utf-8''Nghien cuu san xuat tinh bot bien tinh

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẶNG THỊ HOÀNG LAN NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT TINH BỘT BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Khoa học Công nghệ Thực phẩm LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2006 MỤC LỤC Trang U CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tinh bột khoai mì 1.2 Giới thiệu tinh bột biến tính 1.2.1 Tinh bột biến tính phương pháp vật lý 1.2.2 Tinh bột biến tính phương pháp hóa học 1.2.3 Tinh bột biến tính phương pháp tạo liên kết ngang (crosslinking) 19 1.3 Ứng dụng tinh bột tinh bột biến tính 27 1.3.1 Ứng dụng tinh bột 27 1.3.2 Ứng dụng tinh bột biến tính 28 1.3.3 Sử dụng tinh bột biến tính liên kết ngang sản xuất sữa U chua 30 Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tinh bột khoai mì [2, 3, 13] Khoai mì (sắn – Manihotesculenta Crantz) trồng chủ yếu châu Á, châu Phi số nước Nam Mỹ Ngoài việc sử dụng trực tiếp loại lương thực, khoai mì cịn sử dụng để sản xuất tinh bột Tinh bột khoai mì có khả thay cho tinh bột bắp, tinh bột gạo tinh bột lúa mì sử dụng ngành công nghiệp với tính chất tương đương Trên giới nay, ngoại trừ Mỹ châu Âu sử dụng phần lớn tinh bột có nguồn gốc từ bắp, khu vực cịn lại chủ yếu sản xuất tinh bột từ nguồn nguyên liệu khác gạo, lúa mạch, sago… đặc biệt từ khoai mì (theo Hội đồng châu Âu, 2002) [47] Trong năm gần đây, Việt Nam vươn lên đứng hàng thứ giới khối lượng xuất tinh bột khoai mì [2] Tinh bột khoai mì có màu trắng Hạt tinh bột có kích thước khoảng – 35µm, bề mặt nhẵn, có hình trịn hay hình trứng vát đầu (oval, truncated “kettle drum”), có chỗ lõm núm Hạt tinh bột có cấu trúc tinh thể dạng A dạng hỗn hợp A, B, có cấu trúc tương đối xốp, liên kết phần tử cấu trúc tinh thể yếu, dễ bị phân hủy tác nhân hóa học enzyme so với loại tinh bột khác bắp, gạo Hình 1.1 Hạt tinh bột khoai mì [2, 3] Tinh bột khoai mì chứa lipid (< 0,1%), hàm lượng amylose từ – 29%, trung bình 16 – 18% Tinh bột khoai mì có tính chất tương tự loại tinh bột chứa nhiều amylopectin độ nhớt cao, xu hướng thối hóa thấp độ bền gel cao Trang Nhiều nghiên cứu xác định nhiệt độ hồ hóa tinh bột khoai mì nằm khoảng từ 49 – 64oC đến 62 – 73oC [13], cao khoai tây thấp bắp Độ nhớt hồ tinh bột khoai mì khoai tây cao tinh bột bắp, tinh bột lúa mì hay tinh bột gạo Khả hồ hóa sớm, độ nhớt cao tinh bột khoai mì thể lực liên kết yếu phân tử tinh bột cấu trúc hạt Hồ tinh bột khoai mì có độ cao có khả trương nở tốt xu hướng thối hóa thấp Khả trương nở hịa tan cao tinh bột khoai mì lần thể lực liên kết yếu cấu trúc hạt Độ cao vị nhạt (bland flavour) tinh bột khoai mì thích hơp để sử dụng cơng nghiệp thực phẩm Cấu trúc gel tinh bột khoai mì có độ bền tốt nên có nhiều ứng dụng thực phẩm, đặc biệt sản phẩm có thời gian bảo quản lâu 1.2 Giới thiệu tinh bột biến tính Tinh bột tự nhiên với tính chất đặc trưng khai thác đến mức để phục vụ cho nhu cầu sản xuất Tuy nhiên, ngành công nghiệp thực phẩm mở rộng với chủng loại sản phẩm đa dạng tinh bột tự nhiên cho thấy có hạn chế, có tính chất thích hợp cho sản phẩm lại bất lợi cho sản phẩm khác Vì vậy, q trình biến tính tinh bột sử dụng để tạo loại tinh bột có tính chất phù hợp với sản phẩm định Biến tính tinh bột q trình làm biến đổi cấu trúc tác động lên liên kết hydro tinh bột cách có kiểm sốt Ngoại trừ tinh bột biến tính vật lý (hồ hóa trước), biến đổi diễn cấp độ phân tử, với khơng có thay đổi bề mặt bên hạt tinh