ảnh hưởng của gốc phosphate đến một số tính chất lý hóa của tinh bột sắn biến tính bằng liên kết ngang

Luận văn đính kèm theo đây với đề tài: “ẢNH HƯỞNG CỦA GỐC PHOSPHATE ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA TINH BỘT SẮN BIẾN TÍNH BẰNG LIÊN KẾT NGANG” do Phạm Huyền Trân thực hiện và báo cáo đ

SỐ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA TINH BỘT SẮN

BIẾN TÍNH BẰNG LIÊN KẾT NGANG

Luận văn tốt nghiệp Ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Cần Thơ, 2014

SỐ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA TINH BỘT SẮN

BIẾN TÍNH BẰNG LIÊN KẾT NGANG

Ths Nguyễn Nhật Minh Phương Phạm Huyền Trân

MSSV: 2111664

Lớp: CNTP K37

Cần Thơ, 2014

Luận văn đính kèm theo đây với đề tài: “ẢNH HƯỞNG CỦA GỐC

PHOSPHATE ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA TINH BỘT SẮN BIẾN TÍNH BẰNG LIÊN KẾT NGANG” do Phạm Huyền Trân thực hiện và

báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua

Cần Thơ, ngày…tháng… năm 2014

Chủ tịch hội đồng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi và Cô hướng dẫn Kết quả, số liệu được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất

kì luận văn nào trước đây

LỜI CẢM TẠ

Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Nhật Minh Phương đã hết lòng giúp đỡ và truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô trong bộ môn Công nghệ thực phẩm cũng như các Thầy Cô trong bộ môn khác đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài này

Cảm ơn tất cả các anh chị quản lí phòng thí nghiệm cũng như tất cả các bạn trong

bộ môn Công nghệ thực phẩm đã hỗ trợ nhiệt tình cho tôi trong đề tài này

Xin trân trọng cảm ơn!

Cần Thơ, ngày tháng năm 2014

Sinh viên thực hiện

Phạm Huyền Trân

TÓM TẮT

Đề tài thực hiện nhằm mục đích khảo sát ảnh hưởng của gốc phosphate đến một

số tính chất lý hóa của tinh bột sắn biến hình bằng cách tạo liên kết ngang với tác

nhân khác nhau Các nhân tố khảo sát bao gồm (i) loại tác nhân: natri

trimetaphosphate (STMP), natri tripolyphosphate (STPP) và STMP/STPP (99/1,

w/w) (ii) nồng độ tác nhân (0−16%) (iii) thay đổi nhiệt độ (40−50oC) và thời gian

phản ứng (1−3 giờ) và (iv) thay đổi pH môi trường biến hình (pH = 5−11) Đánh

giá kết quả của quá trình biến hình tinh bột sắn thông qua các chỉ tiêu: mức độ

trùng hợp (Pn), độ hòa tan (%), độ trong của dung dịch hồ tinh bột (%T650)

Kết quả được ghi nhận như sau, quy trình sản xuất tinh bột sắn biến hình bằng

phương pháp tạo liên kết ngang với tác nhân STMP/STPP (99/1, w/w) có nồng độ

từ 2−16%, nhiệt độ biến hình là 50 oC trong thời gian 3 giờ, tinh bột biến hình thu

được có mức độ trùng hợp và các tính chất lý hóa khác nhau Tinh bột biến hình

bằng phương pháp tạo liên kết ngang có mức độ trùng hợp gia tăng đáng kể so với

tinh bột tự nhiên Trong khi đó, độ hòa tan (%) và độ trong của dung dịch hồ tinh

bột (%T650) giảm đáng kể khi tăng nồng độ tác nhân, nhiệt độ, thời gian phản ứng

và pH môi trường biến hình Dư lượng phosphorus (%P) trong sản phẩm tinh bột

biến hình nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn FDA (<0,4%)

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC v

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU SẮN 3

2.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm 3

2.1.2 Giá trị dinh dưỡng 8

2.1.3 Tinh bột sắn 10

2.1.4 Ứng dụng của tinh bột sắn trong công nghệ thực phẩm cũng như ngành công nghiệp khác 11

2.2 Giới thiệu tổng quát về tinh bột 11

2.2.1 Tinh bột 11

2.2.2 Thành phần hóa học của tinh bột 14

2.2.3 Những tính chất của tinh bột 17

2.3 Giới thiệu tổng quát về tinh bột biến tính 25

2.3.1 Phương pháp biến tính vật lý 26

2.3.2 Phương pháp biến tính hóa học 29

2.3.3 Phương pháp biến tính sinh học 40

2.4 Ứng dụng của tinh bột biến tính 42

2.4.1 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm 42

2.4.2 Ứng dụng trong y học 43

2.4.3 Ứng dụng trong công nghiệp 44

2.5 Ứng dụng của tinh bột biến tính bằng cách tạo liên kết ngang 46

3.1 PHƯƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM 47

3.1.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 47

3.1.2 Nguyên liệu 47

3.1.3 Dụng cụ thí nghiệm 47

3.1.4 Hóa chất 48

3.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 48

3.3 NỘI DUNG VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 49

3.3.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của loại tác nhân đến mức độ liên kết ngang của tinh bột sắn 49

3.3.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát nồng độ tác nhân đến mức độ liên kết ngang tinh bột sắn 50

3.3.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát sự ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian biến tính đến mức độ liên kết ngang của tinh bột sắn 51

3.3.4 Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng pH đến mức độ liên kết ngang của tinh bột sắn 52

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

4.1 KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN STMP, STPP ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA TINH BỘT LIÊN KẾT NGANG 53 4.1.1 Ảnh hưởng của tác nhân biến tính đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn ………53

4.1.2 Ảnh hưởng của tác nhân biến tính đến độ trong của dung dịch hồ tinh bột sắn 54

4.1.3 Ảnh hưởng của tác nhân biến tính đến độ hòa tan của tinh bột sắn 56 4.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ STMP/STPP ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT LIÊN KẾT NGANG 57

4.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn ………57

4.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân đến độ hòa tan của tinh bột sắn 60 4.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân đến độ trong của dung dịch hồ tinh bột ………61

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT SẮN LIÊN KẾT NGANG 63

4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính đến mức độ trùng

hợp của tinh bột sắn 63

4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính đến độ hòa tan của tinh bột sắn 64

4.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính đến độ trong của dung dịch hồ tinh bột sắn 65

4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA pH ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT SẮN BIẾN TÍNH LIÊN KẾT NGANG 66

4.4.1 Ảnh hưởng của pH đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn 67

4.4.2 Ảnh hưởng của pH đến độ hòa tan của tinh bột sắn 68

4.4.3 Ảnh hưởng của pH đến độ trong của dung dịch hồ tinh bột sắn 69

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 71

5.1 KẾT LUẬN 71

5.2 ĐỀ NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO viii

PHỤ LỤC xi

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1: Sản lượng củ sắn tươi trên thế giới năm 2001 5

