NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT TINH BỘT BIẾN TÍNH BẰNG ÁP SUẤT CAO

1.1. Hình dạng, đặc điểm, kích thước hạt tinh bột 1, 2, 4, 7, 8, 11 Tinh bột là polysaccharide chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Tinh bột cũng có nhiều ở các loại củ như khoai tây, sắn, củ mài. Một lượng đáng kể tinh bột cũng có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau. Tinh bột có nhiều trong các loại lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột. Hình dạng 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 hai thành phần chính là amylose và amylopectin. Hai chất này khác nhau về nhiều tính chất lý học và hóa học. Tinh bột là loại polysaccharide khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị glucose được nối nhau bởi các liên kết αglucoside, có công thức phân tử là (C6H10O5)n, ở đây n có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu. 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, độ 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... Dựa vào ảnh tán xạ thu được khi phân tích cấu trúc bằng tia X có thể chia tinh bột thực phẩm thành 3 hệ thống: Kiểu A đặc trưng cho hệ thống tinh bột của củ. Kiểu B đặc trưng cho hệ thống tinh bột của hạt. Kiểu C đặc trưng cho hệ thống tinh bột trung gian giữa A và B. 4 Đặc điểm của một số loại hạt tinh bột được cho trong bảng sau: Bảng 1.1. Đặc điểm của một số hệ thống tinh bột 7 Hạt tinh bột của tất cả hệ thống nêu trên có dạng hình tròn, hình bầu dục, hay hình đa giác. Hạt tinh bột khoai tây lớn nhất và bé nhất là hạt tinh bột thóc. Kích thước các hạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lý khác nhau như nhiệt độ hồ hoá, khả năng hấp thụ xanh methylen ... Có thể dùng phương pháp lắng để phân chia một hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích thước đồng đều để nghiên cứu. 1.2. Thành phần hóa học của hạt tinh bột 1, 2, 4, 7, 8, 11 Tinh bột không phải một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccharide khác nhau: amylose và amylopectin. Tỉ lệ amyloseamylopectin xấp xỉ ¼. Trong tinh bột loại nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) gần như 100% là amylopectin. Trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amylose chiếm trên dưới 50%. 1.2.1. Thành phần hóa học của amylose Hầu hết các loại tinh bột đều chứa hai loại polyme khác nhau về khối lượng phân tử và cấu trúc hóa học: amylose và amylopectin. Trong đó: Amylose là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 5002000 đơn vị glucose, liên kết nhau bởi liên kết α−1,4 glucoside. 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 thủy phân hoàn toàn bởi βamylase. Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối với β−amylose nên chỉ bị phân hủy 60%. Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của amylose 8 Trong hạt tinh bột, 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 12,97 A0, chiều cao của vòng xoắn là 7,91A0. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm CH. 1.2.2. Thành phần hóa học của amylopectin Amylopectin là polymer mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α1,4 glucoside còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α1,6 glucoside. Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuổi mạch nhánh này khoảng 2530 đơn vị glucose. Phân tử amylopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose. Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của amylopectin 8 Sự khác biệt giữa amylose và amylopectin không phải luôn luôn rõ nét. Bởi lẽ ở các phân tử amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh, do đó cũng có những tính chất giống như amylopectin.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ TINH BỘT

1.1 Hình dạng, đặc điểm, kích thước hạt tinh bột [1, 2, 4, 7, 8, 11]

Tinh bột là polysaccharide chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây Tinh bộtcũng có nhiều ở các loại củ như khoai tây, sắn, củ mài Một lượng đáng kể tinh bộtcũng có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau Tinh bột có nhiều trong cácloại lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồn nguyên liệu chủ yếu đểsản xuất tinh bột Hình dạng và thành phần hóa học của tinh bột phụ thuộc vào giốngcây, điều kiện trồng trọt Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bao gồmhai thành phần chính là amylose và amylopectin Hai chất này khác nhau về nhiềutính chất lý học và hóa học

Tinh bột là loại polysaccharide khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị glucoseđược nối nhau bởi các liên kết α-glucoside, có công thức phân tử là (C6H10O5)n, ởđây n có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong côngnghiệp thực phẩm do những tính chất hóa lý của chúng Tinh bột thường dùng làmchất tạo độ nhớt, độ sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keohoặc nhũ tương như các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng, độ đàn hồi chonhiều loại thực phẩm Ngoài ra tinh bột còn nhiều ứng dụng trong dược phẩm,công nghiệp dệt, hóa dầu

Dựa vào ảnh tán xạ thu được khi phân tích cấu trúc bằng tia X có thể chia tinh bột thực phẩm thành 3 hệ thống:

- Kiểu A đặc trưng cho hệ thống tinh bột của củ

- Kiểu B đặc trưng cho hệ thống tinh bột của hạt

- Kiểu C đặc trưng cho hệ thống tinh bột trung gian giữa A và B [4]

Đặc điểm của một số loại hạt tinh bột được cho trong bảng sau:

Bảng 1.1 Đặc điểm của một số hệ thống tinh bột [7]

Hạt tinh bột của tất cả hệ thống nêu trên có dạng hình tròn, hình bầu dục, hayhình đa giác Hạt tinh bột khoai tây lớn nhất và bé nhất là hạt tinh bột thóc

Kích thước các hạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lý khác nhau như nhiệt độ hồ hoá, khả năng hấp thụ xanh methylen Có thể dùng phương pháp lắng đểphân chia một hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích thước đồng đều để nghiên cứu

1.2 Thành phần hóa học của hạt tinh bột [1, 2, 4, 7, 8, 11]

Tinh bột không phải một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccharide khácnhau: amylose và amylopectin Tỉ lệ amylose/amylopectin xấp xỉ ¼ Trong tinh bộtloại nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) gần như 100% là amylopectin Trong tinh bột đậuxanh, dong riềng hàm lượng amylose chiếm trên dưới 50%

1.2.1 Thành phần hóa học của amylose

Hầu hết các loại tinh bột đều chứa hai loại polyme khác nhau về khốilượng phân tử và cấu trúc hóa học: amylose và amylopectin Trong đó:

Amylose là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose, liên kếtnhau bởi liên kết α−1,4 glucoside

Amylose “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà làhàng 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 thủy phân hoàn toàn bởi β-amylase

- Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối vớiβ−amylose nên chỉ bị phân hủy 60%.

