tính năng công nghệ 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

MỤC LỤC I Tổng quan về tinh bột……… 1

1 Amylose……….2

a Cấu trúc hóa học……….2

b Độ hòa tan, tính lưu biến………3

c Cấu trúc xoắn……… 3

d Khả năng tạo phức……… 4

e Các tính chất đặc trưng……… 4

2 Amylopectin……… 5

a Cấu trúc hóa học……….5

b Độ hòa tan, tính lưu biến………7

c Cấu trúc xoắn……… 7

d Khả năng tạo phức……… 7

e Các tính chất đặc trưng……… 7

II Cấu trúc tinh thể của tinh bột………8

III Tính năng công nghệ của tinh bột………10

1 Khả năng hấp thụ nước và sự hồ hóa của tinh bột………10

2 Độ trong của hồ tinh bột………12

3 Khả năng tạo sợi của tinh bột……… 12

4 Khả năng phồng nở của tinh bột………13

5 Khả năng tạo màng của tinh bột………14

6 Tính chất nhớt dẻo của tinh bột 15

7 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa tinh bột …… 16

IV Ứng dụng của tinh bột……….17

1 Tinh bột……… 17

2 Tinh bột biến tính………18

Tài liệu tham khảo……… 24

I. Tổng quan về tinh bột

 Tinh bột là polisaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây.Trong tự nhiên tinh bột là hợp chất hữu cơ rất phổ biến và dồi dào , chỉ đứng sau xenlulozơ Tinh bột được hình thành từ những hạt nhỏ trong suốt quá trình trưởng thành và lớn lên của cây Trong thời kì

‘ngủ’ và nảy mầm , tinh bột là chất dự trữ năng lượng cho cây Tinh bột giữ chức năng sinh học giống nhau đối với con người và động vật Trong thực vật ,tinh bột thường có mặt dưới dạng không hòa tan trong nước nên có thể tích tụ một lượng nước lớn trong tế bào mà không ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu Do đó, có thể thu được một lượng lớn tinh bột từ nhiều nguồn phong phú trong tự nhiên Tinh bột đại diện cho 60%-90% tổng sản lượng các loại lương thực như ngô, khoai tây , lúa mì , củ sắn , sắn dây , gạo , đậu, ở một số quả như chuối , táo Hàm lượng và thành phần hóa học của tinh bột phụ thuộc vào giống cây , điều kiện trồng trọt.

 Tinh bột không phải là một chất riêng biệt , nó bao gồm 2 thành phần

là amilozo và amilopectin Hai chất này khác nhau về tính chất vật lý cũng như tính chất hóa học Dựa vào sự khác nhau đó có thể phân chia được 2 thành phần trên để điều chế dạng tinh khiết Các phương pháp

để tách và xác định hàm lượng amilozơ và amilopectin là

- Chiết rút amilozơ bằng nước nóng

- Kết tủa amilozơ bằng rượu

- Hấp thụ chọn lọc amilozơ trên xenlulozơ

 Tinh bột là loại polisaccarit có khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị

Glucozơ được nối với nhau bởi các liên kết -Glycozit , có công thức phân tử

là (C6H10O5)n , ở đây có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu Tinh bột giữ vai trò trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất vật lý của chúng Tinh bột

thường được dùng làm chất tạo nhớt sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương như các yếu tố dính và làm đặc tạo độ cứng , độ đàn hồi cho nhiều loại thực phẩm Ngoài ra , tinh bột còn nhiều ứng dụng trong dược phẩm, công ngiệp dệt, hóa dầu.

1 Amylose.

a Cấu trúc hóa học.

- Amylose là một polymer mạch thẳng cấu tạo từ D – glucopyranose nhờ các 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 amilose

- Cấu trúc tinh thể tinh bột dạng A tương tự như dạng B, nhưng tâm hình lục 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

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 hiện 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,%

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

- 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 tạo thành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chum trong khi phần mạch nhánh 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 các kiên 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 lớp bán tinh thể mềm

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

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

• 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 đến trước quá trình hòa tan và đây là một quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài

• Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột khi ngâm vào nước như sau: tinh bột bắp: 9,1%, tinh bột khoai tây: 12,7%, tinh bột sắn: 28,4%

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 kếtquả 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 nước lỏng Hydrat hóa và trương nở Phá vỡ vỏ hạt đứt các liên kết phân tử Phân tán Dung dịch