Bảng 2: Tình hình diện tích và sản lượng sắn ở Việt Nam 6

Bảng 3: Thành phần hóa học của tinh bột sắn 9

Bảng 4: Thành phần acid amin của củ sắn (trong 100g protid) 10

Bảng 5: Đặc điểm của một số loại tinh bột 13

Bảng 6: Hàm lượng amylose và amylopectin của một số tinh bột 15

Bảng 7: Bố trí thí nghiệm 3 51

Bảng 8: Dư lượng phosphorus (%P) so với tiêu chuẩn của FDA 59

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1: Cây sắn 3

Hình 2: Cấu tạo củ sắn 7

Hình 3: Cấu trúc của tinh bột 12

Hình 4: Hình dạng của một số loại tinh bột (a) Tinh bột ngô (3000X) và 13

Hình 5: Cấu tạo phân tử Amylose 16

Hình 6: Cấu tạo phân tử Amylopectin 17

Hình 7: Sơ đồ hình thành gel của tinh bột 19

Hình 8: Ảnh điện tử quét (SEM) tinh bột ngô ở các nhiệt độ khác nhau (2500X) 20 Hình 9: Sơ đồ chuyển đổi Dextrin 29

Hình 10: Sơ đồ phân giải tinh bột bởi các enzyme 36

Hình 11: Ảnh điện tử quét (SEM) của tinh bột bắp tự nhiên và tinh bột bắp liên kết ngang với nồng độ STMP/STPP khác nhau 38

Hình 12: Tinh bột sắn 47

Hình 13: Một số thiết bị dùng trong thí nghiệm (a) Cân phân tích và (b) Máy ly tâm 47

Hình 14: Quy trình sản xuất tinh bột biến tính bằng phương pháp tạo liên kết ngang 49

Hình 15: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của tác nhân biến tính đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn 53

Hình 16: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của tác nhân biến tính đến độ trong của dung dịch hồ tinh bột sắn 55

Hình 17: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan của tinh bột sắn biến hình và tinh bột tự nhiên 57

Hình 18: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ tác nhân đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn 58

Hình 19: Biểu đồ tuyến tính thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ tác nhân biến tính đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn 59 Hình 20: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ tác nhân biến tính đến độ hòa tan của tinh bột sắn ở 90 0C 60 Hình 21: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ tác nhân đến độ trong của dung dịch hồ tinh bột sắn 62 Hình 22: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn 63 Hình 23: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến độ hòa tan của tinh bột sắn ở 90 0C 65 Hình 24: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính đến

độ trong của tinh bột sắn 66 Hình 25: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của pH đến mức độ trùng hơp của tinh bột sắn 67 Hình 26: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của pH đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn 68 Hình 27: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của pH đến độ hòa tan của tinh bột sắn 69 Hình 28: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của pH đến độ trong của dung dịch hồ tinh bột sắn 70

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

STMP Sodium trimetaphosphate

STPP Sodium tripolyphosphate

CLCS Containing low corn starch

SEM Scanning electron microscope

DS Degree of substitution

STDEV Standard deviation

FDA Food and Drug Administration

FAO Food and Agriculture Organizatio

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 GIỚI THIỆU

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp có sản lượng lương thực đứng thứ 2 trên thế giới, lương thực chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong sản xuất nông nghiệp

và cũng là nguồn nguyên liệu chủ yếu của công nghiệp sản xuất tinh bột

Ngoài là nguồn cung cấp năng lượng cho con người, tinh bột còn đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực khác bởi sự đa ứng dụng Cụ thể, trong các ngành công nghiệp giấy, công nghiệp dệt, …đặc biệt là công nghiệp thực phẩm vì tinh bột có những tính chất đặc thù như tạo hình, tạo dáng, tạo khung, tạo độ dẻo độ dai, độ đàn hồi, độ xốp, có khả năng tạo gel, tạo màng cho nhiều sản phẩm Tuy nhiên, tinh bột tư nhiên vẫn còn có những khuyết điểm nhất định hoặc chưa đáp ứng được yêu cầu khi chế biến, trong khi đó với tinh bột biến tính có thể đáp ứng được các tính chất như mong muốn của nhà sản xuất Vì vậy tinh bột biến tính dần được phát triển kéo theo đó cũng có nhiều phương pháp để biến tính tinh bột như: tác nhân vật lý, tác nhân hóa học, tác nhân sinh học

Nguyên liệu chế biến tinh bột rất đa dạng: tinh bột bắp, tinh bột sắn …trong đó, tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn đóng góp không nhỏ vào sự phát triển của đất nước Tinh bột được biến tính bằng phương pháp tạo liên kết ngang có những tinh chất như sau: mức độ trùng hợp, nhiệt độ hồ hóa tăng, khả năng trương

nở và độ hòa tan giảm Tinh bột liên kết ngang có nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm như: giúp ổn định trạng thái nhũ tương, tạo bền gel, độ đặc, độ trong, chịu nhiệt độ cao trong sản xuất

Chính vì những tính chất quan trọng trên, đề tài nghiên cứu tạo ra tinh bột sắn biến tính liên kết ngang và khảo sát một số tính chất lý hóa của tinh bột biến tính

so với tinh bột tự nhiên

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề xuất ra quy trình biến tính tinh bột với các thông số tối ưu và khảo sát một số tính chất lý hóa của tinh bột biến tính

Nội dung nghiên cứu:

- Khảo sát sự ảnh hưởng của loại tác nhân biến tính đến mức độ liên kết ngang của tinh bột sắn

- Khảo sát nồng độ tác nhân biến tính đến mức độ liên kết ngang và một số tính chất lý hóa của tinh bột sắn

- Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ biến tính đến mức độ liên kết ngang và một số tính chất lý hóa của tinh bột sắn

- Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến mức độ liên kết ngang và một số tính chất lý hóa của tinh bột sắn

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU SẮN

2.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm

Cây sắn (khoai mì) tên tiếng Anh là Cassava hay còn gọi là Tapioca hoặc Manioc

(Hình 1) là một trong những loại cây có củ mọc ở hơn 80 quốc gia có khí hậu nhiệt đới ẩm trên thế giới, cây sắn có nguồn gốc từ Brazil và Thái Lan (Murphy,

2010) Đây là một loại thực phẩm có năng lượng cao Đối với nhiều người dân ở

vùng nhiệt đới, sắn là nguyên liệu chủ đạo Sản lượng sắn hàng năm trên thế giới khoảng 175 triệu tấn với diện tích canh tác 14,15 triệu hecta phân bố trên 80 quốc gia Ở các nước nhiệt đới, hầu hết sắn sản xuất ra được sử dụng làm thức ăn cho người, phần còn lại được làm thức ăn cho gia súc và sử dụng trong công nghiệp tinh bột

Hình 1: Cây sắn

(Nguồn: www.wikipedia/caysan)

