước ta Đồng thời, kết hợp với nhu cầu của Nhà máy Sữa Sài Gòn thử nghiệm sử dụng tinh bột biến tính trong dự án nghiên cứu “Sản xuất sữa chua trắng giá bình dân” của Công ty Cổ phần Sữa Việt Nam Do đó, chúng tôi đề xuất đề tài “Nghiên cứu sản xuất tinh bột biến tính” từ nguồn nguyên liệu tinh bột khoai mì theo hướng sử dụng phương pháp biến tính kiểu liên kết ngang và ứng dụng trong sản xuất sữa chua

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về tinh bột khoai mì [2, 3, 13]

Khoai mì (sắn – Manihotesculenta Crantz) được trồng chủ yếu ở châu Á, châu

Phi và một số nước Nam Mỹ Ngoài việc sử dụng trực tiếp như một loại lương thực, khoai mì còn được sử dụng để sản xuất tinh bột Tinh bột khoai mì có khả năng thay thế cho tinh bột bắp, tinh bột gạo và tinh bột lúa mì hiện đang được sử dụng trong các ngành công nghiệp với tính chất tương đương Trên thế giới hiện nay, ngoại trừ Mỹ và châu Âu sử dụng phần lớn tinh bột có nguồn gốc từ bắp, các khu vực còn lại chủ yếu sản xuất tinh bột từ các nguồn nguyên liệu khác như gạo, lúa mạch, sago… và đặc biệt là từ khoai mì (theo Hội đồng châu Âu, 2002) [47] Trong những năm gần đây, Việt Nam đã vươn lên đứng hàng thứ 3 trên thế giới về khối lượng xuất khẩu tinh bột khoai mì [2]

Tinh bột khoai mì có màu rất trắng Hạt tinh bột có kích thước khoảng 4 – 35µm, bề mặt nhẵn, có hình tròn hay hình trứng vát đầu (oval, truncated “kettle drum”), có một chỗ lõm và núm ở giữa Hạt tinh bột có cấu trúc tinh thể dạng A và dạng hỗn hợp A, B, có cấu trúc tương đối xốp, liên kết giữa các phần tử trong cấu trúc tinh thể yếu, vì vậy dễ bị phân hủy bởi các tác nhân hóa học và enzyme hơn so với các loại tinh bột khác như bắp, gạo

Hình 1.1 Hạt tinh bột khoai mì [2, 3]

Tinh bột khoai mì chứa rất ít lipid (< 0,1%), hàm lượng amylose từ 8 – 29%, trung bình 16 – 18% Tinh bột khoai mì có tính chất tương tự các loại tinh bột chứa nhiều amylopectin như độ nhớt cao, xu hướng thoái hóa thấp và độ bền gel cao

Nhiều nghiên cứu đã xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai mì nằm trong khoảng từ 49 – 64oC đến 62 – 73oC [13], cao hơn khoai tây và thấp hơn bắp Độ nhớt của hồ tinh bột khoai mì và khoai tây cao hơn tinh bột bắp, tinh bột lúa mì hay tinh bột gạo Khả năng hồ hóa sớm, độ nhớt cao của tinh bột khoai mì thể hiện lực liên kết yếu giữa các phân tử tinh bột trong cấu trúc hạt

Hồ tinh bột khoai mì có độ trong cao do có khả năng trương nở tốt và xu hướng thoái hóa thấp Khả năng trương nở và hòa tan cao của tinh bột khoai mì một lần nữa thể hiện lực liên kết yếu trong cấu trúc hạt Độ trong cao và vị nhạt (bland flavour) của tinh bột khoai mì rất thích hơp để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm Cấu trúc gel của tinh bột khoai mì có độ bền tốt nên có nhiều ứng dụng trong thực phẩm, đặc biệt trong các sản phẩm có thời gian bảo quản lâu

1.2 Giới thiệu về tinh bột biến tính

Tinh bột tự nhiên với các tính chất đặc trưng đã và đang được khai thác đến mức có thể để phục vụ cho nhu cầu sản xuất Tuy nhiên, khi ngành công nghiệp thực phẩm mở rộng với chủng loại sản phẩm đa dạng thì tinh bột tự nhiên cho thấy nó có những hạn chế, hoặc có những tính chất mặc dù thích hợp cho sản phẩm này nhưng lại bất lợi cho sản phẩm khác Vì vậy, quá trình biến tính tinh bột được sử dụng để tạo ra những loại tinh bột có các tính chất phù hợp với những sản phẩm nhất định

Biến tính tinh bột là các quá trình làm biến đổi cấu trúc và tác động lên các liên kết hydro của tinh bột một cách có kiểm soát Ngoại trừ tinh bột biến tính vật lý (hồ hóa trước), sự biến đổi này chỉ diễn ra ở cấp độ phân tử, với ít hoặc không có thay đổi trên bề mặt bên ngoài của hạt tinh bột, do đó, nguồn gốc thực vật của tinh bột vẫn có thể xác định được bằng kính hiển vi [22]

Có thể phân loại tinh bột biến tính theo phương pháp làm biến tính tinh bột như sau [16]:

Dextrin Thủy phân Enzyme Oxi hóa

Tinh bột aldehyde

di-Tinh bột carboxyl

Cắt mạch bằng sulfate Tinh bột tan trong nước

lạnh (CWS Starch)

Hồ hóa trước (Pregelatinization)

Hình 1.2 Phân loại tinh bột biến tính [16] Tinh bột biến tính

Cắt mạch tinh bột (Degradation)

Tạo nhóm thay thế (Substitution)

Tạo liên kết ngang (Cross bonding)

Cắt một phần mạch tinh bột

Tinh bột ester hóa

Tinh bột ether hóa

Biến tính hóa học

Tinh bột aceTinh bột

anion

methyl

Carboxy-Di - ester Di - ether

Tinh bột non-ion

Tinh bột cation

alkyl

Hydroxy-Quat Ammon

tate Tinh bột ether hóa

Tinh bột phosphate

Bảng 1.1 Các sản phẩm tinh bột biến tính dùng trong thực phẩm và một số quy định về độ tinh sạch (Các nồng độ %

tính theo chất khô) [26]

Loại tinh bột biến

tính

Mã số ISN Quy định về quá trình sản xuất Yêu cầu của sản phẩm

Dextrin khô (Dextrin roasted starch)

1400 Xử lý nhiệt khô với acid hydrochloric

hoặc acid ortho-phosphoric

pH 2,5 – 7,0 Tinh bột xử lý bằng

acid (Acid treated starch)

1401 Xử lý với acid hydrochloric, hoặc

acid ortho-phosphoric, hoặc acid sulfuric

pH 4,8 – 7,0

Tinh bột xử lý bằng kiềm (Alkaline treated starch)