• Hạt tinh bột lúa nếp và lúa thường có nhiệt độ hồ hóa giống nhau Nhiệt

độ hồ hóa có thể dao động từ 55 đến 79 0 C phụ thuộc vào giống và điều kiện canh tác.Nhiệt độ hồ hóa của cùng 1 loại giống có thể khác nhau đến 10 0 C Nhiệt độ hồ hóa có thể chia ra 3 loại: loại thấp 69 0 C, loại trung gian 70-74 0 C, và loại cao 74 0 C Lúa ở vùng nhiệt đới có nhiệt độ hồ hóa loại trung gian hay loại thấp Điều kiện nhiệt độ trong quá trình hình thành hạt có ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa của tinh bột Nhiệt độ hồ hóa phản ánh độ bền của hạt tinh bột tới sự tác động của các loại thuốc thử khác nhau Đối với tinh bột lúa nếp thì biên độ tổn thất lớn hơn so

với lúa thường Những sự khác biệt về nhiệt độ hồ hóa phản ánh rõ tới thời gian nấu gạo Nấu gạo có nhiệt độ hồ hóa cao sẽ kéo dài thời gian vài phút so với gạo có nhiệt độ hồ hóa thấp Gạo có nhiệt độ hồ hóa thấp khi nấu sẽ bắt đầu hút nước và trương nở ở nhiệt độ thấp hơn so với gạo có nhiệt độ hồ hóa cao Nhiệt độ hồ hóa cũng có thể phản ánh độ rỗng tương đối của nội nhũ Nhiệt độ hồ hóa là nhiệt độ để phá vỡ hạt, chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có độ hydrat hóa khác nhau thành dung dịch keo, nhiều tính chất chức năng và tính chất cơ cấu trúc của tinh bột chỉ được thể hiện rõ sau khi đã được hồ hóa (tính nhớt, dẻo, dai, bền, độ trong suốt, khả năng tạo gel, tạo độ đặc, tạo màng ).Trong công nghiệp dệt, giấy thì nhiệt độ hồ hóa là 1 thông số rất cần thiết Trong công nghiệp biến hình thì nhiệt độ hồ hóa là mốc quan trọng để điều chỉnh các thông số công nghệ

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

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 lạithành 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 ->tạo cảm quan cho thực phẩm

• Hồ tinh bột của các loại ngũ cốc loại nếp, tinh bột củ, rễ, thường trong hơn các 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 vớiamylose và có tác dụng làm tăng độ trong của hồ

3. Khả năng tạo sợi.

- Tinh bột cũng có khả năng tạo sợi, người ta sử dụng tính năng này để sản

xuất các loại bún, miến, hủ tiếu, mì

- Có thể tạo sợi bằng cách cho dịch tinh bột qua một bản đục lỗ với đường

kính thích hợp Khi đùn qua lỗ này chúng sẽ định hướng theo dòng chảy, các phân tử tinh bột có xu hướng kéo căng ra và sắp xếp song song với nhau theo phương của trọng lực

- Các sợi ra khỏi khung còn ướt, nhúng chúng ngay vào bể nước nóng để

hồ hóa và định hình sợi bún do tác dụng của nhiệt

- Các phân tử tinh bột đã được sắp xếp trong từng sợi sẽ tương tác với nhau

và với nước bằng liên kết hydro để tạo thành sợi.Các sợi đã được hình thành được đưa ra khỏi bể nước nóng và đưa tiếp vào bể nước lạnh để các phân tử liên kết với nhau chặt chẽ hơn và tạo nhiều liên kết hydro giữa các phân tử

- Tiếp theo sẽ gia nhiệt để sấy khô nhằm tăng lực cố kết và độ cứng.

- Các loại bún, miến, được làm từ các loại nguyên liệu tinh bột giàu

amylose như tinh bột đậu xanh, tinh bột rong riềng thường bền và dai hơn so với làm từ tinh bột gạo, nếp Tinh bột đậu xanh, rong riềng thường có từ 40 –

50 % amylose, các chuỗi amylose thường liên kết chặt chẽ nên khó bị trương,sợi bún chắc và dai.Các tinh bột bắp giàu amylopectin thường rất ngắn nên lực tương tác giữa các phân tử yếu do đó kém bền

4. Khả năng phồng nở của tinh bột.

- Khi chiên ( rán) tinh bột trong chất béo ( dầu mỡ ) ở nhiệt độ cao, chất béo có

xu hướng tụ tập lại với nhau do tương tác kỵ nước và có khả năng xuyên thấm qua các vật liệu glucid như tinh bột, cellulose, Nhiệt cũng làm tinh bột hồ hóa và chin Phần không khí trong khối bột không thấm được qua các lớp màng tinh bột

đã được tấm béo sẽ làm giãn nở và phồng nổ tinh bột

- Tinh bột nếp ( có chứa nhiều amylopectin) có cấu trúc chặt khả năng không

thấm khí lớn nên khả năng phồng nở cũng lớn hơn

- Tinh bột oxy hóa do các phân tử tích điện trái dấu đẩy nhau nên cũng có khả

năng phồng nở cao

- Tính năng này của tinh bột được ứng dụng để sản xuất các loại bánh phồng

tôm, xôi chiên

5.Khả năng tạo màng của tinh bột.

- Giống như các hợp chất cao phân tử khác, tinh bột có khả năng tạo màng tốt.

- Để tạo màng, các phân tử tinh bột sẽ dàn phẳng ra, sắp xếp lại và tương tác

trực tiếp với nhau nhờ các liên kết hydro hoặc gián tiếp thông qua các phân tử nước tính chất này được ứng dụng để sản xuất các loại bánh tráng, bánh cuốn, bánh phở… từ tinh bột