- Các hằng số vật lý của tinh bột
Tỷ trọng: phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, nằm trong khoảng 1,6 – 1,64 kg/dm3 Hệ số giãn nở vì nhiệt của các tinh bột rất nhỏ. Ở 15 – 17oC hệ số giãn nở khoảng 0,0003169. Ở 23 – 25oC hệ số giãn nở là 0,0003975.
Khả năng hút ẩm của tinh bột khá hơn do hạt tinh bột có cấu tạo xốp, khi ẩm tương đối của không khí 75% thì khả năng hút ẩm của tinh bột đến 10,33%. Khi
% 100
thì khả năng hút ẩm đến 20,92%.
Nhiệt dung của tinh bột thường tính theo công thức:
t
C 0,26310,00075 kcal/kgoC (t: nhiệt độ oC)
- Tính hòa tan và hút ẩm
Ở nhiệt độ thường tinh bột không hòa tan trong nước, tinh bột cũng không hòa tan trong ete, rượu, sunfua cacbon…Tinh bột hòa tan trong môi trường kiềm tốt hơn môi trường trung tính hoặc acid. Riêng thành phần amylose tinh bột dễ hòa tan trong nước ấm.
Tuy không hòa tan nhưng trong nước trinh 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.
- Tính trương nở và hồ hóa của tinh bột
Khả năng trương nở của hạt tinh bột ở trong nước khi tăng nhiệt độ và tạo ra dung dịch keo là một trong những tính chất quan trọng của tinh bột.
Ở trạng thái tự nhiên tinh bột không bị hoà tan trong nước lạnh vì lẽ năng lượng tương tác phân tử trong điều kiện đó vượt xa năng lượng hydrat hoá:
Khi hấp thụ nước 25 – 50% hạt tinh bột vẫn chưa bị trương. Khi nhiệt độ tăng thì các liên kết hydro duy trì cấu trúc mixen và các các phân tử nước bị phá huỷ.
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 15 Người ta thấy rằng tinh bột ngô ở 50oC hút nước đến 300%, ở 70oC là gần 1000% so với trọng lượng ban đầu. Khi trương nở cực đại hạt tinh bột hút đến 2500% nước và khi đó chất khô bị giảm đi 4%.
Trong quá trình trương hạt tinh bột mất khả năng lưỡng chiết. Thể tích của chúng tăng lên nhiều lần cho đến khi hạt tinh bột hoặc bị rách (hình 2.10) và trở thành cái túi không định hình hoặc ngưng tăng thể tích nghĩa là bắt đầu hồ hoá.
(a) (b)
Hình 2.10: Sơ đồ hồ hóa tinh bột
a: Hạt tinh bột chưa trương nở và b: Hạt tinh bột trương nở
(Nguồn: http://en.wikibooks.org/wiki/Brewing/Mashing)
Sự trương nở hạt tinh bột không chỉ xảy ra khi đun nóng huyền phù tinh bột mà còn xảy ra khi cho kiềm và muối của một số kim loại tác dụng lên tinh bột ở nhiệt độ bình thường.
Khi hoà tinh bột vào nước, đầu tiên các phân tử nước sẽ thâm nhập vào giữa các các phân tử tinh bột có kích thước lớn, tương tác với các nhóm hoạt động của tinh bột, tạo ra lớp vỏ nước, và làm cho mắt xích nào đó của tinh bột yếu đi. Kết quả phân tử tinh bột bị xê dịch, dần trương nở, quá trình trương nở xảy ra giới hạn, sẽ làm vỡ các phân tử tinh bột và hệ chuyển thành dạng dung dịch. Quá trình trương nở luôn đến trước quá trình hồ hoá.
Nhìn chung quá trình hồ hóa của tất cả các loại tinh bột đều diễn ra giống nhau: ban đầu độ nhớt của hồ tinh bột tăng lên sau đó qua mức cực đại rồi giảm xuống.
Nhiệt độ hồ hóa là nhiệt độ mà tại đó sự chuyển tinh bột từ trạng thái này sang trạng thái khác được hoàn thành. Nhiệt độ hồ hoá phụ thuộc vào nhiều nhân tố, trong đó quan trọng hơn cả là tính chất lý hoá của chất khuếch tán và mội trường khuếch tán. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột có nguồn gốc khác nhau thì khác nhau. Do đó nhiệt độ hồ hoá không phải là một nhiệt độ mà là một khoảng nhiệt độ, nhiệt độ hồ hoá của
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 16 tinh bột khoai tây trong khoảng 58 - 65 oC, tinh bột ngô 62 - 70 oC và tinh bột gạo khoảng 68 - 78oC (David J. Thomas, William A. Atwell, 1997).