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của amylose [8]

Trong hạt tinh bột, 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 12,97 A0, chiều cao của vòng xoắn là 7,91A0 Cácnhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong làcác nhóm C-H

1.2.2 Thành phần hóa học của amylopectin

Amylopectin là polymer mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α-1,4glucoside còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glucoside

Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuổimạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucose Phân tử amylopectin có thể chứa tới

100000 đơn vị glucose

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của amylopectin [8]

Sự khác biệt giữa amylose và amylopectin không phải luôn luôn rõ nét Bởi lẽ ởcác phân tử amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh, do đó cũng có nhữngtính chất giống như amylopectin

1.3 Một số tính chất quan trọng của hạt tinh bột [7]

 Tính chất nhớt – dẻo của hồ tinh bột

Phân tử tinh bột chứa nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được vớinhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều phân tử nước hơn khiến chodung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn Tính chất này càng thểhiện mạnh mẽ hơn ở những tinh bột loại nếp

 Khả năng tạo gel và thoái hóa của tinh bột

Khi để nguội hồ tinh bột thì các phân tử sẽ tương tác với nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột có cấu trúc mạng 3 chiều Để tạo đượcgel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải được hồ hóa đểchuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở trạng thái yêntĩnh Trong gel tinh bột chỉ có duy nhất các liên kết hydro tham gia

Khi gel tinh bột để một thời gian dài thì chúng sẽ co lại và một lượng dịchthể sẽ tách ra Quá trình thoái hóa gồm 3 giai đoạn:

- Đầu tiên các mạch được uốn thẳng lại

- Vỏ hydrat bị mất và các mạch được định hướng lại

- Các cầu hydro được tạo thành giữa các nhóm -OH của các phân tử tinh bộtkhác nhau

Do các phân tử amylose có mạch thẳng nên định hướng với nhau dễ dàng và

tự do hơn các phân tử amylopectin, vì thế hiện tượng thoái hóa gần như chỉ có liênquan với các phân tử amylose

 Khả năng tạo màng

Tinh bột có khả năng tạo màng là do amylose và amylopectin dàn phẳng ra,sắp xếp lại và tương tác trực tiếp với nhau bằng liên kết hydro hoặc gián tiếp quaphân tử nước

 Khả năng tạo sợi

Phương pháp tạo sợi như sau:

- Cho dịch tinh bột qua một bản có đục lỗ với đường kính lỗ thích hợp (lớnhơn 1mm) Khi đùn qua các lỗ này, chúng sẽ tự định hướng theo chiều của dòngchảy Các phân tử tinh bột có xu hướng kéo căng ra và tự sắp xếp song song vớinhau theo phương của trọng lực

- Các sợi đã hình thành vừa ra khỏi khuôn kéo còn ướt được nhúng ngay vàomột bể đựng nước nóng để định hình nhờ tác dụng của nhiệt Các phân tử đã đượcđịnh hướng trong từng sợi sẽ tương tác với nhau và với nước bằng cầu hydro đểhình thành sợi miến.

- Các sợi đã hình thành được kéo ra khỏi bể rồi được nhúng tiếp vào bể đựngnước lạnh để các phân tử liên hợp lại với nhau được chặt hơn và tạo nhiều cầuhydro giữa các phân tử hơn Sự kết tinh từng phần sẽ làm tăng độ bền cơ học và sựgắn bó các sợi với nhau

- Các sợi tiếp đó được gia nhiệt để khử nước cũng như để làm tăng lực cố kết

và độ cứng

Các sợi được tạo ra từ những tinh bột giàu amylose (đậu xanh, dong, riềng,

…) thường dai hơn, bền hơn sợi làm từ tinh bột giàu amylopectin (ngô, nếp…) bởi

vì các phân tử amylose dài nên tương tác giữa các phân tử dọc theo chiều dài lớn,sợi dai và chắc, còn các phân tử amylopectin có nhiều mạch nhánh ngắn, lực tươngtác giữa các phân tử yếu hơn nên dễ đứt

 Khả năng phồng nở của tinh bột

Khi tương tác với chất béo dưới tác dụng của nhiệt độ thì tinh bột sẽ tăng thểtích rất lớn và trở nên rỗng xốp Đó là do chất béo không phân cực nên xuyên thấmqua các vật liệu tinh bột, cellulose Khi nhiệt độ tăng thì các tương tác kỵ nước cũngmạnh nên chúng có khuynh hướng tụ lại với nhau và xuyên qua các “cửa ải” tinhbột Đồng thời, nhiệt làm tinh bột hồ hóa và chín, nhưng không khí cũng như cáckhí có trong khối bột không thấm qua lớp màng tinh bột đã tẩm béo nên sẽ giãn nở

và làm tinh bột phồng nở

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ TINH BỘT BIẾN TÍNH

VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ

2.1 Giới thiệu về tinh bột biến tính

Tinh bột tự nhiên với các tính chất đặc trưng đã và đang được khai thác đểphục vụ cho nhu cầu sản xuất Tuy nhiên, khi ngành công nghiệpthực phẩm mởrộng với chủng loại sản phẩm đa dạng thì tinh bột tự nhiên cho thấy nó có những hạnchế, hoặc có những tính chất mặc dù thích hợp cho sản phẩm này nhưng lại bất lợicho sản phẩm khác Trong thực tế sản xuất, ứng với mỗi một sản phẩm thực phẩmthường đòi hỏi 1 dạng tinh bột hoặc một dẫn xuất tinh bột nhất định Có sản phẩmyêu cầu tinh bột giàu amylose lại có sản phẩm yêu cầu tinh bột thuần nhấtamylopectin Có sản phẩm cần dạng tinh bột có độ hòa tan tốt, có dạng cần tinh bộtbền không bị thoái hóa ở nhiệt độ thấp Có loại cần độ dẻo, độ trong, có loại khôngmong muốn những tính chất đó Vì vậy, quá trình biến tính tinh bột được sử dụng đểtạo 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 cácliên 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 cóthay đổi trên bề mặt bên ngoài của hạt tinh bột, do đó, nguồn gốc thực vật của tinhbột vẫn có thể xác định được bằng kính hiển vi [20]

Mục đích của biến tính tinh bột nhằm:

- Cải biến các tính chất của sản phẩm

- Tăng giá trị cảm quan

- Tạo mặt hàng mới

Hiện nay, sự phát triển của ngành công nghệ sinh học còn cho phép quá trìnhbiến tính tinh bột được thực hiện trên cây trồng lúc đang phát triển, tạo ra các loạithực vật có các hàm lượng amylose và hàm lượng amylopectin khác nhau Loại tinhbột biến tính này trong tương lai có thể được sử dụng rộng rãi do vừa có bản chất tựnhiên không phải qua các quá trình xử lý vật lý hoặc hóa học, vừa có những tính chất