1402 Xử lý với sodium hydroxide hoặc

quá 1,1% (Oxidized starch)

Hàm lượng sulfur dioxide còn lại trong sản phẩm không quá 50 mg/kg

Tinh bột xử lý bằng enzyme (Enzyme-treated starch)

1405 Xử lý trong môi trường lỏng ở nhiệt

độ dưới nhiệt độ hồ hóa, sử dụng một hoặc nhiều enzyme thủy phân tinh bột dùng trong thực phẩm

Hàm lượng sulfur dioxide còn lại trong sản phẩm không quá 50 mg/kg

Monostarch phosphate 1410 Ester hóa với acid ortho-phosphoric,

hoặc sodium hoặc potassium phosphate, hoặc sodium tripolyphosphate

ortho-Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không quá 0,5% đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và không quá 0,4% cho các tinh bột khác

Distarch phosphate 1412 Ester hóa với sodium

trimetaphosphate hoặc phosphorous oxychloride

Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không quá 0,5% đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và không quá 0,4% cho các tinh bột khác

Phosphated distarch phosphate

Acetylated distarch phosphate

1414 Ester hóa bằng sodium

trimetaphosphate hoặc phosphorous

Hàm lượng các nhóm acetyl không quá 2,5% Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không

bằng acetic anhydride hoặc vinyl acetate

không quá 0,04% cho các tinh bột khác Hàm lượng vinyl acetate không quá 0,1 mg/kg Tinh bột acetate

(Hydroxypropyl starch)

1440 Ester hóa với propylene oxide Các nhóm hydroxypropyl không quá 7,0%;

propylene chlorohydrin không quá 1 mg/kg Hydroxypropyl

distarch phosphate

1442 Ester hóa bằng sodium

trimetaphosphate hoặc phosphorius oxychloride kết hợp ether hóa bằng propylene oxide

Các nhóm hydroxypropyl không quá 7,0%; propylene chlorohydrin không quá 1 mg/kg; phosphate tính theo phosphorous không quá 0,14% đối với tinh bột khoai tây và lúa mì, và không quá 0,04% cho các tinh bột khác

Tinh bột sodium octenylsuccinate

(Starch sodium octenylsuccinate)

1450 Ester hóa bằng octenylsuccinic

anhydride

Các nhóm octenylsuccinyl không quá 3%; hàm lượng acid octenylsuccinic còn trong sản phẩm không quá 0,3%

1.2.1 Tinh bột biến tính bằng phương pháp vật lý 1.2.1.1 Tinh bột hồ hóa trước (Pregelatinized starch) [13, 19, 22, 27, 28, 34]

Kiểu biến tính hồ hóa trước tạo cho tinh bột khả năng hồ hóa mà không cần nấu Sản phẩm được gọi là “pregelatinized starch”, “pregel”, “pre-cooked starch” hay “instant starch” Phương pháp này có thể áp dụng cho cả tinh bột tự nhiên và tinh bột đã biến tính bằng các phương pháp khác

Nguyên tắc của phương pháp biến tính này là hồ hóa huyền phù tinh bột bằng nhiệt rồi nhanh chóng sấy khô để trả lại trạng thái bột khô trước khi tinh bột bị thoái hóa Trong thực tế, tinh bột được nấu và sấy khô cùng lúc, bằng cách dùng trống sấy, ép đùn (extrusion) hoặc sấy phun Trong kỹ thuật sấy bằng trống và ép đùn, hạt tinh bột chịu nhiều tác động cơ học như nhiệt độ, lực cắt cơ học, áp suất nén cao, và bị thay đổi cấu trúc nhiều Ngược lại, trong kỹ thuật sấy phun, huyền phù tinh bột được hồ hóa và sấy khô đồng thời nhờ hơi nóng, do đó hạt tinh bột hầu như còn nguyên vẹn, rất ít bị phá hủy bởi lực cắt và nhiệt Sản phẩm này gọi là tinh bột CWS (cold-water swelling starch)

Khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử có thể thấy tinh bột hồ hóa trước bằng kỹ thuật sấy phun hoặc ép đùn thường có cấu trúc dạng mảnh, hạt tinh bột đã bị phá vỡ, tương tự như tinh bột nấu quá điểm hồ hóa (overcooked starch) Ngược lại, tinh bột CWS có cấu trúc hạt tinh bột trương nở nguyên vẹn, tương tự như tinh bột nấu vừa đến điểm hồ hóa (cook-up starch)

Hình 1.3 Hạt tinh bột hồ hóa trước thông thường (A) và tinh bột CWS (B) dưới kính hiển vi điện tử [27]

1.2.1.2 Tinh bột xử lý nhiệt (Heat treated starch) [13, 19, 28, 34]

Trong các điều kiện có kiểm soát, hạt tinh bột được xử lý nhiệt và sau đó được trả về trạng thái hạt ban đầu Tinh bột sản phẩm không những duy trì được tính chất hồ hóa đúng mức (cook-up) mà hồ tinh bột còn có độ nhớt và độ bền được cải thiện Có 2 loại quá trình xử lý nhiệt, cả hai đều gây ra biến tính vật lý nhưng không hồ hóa tinh bột, không phá hủy tính nguyên vẹn của hạt, hoặc không làm mất tính lưỡng chiết (birefringence)

- Quá trình xử lý nhiệt ẩm (heat-moisture treatment): tinh bột được làm

ẩm và gia nhiệt đến quá nhiệt độ hồ hóa, nhưng độ ẩm không đủ để quá trình hồ hóa xảy ra Tinh bột xử lý nhiệt ẩm là dạng tinh bột biến tính vật lý lâu đời nhất

- Quá trình “annealing”: là quá trình gia nhiệt huyền phù tinh bột ở nhiệt

độ dưới nhiệt độ hồ hóa và giữ trong một thời gian xác định Các sản phẩm tinh bột xử lý nhiệt này được xem là tinh bột tự nhiên (native) và do đó chỉ cần ghi trên nhãn là “tinh bột thực phẩm” (“food starch”)

1.2.2 Tinh bột biến tính bằng các phương pháp hóa học

Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học là quá trình biến tính thông dụng nhất hiện nay Dưới tác động của một lượng nhỏ các tác nhân hóa học được cho phép sử dụng, tinh bột bị thay đổi tính chất Quá trình biến tính hóa học có thể thực hiện ở 3 trạng thái tinh bột: [45]

- Trạng thái huyền phù (slurry), tinh bột phản ứng với các tác nhân hóa học trong môi trường nước Khi phản ứng kết thúc, tinh bột được lọc, rửa và sấy khô