Nồng độ huyền phù tinh bột, tốc độ đun nóng huyền phù, độ ẩm ban đầu của tinh bột đều có ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hoá. Khi tăng nồng độ tinh bột thì nhiệt độ hồ hoá cũng tăng lên một ít. Nhiệt độ hồ hoá phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước hạt tinh bột. Tinh bột có kích thước hạt bé có nhiệt độ hồ hóa cao hơn nhiệt độ hồ hóa của tinh bột chứa hạt lớn. Hạt tinh bột loại nếp và loại tẻ nếu có kích thước như nhau thì có tinh bột hồ hoá bằng nhau.
Nhiệt độ hồ hoá là hàm số của độ phân cực các ion . Các ion được liên kết với tinh bột sẽ ảnh hưởng đến độ bền của các liên kết hydro giữa các nguyên tố cấu trúc bên trong của hạt. Khi giữa các phân tử của các chuỗi nằm cạnh nhau có chứa những ion mang điện tích cùng dấu thì sẽ đẩy nhau do đó làm lung lay cấu trúc bên trong của hạt tinh bột, kết quả là thay đổi nhiệt độ hồ hoá của tinh bột. Khi thay đổi một ion này bằng một ion khác cũng làm cho nhiệt độ hồ hoá thay đổi.
Các nhân tố hoá học khác cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hoá. Ví dụ khi xử lý tinh bột bằng các chất acid hoá sẽ làm nhiệt độ hồ hoá tăng. Nhiệt độ hồ hoá phản ánh độ bền của hạt tinh bột đối với tinh bột thóc nếp cũng như thóc tẻ, giữa nhiệt độ hồ hoá và mức độ phá huỷ bởi acid clohydric có hệ số tương quan nhau. Giữa nhiệt độ hồ hoá và tác dụng của α – amilaza vi khuẩn cũng có độ tương quan như thế (r = -0,72; n = 18).
Nhiệt độ hồ hoá củng ảnh hưởng qua thời gian nấu. Chẳng hạn với gạo thì nhiệt độ hồ hoá cao, dài hơn thời gian nấu của gạo. Nhiệt độ hồ hoá cũng phản ánh độ xốp
tương đối của nội nhũ (Nguyễn Thị Bích Thủy và cộng sự, 2007).
- Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel
Tinh bột sau khi được hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3 chiều (hình 2.11). Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải và phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở trạng thái yên tĩnh. Trong gel chỉ có các liên kết hydro tham gia, có thể nối trực tiếp các mạch polyglycozide hoặc gián tiếp qua phân tử nước.
Khi gel tinh bột được để nguội trong một thời gian dài sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ thoát ra, gọi là sự thoái hóa. Sự thoái hoá của tinh bột chủ yếu do thành phần amylose của tinh bột gây nên, đó là kết quả của sự tạo thành liện kết hydro giữa các phân tử amylose vừa có nhóm hydroxit vừa có nhóm tiếp nhận hydro. Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó cho tan giá.
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 17
(a) (b) (c)
Hình 2.11: Sơ đồ quá trình tạo gel của tinh bột: a) Tinh bột trong nước ; b) Nâng nhiệt đến độ tạo gel ; c) Hình thành gel
(Nguồn: http://en.wikibooks.org/wiki/Brewing/Mashing)
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thoái hóa: - Giảm nhiệt độ.
- Giảm hoặc tăng pH (đạt cực đại khi pH = 7, và sẽ giảm khi tăng hoặc giảm pH).
+ pH > 10: sự thoái hóa không xảy ra + pH < 2: tốc độ thoái hóa vô cùng bé
Sunphat magie làm tăng tốc độ thoái hóa, nhưng ở nồng độ 13% thì tinh bột khoai tây hoàn toàn bị kết tủa trong 5 phút.
- Tính chất hấp phụ của tinh bột
Sự hấp phụ và phản hấp phụ hơi nước các chất ở thể khí và thể hơi trong quá trình bảo quản, sấy, chế biến thủy nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng.
Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp khó tương tác với các chất hòa tan thì bề mặt bên trong cũng như bên ngoài đều tham dự.
Các nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất điện ly hữu cơ có ion lớn như xanh- metylen bởi tinh bột, người ta thấy rằng tinh bột hấp phụ xanh – metylen rất tốt. Tuy nhiên đường đẳng nhiệt hấp phụ của tinh bột các loại thường không giống nhau. Đặc trưng của đường đẳng nhiệt hấp phụ của tinh bột phụ thuộc vào sự khác nhau về cấu tạo bên trong của hạt và khả năng trương của chúng.