ưu việt của tinh bột biến tính

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

- Phương pháp biến tính vật lý

- Phương pháp biến tính hóa học

- Phương pháp biến tính hóa sinh

- Biến tính bằng cách kết hợp các phương pháp trên

2.2 Tinh bột biến tính bằng phương pháp vật lý

2.2.1 Tinh bột hồ hóa sơ bộ (Pregelatinized starch) [11, 17, 20, 27, 28,

35]

Kiểu biến tính hồ hóa trước tạo cho tinh bột khả năng hồ hóa mà không cầnnấu 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 vàtinh bột đã biến tính bằng các phương pháp khác

Nguyên tắc của phương pháp biến tính này là hồ hóa huyền phù tinh bột bằngnhiệt rồi nhanh chóng sấy khô để trả lại trạng thái bột khô trước khi tinh bột bị thoáihóa Trong thực tế, tinh bột được nấu và sấy khô cùng lúc, bằng cách dùng trốngsấy, ép đùn (extrusion) hoặc sấy phun Trong kỹ thuật sấy bằng trống và ép đùn, hạttinh bột chịu nhiều tác động cơ học như nhiệt độ, lực cắt cơ học, áp suất nén cao, và bịthay 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 nguyênvẹn, rất ít bị phá hủy bởi lực cắt và nhiệt Sản phẩm này gọi là tinh bột CWS(cold-water swelling starch)

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 hợpkhi cần độ đặc, giữ nước mà không cần nấu

2.2.2 Tinh bột xử lý nhiệt (Heat treated starch) [11, 17, 28, 35]

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 tínhlưỡng 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”)

2.2.3 Tinh bột xử lý vi sóng [9, 19, 49, 50, 51]

Phương pháp biến tinh tinh bột bằng vi sóng được xem là một trong nhữngphương pháp “mới nhất” và “sạch nhất” hiện nay Phương pháp này đang đượcnghiên cứu và hoàn thiện để ứng dụng rộng rãi trong thực tế nhằm thay thế cácphương pháp biến tính hóa học

Nguyên tắc chung: tác dụng các tia có bước sóng khá ngắn mang năng lượngcao trong một khoảng thời gian xác định lên khối tinh bột (tinh bột có thể ở dạngkhô hay dạng huyền phù)

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là ta có thể linh hoạt thay đổi các tia

có bước sóng khác nhau và thời gian thích hợp nhất nhằm thu được tinh bột cónhững tính chất như ý muốn: độ nhớt thích hợp, độ bền gel tăng, giảm khả năngthoái hóa, giảm nhiệt độ hồ hóa,…

2.2.4 Tinh bột xử lý áp suất cao (High pressure treated starch) [12, 13,

Tinh bột có thể được xử lý ở dạng hạt khô hay dưới dạng huyền phù

Bằng cách thay đổi cường độ áp suất, nhiệt độ xử lý và thời gian thích hợpthì tinh bột sau xử lý sẽ có những tính chất như mong muốn: tinh bột hồ hóa ở nhiệt

độ thường và trong nước lạnh, độ bền gel tăng, khả năng thoái hóa giảm, cải thiện

độ trong, cấu trúc,…

Trong bài báo cáo này, chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn ảnh hưởng của ápsuất cao lên sự thay đổi các tính chất của hạt tinh bột.

2.3 Tinh bột biến tính bằng phương pháp hóa học

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

- 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

2.3.1 Tinh bột biến tính bằng cách cắt mạch (Degradation, conversion)

[11, 17, 20, 28, 35]

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

2.3.1.1 Tinh bột thủy phân bằng acid

Thủy phân acid là phương pháp được ứng dụng trong thương mại đầu tiên, từnhững năm 1900 Acid được cho vào huyền phù tinh bột trong một quá trình đượckiểm soát chặt chẽ, khuấy trộn liên tục trong điều kiện nhiệt độ tăng dần từ nhiệt độmôi 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 ứngthường dùng là acid hypochloride hoặc acid sulfuric

Đây là quá trình thủy phân các liên kết α-1,4 và α-1,6-glucoside 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 tinh bột là làm giảm độ nhớt khi nóngcủa 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 phẩmđược gọi là tinh bột “thin-boiling” hay “acid-thinned”.

2.3.1.2 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 calciumhypochlorite, potassium permanganate (KMnO4), và sodium chlorite Mục đích củaquá trình này là tẩy màu nhằm làm tăng độ trắng của tinh bột, bằng cách oxi hóa cáchợp chất như carotene, xanthophyll và các sắc tố khác Mặc dù mức độ xử lý thấpnhưng một số nhóm hydroxyl của tinh bột cũng bị oxi hóa tạo thành các nhómcarboxyl với tỷ lệ các nhóm carboxyl tạo thành không quá 0,1% trên tổng chất khôcủa 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 trìnhnày bao gồm 2 tác động xảy ra đồng thời: gắn các nhóm carboxyl (COOH) vàcarbonyl (C = O) lên mạch và depolymer hóa một phần các mạch tinh bột Sự oxihóa 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)

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

2.3.1.3 Dextrin

Dextrin là sản phẩm tạo thành bằng cách gia nhiệt khô tinh bột khi có mặt acidhoặc 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: cắtmạch và tái trùng hợp

- 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 Sảnphẩm 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 hiệnbằng 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 trùnghợp có thể xảy ra đồng thời Quá trình dextrin hóa có thể tạo ra nhiều liên kếtglucoside mới ngoài các liên kết α-1,4 và α-1,6 có sẵn

 Có 3 loại dextrin chính:

- 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 ứngthủy phân cắt mạch tinh bột

- 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 sảnphẩm thủy phân và các sản phẩm tái trùng hợp

- 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

2.3.2 Tinh bột biến tính bằng cách làm bền hóa hoặc gắn thêm nhóm thế (Stabilization, substitution) [11, 17, 20, 28, 35]

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 thoáihóa) Để hạn chế hiện tượng này, các nhóm hydroxyl trong phân tử tinh bột sẽ đượclàm bền bằng cách liên kết với những nhóm chức hóa học cồng kềnh Chúng sắpxếp dọc theo mạch polymer tinh bột, chiếm chỗ trong không gian phân tử và cản trởcác mạch polymer tái kết hợp với nhau Tinh bột biến tính bằng cách này thích hợpdùng trong các sản phẩm thực phẩm cần làm lạnh hoặc lạnh đông

Hiệu quả của quá trình bền hóa tinh bột phụ thuộc vào số lượng và bản chấtcủa nhóm thế Mức độ thế DS là đại lượng đo số nhóm thế trên 100 đơn vịanhydroglucose Các tinh bột có DS thấp (DS < 0,2 tương ứng 2 nhóm thế trên 10đơn vị glucose) là những tinh bột thương mại quan trọng Khi độ DS tăng, tương tácgiữa 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.

