Tinh bột sau khi hồ hoá và để nguội các phân tử sẽ tương tác và sắp xếp lại với nhau một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3 chiều, để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ vừa phải, phải được hồ hoá để chuyển tinh bột thành trạng thái hoà tan và sau đó được làm nguội ở trạng thái yên tĩnh. Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hydro tham gia, có thể nối trực tiếp các mạch polyglucozit hoặc gián tiếp thông qua phân tử nước.
Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài thì chúng sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ tách ra, gọi là sự thoái hoá. Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó cho hoà tan ra. Tốc độ thoái hoá sẽ càng tăng khi giảm nhiệt độ và sẽ đạt cực đại khi pH = 7. Tốc độ thoái hoá sẽ giảm khi tăng hoặc giảm pH. Sự thoái hoá thường kèm theo tách nước và đặc lại của các sản phẩm dạng nửa lỏng cũng như gây cứng lại các sản phẩm bánh mì.
1.2.6.6 Phản ứng với i ốt
Khi tương tác với i ốt, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng. Vì vậy i ốt có thể coi là thuốc thử đặc trưng để xác định hàm lượng amylose trong tinh bột bằng phương pháp trắc quang. Để phản ứng được với i ốt, các phân tử amylose phải có dạng xoắn ốc để hình thành đường xoắn ốc đơn của amylose bao quanh phân tử i ốt. Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với i ốt vì không tạo thành một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh. Acid và một số muối KI, Na2SO4 làm tăng cường độ phản ứng.
Amylose với hình thể xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng i ốt, tương ứng với một vòng xoắn ốc một phân tử i ốt. Trong phân tử I2 - Amylose, các phân tử i ốt chui vào trong vùng ưa béo của xoắn ốc. Với amylopectin khi xảy ra tương tác với i ốt, amylopectin cho màu tím đỏ. Về bản chất phản ứng màu với i ốt của amylopectin xảy ra do sự hình thành nên hợp chất hấp phụ.
SVTH: Lê Thị Mộng Tuyền 12
1.2.6.7 Khả năng tạo phức
Ngoài khả năng tạo phức với i ốt, amylose còn có khả năng tạo phức với nhiều hợp chất hữu cơ có cực cũng như không có cực như: các rượu no (izoamylic, butylic, izoprotylic), các rượu vòng, các phenol, các ceton thấp phân tử, các acid béo dãy thấp cũng như các acid béo dãy cao, các este mạch thẳng và mạch vòng, các dẫn xuất benzen có nhóm andehit, các nitro parafin… Khi tạo phức với các amylose, các chất tạo phức cũng chiếm vị trí bên trong dọc theo xoắn ốc tương tự i ốt.
Ngoài ra, amylopectin còn cho phản ứng đặc trưng với lectin. Về bản chất đây là một phản ứng giữa một protein với một polysacarit có mạch nhánh. Khi lectin liên kết với α-D- glucopiranozic nằm ở đầu cuối không khử của amylopectin thì sẽ làm cho amylopectin kết tủa và tách ra khỏi dung dịch.
1.2.6.8 Tính chất lưu biến
Trong dung dịch các phân tử amylose có khuynh hướng liên kết lại với nhau để tạo ra các tinh thể. Khi sự liên kết xảy ra với tốc độ thấp thì amylose sẽ tạo ra khối không tan của các hạt đã bị thoái hoá. Khi tốc độ đạt giá trị cao thì dung dịch chuyển thành thể keo.
Amylose đã thoái hoá không hoà tan trong nước lạnh nhưng có khả năng liên kết với một lượng nước lớn gần 4 lần trọng lượng của chúng. Nếu để amylose một lượng nước ít hơn 4 lần thì toàn bộ nước sẽ bị hấp thụ còn amylose sẽ tạo ra keo.
Keo amylose ở nhiệt độ thường là một khối trắng đục, không thuận nghịch, không có hiện tượng co. Nghiên cứu keo amylose dưới kính hiển vi điện tử, người ta thấy chúng có cấu tạo hạt rõ rệt, chứng tỏ tính không tan của kiểu tinh thể.
1.2.6.9 Khả năng tạo hình của tinh bột
Cũng như các hợp chất cao phân tử khác, tinh bột có khả năng tạo màng rất tốt. Để tạo màng, phân tử tinh bột sẽ dàn phẳng ra, sắp xếp lại và tương tác trực tiếp với nhau bằng liên kết hydro và gián tiếp qua phân tử nước. Để thu được màng gel có tính đàn hồi cao người ta thêm vào các chất hoá dẻo (thường hay dùng glycerol) để chúng làm tăng khoảng cách giữa các phân tử, làm giảm lực Van der Walls, do đó làm yếu đi lực cố kết nội và làm tăng động năng của các phân tử.