bột, đó, nguồn gốc thực vật tinh bột xác định kính hiển vi [22] Có thể phân loại tinh bột biến tính theo phương pháp làm biến tính tinh bột sau [16]: Trang Tinh bột biến tính Biến tính vật lý Biến tính hóa học Hồ hóa trước (Pregelatinization) Cắt mạch tinh bột (Degradation) Tinh bột tan nước lạnh (CWS Starch) Cắt phần mạch tinh bột Dextrin Thủy phân Tinh bột dialdehyde Enzyme Tinh bột carboxyl Oxi hóa Cắt mạch sulfate Tạo nhóm thay (Substitution) Tinh bột ester hóa Tạo liên kết ngang (Cross bonding) Tinh Tinh bột bột ether ether hóa hóa Di - ester Di - ether Tinh bột anion Tinh bột non-ion Tinh bột cation Carboxymethyl Hydroxyalkyl Quat Ammon Tinh bột acetate Tinh bột phosphate Hình 1.2 Phân loại tinh bột biến tính [16] Hiện nay, phát triển ngành cơng nghệ sinh học cịn cho phép q trình biến tính tinh bột thực trồng lúc phát triển, tạo loại thực vật có hàm lượng amylose hàm lượng phosphorous khác Loại tinh bột biến tính tương lai sử dụng rộng rãi vừa có chất tự nhiên khơng phải qua q trình xử lý vật lý hóa học, vừa có tính chất ưu việt tinh bột biến tính [45] Theo JECFA (2001), tinh bột biến tính phép sử dụng sản xuất thực phẩm bao gồm loại sau [26]: Trang Bảng 1.1 Các sản phẩm tinh bột biến tính dùng thực phẩm số quy định độ tinh (Các nồng độ % tính theo chất khơ) [26] Loại tinh bột biến Mã số tính ISN Quy định trình sản xuất Yêu cầu sản phẩm Dextrin khô (Dextrin 1400 Xử lý nhiệt khô với acid hydrochloric pH 2,5 – 7,0 roasted starch) acid ortho-phosphoric Tinh bột xử lý 1401 Xử lý với acid hydrochloric, pH 4,8 – 7,0 acid acid ortho-phosphoric, acid (Acid treated starch) sulfuric Tinh bột xử lý 1402 Xử lý với sodium hydroxide pH 5,0 – 7,5 kiềm (Alkaline treated potassium hydroxide starch) Tinh bột tẩy trắng (Bleached starch) 1403 Xử lý với peracetic acid và/hoặc Các nhóm carbonyl gắn vào mạch tinh bột hydrogen peroxide, chiếm không 0,1% sodium hypochlorite sodium Khơng cịn tác nhân phản ứng sót lại sản chlorite, phẩm sulfur dioxide dạng thay Hàm lượng sulfur dioxide lại sản phẩm sulfite phép sử dụng, potassium permaganate ammonium persulfate khơng q 50 mg/kg Hàm lượng manganese cịn lại sản phẩm không 50 mg/kg Trang Tinh bột oxi hóa 1404 Xử lý với sodium hypochlorite Các nhóm carboxyl gắn vào mạch tinh bột khơng (Oxidized starch) 1,1% Hàm lượng sulfur dioxide lại sản phẩm không 50 mg/kg Tinh bột xử lý 1405 Xử lý môi trường lỏng nhiệt Hàm lượng sulfur dioxide lại sản phẩm enzyme độ nhiệt độ hồ hóa, sử dụng khơng q 50 mg/kg (Enzyme- treated starch) nhiều enzyme thủy phân tinh bột dùng thực phẩm Monostarch phosphate 1410 Ester hóa với acid ortho-phosphoric, Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous không sodium potassium ortho- 0,5% tinh bột khoai tây lúa mì, phosphate, sodium không 0,4% cho tinh bột khác tripolyphosphate Distarch phosphate 1412 Ester hóa với sodium Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous khơng trimetaphosphate phosphorous q 0,5% tinh bột khoai tây lúa mì, oxychloride Phosphated distarch 1413 phosphate không 0,4% cho tinh bột khác Xử lý kết hợp phương pháp sản Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous khơng xuất monostarch phosphate distarch phosphate Acetylated phosphate distarch 1414 Ester hóa 0,5% tinh bột khoai tây lúa mì, không 0,4% cho tinh bột khác sodium Hàm lượng nhóm acetyl khơng q 2,5% trimetaphosphate phosphorous Hàm lượng phosphate tính theo phosphorous khơng Trang oxychloride, kết hợp với ester hóa 0,14% tinh bột khoai tây