2.4 Tinh bột biến tính bằng phương pháp hóa sinh [17, 20, 27, 35]

Thủy phân tinh bột bằng các enzyme chọn lọc là một quá trình biến tính tinhbột bằng phương pháp hóa sinh Tùy thuộc vào mức độ thủy phân mà tạo thành mộthỗn 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 độngọt càng cao và chỉ số DE - số đương lượng đường khử (dextrose equivalent) càngcao, với chỉ số DE 100 tương ứng với dextrose tinh khiết và DE 0 tương ứng với tinhbột tự nhiên

2.4.1 Tinh bột xử lý bằng enzyme amylase

- α-amylase: là một endoenzyme, có khả năng phân cắt các liên kết

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

- 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 ratừng đơn vị maltose bằng cách thủy phân các liên kết α-1,4 Phản ứng dừng lại khiđến điểm phân nhánh α-1,6 hoặc trước khi đến điểm phân nhánh nếu không còn đủ sốlượng đơn vị glucose để phản ứng Sản phẩm là đường maltose và các β-dextringiới 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-1,6glycoside, và quá trình thủy phân liên kết α-1,4 xảy ra nhanh hơn Nếu thời gianphản ứng đủ lâu, cuối cùng toàn bộ phân tử tinh bột sẽ được thủy phân hoàn toànthành glucose, bất kể mức độ phân nhánh của các phân tử tinh bột

2.4.2 Tinh bột xử lý bằng các enzyme cắt mạch nhánh (Debranching enzyme)

- 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 vòngchứa các đơn vị glucose liên kết nhau bởi các liên kết α-1,4 Enzyme này cắt các liênkết 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 sảnxuất các cyclodextrin chứa 6 (α-cyclodextrin), 7 (β-cyclodextrin) hoặc 8 (γ-yclodextrin) gốc glucose

2.5 Tinh bột biến tính bằng cách kết hợp nhiều phương pháp

Do sự phát triển ngày càng lớn mạnh của ngành công nghệ thực phẩm và yêucầu ngày càng cao của các sản phẩm thực phẩm, tinh bột biến tính tạo ra phải đáp ứngtất cả các yêu cầu và mục đích công nghệ Chính vì lẽ đó, việc kết hợp nhiều phươngpháp xử lý tinh bột là hết sức cần thiết

Nguyên tắc chung là lần lượt kết hợp các phương pháp vật lý, hóa học hay hóasinh xử lý tinh bột để đạt được mục đích công nghệ như mong muốn

Ví dụ như khi ta cần một sản phẩm tinh bột có thể hồ hóa ở nhiệt độ thườngđồng thời có độ nhớt thấp và giảm mức độ thoái hóa xuống thấp nhất thi sẽ kết hợp xử

lý nhiệt, áp suất cao và dùng các hợp chất thích hợp để tạo liên kết ngang

Loại tinh bột này ngày càng phổ biến và được ứng dụng rộng rãi hơn do nhữngtính chất ưu việt của chúng

2.6 Ứng dụng của tinh bột biến tính [11, 17, 20, 27, 28, 35]

 Tinh bột hồ hóa trước được dùng trong chế biến các thực phẩm ăn liềnnhư bánh pudding ăn liền, trong sản xuất bánh kẹo, soup, cream, các món trángmiệng ăn liền và trong các ngành công nghiệp khác như khoan giếng dầu nhằm giữcho dung dịch khoan một lượng nước cần thiết

 Tinh bột thủy phân acid đặc biệt hữu dụng trong công nghệ sản xuấtkẹo cần quá trình tạo gel Các loại kẹo chứa tinh bột acid hóa thường mềm, cấutrúcdạng jelly, mềm dẻo nhưng bền Tinh bột acid hóa cũng được dùng trong công nghiệpdệt để hồ sợi, làm cho sợi có độ bền và chịu được mài mòn Trong sản xuất giấy, nóđược dùng để làm bóng giấy, giảm trầy xước và tăng chất lượng in của giấy

 Dextrin có độ nhớt tương đối thấp, khả năng tạo màng tốt, một số loại có

độ hòa tan trong nước cao, nên được dùng làm lớp phủ ngoài (coating) của các sản

phẩm thực phẩm và có thể thay thế nhiều loại gum đắt tiền Một số dextrin đặc biệt có

độ nhớt cao được dùng làm chất thay thế cho chất béo (fat replacer) trong các sảnphẩm bánh và sữa

 Tinh bột tẩy màu thường dùng trong sản xuất thuốc Tinh bột oxi hóađược sử dụng để hồ bề mặt trong sản xuất giấy, hồ sợi trong công nghiệp dệt Trongthực phẩm, tinh bột oxi hóa thường được dùng trong bột nhào và bánh mì để bao bọccác nguyên liệu khác như thịt, cá, rau Nó tạo cho bột nhào có độ kết dính tốt và tạo cấutrúc giòn cho sản phẩm khi chiên

Hình 2.1 Ứng dụng của tinh bột biến tính trong thực tế.

 Tinh bột acetate được sử dụng để hồ vải, sản xuất chỉ dai và mềm dẻo.Trong thực phẩm, tinh bột acetate thường dùng làm chất làm đặc và chất ổn định chonhiều sản phẩm, bao gồm cả các sản phẩm cần bảo quản lạnh và lạnh đông Tinhbột acetate thương mại thường không bền khi đông lạnh và rã đông như tinhbột hydroxypropylate

 Tinh bột octenylsuccinate được sử dụng làm chất ổn định trong các sảnphẩm thực phẩm như các loại đồ uống và các loại nước xốt (salad dressing), làm tácnhân giữ mùi Tinh bột octenylsuccinate có ái lực với các chất béo và dầu nên đượcdùng để thay thế cho gum arabic trong các hệ chất ổn định nhũ tương Đây là ứngdụng quan trọng của tinh bột octenylsuccinate và là đặc điểm ưu việt của nó so vớicác tinh bột biến tính khác

 Hồ tinh bột phosphate có độ trong tốt, bền ở nhiệt độ thấp và có tínhnhũ hóa Tinh bột này thường được dùng để làm nước xốt do có khả năng cải thiện độbền của hệ nhũ tương dầu và giấm Tinh bột hydroxypropylate được dùng trong các

sản phẩm cần nhiệt độ thấp hoặc các sản phẩm lạnh đông.