Người ta nhận thấy rằng các ion chứa trong tinh bột khi xử lý tinh bột bằng các chất điện ly khác nhau có thể thay thế bằng những ion khác nhau. Như vậy, tinh bột là vật liệu trao đổi ion. Để nhận được tinh bột có chứa các cation nhất định người ta
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 18 phải xử lý sơ bộ tinh bột bằng acid để thay thế các cation liên kết với ion tinh bột bằng ion hydro, sau đó lại xứ lý bằng dung dịch muối tương ứng thì sẽ thay thế ion hydro bằng ion mong muốn.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ muối của các tinh bột ngưới ta thấy rằng khả năng hấp phụ của tinh bột khoai tây lớn hơn của lúa mì và ngô. Điều đó được giải thích bằng độ xốp của tinh bột khoai tây tạo điều kiện cho các ion thâm nhập vào trong hạt dễ dàng hơn và cân bằng hấp thụ đạt được nhanh chóng hơn.
Nhiệt độ tăng thì khả năng hấp phụ của tinh bột khoai tây bị giảm xuống, còn ở tinh bột lúa mì thì khả năng hấp phụ lại tăng lên đến một nhiệt độ nhất định.
Khả năng hấp phụ của tinh bột phụ thuộc vào các cation được liên kết với tinh bột. Các cation có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ xanh – metylen của tinh bột được phân bố theo dãy sau đây:
Na+ > Mg+2 > Ba+2 > Ca+2
- Khả năng tạo màng của tinh bột
Tinh bột có khả năng tạo màng tốt. Cho tinh bột phân tán trong nước đến một nồng độ nhất định (không quá đặc hay quá loãng) hồ hóa sơ bộ để tạo một độ nhớt nhất định. Trong dịch hồ hóa để tạo màng các phân tử amylose và amylopectin sẽ dàn phẳng ra sắp xếp lại và tương tác với nhau bằng liên kết hydro và gián tiếp qua phân tử nước. Giai đoạn hình thành màng xảy ra 3 giai đoạn:
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 dày đặc.
Giai đoạn 2: Nước nằm giữa các hạt bốc hơi, các hạt tiếp xúc nhiều hơn và bị biến dạng.
Giai đoạn 3: Khi tiếp xúc nhau các hạt bắt đầu thể hiện lực cố kết. Khi khô thể tích màng bị giảm dẫn đến sự co ngót về chiều dày.
- Khả năng tạo sợi
Sợi tinh bột là sự chập lại của rất nhiều phân tử amylose và amylopectin, độ dai và độ bền vững của toàn sợi là do lực tương tác của các phân tử cũng như lực tương tác nội phân tử quyết định. Số lượng nhiều thì liên kết chặt chẽ hơn.
Độ bền, dai và độ chặt chẽ có liên quan đến độ dài của phân tử tinh bột, thường phân tử dài thì các sợi bền dai. Do đó các sợi được tạo từ tinh bột giàu amylose (tinh bột đậu xanh) thường bền hơn tinh bột (gạo, ngô…).
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 19
- Khả năng đồng tạo gel với protein
Tinh bột có khả năng tương tác với protein làm cho sản phẩm có những tính chất cơ lý nhất định: như độ đàn hồi, độ cứng, khả năng giữ nước của protein tăng lên (giò, xúc xích,…). Trong trường hợp này cả protein và tinh bột đều sắp xếp lại phân tử để tạo gel và tương tác với nhau (tinh bột đồng tạo gel với protein).
- Khả năng phồng nở của tinh bột
Khi tương tác với chất béo dưới điều kiện nhiệt độ thì khối bột sẽ tăng thể tích lên rất lớn và trở nên rỗng xốp. Nhiệt độ làm tinh bột hồ hóa không khí có trong khối bột không thấm qua lớp màng tinh bột đã tẩm béo sẽ góp phần làm tinh bột giãn nở và phồng nở.
Đặc biệt các tinh bột giàu amylopectin như tinh bột nếp có cấu trúc chặt và khả năng không thấm khí lớn hơn do đó khả năng phồng nở lớn hơn.
- Tính chất cơ cấu trúc của tinh bột
Tính chất cơ cấu trúc nhất định như: độ bền, độ dẽo, độ đàn hồi,…các tính chất này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.
Tinh bột bị lão hóa làm tăng độ bền mạng cấu trúc của hệ thống tức là tăng tính chất cứng và giảm tính chất co giãn của hệ thống.
Khi bảo quản nồng độ chất khô càng lớn thì quá trình tạo cấu trúc trong gel sẽ xảy ra càng nhanh. Khi thêm một lương nhỏ các cation Ca2+, Mg2+, Na+ thì độ bền của hồ tinh bột giảm xuống.