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.