 Tinh bột biến tính bằng cách tạo liên kết ngang được sử dụng nhiềutrong công nghiệp thực phẩm trong các sản phẩm mà quy trình sản xuất đòi hỏi nhiệt

độ, pH và sự khuấy trộn Trong y học, tinh bột liên kết ngang với mức độ cao đượcdùng để pha chế bột sát trùng trong phẫu thuật vì không bị trương lên khi thanh trùngbằng hơi nóng Tinh bột liên kết ngang còn là thành phần của dung dịch sét đểkhoang dầu mỏ, thành phần của sơn, gốm, làm chất kết dính cho các viên than, làmchất mang các chất điện ly trong pin khô

 Tinh bột biến tính bằng phương pháp xử lý vi sóng hay áp suất cao lànhững sản phẩm mới còn đang được nghiên cứu và hoàn thiện từng bước nên việcứng dụng trong thực tế hầu như chưa có Nhưng với những tính chất ưu việt đãđược nêu ra mà đặc biệt là chúng được xem là “sạch”, sau biến tính thi không khác

gì so với tinh bột thường nên việc ứng dụng rộng rãi loại tinh bột này trong tươnglai gần sẽ không còn gì trở ngại

 Tinh bột biến tính bằng cách kết hợp nhiều phương pháp với nhaungày càng thể hiện được những tính năng công nghệ đặc thù nên việc ứng dụngtrong thực tế dễ dàng và phổ biến hơn Với những ngành yêu cầu độ tinh sạch vàtính năng công nghệ cao như thực phẩm, y dược… tinh bột này là sự lựa chọn thíchhợp nhất

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT TINH BỘT

BIẾN TÍNH BẰNG ÁP SUẤT CAO

3.1 Sơ lược [21, 37, 53]

Việc áp dụng áp suất nói chung hay áp suất cao nói riêng vào chế biến và bảoquản thực phẩm không phải là một công nghệ mới trên thế giới Từ những năm cuốicủa thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã phát hiện ra áp suất có thể làm biến đổi tínhchất của một số loại thực phẩm

Có thể nói một trong những người đặt nền tảng cho việc ứng dụng này là nhàkhoa học Hite Vào năm 1899, ông đã thử nghiệm sử dụng áp suất để xử lý các mẫusữa tươi nhằm nâng cao thời gian bảo quản chúng Và kết quả thật bất ngờ, khi sửdụng áp suất với giá trị 680 MPa, trong thời gian 10 phút đã làm giảm đáng kể một

số lượng lớn vi khuẩn Đến năm 1914, Bridgman lại phát hiện ra nếu áp đặt một giátrị áp suất đủ lớn có thể gây ra hiện tượng đông tụ albumin trong trứng tươi Sau đóvào năm 1989, một nhóm các nhà khoa học gồm Hoover, Metrict, Papineau, Farkas

và Knorr nhận thấy áp suất có thể điều khiển được tốc độ của các phản ứng hóasinh Nhưng cho đến cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI các nhà khoa học mới tiếnhành nghiên cứu sử dụng áp suất cao làm tác nhân biến tính tinh bột để thay thếphương pháp truyền thống là dùng nhiệt Việc xử lý áp suất trên tinh bột đã thuđược những kết quả rất đa dạng Áp suất cao làm thay đổi hình dạng, cấu trúc, tỷ lệamylose/amylopectin…của tinh bột nên từ đó dẫn đến thay đổi các tính năng côngnghệ của tinh bột

Vì những kết quả thu được trên tinh bột sau khi xử lý vừa đa dạng lại biếnđổi liên tục, một số cơ chế của sự thay đổi trên tinh bột vẫn chưa được hiểu rõ nên

có rất nhiều nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu sự thay đổi tính chất của hạttinh bột sau khi xử lý áp suất cao

Bảng 3.1: Một số tác giả và đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cao lên tính chất của các loại tinh bột trong thập kỷ qua [55]

Loại tinh bột Chế độ áp suất Hàm lượng

tinh bột (%)

Van Assche,Heremans và Gerlsma

1981

Lúa mì, khoai

tây, đậu Hà Lan

Lúa mì, khoai

tây

200~1500MPa Khoai tây 12,7

và 55.5Lúa mì 13.3, 57.7 và 75.4

Muhr và Blanshard

1996

Lúa mạch 400~550MPa 10 và 25 Stolt et al., 2001

Valverde vàKornal

2007 (1)

Fukami, và YamamotoGạo, bắp, củ

sắn và khoai

tây

400 và 600MPa 10 Oh, Pinder,

Hemar, Anema, và Wong

2007

Ramaswamy, Ayad, Alli, và Alvarez

2007

Ở đây, chúng ta sẽ xem xét một cách tổng quát những thay đổi của tinh bột khi xử lý

áp suất cao ở các chế độ khác nhau như thay đổi: cường độ áp suất, nhiệt độ xử lý,thời gian tiến hành xử lý, các loại tinh bột, tỷ lệ tinh bột trong nước…

3.2 Cơ sở khoa học [21, 23, 55]

Thông thường việc biến tính tinh bột được thực hiện dưới tác dụng của áp suấtthủy tĩnh Mỗi chế độ xử lý đều mang lại sự biến đổi không giống cho các loại tinh bộtkhác nhau Với cường độ áp suất đủ lớn, tinh bột bắt đầu có những biểu hiện thay đổicác tính chất ban đầu như:

- Hình dạng

- Cấu trúc

- Bẽ gẫy một số liên kết hóa học bên trong phân tử

- Thay đổi tỷ lệ amylose/amylopectin

- Có sự chuyển đổi dạng tinh bột từ A sang B và ngược lại…

Từ đó, hạt tinh bột có khả năng thay đổi hẳn những tính năng công nghệ như:

- Sự thoái hóa cấu trúc…

Việc xử lý tinh bột bằng áp suất cao có thể tiến hành trên tinh bột khô hayhuyền phù tinh bột nhưng thông thường là ở dạng huyền phù vì tính chất tinh bột sẽ

thay đổi rõ nét hơn.