lúa mì, acetic anhydride vinyl không 0,04% cho tinh bột khác acetate Tinh bột acetate 1420 Ester hóa với acetic anhydride Các nhóm acetyl khơng q 2,5% vinyl acetate (Starch acetate) Acetylated Hàm lượng vinyl acetate không 0,1 mg/kg distarch 1422 adipate Tinh bột 1440 Ester hóa với acetic anhydride Các nhóm acetyl khơng q 2,5% nhóm adipic anhydride adipate khơng q 0,135% Ester hóa với propylene oxide Các nhóm hydroxypropyl khơng q 7,0%; hyproxypropyl propylene chlorohydrin không mg/kg (Hydroxypropyl starch) Hydroxypropyl 1442 distarch phosphate Ester hóa sodium Các nhóm hydroxypropyl không 7,0%; trimetaphosphate phosphorius propylene chlorohydrin không mg/kg; oxychloride kết hợp ether hóa phosphate tính theo phosphorous không 0,14% propylene oxide tinh bột khoai tây lúa mì, khơng q 0,04% cho tinh bột khác Tinh bột sodium 1450 octenylsuccinate (Starch sodium octenylsuccinate) Ester hóa anhydride octenylsuccinic Các nhóm octenylsuccinyl khơng q 3%; hàm lượng acid octenylsuccinic cịn sản phẩm không 0,3% Trang 1.2.1 Tinh bột biến tính 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 hồ hóa mà khơng cần nấu Sản phẩm gọi “pregelatinized starch”, “pregel”, “pre-cooked starch” hay “instant starch” Phương pháp áp dụng cho tinh bột tự nhiên tinh bột biến tính phương pháp khác Nguyên tắc phương pháp biến tính hồ hóa huyền phù tinh bột nhiệt nhanh chóng sấy khơ để trả lại trạng thái bột khô trước tinh bột bị thối hóa Trong thực tế, tinh bột nấu sấy khô lúc, cách dùng trống sấy, ép đùn (extrusion) sấy phun Trong kỹ thuật sấy trống ép đùn, hạt tinh bột chịu nhiều tác động học nhiệt độ, lực cắt học, áp suất nén cao, bị thay đổi cấu trúc nhiều Ngược lại, kỹ thuật sấy phun, huyền phù tinh bột hồ hóa sấy khơ đồng thời nhờ nóng, hạt tinh bột cịn ngun vẹn, bị phá hủy lực cắt nhiệt Sản phẩm gọi tinh bột CWS (cold-water swelling starch) Khi quan sát kính hiển vi điện tử thấy tinh bột hồ hóa trước kỹ thuật sấy phun ép đùn thường có cấu trúc dạng mảnh, hạt tinh bột bị phá vỡ, tương tự tinh bột nấu điểm hồ hóa (overcooked starch) Ngược lại, tinh bột CWS có cấu trúc hạt tinh bột trương nở nguyên vẹn, tương tự tinh bột nấu vừa đến điểm hồ hóa (cook-up starch) Hình 1.3 Hạt tinh bột hồ hóa trước thơng thường (A) tinh bột CWS (B) kính hiển vi điện tử [27] Trang 1.2.1.2 Tinh bột xử lý nhiệt (Heat treated starch) [13, 19, 28, 34] Trong điều kiện có kiểm sốt, hạt tinh bột xử lý nhiệt sau trả trạng thái hạt ban đầu Tinh bột sản phẩm trì tính chất hồ hóa mức (cook-up) mà hồ tinh bột cịn có độ nhớt độ bền cải thiện Có loại q trình xử lý nhiệt, hai gây biến tính vật lý khơng hồ hóa tinh bột, khơng phá hủy tính ngun vẹn hạt, khơng làm tính lưỡng chiết (birefringence) - Q trình xử lý nhiệt ẩm (heat-moisture treatment): tinh bột làm ẩm gia nhiệt đến nhiệt độ hồ hóa, độ ẩm khơng đủ để q trình hồ hóa xảy Tinh bột xử lý nhiệt ẩm dạng tinh bột biến tính vật lý lâu đời - Q trình “annealing”: trình gia nhiệt huyền phù tinh bột nhiệt độ nhiệt độ hồ hóa giữ thời gian xác định Các sản phẩm tinh bột xử lý nhiệt xem tinh bột tự nhiên (native) cần ghi nhãn “tinh bột thực phẩm” (“food starch”) 1.2.2 Tinh bột biến tính phương pháp hóa học Biến tính tinh bột phương pháp hóa học q trình biến tính thơng dụng Dưới tác động lượng nhỏ tác nhân hóa học cho phép sử dụng, tinh bột bị thay đổi tính chất Q trình biến tính hóa học thực trạng thái tinh bột: [45] - Trạng thái huyền phù (slurry), tinh bột phản ứng với tác nhân hóa học mơi trường nước Khi