- Trạng thái sệt (paste), tinh bột được hồ hóa (gelatinize) với tác nhân hóa học trong điều kiện có ít nước và khuấy trộn liên tục Khi phản ứng kết thúc, tinh bột được sấy khô

- Trạng thái rắn, tinh bột được làm ẩm bằng tác nhân hóa học trong nước, sấy, và cuối cùng phản ứng ở nhiệt độ cao

Mức độ biến tính hóa học thường được thể hiện bằng mức độ thế DS (degree of substitution ) khi các nhóm thế (như nhóm acetate, phosphate) phản ứng với các nhóm hydroxyl của đơn vị glucose Mức độ thay thế mole MS (molar substitution) được sử dụng khi các nhóm thế có thể tiếp tục phản ứng với chất phản ứng để tạo thành một mạng polymer các nhóm thế

Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học bao gồm các kiểu: biến tính bằng cách cắt mạch tinh bột, biến tính bằng cách gắn thêm các nhóm thế, và biến tính bằng cách tạo các liên kết ngang giữa các mạch tinh bột

1.2.2.1 Tinh bột biến tính bằng cách cắt mạch (degradation, conversion) [13,

19, 22, 28, 34]

Biến tính tinh bột bằng cách cắt mạch sẽ cho các sản phẩm tinh bột chứa các polymer có khối lượng phân tử thấp và độ nhớt giảm, thích hợp dùng trong các sản phẩm cần nồng độ chất khô cao như kẹo và các màng bao

a Tinh bột thủy phân bằng acid

Thủy phân acid là phương pháp được ứng dụng trong thương mại đầu tiên, từ những năm 1900 Acid được cho vào huyền phù tinh bột trong một quá trình được kiểm soát chặt chẽ, khuấy trộn liên tục trong điều kiện nhiệt độ tăng dần từ nhiệt độ môi trường (25oC) đến nhiệt độ hơi thấp hơn nhiệt độ trương nở của tinh bột (khoảng 55oC) cho đến khi đạt được mức độ thủy phân cần thiết Chất phản ứng thường dùng là acid hypochloride hoặc acid sulfuric

Đây là quá trình thủy phân các liên kết α-1,4 và α-1,6-glycoside của tinh bột có acid xúc tác Sự thủy phân xảy ra ở các vùng vô định hình của hạt tinh bột, làm giảm độ dài mạch polymer, cấu trúc hạt yếu đi nhưng hình dạng hạt tinh bột không thay đổi

Mục đích chính của quá trình thủy phân acid tinh bột là làm giảm độ nhớt khi nóng của hồ tinh bột (hot viscosity) để dùng trong các sản phẩm cần nồng độ tinh bột cao mà không bị đông đặc, khi làm nguội mới tạo thành gel có độ cứng cao Sản phẩm được gọi là tinh bột “thin-boiling” hay “acid-thinned”

b Tinh bột oxi hóa và tinh bột được tẩy màu (bleaching)

Tinh bột có thể được biến tính bằng cách sử dụng các tác nhân oxi hóa trong những điều kiện có kiểm soát Tùy thuộc vào loại tác nhân oxi hóa và liều lượng sử dụng mà kiểu biến tính này được phân làm 2 dạng: oxi hóa và tẩy màu (bleaching)

- Quá trình tẩy màu (bleaching): các tác nhân được phép sử dụng bao

gồm hydrogen peroxide (H2O2), ammonium persulfate, sodium hoặc calcium hypochlorite, potassium permanganate (KMnO4), và sodium chlorite Mục đích của quá trình này là tẩy màu nhằm làm tăng độ trắng của tinh bột, bằng cách oxi hóa các hợp chất như carotene, xanthophyll và các sắc tố khác Mặc dù mức độ xử lý thấp nhưng một số nhóm hydroxyl của tinh bột cũng bị oxi hóa tạo thành các nhóm carboxyl với tỷ lệ các nhóm carboxyl tạo thành không quá 0,1% trên tổng chất khô của sản phẩm

Tinh bột tẩy màu có các tính chất gần giống như tinh bột nguyên liệu ban đầu, nhưng có chỉ số vi sinh thấp hơn do tác dụng của các chất oxi hóa sử dụng

- Quá trình oxi hóa (oxidization): chỉ có sodium hypochlorite được phép

sử dụng nhưng lượng sử dụng cho phép cao hơn nhiều so với quá trình tẩy Quá trình này bao gồm 2 tác động xảy ra đồng thời: gắn các nhóm carboxyl (COOH) và carbonyl (C = O) lên mạch và depolymer hóa một phần các mạch tinh bột Sự oxi hóa thường xảy ra ở các carbon 2, 3, và 6 của đơn vị D-glucose của mạch tinh bột Người ta cho rằng khoảng 25% lượng tác nhân oxi hóa được dùng để cắt mạch carbon, trong khi 75% lượng tác nhân còn lại dùng để oxi hóa các nhóm hydroxyl (Fleche, G 1985)

Hình 1.4 Các sản phẩm chính của phản ứng oxi hóa tinh bột [19]

Tinh bột oxi hóa có độ nhớt thấp, độ trong cao và bền ở nhiệt độ thấp Giống như tinh bột thủy phân acid, hồ tinh bột oxi hóa khi nóng cũng có độ nhớt thấp do quá trình cắt mạch tinh bột Tuy nhiên, sự chiếm chỗ trong không gian của các nhóm carboxyl và carbonyl cản trở các mạch tinh bột ngắn tiến lại gần và tái kết hợp với nhau, do đó gel tạo thành mềm

c Dextrin

Dextrin là sản phẩm tạo thành bằng cách gia nhiệt khô tinh bột khi có mặt acid hoặc kiềm Do đó, quá trình tạo dextrin còn gọi là quá trình cắt mạch bằng nhiệt (pyroconversion) Quá trình dextrin hóa trải qua 2 giai đoạn biến tính tinh bột: cắt mạch và tái trùng hợp

Hình 1.5 Sự tạo thành dextrin [34]

- Giai đoạn đầu: phân giải phần nào các mạch tinh bột bằng phản ứng thủy phân Tinh bột được sấy tới độ ẩm 5 – 7%, có hoặc không có acid xúc tác Sản phẩm tạo thành bao gồm rất nhiều các polymer mạch ngắn

- Giai đoạn hai: tái trùng hợp các polymer mạch ngắn này, chủ yếu bằng các liên kết phân nhánh, tạo cấu trúc có độ phân nhánh cao Quá trình được thực hiện bằng cách tăng nhiệt độ với tốc độ tăng nhiệt được kiểm soát, sau đó duy trì ở nhiệt độ thích hợp trong thời gian xác định