 Có 3 mức độ xử lý áp suất cao như sau:

- Mức độ A: mức độ xử lý tinh bột ở nhiệt độ cao Nhiệt độ thường dùng là

40-76oC, áp suất dưới 300 MPa Ở chế độ này tính chất tinh bột biến đổi càng nhiều khi

cả áp suất và nhiệt độ tăng

- Mức độ B: mức độ xử lý tinh bột ở áp suất tương đối cao trên 300 MPa vànhiệt độ trong khoảng 0- 40oC Ở đây tính chất tinh bột bị thay đổi hầu như không phụthuộc vào nhiệt độ mà chỉ phụ thuộc vào giá trị của áp suất

- Mức độ C: mức độ xử lý tinh bột ở nhiệt độ thấp dưới 0oC Ở chế độ này khi

xử lý tinh bột với áp suất càng cao thì nhiệt độ hồ hóa và gel hóa cũng tăng theo

Những biến đổi của tinh bột ở các chế độ xử lý khác nhau sẽ không giốngnhau, thậm chí ngay trong cùng một chế độ xử lý thì khi thay đổi 1 thông số côngnghệ nào đó, tinh bột cũng bị thay đổi theo 1 hướng khác

Trong bài báo cáo này, chúng ta tìm hiểu kết quả xử lý áp suất cao trên huyềnphù tinh bột ở các chế độ khác nhau nhằm thấy rõ hơn những thay đổi của tinh bột

3.3 Thiết bị xử lý [12, 21, 23, 32, 36, 37, 53, 55]

Vì việc biến tính tinh bột thường dựa trên áp lực thủy tĩnh nên các thiết bị xử lýcũng hoạt động trên nguyên tắc này Sau đây sẽ giới thiệu cấu tạo và nguyên tắc hoạtđộng thiết bị xử lý tinh bột Multivessel Apparatus Unipress 111 của hãng Warsaw, BaLan

Hình 3.1 Thiết bị Multivessel Apparatus Unipress 111 của hãng Warsaw,

Ba Lan [36]

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị Multivessel Apparatus Unipress 111 của công ty Warsaw, Ba Lan [36]

Pressure medium: bồn chứa nước để tạo áp suất

Pressure intensifier: bộ phận tạo áp suất cao gồm piston và sylanh

Hydraulic oil pump: bộ phận bơm dầu

Hydraulic oil: bồn chứa dầu

Valve: các van đóng mở

High pressure vessel: các bình chứa cuvet tinh bột cần xử lý

Bath: bồn đặt các bình vessel có bộ phận điều chỉnh nhiệt độ

 Nguyên tắc hoạt động:

Tinh bột sau khi chuẩn bị với hàm lượng thích hợp, được khuấy trộn với nướctạo thành dạng huyền phù, sẽ chuyển vào các cuvet nhỏ có nắp đậy kín rồi đưa vàobình chứa vessel, tất cả sau đó được đưa vào bồn chứa có bộ phận điều nhiệt để chỉnhnhiệt độ lên giá trị cần thiết Bồn chứa đã nạp đầy nước là tác nhân sẽ tạo áp suất cao.Tiếp đến, các van dẫn dầu mở ra đồng thời bơm dầu bắt đầu hoạt động Dầu sẽ đượcbơm vào bộ phân tạo áp suất cao Khi mức dầu đạt giá trị cài đặt, bơm dầu sẽ tự độngngưng, các van dẫn dầu đóng lại Sau đó piston sẽ nén khối nước đến giá trị áp suất càiđặt xử lý tinh bột trong 1 khoảng thời gian nhất định Khi quá trình xử lý kết thúc, cácvan sẽ mở để thải nước và dầu ra chuẩn bị cho một chu kỳ hoạt động mới

Ngoài thiết bị tạo áp suất cao Multivessel Apparatus Unipress 111 của công ty

Warsaw, Ba Lan thì còn rất nhiều thiết bị của các công ty khác cũng được dùng nhưngchúng chỉ khác nhau đôi chỗ về mặt cấu tạo còn nguyên tắc hoạt động thì tương tựnhư trên Trong đó, chúng ta có thể kể đến các thiết bị sau:

- Thiết bị ZHPIU-10000-AT, công ty Resato International, nước Hà Lan

Hình 3.3 Thiết bị ZHPIU-10000-AT, công ty Resato International, nước

Hà Lan [37]

- Thiết bị HPS-1400, công ty Teramecs Co Ltd., nước Nhật Bản

Hình 3.4 Thiết bị HPS-1400, công ty Teramecs Co Ltd., nước Nhật Bản [32]

- Thiết bị HPIU-10000-AT, công ty Resato International, nước Hà Lan

- Thiết bị Mini Foodlab, công ty Stansted Fluid Power Ltd., Stansted, Essex,UK)

- Thiết bị LV30/16, sản xuất bởi The Centre of High Pressure Analysis, Polish Academy of Sciences, Warsaw, nước Ba Lan

- Thiết bị Food-Lab, model SFL-850-9-W, công ty Stansted Fluid Power Ltd., Stansted, Essex, UK…

3.4 Quy trình xử lý tinh bột ở áp suất cao

Hình 3.5 Quy trình xử lý tinh bột ở áp suất cao

 Thuyết minh sơ bộ quy trình xử lý

Tinh bột ở dạng khô sẽ được định lượng và khuấy trộn với nước thành huyềnphù tinh bột Huyền phù tinh bột sau đó được đưa vào thiết bị tạo áp suất cao đãchuẩn bị sẵn, việc xử lý tinh bột tiến hành ở 1 chế độ áp suất đã định trong 1 khoảngthời gian và nhiệt độ nhất định Mỗi chế độ xử lý sẽ mang lại một dạng biến tính

Tinh bột khô

Huyền phù hóa

Xử lý áp suất cao Nước

khác nhau cho tinh bột Sau quá trình xử lý áp suất cao, huyền phù tinh bột đượcmang ra sấy khô đến độ ẩm yêu cầu, rồi qua thiết bị nghiền, rây và đóng gói thànhphẩm.