Cây sắn là một loại cây sinh trưởng lâu năm, cây có chiều cao từ 1 đến 5 m, thân

có ba lõi đơn hoặc phân nhánh Các lá có thùy sâu, dạng chân vịt Củ sắn nở to do các tế bào tinh bột sắn lắng đọng tạo thành Sự tạo thành củ thường xảy ra từ ngày thứ 45 đến ngày thứ 60 sau khi trồng và củ lớn dần lên liên tục Thông thường, mỗi cây có từ 5 đến 10 củ phát triển tỏa tròn xung quanh gốc cây bởi quá trình

làm đặc thứ cấp của các tế bào nhu mô gỗ Củ có dạng hình trụ hoặc thuôn dài từ

15 đến 100 cm với đường kính từ 3 đến 15 cm Củ gồm có vỏ ngoài (chu bì) có màu trắng, nâu hoặc hồng nhạt Củ sắn có một lớp vỏ mỏng (cortex) và một lõi giàu tinh bột Lõi thường có màu trắng, nhưng đôi khi có màu vàng hoặc pha hồng Với những phương pháp trồng trọt thông thường, năng suất củ thường từ 5 đến 12 tấn/ha Còn nếu sử dụng các phương pháp trồng trọt tiên tiến như dùng giống cao sản với các điều kiện chăm sóc tốt hơn, năng suất có thể tăng lên 40 –

60 tấn/ha Sắn là một trong những cây có chỉ số chuyển đổi năng lượng mặt trời cao nhất Hàm lượng tinh bột trong các củ dày đặc có thể lên đến 25-35% khối lượng củ tươi và đến 85% khối lượng theo căn bản khô Năng suất của sắn, tính theo calo cho mỗi diện tích đất trong một đơn vị thời gian có lẽ là cao nhất trong

số các cây hoa màu Sắn có thể sinh ra 250x103 cal/ha/ngày so với 176x103 của gạo, 110x103 của lúa mì, 200x103 của ngô Theo tổ chức Lương thực Nông sản thế giới (FAO), từ năm 1975 đến 1980, 65% tổng sản lượng sắn sản xuất được con người sử dụng, phần còn lại dùng cho thức ăn gia súc và sử dụng trong công ngành công nghiệp Việc sử dụng sắn làm thực phẩm thay đổi rất nhiều ở các quốc gia khác nhau Sử dụng trực tiếp bằng cách nướng hoặc nấu là cách thông thường

ở hầu hết các nước Tuy sắn cung cấp đủ lượng calo khi sử dụng như một loại thực phẩm nhưng thực tế đã cho thấy nó vẫn có thể gây ra các triệu chứng suy dinh dưỡng nếu sử dụng bừa bãi, không bổ sung đầy đủ protein, vitamin…Tỉ lệ mắc bệnh cao về dinh dưỡng và thiếu protein hay calo ở trẻ em tại một số nước đang phát triển cho thấy cần có những biện pháp hiệu quả để cải thiện số lượng cũng như chất lượng của các bữa ăn từ sắn Những người bị ảnh hưởng nhiều nhất

do suy dinh dưỡng là những phụ nữ đang mang thai, các bà mẹ đang cho con bú

và trẻ em Trong những chiến lược đa dạng đấu tranh chống lại bệnh suy dinh

dưỡng, việc làm giàu các bữa ăn từ sắn có tằm quan trọng không nhỏ (Sophie và ctv, 1998)

Tinh bột là sản phẩm công nghiệp chính của sắn Tuy tinh bột sắn có tính chất siêu việt của vị nhạt nhưng vẫn chưa được sử dụng trong nhiều thực phẩm Phương thức nấu thông thường vẫn tồn tại và khuyết điểm của bột sắn và tinh bột chính là tính dính của chúng khi nấu Tính dính này có thể giảm đi nhờ các liên kết chéo giữa các phân tử tinh bột sắn dẫn đến việc làm bền vững các hạt tinh bột Các phương pháp gây biến tính khác nhau với mục đích làm bền vững các hạt tinh bột

đã giúp cải thiện các tính chất của tinh bột Nếu các tác nhân gây biến tính tinh bột sắn có giá trị dinh dưỡng, thì sản phẩm cuối cùng cũng được tăng cường về mặt dinh dưỡng Tinh bột hồ hóa trước với sự biến tính thích hợp có thể được sử dụng trong thực phẩm dành cho trẻ em hay trong các loại thực phẩm khác (Nguyễn

Xích Liên và ctv, 2001) Tinh bột là nguồn cung cấp năng lượng chính cho con

người hay gia súc thuộc loại động vật không nhai lại Lượng tinh bột từ lúa mì, gạo, bắp, khoai tây vượt quá con số một tỷ tấn một năm Ở Mỹ, khoảng 20 triệu tấn tinh bột – chủ yếu làm từ bắp – được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp Tại châu Âu, một lượng đáng kể tinh bột thu được từ khoai tây Phần nhỏ hơn nhưng đang ngày một tăng trên thị trường toàn cầu là tinh bột từ gạo, lúa mì, đặc biệt là từ sắn (khoai mì) Sản lượng sắn trên thế giới được tổ chức FAO thống

kê thể hiện trong Bảng 1

Bảng 1: Sản lượng củ sắn tươi trên thế giới năm 2001

Theo Viện khoa học và Công nghệ môi trường, trường Đại học Công nghệ Hà Nội, Việt Nam là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ 3 trên thế giới, sau Indonesia và Thái Lan Năm 2006, diện tích đất trồng sắn đạt 475.000 ha, sản lượng tinh bột sắn đạt 7.714.000 tấn Thị trường xuất khẩu chính của Việt Nam là Trung Quốc và Đài Loan Cùng với diện tích sắn được mở rộng, sản lượng cũng

như năng suất tinh bột sắn được sản xuất cũng tăng lên theo thời gian

Ở Việt Nam sắn được trồng khắp nơi từ Nam ra Bắc, nhiều nhất là vùng trung du miền núi Hiện nay sắn là một trong những cây hoa màu quan trọng trong cơ cấu lương thực ở Việt Nam Sản lượng sắn và diện tích trồng sắn được cho trong Bảng

2

Bảng 2: Tình hình diện tích và sản lượng sắn ở Việt Nam

tố Nhiều tinh bột thì hiệu quả kinh tế cao, nhiều độc tố thì quy trình công nghệ phức tạp Sắn đắng còn gọi là sắn dù, cây thấp (không cao quá 1,2 m), ít bị đỗ khi gió to Năng suất cao, củ mập, nhiều tinh bột, nhiều mủ và hàm lượng acid

cyanhydride cao Ăn tươi dễ bị ngộ độc, chủ yếu để sản xuất tinh bột và sắn lát Sắn ngọt thì hàm lượng acid cyanhydride thấp, hàm lượng tinh bột thấp, ít độc tố,

ăn tươi không ngộ độc, dễ chế biến Cấu tạo của củ sắn bao gồm: vỏ, thịt sắn và lõi (Hình 2)

Hình 2: Cấu tạo củ sắn

(Nguồn: http://en wikipedia.org/wiki/cau-tao-cu-san )

Kích thước của một củ sắn tùy thuộc vào điều kiện khí hậu đất đai thổ nhưỡng mà dao động trong khoảng 0,1 -1,1m đường kính 2 – 8cm

Vỏ bao gồm vỏ gỗ và vỏ cùi:

- Vỏ gỗ: Chiếm 0,5 – 3% khối lượng củ, có màu trắng, vàng hoặc nâu Vỏ gỗ cấu tạo từ cellulose và hemicellulose, hầu như không có tinh bột Nó có tác dụng bảo

vệ củ tránh khỏi những ảnh hưởng cơ học và hóa học

- Vỏ cùi (vỏ thịt): dày hơn vỏ gỗ nhiều, chiếm khoảng 20% trọng lượng củ Cấu tạo bao gồm lớp tế bào thành dày, thành tế bào cấu tạo từ cellulose, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, protein và dịch bào – trong dịch bào có chứa tannin, sắc tố, độc tố, các enzyme… Vì vỏ cùi có nhiều tinh bột (5-8%) nên trong chế biến nếu tách đi thì tổn thất, không tách đi thì khó khăn trong chế biến thậm chí gây độc hại đến con người

Thịt sắn: là thành phần chủ yếu của sắn, thành phần bao gồm cellulose và pentosan ở vỏ tế bào, hạt tinh bột và nguyên sinh chất trong tế bào, glucid hòa tan

Vỏ gỗ

Vỏ cùi Thịt khoai

Lõi

và rất nhiều các chất vi lượng khác Những tế bào ở lớp ngoài thịt sắn chứa nhiều tinh bột, càng sâu vào trong hàm lượng tinh bột càng giảm dần Ngoài lớp tế bào nhu mô còn chứa các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cellulose nên cứng như gỗ - gọi là xơ Loại tế bào này nhiều ở đầu cuống, sắn lưu niên và những củ biến dạng trong quá trình phát triển Sắn lưu 2 năm thì có một lớp xơ, sắn lưu 3 năm có hai lớp xơ

Lõi: ở trung tâm, dọc suốt từ cuống tới chuôi củ, chiếm khoảng 0,3 – 1% khối lượng toàn củ Càng sát cuống, lõi càng lớn và nhỏ dần về phía chuôi củ Lõi cấu tạo chủ yếu từ cenllulose và hemicellulose Sắn có lõi lớn và nhiều xơ thì hiệu suất của máy xát giảm vì xơ cứng, hạn chế khả năng phá vỡ tế bào giải phóng tinh bột

2.1.2 Giá trị dinh dưỡng

Trước hết cây sắn góp phần thay thế thực phẩm ăn hằng ngày của con người, đây

là thực phẩm dễ ăn, dễ chế biến, khả năng bảo quản cũng tương đối ổn định nếu được chế biến thành bột hay những thành phẩm sơ chế khác như: khoai mì lát, miếng khoai mì…

Với nhu cầu công nghệ, khoai mì là nguồn nguyên liệu trong các ngành kỹ nghệ nhẹ, ngành làm giấy Ngoài ra, khoai mì còn là nguồn thức ăn tốt để cung cấp cho gia súc

Cũng như phần lớn các loại hạt và củ, thành phần chính của củ khoai mì là tinh bột Ngoài ra, trong khoai mì còn có các chất: đạm, muối khoáng, lipid, xơ và một

số vitamin B1, B2 Ngoài ra còn có các bộ phận khác như: cuống, rễ,… Các phần này chủ yếu là cellulose cho nên sắn cuống dài và nhiều rễ thì tỷ lệ tinh bột thấp

và chế biến khó khăn Thành phần hóa học của tinh bột sắn dao động khá rộng tùy thuộc vào loại giống, điều kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch Thành phần hóa học của tinh bột sắn được thể hiện trong Bảng 3

Bảng 3: Thành phần hóa học của tinh bột sắn

(Nguồn: Ngô Kế Xương, 1997)

Hàm lượng tinh bột của sắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các yếu tố ảnh hưởng đến các thành phần nói chung, trong đó mức độ già có ý nghĩa rất lớn Đối với giống sắn một năm thì vụ chế biến có thể bắt đầu từ tháng 9 và kết thúc từ tháng 4 năm sau, nhưng vào đầu tháng 12 và tháng giêng thì hàm lượng tinh bột cao nhất Tháng 9, tháng 10 củ rất ít tinh bột, hàm lượng nước cao, lượng chất hòa tan nhiều, như vậy nếu chế biến sắn non không những tỷ lệ thành phẩm thấp mà còn khó bảo quản tươi Sang tháng 2, tháng 3 lượng tinh bột trong củ lại giảm vì một phần phân hủy thành đường để nuôi mầm non trong khi cây chưa có khả năng quang hợp Đường trong sắn chủ yếu là glucose và một lượng maltose, sacarose Sắn càng già thì lượng đường càng giảm Trong khi chế biến đường hòa tan trong nước theo nước dịch Ngoài ra, trong sắn có độc tố, tannin, sắc tố và hệ enzyme phức tạp Những chất này gây khó khăn cho chế biến và nếu quy trình không thích hợp cho sản phẩm có chất lượng kém

Sắn chủ yếu là một thức ăn cung cấp năng lượng, 100g sắn khô cho 348 kcal xấp

xỉ với ngũ cốc Trong sắn, tinh bột là thành phần có ý nghĩa hơn cả (amylose: 25%, amylopectin: 75 – 85%) Tinh bột sắn có một số tính chất thuận lợi cho chế biến thực phẩm như tinh bột khoai mì không có mùi nên không ảnh hưởng đến mùi vị đặc trưng của thực phẩm, có thể dùng kết hợp với các thành phần có mùi khác.Tinh bột khoai mì trong nước sau khi gia nhiệt sẽ tạo thành dạng paste trong suốt nên không ảnh hưởng đến màu của thực phẩm Hàm lượng amylopectin trong tinh bột khoai mì cao nên gel tinh bột có độ nhớt, có độ dính cao và khả năng gel

15-bị thoái hóa thấp Protid của sắn vừa ít về số lượng vừa thiếu cân đối về chất lượng Protid của sắn nghèo lysine, tryptophan, các acid amin và lưu huỳnh (Bảng 4) Ngoài ra tổng lượng acid amin cần thiết của sắn thấp hơn nhiều so với ngũ cốc và các thức ăn cơ bản khác

Bảng 4: Thành phần acid amin của củ sắn (trong 100g protid)

(Nguồn: Ngô Kế Xương, 1997)

Các loại bột, nhất là bột lọc lại càng ít protein và muối khoáng do mất mát trong quá trình chế biến Ngoài các thành phần hóa học trên, trong cây sắn còn có một chất gây ngộ độc là manihotoxin Đây là một loại glycoside có khả năng gây độc, nhân dân ta thường gọi là say sắn bởi vì khi gặp men tiêu hóa, acid gặp nước thì glucose sẽ bị thủy phân và giải phóng ra acid cyanhydride (HCN) có khả năng gây

ngộ độc

2.1.3 Tinh bột sắn

Trong thiên nhiên, tinh bột có rất nhiều và tồn tại dưới dạng hydrat carbon hữu cơ

tự nhiên Nó có trong rễ, nhánh và hạt của cây xanh Là một loại thức ăn nuôi dưỡng, tinh bột cung cấp năng lượng cho cây xanh trong lúc chúng ngủ hoặc nảy mầm Tinh bột cũng là một nguồn năng lượng quan trọng nhất đối với động vật và con người Chính vì thế, nó có vai trò quyết định trong đời sống chúng ta Các thống kê ngày nay cho thấy tinh bột có hơn bốn ngàn ứng dụng