Tùy thuộc vào điều kiện dextrin hóa mà các quá trình phân giải và tái trùng hợp có thể xảy ra đồng thời Quá trình dextrin hóa có thể tạo ra nhiều liên kết glycoside mới ngoài các liên kết α-1,4 và α-1,6 có sẵn

Có 3 loại dextrin chính: dextrin trắng, dextrin vàng và British gum - Dextrin trắng: được tạo thành bằng cách gia nhiệt tinh bột ở nhiệt độ

không cao lắm (80 – 120oC), có acid xúc tác Phản ứng xảy ra chủ yếu là phản ứng thủy phân cắt mạch tinh bột Sản phẩm có màu từ trắng đến kem, độ nhớt thấp hơn tinh bột nguyên liệu, mức độ hòa tan trong nước lạnh dao động từ 5 – 90% Dextrin trắng cho hồ có màu sáng và tạo thành gel mềm Các loại dextrin có độ hòa tan thấp tạo thành hồ giống như hồ của các tinh bột thủy phân acid Các dextrin có độ hòa tan cao (40 – 90%) có thể được sử dụng với nồng độ cao để tạo các gel rất mềm

- Dextrin vàng hay canary dextrin: sử dụng ít acid xúc tác hơn, gia nhiệt ở

nhiệt độ cao hơn (150 – 220oC) và thời gian dài hơn Sản phẩm tạo thành gồm cả các sản phẩm thủy phân và các sản phẩm tái trùng hợp, màu vàng hoặc vàng nâu Dextrin vàng là chất kết dính rất tốt, đặc biệt trong ngành sản xuất giấy, được sử dụng để tạo các sản phẩm dạng paste có nồng độ chất khô cao (40 – 60%) và dính, khi quét thành lớp màng mỏng thì khô nhanh

- British gum: được sản xuất bằng cách sấy tinh bột trong thời gian sấy

dài, nhiệt độ cao (180 – 220oC) và tăng chậm, sử dụng rất ít hoặc không sử dụng chất xúc tác Sản phẩm chủ yếu là các polymer đã tái trùng hợp, có màu vàng nâu hoặc nâu nhạt và có mùi caramel rõ, bao gồm nhiều loại có độ hòa tan từ thấp đến cao Hồ tạo thành có cấu trúc thay đổi từ gel rắn đến gel rất mềm

d Tinh bột biến tính bằng enzyme

Thủy phân tinh bột bằng các enzyme chọn lọc là một quá trình biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa sinh Tùy thuộc vào mức độ thủy phân mà tạo thành một hỗn hợp với các sản phẩm có độ dài mạch khác nhau như glucose (dextrose), maltose, oligosaccharide, polysaccharide Sản phẩm có phân tử lượng càng nhỏ thì độ ngọt càng cao và chỉ số DE – số đương lượng đường khử (dextrose equivalent) càng cao, với chỉ số DE 100 tương ứng với dextrose tinh khiết và DE 0 tương ứng với tinh bột tự nhiên

Các sản phẩm có nhiều ứng dụng bao gồm đường glucose tinh thể hoặc dung dịch, syrup giàu frutose (HFS – high fructose syrup) hoặc fructose tinh thể, glucose syrup (có DE từ 20 trở lên), maltose, maltodextrin (có DE < 20), cyclodextrin Tùy thuộc vào enzyme sử dụng, điều kiện phản ứng và nguồn gốc của enzyme mà ta thu được các sản phẩm khác nhau Nói chung, thời gian phản ứng càng dài, độ nhớt của sản phẩm tạo thành càng thấp và hàm lượng đường khử càng cao

- α-amylase: là một endoenzyme, có khả năng phân cắt các liên kết glycoside trên mạch tinh bột và tạo ra các sản phẩm có mạch ngắn dần, không thủy phân được liên kết α-1,6 trên mạch amylopectin, và cũng không phân cắt đuợc các liên kết α-1,4 ở gần điểm phân nhánh Khi thủy phân, độ nhớt của dịch tinh bột bị giảm nhanh chóng, do đó quá trình thủy phân tinh bột bằng α-amylase còn gọi là quá trình dịch hóa

α-1,4 β-amylase: là exoenzyme, có khả năng thủy phân tinh bột chậm chạp

nhưng sâu sắc Nó tấn công từ đầu không khử của các mạch tinh bột và giải phóng ra từng đơn vị maltose bằng cách thủy phân các liên kết α-1,4 Phản ứng dừng lại khi đến điểm phân nhánh α-1,6 hoặc trước khi đến điểm phân nhánh nếu không còn đủ số lượng đơn vị glucose để phản ứng Sản phẩm là đường maltose và các β-dextrin giới hạn, vì polysaccharide này không bị phân cắt nữa

- Glucoamylase: là endoenzyme, phản ứng cắt từng đơn vị glucose từ đầu

không khử của mạch tinh bột, có khả năng thủy phân cả liên kết α-1,4 và α-1,6

glycoside, và quá trình thủy phân liên kết α-1,4 xảy ra nhanh hơn Nếu thời gian phản ứng đủ lâu, cuối cùng toàn bộ phân tử tinh bột sẽ được thủy phân hoàn toàn thành glucose, bất kể mức độ phân nhánh của các phân tử tinh bột

- Các enzyme cắt mạch nhánh (debranching enzyme): các enzyme này

thủy phân chọn lọc các liên kết α-1,6-glycoside Có 2 enzyme loại này thường được sử dụng là isoamylase và pullulanase, trong công nghiệp thường được thu nhận từ vi khuẩn

- Cyclodextrin glycosyltransferase (CDGTase): enzyme này có thể tác

động trên mạch tinh bột hay tinh bột đã biến tính, sản phẩm tạo thành là các mạch vòng chứa các đơn vị glucose liên kết nhau bởi các liên kết α-1,4 Enzyme này cắt các liên kết trong mạch tinh bột để tạo thành mạch thẳng chứa các đơn vị glucose, sau đó nối 2 đầu mạch lại tại thành cấu trúc vòng CDGTase từ vi khuẩn được sử dụng để sản xuất các cyclodextrin chứa 6 (α-cyclodextrin), 7 (β-cyclodextrin) hoặc 8 (γ-cyclodextrin) gốc glucose

α-amylase thường được sử dụng để sản xuất maltodextrin và các syrup có DE thấp Quá trình sản xuất các syrup có DE cao thường ứng dụng β-amylase, glucoamylase, và enzyme cắt mạch nhánh kết hợp với α-amylase

1.2.2.2 Tinh bột biến tính bằng cách làm bền hóa hoặc gắn thêm nhóm thế

(stabilization/ substitution) [13, 19, 22, 28, 34]