3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi tính chất của tinh bột trong quá trình xử lý áp suất cao [12, 13, 21, 24, 23, 32, 36, 37, 53, 55]

Như đã trình bày ở trên, sự biến đổi tính chất tinh bột ở áp suất cao phụthuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Mỗi một sự thay đổi của bất kỳ yếu tố nào cũngảnh hưởng đến kết quả thu được Ở đây, ta tiến hành xem xét các yếu tố ảnh hưởngsau: cường độ áp suất, nhiệt độ xử lý, thời gian xử lý, các nguồn tinh bột khácnhau…

3.5.1 Ảnh hưởng của giá trị áp suất

3.5.1.1 Ảnh hưởng của giá trị áp suất đến hình dạng của hạt tinh bột

[12, 35, 53]

Tinh bột trong tự nhiên tồn tại dưới dạng các hạt có kích thước biến đổi từ0.02 đến 0.12 mm Tinh bột của các loại hạt khác nhau có hình dạng khác nhau,thường có dạng hình tròn, hình bầu dục hay hình đa giác Hạt tinh bột khoai tây cókích thước lớn hơn cả, còn hạt tinh bột thóc có kích thước nhỏ hơn Kích thước cáchạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lý khác nhau như nhiệt độ hồ hóa, khảnăng hấp thụ xanh methylen, khả năng tạo gel hay thoái hóa…Vì vậy một trongnhững vấn đề cần quan tâm đầu tiên đó là hình dạng của hạt tinh bột sau khi xử lý

(a) (b)

(c) (d)

Hình 3.6 Ảnh chụp dưới kính hiển vi điện tử của các loại hạt tinh bột khác nhau [12]

(a) Tinh bột bắp thường (normal maize starch)

(b) Tinh bột bắp giàu amylopectin (waxy maize starch)

(c) Tinh bột bắp thường (normal maize starch) sau khi xử lý ở áp suất cao

(d) Tinh bột bắp giàu amylopectin (waxy maize starch) sau khi xử lý ở ápsuất cao

Ta nhận thấy tinh bột bắp thường và bắp giàu amylopectin là loại tinh bộtkhá phức tạp, bao gồm nhiều loại hạt nhỏ có kích thước và hình dạng khác nhaunhư tròn, hình đa giác nhiều góc cạnh…nhưng vẫn quan sát được các hạt rời rạcnhau khi chưa qua chế độ xử lý nào (hình 3.6 (a) và(b)) Sau khi chịu tác dụng của

áp suất cao thì hình dạng hạt tinh bột của cả 2 loại bắp đều thay đổi khác hẳn (hình3.6 (c) và (d)) Tinh bột bắp thường không còn dạng tròn như ban đầu mà trở nên

góc cạnh hơn, hình dạng bị móp méo đi nhiều trong khi tinh bột bắp giàuamylopectin mất hẳn hình dạng ban đầu, gần như tan hoàn toàn trong nước.

(a) (b)

Hình 3.7 Hạt tinh bột khoai tây tự nhiên (a) và sau khi xử lý ở áp suất

600 MPa trong thời gian 3 phút, ở nhiệt độ 20 o C (b) dưới kính hiển vi điện tử

[53]

Tinh bột khoai tây tự nhiên tương đối lớn và có dạng tròn hơn tinh bột bắp.Hình dạng và kích thước khá đều và cũng bị thay đổi khá nhiều sau khi xử lý ở ápsuất 600 MPa trong thời gian 3 phút: hạt tinh bột trương phồng hơn, to hơn và một

số hạt có dấu hiệu nứt vỡ thành các mảnh nhỏ, mất dần trạng thái ban đầu (hình3.7)

Những kết quả thu được từ thực tế trên cho thấy áp suất cao đã làm thay đổihình dạng và kích thước ban đầu của các hạt tinh bột Chẳng những vậy, việc tăng

áp suất lên 1 giá trị cao hơn trong cùng một nhiệt độ và thời gian xử lý đối với mỗiloại tinh bột đều làm tăng mức độ thay đổi hình dạng ban đầu của chúng Một số kếtquả và số liệu ghi nhận sau giúp ta nhìn nhận rõ hơn ảnh hưởng của việc tăng ápsuất đến hình dạng các hạt tinh bột

- Hạt tinh bột bắp trong nước (khoảng 12% khối lượng) sau khi xử lý ở ápsuất 60 MPa (hình 3.8 B) chưa có những biểu hiện rõ ràng nào về sự thay đổi trạngthái tự nhiên so với hạt ban đầu (hình 3.8 A) Hầu hết các hạt vẫn giữ nguyên cấutrúc và hình dạng Tuy nhiên một số hạt có biểu hiện tập trung, liên kết lại thành cáchạt to hơn Điều đó cho thấy áp suất cao đã bắt đầu làm biến đổi hạt tinh bột bắp.Khi tăng giá trị áp suất lên 100 MPa thì sự thay đổi của tinh bột bắp càng rõ hơn(hình 3.8 C) Các hạt tập trung lại to dần lên, bắt đầu vỡ nứt cấu trúc ban đầu, biểuhiện của sự hồ hóa và tạo gel Spigno và De Faveri cho rằng sự tăng áp suất dẫn đến

việc tăng nhiệt độ của huyền phù tinh bột, và do đó các hạt tinh bột hút nước,trương nở, to dần lên, liên kết với các hạt xung quanh hay các loại hạt tinh bột khác.

Hình 3.8 Hạt tinh bột bắp (maize starch) dưới kính hiển vi điện tử ở các điều kiện xử lý khác nhau: [12]

A: Hạt tinh bột bắp tự nhiên (không qua xử lý áp suất)

B: Hạt tinh bột bắp sau khi xử lý ở áp suất 60 MPa

C: Hạt tinh bột bắp sau khi xử lý ở áp suất 100 MPa

D: Hạt tinh bột bắp sau khi xử lý ở áp suất 140 MPa

Và sau khi áp suất tăng lên đến 140 MPa thì những hạt tinh bột bắp nhỏ liênkết lại nhiều hơn, khả năng hút nước tăng cao, trở nên to hơn nữa, mất hoàn toànhình dạng ban đầu (hình 3.8 D) Điều đó cho chúng ta thấy giá trị áp suất càng tăngthì tinh bột bắp càng biến đổi mạnh mẽ, các hạt bị móp méo nhiều hơn và tính chấtcủa tinh bột cũng thay đổi hẳn như: khả năng hút nước, trương nở, khả năng tạogel…

Cùng với việc thay đổi hình dạng ban đầu, kích thước của các hạt tinh bộttăng lên nhanh chóng khi tăng áp suất (hình 3.9)

Hình 3.9 Đường kính hạt tinh bột bắp (maize starch) sau quá trình xử

lý áp suất cao (diameter – đường kính hạt) [12]

d(0.1), d(0.5), d(0.9): hàm lượng tinh bột xem xét tương ứng với 10, 50 và90% của mẫu

Hình 3.10 là ảnh chụp dưới kính hiển vi điện tử của một loại tinh bột bắpvàng (dent corn starch) sau quá trình xử lý ở các chế độ áp suất khác nhau trongthời gian 15 phút, nhiệt độ xử lý 25oC (b-d) so với tinh bột bắp tự nhiên cùng loại(a) cũng cho kết quả tương tự như trên Áp suất càng tăng càng làm biến đổi hìnhdạng tinh bột nhiều hơn

