(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.
1.2.3. Tính chất của tinh bột khoai lang
(1) Tính hịa tan
Tinh bột ởđiều kiện thường không tan trong nước, do vậy, nó tồn tại lượng lớn trong tế bào mà không ảnh hưởng tới áp suất thẩm thẩu. Amylose khi mới tách ra
14
khỏi hạt tinh bột có khảnăng hịa tan tốt trong nước. Amylopectin có thể tan trong
nước ấm. Khi phân tán trong môi trường cồn, tinh bột bị kết tủa [61].
Khảnăng hòa tan trong nước của tinh bột khoai lang nằm trong khoảng từ 1,5%
đến 13,65% với nhiệt độ 85°C [55], [62], [63]. Khả năng hòa tan của một số tinh bột khoai lang thương mại được sản xuất ở Peru đạt 28% [64]. Nhìn chung, tinh bột khoai lang có khả năng hịa tan thấp hơn tinh bột khoai tây và sắn khi cùng điều kiện nhiệt độ từ60 đến 90oC [65] [43]. Khả năng hòa tan thấp hơn được giải thích
do kích thước các hạt tinh bột khoai lang nhỏ hơn, liên kết trong hạt mạnh và phân tử chứa ít nhóm photphat hơn. Hàm lượng photpho nhỏ (0,02%) và chủ yếu ở dạng monoester photphat (0,02%) trong tinh bột khoai lang cũng ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và chức năng khác của tinh bột khoai lang [66].
Khi nhiệt độtăng, khả năng hòa tan của tinh bột cũng tăng. Ở các khoảng nhiệt
độ nằm dưới 60oC, độ hòa tan của tinh bột từ khoai lang từ các giống khác nhau là khác nhau nhưng khơng có sự khác biệt đáng kể. Tuy nhiên, khi nhiệt độ cao hơn
60oC, độ hòa tan có sự khác biệt rõ rệt [67].
(2) Khả năng trương nở
Một tính chất quan trọng của tinh bột quyết định đến chức năng của nó là khả năng hút nước, dẫn tới q trình hồ hóa và phá vỡ cấu trúc hạt. Hiện tượng này gọi là sựtrương nở của hạt tinh bột. Khảnăng trương nở càng lớn thì khảnăng hịa tan
của tinh bột càng lớn.
Khả năng trương nở của tinh bột khoai lang kém hơn so với tinh bột khoai tây và sắn, khoảng 32,5 đến 50 ml/g, cho thấy lực nội phân tử khá mạnh [68]. Độ trương nở là khác nhau đối với tinh bột từ các giống khoai lang khác nhau và đối với tinh bột có cùng giống nhưng ởcác điều kiện nhiệt độ khác nhau [62].
Độ trương nở của tinh bột khoai lang bị ảnh hưởng bởi khối lượng phân tử và hình dạng phân tử của amylopectin. Càng nhiều amylopectin có chuỗi nhánh từ 6
đến 9 gốc glucose thì khả năng trương nở của hạt tinh bột càng lớn, trong khi càng nhiều amylopectin có chuối nhánh từ 12 đến 22 gốc glucose thì khảnăngtrương nở
càng nhỏ [67]. Ngược lại, phân tử amylose và lipid lại có xu hướng làm chậm quá trình trương nở này [69].
(3) Sự hồ hóa
Khi đun nóng trong điều kiện có nước, tinh bột hấp thụ nước và trương nở. Ở điều kiện nhiệt độ dưới nhiệt độ hồ hóa, q trình này là thuận nghịch nhờ cấu trúc bán tinh thể ổn định, độ hút nước thường nhỏ hơn 40%. Tiếp tục đun nóng, q
trình hấp thụ nước tiếp tục diễn ra, dẫn đến phá vỡ cấu trúc hạt và làm rối loạn tổ
chức các chuỗi. Sựthay đổi này là bất thuận nghịch và được gọi là “hồ hóa” [41].