Tinh bột tự nhiên sau khi hồ hóa thường có xu hướng tạo thành các gel cứng do sự tái sắp xếp và kết hợp của các phân tử amylose và tách nước (hiện tượng thoái hóa) Để hạn chế hiện tượng này, các nhóm hydroxyl trong phân tử tinh bột sẽ được làm bền bằng cách liên kết với những nhóm chức hóa học cồng kềnh Chúng sắp xếp dọc theo mạch polymer tinh bột, chiếm chỗ trong không gian phân tử và cản trở các mạch polymer tái kết hợp với nhau Tinh bột biến tính bằng cách này thích hợp dùng trong các sản phẩm thực phẩm cần làm lạnh hoặc lạnh đông

Hình 1.6 Mô hình của tinh bột biến tính gắn nhóm thế [22]

Hiệu quả của quá trình bền hóa tinh bột phụ thuộc vào số lượng và bản chất của nhóm thế Mức độ thế DS là đại lượng đo số nhóm thế trên 100 đơn vị anhydroglucose Các tinh bột có DS thấp (DS < 0,2 tương ứng 2 nhóm thế trên 10 đơn vị glucose) là những tinh bột thương mại quan trọng Khi độ DS tăng, tương tác giữa các mạch polymer trong hạt tinh bột giảm, do đó quá trình trương nở và hồ hóa tinh bột xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn

a Tinh bột ester hóa

- Tinh bột acetate: là loại tinh bột bền hóa phổ biến Huyền phù tinh bột

được cho phản ứng với acetic anhydride hoặc vinyl acetate trong môi trường kiềm

(pH khoảng 7,5 – 9,0), thời gian và nhiệt độ xác định

CH3 CO

OCH3 C

O

ONaOH

- Tinh bột octenylsuccinate (tinh bột ưa béo – lipophilic starch): được

biến tính bằng cách phản ứng với 1-octenylsuccinic anhydride (succinic anhydride) Điều kiện phản ứng tương tự như khi tạo tinh bột acetate, và sản phẩm là ester của

acid succinic Phản ứng thường thực hiện ở pH khoảng 7 – 9, mơi trường phản ứng

khuấy trộn liên tục để phản ứng đạt hiệu quả cao

OH +

NaOHTinh bột

Tinh bộtCH3(CH2)4CHCHCH2CH C

OOCCH2

OCH3(CH2)4CHCHCH2CH C

OOCCH2

OONaTinh bột sodium octenylsuccinate

Tính chất hồ hĩa của tinh bột này cũng tương tự các tinh bột được bền hĩa khác, ví dụ như nhiệt độ hồ hĩa sẽ giảm khi tăng mức độ gắn nhĩm thế Tính chất đặc biệt của tinh bột này là nhĩm octenylsuccinate chứa 8 carbon cĩ tính chất giả béo (lipid – mimicking), làm cho tinh bột cĩ tính chất vừa ưa nước, vừa kỵ nước Phần glucose của tinh bột sẽ liên kết với nước trong khi phần octenyl ưa béo lại liên kết với dầu Bằng cách này, sự phân tách pha dầu và pha nước bị ngăn cản Tinh bột được hút lên bề mặt phân chia pha dầu – nước của nhũ tương và làm bền hệ nhũ Độ nhớt của tinh bột này cũng cao hơn các tinh bột bền hĩa khác, do hiệu ứng của các mạch kỵ nước

- Tinh bột phosphate (monostarch phosphate): là dẫn xuất tinh bột của

acid phosphoric, một phân tử tinh bột liên kết với một nhĩm PO43- Tác nhân phản ứng thường sử dụng là acid orthophosphoric hay các muối của nĩ, hoặc sodium tripolyphosphate Phản ứng cĩ thể thực hiện trong mơi trường nước hoặc khi sấy hỗn hợp tinh bột ẩm với tác nhân phản ứng ở nhiệt độ cao

OH +

OHO

OH

OO

OHONa + H2O

sodium orthophosphate monostarch phosphate

OHTinh bột NaO P

ONa

OO P

O

ONaO P

OONa

ONa Tinh bột P

OO

OHONa Na3HP2O7

sodium tripolyphosphate monostarch phosphate

b Tinh bột ether hĩa

- Tinh bột hydroxypropyl: được tạo thành bằng cách cho huyền phù tinh

bột phản ứng với propylene oxide trong mơi trường kiềm cĩ nồng độ cao ở nhiệt độ khoảng 30 – 50oC Hồ tinh bột hydroxypropyl cĩ độ trong tốt, độ nhớt cao, hiện

tượng tách nước giảm và bền qua các quá trình cấp đơng và rã đơng

+OHTinh bột CH2 CH CH3

O

OTinh bột CH2 CH CH3

OHpropylene oxide Tinh bột hydroxypropyl- Tinh bột carboxymethyl: là loại tinh bột ether hĩa tan trong nước, thu

được từ phản ứng giữa tinh bột với monochloro acetic hoặc sodium monochloro acetate trong mơi trường kiềm (40% NaOH) Tinh bột carboxymethyl là loại tinh bột anion, nĩ cĩ độ hịa tan và độ nhớt gia tăng khi khơng cĩ các chất điện phân như muối, acid, và cĩ thể trở nên khơng tan khi phản ứng với các kim loại đa hĩa trị như

- Tinh bột cationic: là loại tinh bột biến tính cĩ chứa các gốc mang điện

dương như: amine, imine, ammonium, sulfone và phosphonium Tác nhân phản ứng cĩ thể là diethylaminoethyl chloride; 2,3-epoxypropyl trimethyl ammonium chloride; chlorinepropyl trimethyl ammonium chloride Phản ứng thường được thực hiện trong mơi trường kiềm, nhiệt độ từ 20 – 50oC trong 8 – 16 giờ, sau đĩ đưa về pH 3 – 7 bằng acid lỗng Các phân tử tinh bột cationic cĩ thể bị hút bởi các phần tử

hoặc bề mặt tích điện âm như cellulose và sợi thủy tinh

O

CH2 N (CH3)3 Cl O CH2CHCH2N(CH3)3Cl

2,3-epoxypropyl trimethylammonium chloride

Tinh bột hydroxypropylethyl ammoniumOH

1.2.3 Tinh bột biến tính bằng phương pháp tạo liên kết ngang (crosslinking)

[13, 14, 19, 22, 29, 34, 45] 1.2.3.1 Phương pháp tạo liên kết ngang

Phương pháp biến tính tinh bột bằng cách tạo liên kết ngang là một phương pháp quan trọng Tác nhân hĩa học phản ứng với hai hay nhiều nhĩm hydroxyl trên các mạch polymer tinh bột, do đĩ liên kết các mạch tinh bột với nhau Liên kết ngang cĩ thể xảy ra giữa hai hay nhiều nhĩm hydroxyl trên cùng một mạch tinh bột hay giữa các mạch tinh bột với nhau