Liên kết của rất nhiều phân tử amylose và amylopectin nhờ lực Van der Walls và liên kết hydro nên tạo được độ dai hay ứng suất kéo nhất định. Chính nhờ khả năng này mà người ta tạo được các sợi tinh bột (sợi miến, bún…).
SVTH: Lê Thị Mộng Tuyền 13
Do phân tử amylose dài nên lực tương tác giữa các phân tử lớn và chúng liên kết với nhau rất chặt, nhờ vậy mà sợi tạo thành chắc và dai. Đối với các tinh bột giàu amylopectin, các mạch nhánh thường rất ngắn nên lực tương tác giữa các phân tử rất yếu do đó ứng suất kéo kém.
1.2.6.10 Khả năng phồng nở của tinh bột
Khi tương tác với các chất béo và có sự tán trợ của nhiệt độ thì khối tinh bột sẽ tăng thể tích lên rất lớn và trở nên rỗng xốp. Ta biết rằng, chất béo là chất không có cực, có khả năng xuyên thấm qua các vật liệu gluxit như tinh bột, xenlulose. Khi tăng nhiệt độ thì các tương tác kỵ nước giữa các phân tử chất béo phát triển rất mạnh nên chúng có khuynh hướng tụ lại với nhau, do đó có khả năng xuyên qua các ‘cửa ải’ tinh bột. Đồng thời nhiệt làm cho tinh bột bị hồ hoá và chín, nhưng không khí cũng như các khí có trong khối bột không thấm qua màng tinh bột đã tẩm béo, do đó sẽ làm tinh bột giãn và phồng nở. Các tinh bột giàu amylopectin (tinh bột gạo nếp) dễ hoà tan trong nước ở 95oC hơn tinh bột giàu amylose nên có độ nhớt lớn hơn, khả năng không thấm khí lớn do đó khả năng phồng nở lớn hơn. Với các tinh bột oxy hoá thì khả năng này càng mạnh vì các phân tử tích điện cùng dấu sẽ đẩy nhau, nhất là khi sản phẩm chứa tinh bột có kết cấu chặt. Vì vậy, có thể ứng dụng tính chất này để sản xuất bánh phồng tôm.
1.2.7 Sinh tổng hợp tinh bột [1]
Rất nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện trong nhiều năm qua để giải thích vấn đề sinh tổng hợp cũng như xác lập mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất vật lý của tinh bột. Tuy vậy tinh bột thực sự vẫn được coi là một phân tử khó hiểu. Dù tinh bột chỉ được cấu trúc từ phân tử đường glucose, nhưng quá trình tiến hóa đã tạo ra chúng một sự đa dạng đáng kinh ngạc. Tinh bột thu được từ mỗi loại tinh bột đều có đặc trưng riêng. Hơn thế nữa, tinh bột nhận được từ các cơ quan khác nhau cùng một loài thực vật cũng khác nhau nên dễ dàng phân biệt được. Sự đa dạng trong cấu trúc tinh bột còn được sử dụng như một đặc điểm phân loại để phân biệt hoặc định loài trong giới thực vật. Bản chất sinh hóa của tinh bột hoàn toàn giống nhau. Sự khác biệt ở tỷ lệ các loại enzym trong mỗi loài thực vật dẫn đến sự khác nhau như trên.
1.2.8 Tính phân hủy sinh học của tinh bột [1]
Sự phân hủy sinh học là quá trình mà vi khuẩn, nấm men, enzym tiêu hóa các chất như nguồn thức ăn, qua đó hình dạng ban đầu của chất đó biến mất. Dưới những điều kiện thích hợp như độ ẩm, nhiệt độ, oxy, quá trình phân hủy sinh học diễn ra tương tối nhanh không độc mà không ảnh hưởng môi trường. Có rất nhều loại enzym có thể phân hủy tinh
SVTH: Lê Thị Mộng Tuyền 14
bột. Trong đó, amylaza là enzym quan trọng nhất và có những ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, công nghiệp lên men, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy… tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng từ tinh bột.
Amylaza bao gồm 3 loại chính (α-amylaza, β-amylaza và glucoamylaza) có thể chiết từ nhiều nguồn khác nhau như vi khuẩn, nấm mốc, nấm men. Ngoài ra, các enzym đặc trưng khác còn được dùng để biến tính tinh bột. Các enzym ngày nay có thể được sản xuất số lượng lớn trong công nghiệp. Khả năng phân hủy của tinh bột cũng bị ảnh hưởng bởi loại tinh bột, dạng hạt của tinh bột và tinh bột có hoặc không gelatin hóa.