Hàm lượng nước, tỷ lệ giữa amylose và amylopectin, cấu trúc của amylose và amylopectin, sự có mặt của thành phần phụ (ví dụ: photpho và chất béo), mơi
trường (ví dụ: áp suất, tốc độ gia nhiệt) cũng ảnh hưởng lớn đến những thay đổi vật lý của tinh bột trong quá trình gia nhiệt [54], [70]. Các yếu tố mơi trường như nhiệt
15
hóa càng cao) [71], [72]. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang trong khoảng 58
đến 84°C [57].
Enthalpy hồ hóa của tinh bột khoai lang có liên quan đến thành phần amylopectin, liên kết nội phân tử, gen di truyền và các yếu tố môi trường. Giá trị
enthalpy của tinh bột khoai lang nằm trong khoảng từ7,8 đến 15,5 J/g. Amylopectin của khoai lang là thành phần chính trong vùng kết tinh của tinh bột, hàm lượng amylopectin càng cao thì enthalpy càng lớn [59]. Enthalpy hồ hóa cũng bị ảnh
hưởng đáng kể bởi các giống khác nhau và các điều kiện trồng khác nhau [73]. Ngoài ra, enthalpy hồ hóa của tinh bột từ khoai lang trong thời kỳ đầu sinh trưởng thấp, từ11,8 đến 13,4 J/g [42], trong khi hoãn ngày thu hoạch lại làm tăng enthalpy
hồ hóa của tinh bột khoai lang.
(4) Độ trong của hồ tinh bột
Tinh bột hồ hóa thường có một độ trong nhất định, làm tăng giá trị cảm quan của thực phẩm. Sau q trình hồ hóa cho thấy tinh bột nếp các loại cho độ trong cao
hơn so với các giống tẻ. Độ trong của hồ tinh bột được thể hiện thông qua tỷ lệ ánh sáng ởbước sóng 650 nm truyền qua dịch hồ tinh bột 1%, phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của chúng [74].
(5) Khả năng tạo gel
Sau khi hồ hóa tinh bột và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp xếp một cách có trật tự, tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3 chiều. Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ nhất định, chuyển tinh bột thành trạng thái hịa tan bằng hồ hóa và sau đó để nguội ở trạng thái tĩnh. Gel tinh bột chứa các liên kết hydro nối trực tiếp các mạch polyglucoside hoặc gián tiếp qua phân tử nước. Khác biệt trong cấu trúc phân tử tinh bột như độ trùng hợp trung bình (DP) của amylose, chiều dài mạch nhánh (CL) trung bình của amylopectin là những yếu tố chính dẫn đến sự khác nhau trong kết cấu và các đặc tính cơ học của gel. Tinh bột khoai lang nhìn chung có gel cứng hơn và độdính cao hơn tinh bột dền nhưng mềm
hơn tinh bột khoai tây [55].
(6) Sự thối hóa gel
Sự thối hóa gel là q trình liên kết và sắp xếp lại trật tự của AM và AP trong tinh bột hồ hóa thơng qua liên kết hydro [70]. Trong thời gian bảo quản, q trình
thối hóa trước tiên xảy ra do sự định hướng lại các phân tử amylose thành các
đường thẳng song song. Nếu tiếp tục kéo dài thời gian bảo quản, các nhánh ngoài của amylopectin cũng dần chuyển sang trạng thái tái kết tinh. Amylopectin tái kết tinh trong gel có thể được hồ hóa lại ở 55°C, trong khi đối với amylose sau thối hóa, nhiệt độ hồ hóa lại lên tới 130°C [75].
Tính chất thối hóa của tinh bột bị tác động chính bởi nồng độ amylose và amylopectin trong tinh bột. Hàm lượng amylose và lipid trong tinh bột khoai lang
tương đối thấp, do đó tinh bột khoai lang cho thấy tỷ lệ thối hóa từ thấp đến trung bình [76]. Tốc độ thối hóa và mức độ thối hóa của tinh bột khoai lang tăng khi hàm lượng amylose tăng lên. Sựgia tăng chuỗi nhánh amylopectin chứa 12-14 đơn
16
vị glucose làm tốc độ thối hóa tăng, trong khi sự gia tăng chuỗi nhánh ngắn (9-11
đơn vị glucose/chuỗi) làm tốc độ thối hóa lại giảm đáng kể [59].