Hình 1.7 Mơ hình cấu trúc hạt tinh bột cĩ liên kết ngang [19]

Trong hạt tinh bột, các liên kết ngang cĩ vai trị như các mối hàn giúp củng cố cấu trúc của hạt Các liên kết ngang hạn chế quá trình trương nở của hạt và tinh bột tạo thành cĩ thể chịu được các điều kiện chế biến khắc nghiệt như nhiệt độ cao, khuấy trộn mạnh và mơi trường acid

Các liên kết ngang cĩ thể là liên kết ester hoặc là liên kết ether Các tác nhân tạo liên kết ngang cho tinh bột thực phẩm được FDA cho phép gồm phosphorous oxychloride (POCl3), sodium trimetaphosphate (Na3P3O9) và hỗn hợp sodium trimetaphosphate và sodium tripolyphosphate để tạo các sản phẩm distarch

phosphate, hỗn hợp adipic alhydride và acetic alhydride để tạo distarch adipate [14, 45]

Tinh bột liên kết ngang thường được tạo thành bằng cách cho huyền phù tinh bột (khoảng 30 – 45% chất khô) trong môi trường kiềm (pH 7,5 - 12) phản ứng với tác nhân tạo liên kết ngang Nhiệt độ phản ứng thường từ 25 – 50oC, thời gian phản ứng từ 30 phút – 24 giờ, tùy theo quy trình Sau khi phản ứng kết thúc, tinh bột được chỉnh về pH trung hòa, lọc, rửa và sấy khô

- Tạo liên kết ngang với phosphorous oxychloride: đây là tác nhân thường

được sử dụng để tạo tinh bột liên kết ngang bằng liên kết ester Phosphorous oxychloride sử dụng với hàm lượng 0,15 – 0,25% so với tinh bột được đưa vào phản ứng với huyền phù tinh bột trong nước nồng độ khoảng 40%, môi trường có pH 10, nhiệt độ khoảng 25oC (theo Felton và Schopmeyer, 1940; Swinkels, 1996) [34] Theo Sherry X Xie, phản ứng liên kết ngang của phosphorous oxycloride xảy ra tốt ở pH 11 trở lên và có mặt sodium sulphate (2% khối lượng tinh bột) [45] Muối được bổ sung vào hệ phản ứng để bảo vệ hạt tinh bột không bị hồ hóa trong quá trình phản ứng, giảm ảnh hưởng nhẹ khi tăng kiềm (Wu và Seib, 1990) [30] Tùy thuộc vào mức độ tạo liên kết mà tinh bột tạo thành có độ bền của hồ được cải thiện và chịu được các quá trình chế biến [34] Tuy nhiên, theo quy định của Mỹ về tinh bột biến tính dùng trong thực phẩm, hàm lượng phosphorous oxychloride dùng trong biến tính tinh bột không được quá 0,1% khối lượng tinh bột khô (theo Code of

Federal Regulations, 2001) [45]

OH +

OCl

Cl

OO

- Tạo liên kết ngang với sodium trimetaphosphate: tương tự như phản

ứng của phosphorous oxychloride, sản phẩm tạo thành của phản ứng với sodium trimetaphosphate là một distarch phosphate, các mạch tinh bột liên kết nhau bằng liên kết ester Phản ứng này đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt hơn so với phản ứng tạo

liên kết ngang của POCl3 Huyền phù tinh bột được chỉnh pH 10 – 11, phản ứng với 2% sodium trimetaphosphate (so với khối lượng tinh bột) ở 50oC trong 1 giờ (Kerr và Cleveland, 1954; Swinkels, 1996) [34] Tuy nhiên, phản ứng cĩ thể nhanh hơn

khi tăng pH và sử dụng sodium sufphate [45]

++

OH

OO

ONa

PO

ONaO P O

POO

ONaOONa

Tinh bột

distarch phosphatesodium trimetaphosphate

- Tạo liên kết ngang với adipic anhydride: phản ứng tạo liên kết ngang

với adipic acid anhydrite sẽ tạo những cầu nối ester hữu cơ khá bền trong điều kiện pH trung tính Tuy nhiên, trong điều kiện pH quá cao hoặc quá thấp, liên kết ngang loại này khơng bền bằng các liên kết ester vơ cơ Phản ứng thường được thực hiện với tác nhân là hỗn hợp adipic anhydride và acetic anhydride ở pH thấp hơn 9 Khi đĩ, tinh bột cũng đồng thời được làm bền hĩa bằng các nhĩm acetyl Hàm lượng adipic anhydride sử dụng khơng quá 0,12% khối lượng tinh bột khơ, và hàm lượng acetyl trong sản phẩm khơng quá 2,5% (theo Code of Federal Regulations, 2001) [45]

+OHTinh bột

(CH2)4 C

OO O

OCH3NaOH

CO

O(CH2)4 C

OOdistarch adipate

Tinh bột

O

- Tinh bột biến tính liên kết ngang kết hợp: Mặc dù liên kết ngang cĩ thể

được sử dụng như một kiểu biến tính độc lập, nhưng nĩ cũng cĩ thể kết hợp với biến tính gắn nhĩm thế để làm cho tinh bột chịu được các quá trình chế biến khắc nghiệt, bền khi bảo quản trong thời gian dài, cũng như khơng bị tách nước khi bảo quản lạnh Các tinh bột biến tính dạng này thường gặp trong sản xuất thực phẩm gồm: phosphated distarch phosphate, acetylated distarch phosphate, acetylated distarch adipate, hydroxypropylate distarch phosphate

1.2.3.2 Cơ chế phản ứng và đặc điểm của tinh bột liên kết ngang [13, 22, 29,

45] Nhìn chung, để tạo tinh bột liên kết ngang, hạt tinh bột tự nhiên được phân tán trong pha nước với tác nhân có khả năng phản ứng với ít nhất hai nhóm hydroxyl của các phân tử tinh bột kế nhau (Wurzburg và Szymanski, 1970; Rutenberg và Solarek, 1984) Tác nhân liên kết ngang sẽ nối các đơn vị anhydroglucose kế nhau trong vùng vô định hình của amylopectin tinh bột Khi phosphorous oxychloride (phosphoryl chloride, POCl3, khối lượng phân tử 153,5) được đưa vào huyền phù tinh bột trong môi trường kiềm (pH 8 – 12), nhóm phosphorous ưa nước lập tức phản ứng với nước để tạo thành phosphorous dichloride, đây là tác nhân tạo liên kết ngang thực sự Hai gốc chloride còn lại của phosphorous dichloride sau đó phản ứng đồng thời với các nhóm hydroxyl của tinh bột, tạo thành distarch phosphate