1.2.9 Tinh bột nhiệt dẻo [1]
Tinh bột được biết đến trong một thời gian dài như là một loại thực phẩm cung cấp nhiều năng lượng cho cơ thể con người. Tuy nhiên, xem xét tinh bột dưới khí cạnh một polymer nhiệt dẻo chỉ được thực sự quan tâm trong thời gian gần đây. Tinh bột chỉ được gọi là tinh bột nhiệt dẻo (ThermoPlastic Starch – TPS) khi tinh bột đã được hóa dẻo bởi một quá trình gọi là gelatin hóa (nấu chín) hay quá trình hóa dẻo. Quá trình này chỉ xảy ra khi tinh bột được nung nóng (có thể kết hợp với áp suất cao) với sự hiện diện của một hay nhiều hợp chất có khả năng hóa dẻo như nước, glycerol,…Quá trình hóa dẻo bao gồm làm cho hạt trương lên, mất định hướng cấu trúc và giảm dần độ kết tinh. Các chất có thể tham gia vào quá trình gelatin hóa của tinh bột gọi là chất hóa dẻo. Quá trình hóa dẻo có thể thực hiện với lượng thừa hay vừa đủ lượng chất hóa dẻo, nhiệt độ và áp suất. Tinh bột nhiệt dẻo hóa dẻo bằng chất hóa dẻo khác nhau có tính chất khác nhau. Các chất hóa dẻo được hấp thu vào trong cấu trúc tinh bột và có sự tương tác với các mạch tinh bột (hình 1.6). Độ nhớt của tinh bột nhiệt dẻo cũng như tính chất phụ thuộc khá nhiều vào thành phần tinh bột.
Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của tinh bột trong quá trình hóa dẻo [8]
Đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về hóa dẻo tinh bột nhằm nỗ lực biến tinh bột trở thành polymer nhiệt dẻo, có thề dễ dàng gia công bằng các phương pháp
SVTH: Lê Thị Mộng Tuyền 15
thông dụng như đùn, ép phun, cán,… Sau đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về hóa dẻo tinh bột.
Chất hóa dẻo được dùng đầu tiên và đến nay vẫn còn được tiếp tục nghiên cứu sử dụng đó là nước. Tác giả R.F.T.Stepto ở đại học Manchester Anh [9], [10], [11], [12] đã nghiên cứu kỹ về dùng chất hóa dẻo là nước. Bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai, tác giả nhận thấy lượng nước khác nhau sẽ làm thay đổi đáng kể nhiệt độ nóng chảy (Tm) của tinh bột. Tm giảm khi hàm lượng nước tăng. Điều này gây trở ngại cho việc xác định Tm chính xác vì tinh bột nhiệt dẻo dễ hút ẩm. Sản phẩm tinh bột nhiệt dẻo hóa dẻo bằng nước có độ nhớt gần giống với nhựa polyethylene và có thể gia công bằng máy ép phun (injection molding) ứng dụng trong lĩnh vực bao bì chứa đựng và phân phối thuốc.
Ngoài việc dùng chất hóa dẻo cổ điển là nước, rất nhiều tác nhân hóa dẻo khác cũng đã được nghiên cứu sử dụng như: sorbitol, ethylene glycol, glucose, maltose, glycerol, ure, sucrose, dầu đậu nành…[13], [14], [15], [16] Nhìn chung ứng với mỗi chất hóa dẻo khác nhau sẽ cho tính chất của của tinh bột nhiệt dẻo khác nhau nhưng không nhiều. Hiện nay, họ chất hóa dẻo được quan tâm nhiều hơn đó là họ có nhóm chức amin hoặc amide như ethanolamine [17], formamide [18], ethylenebisformamide [19]. Tuy nhiên, họ này có một số khuyết điểm như dễ bị oxy hóa, độc hại… nên vẫn chưa được sử dụng rộng rãi.
Chất hóa dẻo được sử dụng phổ biến nhất trong thời gian gần đây là glycerol (1,2,3 propanetriol) hay còn gọi là glycerine. Đây là hợp chất thu được chủ yếu từ quá trình trans ester hóa dầu động, thực vật (triglycride), không độc, không màu, không mùi, vị ngọt, nhiệt độ nóng chảy là 17,8oC, nhiệt độ sôi lên đến 290oC nhưng nhiệt độ bốc cháy vào khoảng
180oC [20], [21].
Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về chất hóa dẻo glycerol như: nhóm tác giả Rui Shi và cộng sự[22] đã sử dụng máy trộn kín Haake gia công tinh bột nhiệt dẻo ở 110oC, tốc độ trộn 80 vòng/phút trong 25 phút. Sản phẩm từ máy trộn kín đưa vào ép khuôn dày 1mm bằng máy ép thủy lực. Nhóm tác giả Robbert A. de Graafa và cộng sự [23] sử dụng máy đùn hai vít có L/D = 25/1, tốc độ trục 110 vòng/phút, nhiệt độ trục tăng dần từ 45oC đến 150oC. Sản phẩm sau đùn được cắt tạo hạt và đưa vào máy ép phun để tạo mẫu.
Tuy nhiên chỉ dùng nước hay glycerol làm chất hóa dẻo thì tinh bột nhiệt dẻo có một số khuyết điểm, tính chất không cao. Do đó chất hóa dẻo cho tinh bột đang được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học và còn tiếp tục được nghiên cứu. Chưa có chất hóa dẻo nào thực sự có hiệu quả hoàn toàn vượt trội nên xu hướng là sử dụng kết hợp hai hay nhiều chất hóa dẻo.
SVTH: Lê Thị Mộng Tuyền 16
Nước có thể kết hợp với glycerol bằng cách cho trực tiếp vào trong quá trình hóa dẻo như công trình của nhóm tác giả Roberta C. R. Souza, Brazil[24]. Nhóm tác giả này sử dụng máy đùn hiệu Brabender để gia công tinh bột nhiệt dẻo với hàm lượng nước thêm vào là 9% và hàm lượng glycerol là 15%, nhiệt độ trục vít là 70/80/95/115oC. Sau đó mẫu được ép ở 110oC trong 15 phút rồi làm nguội về 25oC nhưng vẫn duy trì áp suất ở 92 kPa.
Một phương pháp khác thường dùng hơn để phối hợp hai chất hóa dẻo glycerol và nước là phương pháp đổ khuôn (solution casting). Phương pháp này thường dùng một lượng lớn nước, sau đó cho tinh bột và glycerol vào tạo huyền phù. Quá trình hóa dẻo diễn ra bằng cách nâng nhiệt độ. Sản phẩm thu được bằng cách sấy khô tạo màng. Cụ thể thì nhóm tác giả P.V.A. Bergo, Mexico [25] sử dụng tỷ lệ 2g tinh bột trong 100g nước, hàm lượng chất hóa dẻo thay đổi từ 0, 15, 30 đến 45% so với tinh bột. Quá trình hóa dẻo diễn ra ở 70oC trong 1 giờ. Trong phương pháp gia công này sau khi sấy vẫn còn một lượng nước nhất định trong cấu trúc của tinh bột nhiệt dẻo và tồn tại như chất hóa dẻo.
Một chất hóa dẻo khác cũng được nghiên cứu dùng kết hợp với glycerol rất hiệu quả là acid citric. Nhóm tác giả Yu Jiugao [26] thì sử dụng máy đùn hai vít (L/D = 25/1, 20 vòng/phút, nhiệt độ trục 130/140/150/130) để gia công hỗn hợp này. Nhóm tác giả cũng nhận thấy có hình thành liên kết hydrogen giữa acid citric với tinh bột ngăn quá trình tái kết tinh. Kết quả chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét cho thấy sử dụng acid citric thì tinh bột nhiệt dẻo có độ đồng nhất cao hơn. Ngoài ra sản phẩm còn giảm tính ưa nước, tăng độ bền nhiệt.
Từ những công trình nghiên cứu trên cho thấy chất hóa dẻo tinh bột đang được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học. Xét về khía cạnh thân thiện với môi trường thì nước, glycerol và acid citric là những chất hóa dẻo đang chiếm ưu thế.
1.3 Tổng hợp monoglyceride từ dầu đậu nành 1.3.1 Giới thiệu dầu đậu nành [27] 1.3.1 Giới thiệu dầu đậu nành [27]
Dầu đậu nành là một loại dầu thực vật có thành phần chính là triglyceride, tức triester của glycerin và acid béo có công thức tổng quát như sau:
SVTH: Lê Thị Mộng Tuyền 17
Dầu đậu nành thô có lẫn một số tạp chất không phải triglyceride như các acid béo tự do, diglyceride, monoglyceride, phosphorglyceride (lecithin, cephalin), các alcol béo và các dẫn xuất của chúng (cetyl alcol, glyceryl eter, sterol, cholesterol, phystosterol…), hydrocacbon (triterpen), các nhóm sinh tố A, D, E, sắc tố tạo màu và các chất chống oxy hóa.
Phần lớn các acid béo trong triglyceride là các acid có số cacbon chẵn và dây thẳng (bảng 1.2). Acid béo no trong dầu đậu nành chiếm khoảng 11 – 20% và acid béo không no chiếm 80 – 89%. Để xác định thành phần acid béo của dầu đậu nành, người ta thường sử