Hạt tinh bột có đặc tính lưỡng chiết được quan sát dưới kính hiển vi phân cực, cho thấy sự có mặt của cấu trúc tinh thể và sự sắp xếp xuyên tâm của các phân tử trong hạt tinh bột [44] Tinh bột có cấu trúc bán tinh thể, bao gồm hai phần kết tinh và vô định hình Vùng vô định hình tương ứng với vùng điểm nhánh của phân tử amylopectin, trong khi vùng tinh thể được tạo thành từ cụm các chuỗi amylopectin (Hình 1 5) [45] Các cụm amylopectin này (vùng tinh thể) được hình thành nhờ tương tác xoắn kép giữa các chuỗi mạch nhánh amylopectin liền kề và hình thành tính chất bán tinh thể của hạt tinh bột Thêm vào đó, amylose chủ yếu tạo nên các vùng vô định hình được phân bố ngẫu nhiên giữa các nhóm amylopectin Lớp vô định hình phân tách các tinh thể với nhau [46]
Hạt tinh bột bao gồm hai polysaccharide chính là amylose và amylopectin Cả hai được cấu tạo từ chuỗi gốc D-glucose liên kết α- 1,4 glycosidic, chúng liên kết với nhau thông qua liên kết α- 1,6 glycosidic và hình thành các nhánh trong phân tử polyme [47] Trong đó, amylopectin là một phân tử phân nhánh lớn và là thành phần chính trong hầu hết các loại tinh bột (chiếm khoảng 70 - 80%) Tỷ lệ phần trăm của liên kết α- 1,6 glycosidic trong amylopectin khoảng 4–6% [48] Amylose chiếm phần nhỏ trong các hạt tinh bột, được định nghĩa là một phân tử tuyến tính của α- D- glucose liên kết α- 1,4 glycosidic, một số điểm trên mạch amylose có chứa nhánh với tỷ lệ thấp liên kết α- 1,6 glycosidic thấp (nhỏ hơn 1%) Sự hiện diện của các nhánh không làm thay đổi tính chất của chuỗi amylose so với chuỗi
amylose tuyến tính nghiêm ngặt [49]
Dựa trên phân tích nhiễu xạ tia X, tinh bột tự nhiên được phân loại thành 3 loại A, B và C thể hiện sự khác biệt về cách sắp xếp và chiều dài của các chuỗi
amylopectin Tinh bột khoai lang thường được phát hiện với cấu trúc loại A và một số thuộc loại C [50] Mạch nhánh phân tử amylopectin ngắn có mặt nhiều trong tinh
bột loại A, ngược lại, mạch nhánh amylopectin dài ưu tiên hình thành các cấu trúc kiểu B [51] Các tinh bột có kiểu tinh thể A dễ bị tấn công bởi enzyme α-amylase hơn so với kiểu tinh thể B [52]
Hình 1 5 Cấu trúc kiểu A và kiểu B của tinh bột (1) Amylose
Các phân tử amylose bao gồm các chuỗi đơn với 500 đến 20000 đơn vị
glucose, rất ít nhánh và các nhóm photphate liên kết được tìm thấy [53] Hàm lượng của amylose có tác động lớn tới tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của tinh bột [54] Phần lớn amylose thuộc phần vô định hình trong hạt và tương tác với các chuỗi amylopectin làm hạn chế quá trình trương nở Trong quá trình làm nguội hồ tinh bột, amylose trong dịch nhanh chóng bị kết tụ lại bằng liên kết hydro Quá trình tái liên kết của amylose gây ra độ nhớt và thoái hóa ngắn hạn [54] Hàm lượng amylose cũng có liên quan tới độ nhạy của enzyme, thông số hồ hóa và nhiệt, cũng như tính chất trương nở và hòa tan của tinh bột khoai lang [58]
Hình 1 6 Một đoạn trisaccharide của phân tử amylose
Mức độ trùng hợp của amylose trong tinh bột khoai lang trong khoảng 3025 đến 4100 [54] Có nhiều nghiên cứu về trọng lượng phân tử của amylose trong tinh bột khoai lang Theo đó, trọng lượng phân tử trung bình của amylose tinh bột khoai lang Uganda dao động từ 367 000 đến 521 000 [58]), tinh bột khoai lang Indonesia
(2) Amylopectin
Trọng lượng phân tử của amylopectin khoai lang khoảng 1,77 108 Độ trùng hợp (DP) trung bình là 9900, trong đó DP của amylopectin lớn, trung bình và nhỏ được ước tính lần lượt là 19200, 5400 và 900 [60] Cấu trúc amylopectin phức tạp hơn nhiều so với amylose do chứa từ 4% đến 5% α- 1,6 glycosidic hình thành các nhánh trong phân tử Cấu trúc amylopectin được phân loại thành ba loại chuỗi mạch được ký hiệu là A, B và C với các đặc điểm xác định được thể hiện trên Hình 1 7
Đầu khử của chuỗi A liên kết với chuỗi B hoặc C thông qua liên kết α-1,6
glycosidic; chuỗi B liên kết với một hoặc nhiều chuỗi A, đầu khử của chuỗi B liên kết với chuỗi C thông qua liên kết α- 1,6 glycosidic; C là chuỗi mạch chính chứa nhóm khử duy nhất [41]
Amylopectin trong khoai lang có chiều dài trung bình từ 6 đến 45 gốc glucose trong một chuỗi nhánh Trong đó, chiều dài chuỗi trung bình từ 6 đến 10, từ 11 đến 15, từ 16 đến 20, từ 21 đến 30 và từ 30 đến 45 đơn vị glucose có tỷ lệ tương ứng là 12,4% - 15,2%, 33,2% - 33,8%, 22,9% - 24,6%, 21,1% - 23,0% và 6,3% - 7,1% [58]
Hình 1 7 Cấu trúc amylopectin
(A) Cấu trúc chung của amylopectin; (B) vùng vô định hình và kết tinh của cấu trúc amylopectin; (C) định hướng của các phân tử amylopectin trong mặt cắt ngang của một
hạt lý tưởng hóa; (D) cấu trúc xoắn kép tạo vùng kết tinh trong hạt tinh bột