POCl

Cl

OCl

O

NaOH

2 Cldistarch phosphate

OCl

Cl

Sodium trimetaphosphate (STMP, Na3P3O9; khối lượng phân tử 305,9) có cấu trúc dạng vòng, nó cần có 2 phân tử để phản ứng (bimolecular reaction) Cơ chế của phản ứng giữa EPI (1-chloro-2,3-epoxypropane; khối lượng phân tử 92,5) với tinh bột xảy ra qua nhiều bước Một hoặc hai phân tử EPI được tiêu thụ để tạo một liên kết ngang (Kerr và Cleveland, 1957) [29]

Loại tác nhân sử dụng và điều kiện phản ứng quyết định tỷ lệ tạo thành các liên kết đơn tinh bột (monostarch bond) và liên kết đa tinh bột (các ester với các tác

nhân có phosphorous và các glycerol với epichlorohydrin) (Koch et al., 1982) Tỷ lệ

này phụ thuộc vào cơ chế phản ứng liên kết ngang của tác nhân hóa học và các gốc

hydroxyl của phân tử tinh bột [13] Theo B Volkert et al., phản ứng giữa tinh bột

với POCl3 cĩ thể tạo thành đồng thời monostarch phosphate và distarch phosphate, với nước làm chuyển dịch cân bằng

Tinh bột (OH)3

PO

RO

OROR

O

ROO

OR x

Tinh bột (OH)3-z Tinh bột (OH)3-zΔ

PO

RO

+

+ H2OR = -H / kim loại kiềm

POCl3 cĩ hoạt tính cao phản ứng cao, phản ứng với phân tử tinh bột đầu tiên tiếp xúc với nĩ Do đĩ, nĩ cĩ xu hướng phản ứng ở bề mặt hạt tinh bột, bao gồm cả bề mặt của cách rãnh vơ định hình và các hốc (hilum) Các tác nhân phản ứng khác như STMP, EPI trước hết xâm nhập vào bên trong hạt tinh bột, sau đĩ mới xảy ra phản ứng chậm [29]

Nhìn chung, đối với tính chất của hạt tinh bột, liên kết ngang làm thay đổi đặc điểm của quá trình nấu và hạn chế sự trương nở hạt Đối với tính chất của hồ tinh bột, liên kết ngang làm giảm tính dính (cohesiveness), tăng độ bền với acid, tăng độ bền nhiệt và tăng độ bền đối với tác động cơ học [15]

Liên kết ngang làm cho hạt tinh bột thêm bền vững Đĩ là do các liên kết hydro giữa các mạch tinh bột được thay thế bằng các liên kết đồng hĩa trị (covalent bond) mạnh hơn, bền vững hơn Chỉ cần một mức độ liên kết ngang nhỏ (thơng thường là 1 liên kết ngang trên 100 – 3000 đơn vị glucose của mạch tinh bột) cũng làm giảm mạnh cả tốc độ và mức độ trương nở của hạt, và do đĩ làm giảm sự mẫn cảm của hồ tinh bột đối với các điều kiện khắc nghiệt của quá trình chế biến Khi số lượng các liên kết ngang gia tăng, tinh bột càng bền hơn với quá trình hồ hĩa Hồ của tinh bột liên kết ngang thường cĩ độ nhớt cao hơn, bền hơn, cấu trúc đặc hơn (short-texture) so với tinh bột tự nhiên

Hình 1.8 Ảnh hưởng của liên kết ngang đến sự hồ hóa của tinh bột [22]

Các liên kết ngang có thể gây tác động rõ rệt đến đường biểu diễn độ nhớt của tinh bột Khác với tinh bột tự nhiên thường bị thoái hóa và giảm độ nhớt nhanh chóng sau khi đạt được độ nhớt hồ hóa cực đại, ngược lại, tinh bột liên kết ngang cho thấy có độ nhớt bền theo thời gian Ví dụ tinh bột bắp sáp liên kết ngang ở Hình 1.8 mặc dù không đạt độ nhớt cực đại khi hồ hóa, nhưng độ nhớt của hồ tinh bột lại tăng lên liên tục khi nấu và làm nguội [22]

Việc biến tính tinh bột bằng cách liên kết ngang với các tác nhân hóa học tạo

cho tinh bột khả năng kháng lại sự tiêu hóa bởi enzyme (Haynes et al., 2000) Tinh

bột distarch phosphate chứa 0,4 – 0,5% phosphorous chứa từ 13 – 69% tinh bột tiêu hóa chậm (SDS – slowly digestible starch) và 18 – 87% tinh bột RS4 (Woo et al.,

1999) [33] Tinh bột RS (resistant starch) ít bị tiêu hóa bởi các enzyme động vật và có thể được xếp vào thành phần của chất xơ dựa trên các định nghĩa gần đây về chất xơ trong khẩu phần của AACC (2000) và NAS (2002) Thực phẩm chứa RS giúp điều hòa tốc độ tiêu hóa, và khả năng tiêu hóa chậm của RS giúp làm chậm sự tăng đường máu sau khi ăn RS được đề nghị sử dụng trong các thành phần probiotic để

thúc đẩy sự phát triển của các vi sinh vật có lợi như Bifidobacterium (Brown et al.,

1996) [33, 43] Do hàm lượng tác nhân liên kết ngang sử dụng trong biến tính tinh bột thực phẩm thấp, việc xác định mức độ liên kết ngang bằng các phương pháp hóa học rất khó khăn Thay vào đó, các phương pháp vật lý có liên quan đến sự thay đổi về khả năng trương nở của hạt tinh bột thường được sử dụng để đánh giá mức độ tạo liên

kết Các phương pháp thông dụng còn có phương pháp đo khả năng chảy (fluidity), độ trong của hồ, và xác định độ nhớt [13, 45]

1.2.3.3 Các nghiên cứu về tinh bột liên kết ngang [13, 45, 49, 50]

Phát minh về tinh bột liên kết ngang ra đời bởi Felton và Schopmeyer (1943) khi cho tác dụng tinh bột với phosphorous oxychloride (POCl3) để khắc phục tình trạng tinh bột bị vón thành khối nhão do không tan khi nấu trong nước Nhiều nhà nghiên cứu khác sau đó đã sử dụng các hóa chất mới để tạo tinh bột liên kết ngang như epichlorohydrin (EPI), sodium trimetaphosphate (STMP) (Konigsburg, 1950;

Hofreiter et al., 1960; Lloyd, 1970) Epichlorohydrin hiện nay không còn được

dùng để sản xuất tinh bột thực phẩm tại Mỹ do chlorohydrin có khả năng gây ung thư [45]