phản ứng kết thúc, tinh bột lọc, rửa sấy khô - Trạng thái sệt (paste), tinh bột hồ hóa (gelatinize) với tác nhân hóa học điều kiện có nước khuấy trộn liên tục Khi phản ứng kết thúc, tinh bột sấy khô Trang 23 hydroxyl phân tử tinh bột [13] Theo B Volkert et al., phản ứng tinh bột với POCl3 tạo thành đồng thời monostarch phosphate distarch phosphate, với nước làm chuyển dịch cân O Tinh boät (OH)3 + P RO O Δ Tinh boät (OH)3-x OR P RO OR R = -H / kim loaïi kiềm O + Tinh bột (OH)3-z O OR x O P OR z Tinh boät (OH)3-z RO + H2 O POCl3 có hoạt tính cao phản ứng cao, phản ứng với phân tử tinh bột tiếp xúc với Do đó, có xu hướng phản ứng bề mặt hạt tinh bột, bao gồm bề mặt cách rãnh vơ định hình hốc (hilum) Các tác nhân phản ứng khác STMP, EPI trước hết xâm nhập vào bên hạt tinh bột, sau xảy phản ứng chậm [29] Nhìn chung, tính chất hạt tinh bột, liên kết ngang làm thay đổi đặc điểm trình nấu hạn chế trương nở hạt Đối với tính chất hồ tinh bột, liên kết ngang làm giảm tính dính (cohesiveness), tăng độ bền với acid, tăng độ bền nhiệt tăng độ bền tác động học [15] Liên kết ngang làm cho hạt tinh bột thêm bền vững Đó liên kết hydro mạch tinh bột thay liên kết đồng hóa trị (covalent bond) mạnh hơn, bền vững Chỉ cần mức độ liên kết ngang nhỏ (thông thường liên kết ngang 100 – 3000 đơn vị glucose mạch tinh bột) làm giảm mạnh tốc độ mức độ trương nở hạt, làm giảm mẫn cảm hồ tinh bột điều kiện khắc nghiệt trình chế biến Khi số lượng liên kết ngang gia tăng, tinh bột bền với q trình hồ hóa Hồ tinh bột liên kết ngang thường có độ nhớt cao hơn, bền hơn, cấu trúc đặc (short-texture) so với tinh bột tự nhiên Trang 24 Hình 1.8 Ảnh hưởng liên kết ngang đến hồ hóa tinh bột [22] Các liên kết ngang gây tác động rõ rệt đến đường biểu diễn độ nhớt tinh bột Khác với tinh bột tự nhiên thường bị thối hóa giảm độ nhớt nhanh chóng sau đạt 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 Hình 1.8 khơng đạt độ nhớt cực đại hồ hóa, độ nhớt hồ tinh bột lại tăng lên liên tục nấu làm nguội [22] Việc biến tính tinh bột cách liên kết ngang với tác nhân hóa học tạo cho tinh bột khả kháng lại tiêu hóa 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) 18 – 87% tinh bột RS4 (Woo et al., 1999) [33] Tinh bột RS (resistant starch) bị tiêu hóa enzyme động vật xếp vào thành phần chất xơ dựa định nghĩa gần chất xơ phần AACC (2000) NAS (2002) Thực phẩm chứa RS giúp điều hịa tốc độ tiêu hóa, khả tiêu hóa chậm RS giúp làm chậm tăng đường máu sau ăn RS đề nghị sử dụng thành phần probiotic để thúc đẩy phát triển vi sinh vật có lợi Bifidobacterium (Brown et al., 1996) [33, 43] Do hàm lượng tác nhân liên kết ngang sử dụng biến tính tinh bột thực phẩm thấp, việc xác định mức độ liên kết ngang phương pháp hóa học khó khăn Thay vào đó, phương pháp vật lý có liên quan đến thay đổi khả trương nở hạt tinh bột thường sử dụng để đánh giá mức độ tạo liên ... nhóm thay (Substitution) Tinh bột ester hóa Tạo liên kết ngang (Cross bonding) Tinh Tinh bột bột ether ether hóa hóa Di - ester Di - ether Tinh bột anion Tinh bột non-ion Tinh bột cation Carboxymethyl... glucose) tinh bột thương mại quan trọng Khi độ DS tăng, tương tác mạch polymer hạt tinh bột giảm, q trình trương nở hồ hóa tinh bột xảy nhiệt độ thấp a Tinh bột ester hóa - Tinh bột acetate: loại tinh. .. acetate - CH3 + O O acetic anhydride Tinh boät C CH3 C ONa O Tinh boät acetate NaOH Tinh boät C CH3 + CH3 O Tinh boät acetate CH O Tinh bột octenylsuccinate (tinh bột ưa béo – lipophilic starch):