Hình 3.10 Tinh bột bắp vàng (dent corn starch) dưới kính hiển vi điện

tử Tinh bột tự nhiên (a) và dưới các chế độ xử lý áp suất khác nhau: (b) 300 MPa,

(c) 450 MPa, (d) 600 MPa trong thời gian 15 phút ở nhiệt độ 25oC [35]

Nhận xét: từ các kết quả thực nghiệm thu được chúng ta nhận thấy các quátrình xử lý tinh bột ở áp suất cao đều có ảnh hưởng đến hình dạng hạt tinh bột banđầu nhưng ở các mức độ khác nhau Mỗi chế độ xử lý áp suất khác nhau làm thayđổi hình dạng hạt không giống nhau Khi chế độ áp suất càng tăng, sự thay đổi hìnhdạng càng diễn ra nhanh chóng, tinh bột có thể mất dần hay mất hẳn hình dạng banđầu của chúng Từ việc thay đổi này nhiều tính chất của tinh bột cũng biến đổi theo:tinh bột có thể hồ hóa, tạo gel ở nhiệt độ và áp suất thường, thay đổi độ nhớt cũngnhư độ trong…

2.5.1.2 Ảnh hưởng của áp suất cao lên cấu trúc hạt tinh bột [12, 21, 36]

Sau khi xử lý ở áp suất cao, cùng với việc thay đổi hình dạng ban đầu như các kếtquả trình bày trên thì tinh bột có thể thay đổi cả cấu trúc siêu hiển vi của chúng

Như đã trình bày, mỗi loại tinh bột trong tự nhiên đều có một kiểu hạt nhấtđịnh (A, B hay C) Các yếu tố của môi trường bên ngoài thay đổi có ảnh hưởng đếncấu trúc siêu hiển vi của hạt tinh bột Chẳng hạn, nhiệt độ trong thời gian mọc mầm13.5oC thì sẽ tạo ra tinh bột kiểu B, 22oC tạo ra tinh bột kiểu C, 30oC tạo ra tinh bộtkiểu A Một trong những yếu tố ngoại cảnh cũng có thể làm biến đổi cấu trúc tinhbột đó là tác nhân áp suất cao Ở đây chúng ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của áp suấtđến sự thay đổi đó

Một số kết quả thu được dưới đây cho thấy tinh bột tự nhiên chưa qua bất kìquá trình xử lý biến tính nào đều có khả năng lưỡng chiết (birefringence) ánh sángphân cực tuy không giống nhau Hình 3.11 là ảnh chụp dưới ánh sáng phân cực ghi

nhận lại sự thay đổi khả năng lưỡng chiết của các hạt tinh bột Hình 3.11 A1: tinhbột gạo tự nhiên

Hình 3.11 Kết quả phân tích khả năng lưỡng chiết ánh sáng phân cực của các loại tinh bột [23]

A1 -Tinh bột gạo tự nhiên (rice starch).

A2 -Tinh bột gạo sau khi xử lý ở áp suất 400 MPa

A3 -Tinh bột gạo sau xử lý ở 500 MPa

B1 -Tinh bột gạo giàu amylopectin tự nhiên (waxy rice starch)

B2 -Tinh bột gạo giàu amylopectin sau khi xử lý ở áp suất 350 MPa

B3 -Tinh bột gạo giàu amylopectin sau khi xử lý ở áp suất 500 MPa

Quá trình xử lý áp suất tiến hành ở 40oC trong thời gian 30 phút

và hình 3.11 B1: tinh bột gạo giàu amylopectin (waxy rice starch), cả 2 đều có khảnăng lưỡng chiết ánh sáng Nhưng sau khi xử lý áp suất cao 350-400 MPa, khả nănglưỡng chiết của chúng mất dần (hình 3.11 A2 và B2) Cuối cùng khi áp suất tăng lên

500 MPa thì cả tinh thể gạo thường (hình 3.11 C1) và gạo giàu amylopectin (hình3.11 C2) không còn khả năng lưỡng chiết nữa

Ratnayake giải thích cho hiện tượng trên như sau: khi tinh bột chịu tác dụngcủa áp suất cao cùng với việc thay đổi hình dạng thì các hạt tinh bột cũng thay đổi

cả kiểu cấu trúc siêu hiển vi Do dó tinh bột có khả năng hút nước nhiều hơn,trương phồng lên, mất dần cấu trúc ban đầu dẫn đến khả năng lưỡng chiết ánh sángcũng bị ảnh hưởng

Kết quả thu được tương tự đối với tinh bột bắp vàng (dent corn starch) sauquá trình xử lý áp suất từ 300 đến 600 MPa trong thời gian 15 phút ở 25oC (hình3.12) Khi giá trị áp suất càng tăng, khả năng lưỡng chiết ánh sáng phân cực củatinh bột càng giảm (hình 3.12 b và c) Nếu giá trị áp suất đủ lớn tinh bột có thể mấthoàn toàn khả năng ấy (hình 3.12 d)

Hình 3.12 Tinh bột bắp (dent corn starch) chụp dưới nguồn sáng phân cực.

Tinh bột tự nhiên (a) và tinh bột dưới các chế độ xử lý áp suất khác nhau: (b) 300MPa, (c) 450 MPa, (d) 600 MPa trong thời gian 15 phút ở nhiệt độ 25oC [35]

Khả năng lưỡng chiết ánh sáng của hạt tinh bột trong nước ngoài việc chochúng ta thấy sự biến đổi cấu trúc siêu hiển vi của hạt, nó còn là một trong những

“dụng cụ” sử dụng để đo độ hòa tan cũng như mức độ gel hóa của tinh bột Tinh bộtthường do không tan trong nước, vì vậy mặc dù khi ở dạng huyền phù, tinh bột cóhút nước nhưng vẫn giữ được cấu trúc ban đầu, hạt tinh bột có khả năng lưỡng chiếtánh sáng Khi áp suất tăng dần, khả năng lưỡng chiết mất đi, điều đó đồng nghĩa vớiviệc tinh bột đã thay đổi hình dạng, cấu trúc và hòa tan được trong nước, tiến tới hồhóa và tạo gel Khả năng lưỡng chiết mất càng nhanh chứng tỏ hạt tinh bột hút càngnhiều nước, trương nở càng to và tiến đến trạng thái hồ hóa

Để thấy rõ hơn sự thay đổi cấu trúc siêu hiển vi của hạt, tinh bột sau khi xử

lý áp suất cao sẽ được phân tích bằng tia X (hình 3.13)