Tinh bột liên kết ngang được tạo thành khi hạt tinh bột tự nhiên được trộn với các tác nhân phản ứng trong pha nước Các tác nhân này có khả năng phản ứng với ít nhất hai nhóm hydroxyl của hai phân tử tinh bột kế nhau (Wurzburg và Szymanski, 1970) Các liên kết ngang ngăn cho hạt tinh bột không trương nở hoàn toàn và không bị phá vỡ Mạng lưới liên kết ngang đồng hóa trị (covalent network) làm cho hạt ít mẫn cảm với pH quá cao hoặc quá thấp và với các quá trình chế biến có nhiều tác động cơ học thường gặp trong sản xuất công nghiệp Hiệu quả của liên kết ngang đối với sự trương nở và độ nhớt của hồ tinh bột phụ thuộc vào điều kiện thực hiện quá trình tạo liên kết Các yếu tố quan trọng trong phản ứng tạo liên kết ngang bao gồm thành phần tác nhân phản ứng, nồng độ chất phản ứng, pH, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng (Lim và Seib, 1993) Mức độ liên kết ngang trong tinh bột biến tính dùng trong thực phẩm rất thấp, do đó mức độ phản ứng rất khó xác định bằng phương pháp hóa học mà thường được xác định bằng các tính chất vật lý Mức độ phản ứng tạo liên kết ngang tối đa khi sử dụng EPI trên tinh bột bắp được ghi nhận là 90% (phản ứng trong 42 giờ ở 25oC) bởi Hammerstrand et al

(1960) Không có các giá trị được báo cáo đối với POCl3 và STMP [13]

Tính làm dầy (thickening) của tinh bột có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi mức độ liên kết ngang và mức độ trương nở của hạt tinh bột Mối liên hệ giữa tính chất lưu biến và khả năng trương nở của hạt tinh bột đã được chứng minh (Evan và Haisman, 1979; Bagley và Christianson, 1982) Tính chất chảy và đặc điểm cấu trúc của tinh bột liên kết ngang rất phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nồng độ tinh bột, tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ, lực khuấy trộn, cũng như sự cạnh tranh với các

chất tan và các polymer khác (Doublier et al., 1987; Steeneken, 1989; Gluck-Hirsh

và Kokini, 1997) [45]

Jane et al (1992) đã nghiên cứu cho thấy khi hạt tinh bột được liên kết ngang,

thì amylopectin tạo nhiều liên kết ngang hơn so với amylose Khi liên kết ngang tinh bột hồ hóa trước thì tỷ lệ giữa amylose và amylopectin được liên kết ngang ít khác biệt hơn Sau khi liên kết ngang, khả năng bị thủy phân bởi isoamylase và β-amylase của amylose giảm đi [45]

Nghiên cứu của Liu et al (2002) cho thấy liên kết ngang ảnh hưởng khác nhau

lên tinh bột không có amylose (waxy) và tinh bột giàu amylose (non-waxy) Liên kết ngang làm tăng sức bền khi chịu khuấy trộn, giảm lực trương nở và hòa tan của cả hai loại tinh bột, nhưng làm tăng nhiệt độ hồ hóa của tinh bột không có amylose và ảnh hưởng ngược lại đối với tinh bột giàu amylose [45]

Theo WHO, tinh bột liên kết ngang distarch phosphate có trung bình 1 liên kết phosphate trên 620 đơn vị glucopyranose nếu tác nhân tạo liên kết là sodium trimetaphosphate, và 100 đơn vị glucopyranose nếu tác nhân tạo liên kết là POCl3 [49, 50]

Ronsner (1960) đã nghiên cứu khả năng tiêu hóa in vitro của tinh bột distarch

phosphate tạo bởi STMP do amylase trong nước bọt, tuyến tụy và ruột bằng cách đo tỷ lệ tạo thành các đường khử Kết quả cho thấy không có ảnh hưởng có hại nào lên quá trình thủy phân của các enzyme Hixson (1960), Kohn và Kay (1963) cũng kết luận không có khác biệt rõ rệt nào trong giá trị calory và khả năng tiêu hóa giữa tinh bột tự nhiên và tinh bột liên kết ngang STMP khi thử nghiệm trên chuột Nghiên

cứu in vitro khả năng tiêu hóa bởi amylase nước bọt trên tinh bột biến tính bởi

0,05% và 0,1% POCl3 cho kết quả tương tự với tinh bột tự nhiên (Janzen, 1969), còn khả năng tiêu hóa bởi amyloglucosidase của tinh bột biến tính bởi 0,035; 0,07 và 0,1% POCl3 thay đổi từ 96,4 đến 98,3% (Kruger, 1970) [49, 50]

Tinh bột biến tính và tinh bột liên kết ngang đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trên thế giới Tuy nhiên, ở Việt Nam, các nghiên cứu về tinh bột biến tính nói chung chủ yếu tập trung vào tinh bột thủy phân và các sản phẩm thủy phân tinh bột, như các nghiên cứu của Trương Thị Minh Hạnh, Hoàng Kim Anh (2003), Ngụy Lệ Hồng (2002) Các nghiên cứu về tinh bột biến tính hóa học còn rất ít, như nghiên cứu tạo tinh bột acetate (Nguyễn Văn Quý, 2004), và hầu như chưa có nghiên cứu nào về tinh bột liên kết ngang

1.3 Ứng dụng của tinh bột và tinh bột biến tính

Tổng sản lượng tiêu thụ tinh bột trên thế giới hiện nay ở vào khoảng 48,5 triệu tấn và dự đoán lên đến 70 triệu tấn vào năm 2010, với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm khoảng 2 - 3% Trong đó, tốc độ tăng trưởng hàng năm của thị trường tinh bột Mỹ, EU và Nhật là 1 - 2%, các nước khác đạt mức độ tăng trưởng lên đến 3 - 4% (theo USDA, EU Commission, 2002) [44, 47]

1.3.1 Ứng dụng của tinh bột [17, 40, 47]

Sản xuất glucose, ethanol và monosodium glutamate là các ứng dụng phổ biến của tinh bột Ngoài ra, tinh bột còn được dùng trong nhiều ngành công nghiệp khác như sản xuất chất kết dính, sản xuất giấy, công nghiệp dệt… với số lượng ít hơn

Sản xuất glucose Hiện nay, glucose thường được sản xuất dưới dạng syrup

hoặc dạng chất rắn Glucose là tên thường gọi của syrup, còn dextrose là tên gọi của đường dạng rắn Dextrose là D-glucose được sản xuất bằng cách thủy phân hoàn toàn tinh bột [17]