Hình 1.8: Giản đồ biểu diễn những thay đổi xảy ra trong hỗn hợp tinh bột và nước trong q trình đun nóng, làm lạnh và bảo quản.
(I) Hạt tinh bột tự nhiên; (II) Hồ hóa, bao gồm sự trương nở [a] và rửa trơi amylose và phá vỡ một phần hạt [b], dẫn đến sự hình thành hồ tinh bột; (III) Thối hóa: hình thành mạng lưới amylose (tạo gel) trong quá trình làm nguội hồ tinh bột [a] và hình thành các phân tử amylopectin có trật tự hoặc tinh thể (thối hóa amylopectin) trong q trình bảo
quản [b].
Bên cạnh đó, amylose trong tinh bột khoai lang được cho rằng chứa nhiều
nhánh hơn so với sắn, khoai tây, lúa mì, ngơ và có trọng lượng phân tửcao hơn ngơ,
lúa mì, sắn nhưng nhỏ hơn khoai tây. Đây là lý do dẫn đến sự thối hóa chậm hơn
của amylose tinh bột khoai lang [57]. Takeda và cộng sự (1987) [77] cũng phát hiện 70% amylose tinh bột khoai lang có phân nhánh so với 42% trong tinh bột sắn và 27% trong tinh bột lúa mì. Thối hóa gel thường được kích thích bởi nồng độ tinh bột cao, nhiệt độ bảo quản thấp và giá trị pH từ 5 đến 7. Các muối của anion và cation hóa trị một có thể làm chậm q trình thối hóa [78].
(7) Phản ứng thủy phân
Tinh bột có thể bị thủy phân bởi tác nhân hóa học hoặc enzyme hoặc đồng thời cả hai. Q trình thủy phân hóa học thường diễn ra khi đun nóng tinh bột với sự có mặt của nước hoặc axit clohydric lỗng. Q trình thủy phân bằng enzyme thường sử dụng α-amylase, β- amylase, ngồi ra cịn có γ- amylase và các enzyme khử
nhánh. Đây cũng là quá trình thường xảy ra trong đường tiêu hóa khi tiêu hóa tinh bột [79].
Sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột bao gồm dextrin hoặc maltodextrin, maltose và glucose. Khảnăng thủy phân của tinh bột bị ảnh hưởng bởi sựtương tác
17
độ kết tinh, loại tinh thể (A, B, C), phức chất amylose-lipid, loại enzyme và điều kiện thủy phân (nồng độ, pH, nhiệt độ và thời gian) [82].
Bouwkamp (1985) [82] đã báo cáo mối tương quan nghịch giữa kích thước hạt của các giống khoai lang và khảnăng thủy phân với α-amylase và axit. Khoai lang
và ngô đều chứa lượng lớn tinh bột kháng axit, tuy nhiên, trong tinh bột khoai lang,
nó được thủy phân với tốc độnhanh hơn so với các tinh bột khác.
Các loại tinh bột có bề mặt xốp, như tinh bột ngô, dễ bị thủy phân hơn so với các loại có bề mặt nhẵn như tinh bột sắn [83]. Các hạt có đường kính nhỏ dễ bị ảnh
hưởng bởi các enzym hơn các hạt có đường kính cao hơn do diện tích bề mặt của
chúng cao hơn [81]. Trong nghiên cứu khác của Rocha và cộng sự (2010) [84], tinh bột khoai lang có khả năng bị tác động trong phản ứng với enzyme dễ dàng hơn
nhiều so với tinh bột khoai tây nhưng kém hơn tinh bột sắn.
(8) Phản ứng tạo phức
Thành phần mạch thẳng của tinh bột bao gồm amylose và phần nhỏ mạch thẳng chuỗi bên amylopectin có thể tạo phức với một số thành phần khác trong thực phẩm
như iốt, rượu, axit béo và este của chúng, chất nhũ hóa và các hợp chất hương [85], [86]. Amylose có khảnăng tạo phức xoắn với nhiều chất hữu cơ và vô cơ, trong khi
amylopectin chỉ tạo phức ở mức độ yếu hoặc khơng. Khi hình thành, các thành phần tạo phức được cuốn vào trong trục rỗng của cuộn xoắn amylose [87] (Hình 1.9).