Các loại tinh bột chính có mặt trên thị trường hiện nay gồm có: tinh bột khoai mì, tinh bột khoai tây, bột bắp và bột mì So sánh các loại tinh bột khác nhau thấy

rằng thành phần và tính chất của tinh bột khoai mì gắn với tinh bột khoai tây hơn

và tốt hơn bột bắp và bột mì Tuy nhiên về mặt giá thành tinh bột khoai tây cao hơn nhiều so với tinh bột khoai mì Với các ưu thế hấp dẫn về mặt tính chất và giá thành, nhu cầu dùng tinh bột khoai mì dường như đang tăng lên ở mọi nơi trên thế giới

2.1.4 Ứng dụng của tinh bột sắn trong công nghệ thực phẩm cũng như ngành công nghiệp khác

- Chất độn: làm tăng độ đặc trong súp và trái cây đóng hộp, kem và dược phẩm

- Chất kết nối: tạo gel cho sản phẩm, giúp thực phẩm không bị khô khi nấu như xúc xích, thịt hộp

- Chất ổn định: Sử dụng khả năng giữ nước cao, như trong kem, bột nở

- Trong ngành dệt: giảm chỉ đứt trên khung dệt, dùng trong giai đoạn in làm chất nhuộm và giữ màu Tinh bột dùng cho giai đoạn thành phẩm sẽ tăng độ cứng và trọng lượng (tinh bột thường hoặc tinh bột oxy hóa)

- Chất làm đặc: sử dụng đặc tính bột nhão, như trong súp, thức ăn cho trẻ em, nước chấm, nước dùng

- Làm giấy: tăng cường độ chắc, tăng cường sức chống nếp gấp, tăng bề mặt và độ bền, dùng cho giấy gợn sóng, giấy ép và bìa cứng Làm chất kết nối trong công nghiệp, giấy cứng làm trần nhà

2.2 Giới thiệu tổng quát về tinh bột

2.2.1 Tinh bột

Tinh bột là loại polysaccaride khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị glucose được nối nhau bởi các liên kết α- glycoside, có công thức phân tử là (C6H10O5)n, ở đây có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu Tinh bột được tạo nên từ hai đơn vị: amylose và amylopectin (Hình 3)

Hình 3: Cấu trúc của tinh bột

(Nguồn: Donald và ctv, 2004)

Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất hóa lý của chúng Tinh bột thường dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương, như các yếu tố kết 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 nghiệp dệt, hóa dầu

Tinh bột 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 cellulose Tinh bột được hình thành từ những hạt nhỏ trong suốt quá trình trưởng thành và lớn lên của cây Trong thời kì dự trữ 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, động vật, cũng như đối với các sinh vật hạ đẳng Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng không hoà tan trong nước nên có thể tích tụ một lượng nước lớn trong tế bào mà vẫn 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 mì, sắn dây,

Khối tinh bột

(α-Dglucopyranose )

gạo, đậu, ở một số quả như chuối, táo, rau… Hình dạng (Hình 4) và thành phần hóa học của tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt

Ngoài ra kích thước hạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lý khác nhau như: nhiệt độ hồ hóa, khả năng hấp thụ metylen (Bảng 5)

Bảng 5: Đặc điểm của một số loại tinh bột

Nhiệt độ hồ hóa ( 0 C)

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

đó, có thể tích tụ một lượng lớn ở trong tế bào mà không bị ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu Các hydratcarbon đầu tiên được tạo ra ở các lục lạp do quang hợp,

nhanh chóng được chuyển thành tinh bột Tinh bột ở mức độ này được gọi là tinh bột đồng hóa, rất linh động, có thể sử dụng ngay trong quá trình trao đổi chất hoặc

có thể được chuyển hóa thành tinh bột dự trữ ở trong hạt, củ, rễ, thân và bẹ lá Có thể chia tinh bột thực phẩm thành ba hệ thống: hệ thống tinh bột của các hạt ngũ cốc, hệ thống tinh bột của các hạt họ đậu, hệ thống tinh bột của các loại củ

2.2.2 Thành phần hóa học của tinh bột

Tinh bột không phải là một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysacaride khác nhau: amylose và amylopectin Trong những nguyên liệu khác nhau thì hàm lượng amylose và amylopectin cũng không giống nhau Thường tỉ lệ amylose và amylopecctin của tinh bột bằng 1/4

Phân tử amylose có một đầu khử và một đầu không khử, trong đó đầu khử có nhóm – OH glycoside Các gốc của amylose gắn lại với nhau nhờ liên kết α - 1,4 glycoside tạo nên một chuỗi dài khoảng 500 -2000 đơn vị glucose, phân tử lượng trung bình 10000 - 300000 Amylose mạch thẳng có thể tạo màng và sợi với độ bền và độ mềm dẻo cao Khi tương tác với iod, amylose cho phức màu xanh đặc trưng Phức của vitamin A với amylose thường bền và ít bị oxy hoá Do đó, sử dụng amylose để bảo vệ vitamin trong thuốc, trong thức ăn gia súc bằng cách cho

nó tạo phức với amylose

Trong phân tử amylopectin các gốc glucose gắn với nhau không chỉ nhờ liên kết 1 – 4 mà còn nhờ liên kết 1- 6 Vì vậy có cả cấu trúc nhánh trong amylopectin Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuổi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucose Phân tử amylopectin có thể chứa tới

100000 đơn vị glucose

Phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử duy nhất Cấu trúc phân tử amylopectin bao gồm một nhánh trung tâm (chứa liên kết 1 – 4) từ các nhánh này phát ra các nhánh phụ có chiều dài khoảng vài chục gốc glucose Amylopectin được phân bố ngoài hạt Khác hẳn với amylose, amylopectin chỉ hoà tan trong nước khi đun

nóng và tạo nên dung dịch có độ nhớt cao Hàm lượng amylose và amylopectin trong một số hạt tinh bột thể hiện ở Bảng 6

Bảng 6: Hàm lượng amylose và amylopectin của một số tinh bột

(Nguồn: Lê Ngọc Tú, 2007)

2.2.2.1 Thành phần cấu trúc của amylose

Trong vi hạt, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước trong khoảng từ 0,02 – 0,12nm Hạt tinh bột của tất cả các hệ có dạng hình tròn, hình bầu dục hay hình đa diện Cấu tạo và kích thước của hạt tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt cũng như quá trình sinh trưởng của cây Cấu tạo bên trong của vi hạt khá phức tạp Vi hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp đều có lẫn lộn các amylose dạng tinh thể và amylopectin sắp xếp theo hướng tâm Nhờ phương pháp hiển vi điện tử và nhiễu xạ tia X thấy rằng trong hạt tinh bột “nguyên thủy” các chuỗi polyglucose của amylose và amylopectin tạo thành hình xoắn ốc với sáu gốc glucose một vòng Trong tinh bột các hạt ngũ cốc, các phân tử có chiều dài từ 0,35 – 0,7 micromet, trong khi đó chiều dài của một lớp hạt tinh bột là 0,1 micromet Hơn nữa, các phân tử lại sắp xếp theo hướng tâm nên các mạch glucose của các polysacaride phải ở dạng gấp khúc nhiều lần Các mạch polysacaride sắp xếp hướng tâm tạo ra vùng tinh thể: các mạch bên của phân tử amylopectin này nằm xen kẽ giữa các mạch bên của phân tử kia Ngoài cách sắp xếp bên trong như vậy, mỗi hạt tinh bột còn có vỏ bao phía bên ngoài Vỏ hạt tinh bột cũng có lỗ nhỏ do

