II. QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT
1. Quá trình hồ hóa tinh bột
Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh nhưng có xu hướng trương nở trong nước phụ thuộc vào kiểu và thành phần cấu tạo trong hạt tinh bột. Tại nhiệt độ thường và pH trong khoảng 4 – 10, hạt tinh bột tự nhiên không tan mà chỉ hấp thụ nước khoảng 30% khối lượng của nó. Hỗn hợp thu được gọi là huyền phù tinh bột.
Thật ra, ở nhiệt độ này, một số phân tử nước đã chui được vào bên trong cấu trúc của hạt tinh bột nhưng với số lượng không nhiều. Nước hấp thụ vào và làm hạt trương nở khoảng 5% thể tích.
Dưới nhiệt độ hồ hóa, xảy ra quá trình hút nước và trương nở thuận nghịch.
Khi được đun nóng, nhiệt năng cung cấp sẽ phá vỡ hàng loạt liên kết hydro ràng buộc các phân tử nước, giúp các phân tử nước này trở nên linh động hơn, dễ dàng tấn công vào cấu trúc micelle của hạt tinh bột, dẫn đến xảy ra quá trình hydrat hóa.
Khi đó các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn và có nhiều phân tử khuếch tán vào bên trong của hạt tinh bột. Do đó, hạt tinh bột sẽ trương nở đáng kể, tăng
thể tích và kích thước. Dưới tác dụng của nhiệt, một số phân tử amylose và và amylopectin phân tử lượng nhỏ sẽ khuếch tán vào môi trường xung quanh. Các phân tử tinh bột này sẽ bị hydrate hóa tạo thành các micelle nhỏ. Các micelle này và các hạt tinh bột đã trương nở sẽ kết hợp lại với nhau bằng liên kết hydro, hình thành các liên kết ba chiều mới, làm độ nhớt tăng lên.
Khi nhiệt độ tăng, đường kính hạt tăng đến khi lớp ngoài của hạt bị phá vỡ, lúc này hỗn hợp đạt đỉnh nhớt. Sự gia tăng độ nhớt cuối của mẫu hồ hóa đã gia nhiệt được cho là giải phóng các sợi (chủ yếu là amylose) và đoạn nhánh (sự biến dạng) của hạt tinh bột đã trương nở. Do đó, hồ tinh bột là một dung dịch bao gồm các hạt đã trương nở lơ lửng trong nước nóng, các phân tử amylose cũng bị phân tán trong này. Những tác động qua lại trong dung dịch khi này liên quan đến liên kết hydro nội phân tử giữa các hạt tinh bột với nhau và giữa các hạt tinh bột với nước(Tako và Hizukuri, 1999).
Hình14: quá trình hố hóa của hạt tinh bột
22
Tóm lại quá trình hồ hóa được định nghĩa là sự đứt gãy không thuận nghịch trong cấu trúc các phân tử hạt tinh bột khi được gia nhiệt với lượng nước lấy dư (Sivak và Preiss, 1998). Do đó xảy ra các hiện tượng là chuyển từ huyền phù sang dạng dung dịch keo, và từ dạng dung dịch keo chuyển sang dạng gel (Gomi và cộng sự, 1998; Chatakanonda và cộng sự, 2000) cũng như sự phá hủy cấu trúc liên kết trong mạng (Hsu và cộng sự, 2000). Vùng được hồ hóa đầu tiên là các vùng vô định hình, tại đó liên kết hydro yếu hơn những vùng có cấu trúc tinh thể, do vậy liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột ở vùng đó dễ bị phân hủy, giúp cho hiện tượng hydrat hóa dễ dàng hơn. Mặt khác, nhiệt độ cao cũng phá hủy các liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột, giúp các phân tử nước dễ dàng hydrat hóa. Trong quá trình hồ hóa, một số phân tử tinh bột bị hydrat hóa mạnh mẽ sẽ tách khỏi mạng lưới micelle, khuếch tán vào môi trường nước gây nên hiện tượng hòa tan tinh bột vào nước nóng.
Như vậy nhiệt độ hồ hóa và khả năng hồ hóa của một loại tinh bột nào đó sẽ phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của mạng lưới micelle trong hạt tinh bột, cấu trúc này được đặc trưng bởi hình dáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ giữa amylose và amylopectin, mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh amylopectin. Ngoài ra nhiệt độ hồ hóa còn phụ thuộc vào tính chất lý hóa của chất khuếch tán và môi trường khuếch tán. Biliaderis và Tonogai (1991) nghiên cứu những ảnh hưởng khi các hạt tinh bột liên kết với lipid vào những đặc tính nhiệt, nhớt, dẻo của gel tinh bột và nhận thấy việc thêm các lysophospholipid làm giảm enthalpy hồ hóa của tinh bột cùng với sự gia tăng về nhiệt độ tại điểm chuyển đổi amylose – lipid xảy ra. Nguyên nhân là do các lipid tạo phức với amylose trên bề mặt hạt do đó ngăn cản sự xâm nhập các phân tử nước và hạt tinh bột làm hạn chế quá trình trương nở của hạt.
Garcia, V. và cộng sự (1997) đã nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc của hạt tinh bột sau khi gia nhiệt trong nước với hàm lượng nước khác nhau. Hình ảnh hiển vi quang học cho thấy hạt khi bị gia nhiệt dưới nhiệt độ bắt đầu hấp thu nhiệt (To) không làm ảnh hưởng đến hạt. Sau khi gia nhiệt đến các nhiệt độ khác nhau,
hình ảnh hiển vi quang học cho thấy, tương ứng với hàm lượng nước khác nhau trong suốt quá trình, có 4 hình thái riêng biệt trong tập hợp hạt: hạt nguyên, hạt bị mất một phần tính lưỡng chiết, hạt không có tính lưỡng chiết nhưng còn dạng hình cầu và hạt không còn nguyên vẹn. Sự thay đổi càng rõ ràng khi thực hiện quá trình gia nhiệt với hàm lượng nước và nhiệt độ cao hơn.
]
Hình 15: Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ
a. Mục đích công nghệ:
Chuẩn bị: Chuẩn bị cho quá trình dịch hóa, các hạt tinh bột hút nước và trương nở tối đa tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hóa.
b. Các biến đổi:
Biến đổi vật lý:
24
Độ nhớt tăng cực đại
Hạt tinh bột trương nở tối đa
Nhiệt độ của dung dịch tăng
Nồng độ chất khô tăng
Biến đổi hóa học:
Xảy ra sự hydrate hóa các nhóm hydroxyl tự do và hình thành liên kết hydro với nước.
Biến đổi hóa lý:
Hạt tinh bột tiếp tục hấp thu nước, khi nhiệt độ càng tăng thì khả năng hút nước càng tăng, lên đến 2500% nước.
Hệ chuyển từ dạng huyền phù sang dung dịch nhớt đồng nhất.
Tăng khả năng hòa tan
Biến đổi cảm quan: màu sắc từ đục chuyển sang trong hơn.