đó các chất hòa tan có thể xâm nhập vào bên trong bằng con đường khuếch tán Hầu hết, các loại tinh bột đều chứa hai loại polymer khác nhau về khối lượng phân

- Amylose là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500- 2000 đơn vị glucose, liên kết nhau bởi liên kết α- 1,4 glycoside (Hình 5) Amylose “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn Có hai loại amylose:

- Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp (khoảng 2000) thường không có cấu trúc bất thường và bị phân ly hoàn toàn bởi β- amylase

- Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối với β- amylase nên bị phân hủy 60% Trong hạt tinh bột hoặc trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa, amylose thường có cấu hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucose Đường kính của xoắn ốc là 12,97A0 chiều cao của vòng xoắn ốc là 7,91A0 các nhóm hydroxyl được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H (Lê Ngọc Tú, 2003)

Hình 5: Cấu tạo phân tử Amylose

(Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Amylose)

2.2.2.2 Thành phần cấu trúc của amylopectin

Amylopectin là polymer mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α – 1,4 glycoside còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α – 1,6 glycoside (Hình 6)

Hình 6: Cấu tạo phân tử Amylopectin

Cấu tạo của amylopectin lớn hơn và dị thể hơn amylose Trong tinh bột tỉ lệ amylose/amylopectin khoảng 1/4 Tỉ lệ này có thể thay đổi phụ thuộc vào thời tiết, mùa vụ, cách chăm bón

2.2.3 Những tính chất của tinh bột

2.2.3.1 Tính chất vật lý

Tính tan

Amylose mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền nên nhanh chóng

bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước Amylopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng Tinh bột ở nhiệt độ thường không tan trong nước, cồn, ete, benzene Tinh bột có khả năng tan trong dung dịch kiềm

và dung dịch của một số muối kiềm của kim loại nặng Tinh bột tan trong môi

trường kiềm tốt hơn môi trường trung tính và acid vì kiềm có tác dụng ion hóa từng phần do đó làm cho phân tử polysacaride hydrat hóa tốt hơn Amylose mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền nên nhanh chóng bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước, amylopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn còn

là một tác nhân tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột Tuy không hòa tan nhưng trong nước tinh bột vẫn hút 25 – 30% nước và hầu như không trương nở tinh bột, sau khi sấy khô có khả năng hút nước rất mạnh (Quang Liu, 2005)

độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với nhau

để tạo thành gel (Hình 7) Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độ nhất định.Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kich thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một

cách rộng lớn (Sing – sodhi và ctv, 2008)

Hình 7: Sơ đồ hình thành gel của tinh bột

(Nguồn: Văn Thị Lan, 2011)

Nhiệt độ hồ hóa có ảnh hưởng đến cấu trúc của hạt tinh bột, ban đầu khi gia nhiệt đến nhiệt độ hồ hóa các phân tử tinh bột có xu hướng trương nở (Hình 8) Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho phân

tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn Trong suốt quá trình chuyển động bình thường, các phân tử mạch thẳng thường va chạm với nhau tiếp theo là bao xung quanh chặt chẽ giữa các phân tử bị cắt ra, những nhóm hydroxyl tạm thời này nhanh chóng liên kết với nhau bằng liên kết hydro để hình thành cầu nối giữa các phân

tử Khi sự va chạm này cứ tiếp tục mãi, liên kết hydro được hình thành và những phân tử dần dần tụ hợp lại thành phân tử lớn Trong trường hợp của phân tử amylopectin, cấu trúc nhánh của nó ngăn chặn lại sự sắp xếp gần nhau của những phân tử lân cận Bởi vì những nhóm hydroxyl của tinh bột sẵn sàng liên kết với nhau tạo nên hạt tinh bột không thể lấy nước một cách tự do Do đó, tinh bột tự nhiên hydrate lên tối đa đến 30 – 40% và trương nở nhưng ít trong nước

Tinh bột trong nước Bắt đầu hình thành gel Trạng thái gel

Nâng nhiệt

Hình 8: Ảnh điện tử quét (SEM) tinh bột ngô ở các nhiệt độ khác nhau (2500X)

(Nguồn: Wajira và ctv, 2007)

Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột là đường kính biểu kiến của các phân tử hoặc của các hạt phân tán, đặc tính bên trong của tinh bột như kích thước, thể tích, cấu trúc, và sự bất đối xứng của phân tử Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxy hóa, các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của các phân tử tinh bột thay đổi do đó làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột Nhìn chung quá trình hồ hóa ở tất cả các loại tinh bột diễn ra đều giống nhau: ban đầu độ nhớt tăng dần sau đó cực đại rồi giảm xuống Sự hồ hóa tinh bột không xảy ra ở nhiệt độ nhất định mà thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ hồ hóa của tinh bột có nguồn gốc khác nhau thì rất khác nhau,

nồng độ huyền phù tinh bột, tốc độ đun nóng huyền phù đều có ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa

Sự thoái hóa

Quá trình thoái hóa tinh bột là quá trình quan trọng trong ứng dụng công nghiệp của tinh bột, vì nó có thể là điểm kết thúc mong muốn trong những ứng dụng nhất định, nhưng nó có thể là nguyên nhân gây ra sự bất ổn định trong khối paste tinh bột Sự thay đổi cấu trúc bằng phương pháp di truyền để thay đổi con đường sinh tổng hợp tinh bột hoặc bằng cách biến tính hóa học và vật lý đã được sử dụng để làm thay đổi quá trình thoái hóa

Sự thoái hóa tinh bột là sự ngược lại của quá trình hồ hóa Nếu dung dịch từ tinh bột được làm nguội từ từ và sau đó giữ ở 35 0C trong một thời gian dài sẽ gây ra

sự thoái hóa, tinh bột mất tính hòa tan, nước trong tinh bột tách ra, tinh bột trong trạng thái kết tủa và lắng xuống dưới dạng tinh thể, hiện tượng này gọi là sự thoái hóa Tinh bột thoái hóa có sức chịu đựng tốt hơn đối với sự tấn công của enzyme

so với hạt chưa xử lí nhiệt Sự thoái hóa tinh bột chủ yếu do thành phần amylose của tinh bột gây nên, đó là kết quả của sự tạo thành liên kết hydro giữ các phân tử amylose vừa có nhóm hydroxyl (-OH) vừa có nhóm tiếp nhận hydro Các phân tử amylose mạch thẳng và dài thường định hướng với nhau dễ dàng và tự do hơn so với giữa các phân tử amylopectin Amylopectin kết tinh trong gel đã thoái hóa có thể được tan chảy ở 55 0C, trong khi amylose kết tinh, nhiệt độ tan chảy lên đến

1300C (Zhenghong Chen, 2003)

Ngoài nguồn gốc tinh bột ra sự thoái hóa cũng phụ thuộc vào nồng độ tinh bột, nhiệt độ bảo quản và pH Sự thoái hóa nói chung là kích thích bởi nồng độ tinh bột cao, nhiệt độ lưu trữ thấp và giá trị pH từ 5-7 (pH>10 sự thoái hóa không xảy

ra, pH<2 tốc độ thoái hóa vô cùng bé), các muối cation có thể làm chậm sự thoái hóa của tinh bột

Tính hấp thụ

Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì bề mặt trong và ngoài của tinh bột đều tham dự Sự hấp thụ và phản hấp thụ với nước, các chất ở thể khí và thể hơi trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy nhiệt có ý nghĩa quan trọng Vì vậy trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến cần phải hết sức quan tâm tính chất này Khả năng hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của hạt và khả năng trương nở của chúng

Giai đoạn 1: Từ bề mặt bốc hơi, nồng độ tinh bột tăng lên, các hạt tinh bột gần nhau và sắp xếp lại thành lớp

Giai đoạn 2: Nước nằm giữa các hạt tiếp tục bốc hơi Các hạt tiếp xúc nhiều hơn

và biến dạng Sức căng bề mặt lúc này có vai trò rất lớn, có khuynh hướng làm co

bề mặt hệ thống và phụ thuộc vào độ nhớt của chúng

Giai đoạn 3: Khi tiếp xúc nhau các hạt bắt đầu thể hiện lực cố kết Tính chất cơ lý của màng phụ thuộc các hiện tượng xảy ra trong giai đoạn này

Ngoài ra tinh bột còn có những tính chất như: Khả năng tạo sợi, khả năng đồng tạo gel với protein, khả năng phồng nở, tính chất cấu trúc của tinh bột

2.2.3.2 Tính chất hóa học của tinh bột

Phản ứng thủy phân

Một tính chất quan trọng của tinh bột là quá trình thủy phân liên kết giữa các đơn

vị glucose bằng acid hoặc bằng enzyme Acid có thể thủy phân tinh bột ở dạng hạt ban đầu hoặc ở dạng hồ hóa hay dạng paste Bản chất của quá trình phản ứng là liên kết acetal bị cắt đứt dưới tác dụng của nước Đối với enzyme chỉ thủy phân

hiệu quả ở dạng hồ hóa Một số enzyme thường dùng là α – amylase, β- amylase acid và enzyme giống nhau là đều thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α – D (1,4) glycoside Đặc trưng của phản ứng này là sự giảm nhanh

độ nhớt và sinh ra đường

Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxy hóa tạo thành andehyde, ceton và tạo thành các nhóm cacboxyl Quá trình oxy hóa thay đổi tùy thuộc vào tác nhân oxy hóa và điều kiện tiến hành phản ứng Quá trình oxy hóa tinh bột trong môi trường kiềm bằng hypocloride là một trong những phản ứng hay dùng, tạo ra nhóm cacboxyl trên tinh bột và một số lượng nhóm cacbonyl Quá trình này còn làm giảm chiều dài mạch tinh bột và tăng khả năng hòa tan trong nước, đặc biệt trong môi trường loãng

Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể tiến hành ete hóa, este hóa Một số monome vinyl đã được dùng để ghép lên tinh bột Quá trình ghép được thực hiện khi các gốc tự do tấn công lên tinh bột và tạo ra các gốc tự do trên tinh bột ở các nhóm hydroxyl Những nhóm hydroxyl trong tinh bột có khả năng phản ứng với andehyde trong môi trường acid Khi đó xảy ra phản ứng ngưng tụ tạo liên kết ngang giữa các phân tử tinh bột gần nhau Sản phẩm tạo thành không có khả năng tan trong nước

Phản ứng tạo phức

Phản ứng rất đặc trưng của tinh bột là phản ứng với iode Khi tương tác với iode, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng Vì vậy, iode có thể coi là thuốc thử đặc trưng để xác định hàm lượng amylose trong tinh bột bằng phương pháp trắc quan

Để phản ứng được thì các phân tử amylose phải có dạng xoắn ốc để hình thành đường xoắn ốc của amylose bao quanh phân tử iode Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iode vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh Acid và một số muối như KI, Na2SO4 tăng cường độ phản ứng

Amylose với cấu hình xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iode, tương ứng với một vòng xoắn một phân tử iode Amylopectin tương tác với iode cho màu nâu tím Về bản chất phản ứng màu với iode là hình thành nên hợp chất hấp thụ

Ngoài khả năng tạo phức với iode, amylose còn có khả năng tạo phức với nhiều chất hữu cơ có cực cũng như không cực như: các rượu no, các rượu thơm, phenol, các cetol phân tử lượng thấp

Phức của amylose với các chất tạo phức thường không tan trong nước và dễ dàng kết tủa khi để yên dung dịch Amylopectin chỉ tan được trong nước ở nhiệt độ cao tạo thành dung dịch có độ nhớt cao và bền vững Amylopectin không có khả năng tạo phức với butanol và các chất hữu cơ khác

Phản ứng oxy hóa với periodate

Tinh bột có chứa 3 nhóm hydroxyl có khả năng phản ứng với tác nhân oxy hóa Phản ứng oxy hóa có thể được sử dụng để biết được sự hình thành cấu trúc của tinh bột Hai nhóm hydroxyl cạnh nhau có thể phản ứng với acid periodic hoặc với muối của nó để hình thành hai nhóm aldehyde khi tách chuỗi C

Phản ứng này tiêu thụ một mol periodate Trong trường hợp α, β, γ- triols, sự phân tách đôi chuỗi C sẽ xảy ra hai mặt của vị trí β Phản ứng này sẽ tiêu thụ hai phân

tử periodate và hình thành hai nhóm aldehyde và một acid formic Đối với polysaccharide đơn vị đường với liên kết sẽ khác nhau đáng kể trong cách chúng phản ứng với periodate Ví dụ, phân tử có nhóm cuối không khử hoặc liên kết α-1,4 glycoside ở đầu hoặc cuối có 3 nhóm hydroxyl gần kề, sự phân tách đôi sẽ diễn ra và phản ứng tiêu thụ hai mol periodate và sinh ra một phân tử HCOOH Việc định lượng periodate có thể dùng để ước tính mức độ trùng hợp của liên kết 1,4 – glycoside Mỗi liên kết 1,4 của polymer sẽ giải phóng 3 acid formic sau phản ứng oxy hóa Trong thực nghiệm, polysaccharide được oxy hóa trong dung dịch loãng ở nhiệt độ thấp ví dụ 40C Hàm lượng formic sinh ra và periodate tiêu thụ được xác định ở khoảng thời gian, giá trị không đổi cho phép đo lường acid

formic và periodate được chỉ ra ở cuối phản ứng Nồng độ periodate có thể được

đo lường bởi phương pháp chuẩn độ hoặc quang phổ Acid formic có thể được xác định bằng phương pháp chuẩn độ trực tiếp với dung dịch kiềm

Khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột

Xác định khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột cho phép điều chỉnh được tỉ lệ dung dịch tinh bột và nhiệt độ cần thiết trong quá trình công nghiệp, còn có ý nghĩa trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy nhiệt Rất nhiều tính chất chức năng của tinh bột phụ thuộc vào tương tác của tinh bột và nước (tính chất thủy nhiệt, sự hồ hóa, tạo gel, tạo màng) Ngoài ra, nó cũng là cơ

sở để lựa chọn tinh bột biến tính thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể Ví dụ: Để sản xuất các sản phẩm nước uống hòa tan như cà phê, trà hòa tan thì nên chọn tinh

bột biến tính nào có độ hòa tan cao nhất

2.3 Giới thiệu tổng quát về tinh bột biến tính

Trong thực tế sản xuất, ứng với mỗi một sản phẩm thực phẩm thường đòi hỏi 1 dạng tinh bột hoặc một dẫn xuất tinh bột nhất định Có sản phẩm yêu cầu tinh bột giàu amylose lại có sản phẩm yêu cầu tinh bột thuần nhất amylopectin Có sản phẩm cần dạng tinh bột có độ hòa tan tốt, có dạng cần tinh bột bền không bị thoái hóa ở nhiệt độ thấp Có loại cần độ dẻo độ trong, có loại không mong muốn những tính chất đó Vì vậy, để có được những loại hình tinh bột phù hợp người ta phải

biến tính tinh bột

Mục đích cơ bản của biến tính tinh bột nhằm: làm thay đổi cấu trúc của tinh bột bằng các tác nhân vật lý, hóa học hay sinh học, khắc phục những nhược điểm cảu tinh bột tự nhiên, tăng giá trị sử dụng của tinh bột, tạo ra nhiều sản phẩm từ tinh bột,…

Dựa vào bản chất của phương pháp có thể phân loại các phương pháp như sau:

- Phương pháp biến tính vật lý: là phương pháp biến tính tinh bột thuần túy dùng các lực vật lý như ép, nén và hồ hóa tác dụng lên tinh bột để làm thay đổi một số

tính chất của nó nhằm phù hợp với những ứng dụng, sản phẩm tinh bột biến tính của phương pháp này là những tinh bột hồ hóa, tinh bột xử lý nhiệt ẩm

- Phương pháp biến tính hóa học: là phương pháp sử dụng những hóa chất cần thiết nhằm thay đổi tính chất của tinh bột, sản phẩm chủ yếu của phương pháp biến tính hóa học là những tinh bột xử lý acid, tinh bột ete hóa, este hóa, phosphate hóa

- Phương pháp biến tính sinh học: là phương pháp biến tính tinh bột tiên tiến hiện nay, cho sản phẩm tinh bột biến tính chọn lọc không bị lẫn những hóa chất khác Sản phẩm của phương pháp acid là các loại đường glucose, fructose; các poliol như sorbitol, mannitol; các acid amin như lysin, MSG, các rượu, các acid (Hoàng Kim Anh, 2008)

2.3.1 Phương pháp biến tính vật lý

2.3.1.1 Trộn với chất trơ

Tinh bột có ái lực với nước nhưng nếu hòa trực tiếp vào nước thì sẽ bị vón cục

Có thể làm cho tinh bột phân tán tốt vào nước nếu đầu tiên đem trộn tinh bột với chất rắn trơ Khi trộn đồng đều sẽ làm cho các hạt tinh bột cách biệt nhau về vật lý

do đó sẽ cho phép tinh bột hydrat hóa một cách độc lập và không kết thành cục

2.3.1.2 Biến tính bằng hồ hóa sơ bộ

Tinh bột ban đầu được hồ hóa trong một lượng thừa nước, sau đó sấy phun hoặc sấy thùng quay Dưới tác dụng nhiệt ẩm làm đứt các liên kết giữa các phân tử, làm phá vỡ cấu trúc của các hạt tinh bột khi hồ hóa

Tinh bột hồ hóa sơ bộ có những tính chất sau:

- Trương nhanh trong nước

- Biến đổi chậm các tính chất khi bảo quản

- Bền khi ở nhiệt độ thấp

- Có độ đặc và khả năng giữ nước, giữ khí tốt

Do đó người ta thường dùng tinh bột hồ hóa sơ bộ này trong mọi trường hợp khi cần độ đặc, giữ nước mà không cần nấu

Tinh bột loại này nếu đi từ tinh bột amylopectin thì sẽ làm tăng độ “tươi” cho sản phẩm, tăng độ trong suốt, độ đàn hồi cũng như làm bền độ nhớt

Dùng tinh bột hồ hóa sơ bộ còn tránh tổn thất các chất bay hơi trong bánh ngọt, giữ được chất béo và bảo vệ chất béo khỏi bị oxy hóa khi sấy khô, liên kết ẩm và

ổn định ẩm trong các sản phẩm thịt

Amylose hoặc tinh bột giàu amylose (trên 60% amylose) nếu khuếch tán vào nước dưới áp suất cao hơn áp suất khí quyển rồi sau đó sấy khô thì không bị thoái hóa Người ta thường thêm tinh bột hồ hóa sơ bộ vào các dung dịch khoan (khi khoan các giếng dầu mỏ) nhằm giữ cho dung dịch khoan 1 lượng nước cần thiết

2.3.1.3 Biến tính bằng gia nhiệt khô ở nhiệt độ cao

Dextrin là sản phẩm phân giải một phần của tinh bột Thực tế pyrodextrin thu được khi gia nhiệt tinh bột khô ở nhiệt độ 175 – 1950

C trong thời gian 7-18h (Hình 10)

Phương pháp chế tạo pyrodextrin như sau:

- Phun acid (với lượng 0,05-0,15% trọng lượng tinh bột ) vào tinh bột có độ ẩm khoảng 5% Có thể dùng AlCl3làm chất xúc tác Cũng có thể cho thêm các tác nhân kiềm tính như canxi phosphate, natri bicacbonat hoặc tritanolamin làm chất đệm (để làm giảm bớt độ acid khi ở nhiệt độ cao) Sau khi sấy nhẹ tinh bột đến độ

ẩm từ 1-5% thì tiến hành dextrin hóa trong thiết bị trộn có gia nhiệt bằng hơi, bằng dầu hoặc đốt nóng trực tiếp Dextrin hóa xong thì làm nguội Khi dextrin hóa thường xảy ra 2 phản ứng sau:

- Phân giải tinh bột thành sản phẩm có khối lượng phân tử thấp hơn

- Phản ứng tái trùng hợp các sản phẩm vừa mới tạo thành ở trên chủ yếu bằng liên kết 1-6 tạo cấu trúc có độ phân nhánh cao

Ở giai đoạn đầu phản ứng thủy phân là chủ yếu, nên độ nhớt của tinh bột lúc này

bị giảm rất mạnh Khi tăng nhiệt độ lên thì phản ứng tái trùng hợp mới trở thành phản ứng chính