Nghiên cứu biến tính tinh bột từ dong riềng, khoai lang và ứng dụng trong sản xuất một số thực phẩm

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu biến tính tinh bột từ dong riềng, khoai lang và ứng dụng trong sản xuất một số thực phẩm” được tiến hành với mục tiêu nghiên cứu sự thay đổi

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến của các thày cô, bạn bè, đồng nghiệp, các cơ quan, cơ sở sản xuất cùng người thân

Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn ssâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS Bùi Đức Hợi, Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã chỉ dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện giúp tôi hòa thành luận án

trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể các thày cô giáo, cán bộ nhân viên

Bộ môn công nghệ chế biến thực phẩm và đồ uống, Viện công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học kinh tế kỹ thuật Công nghiệp cùng tập thể đồng nghiệp thuộc khoa Công nghệ thực phẩm của trường đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình hoàn thành luận án

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ nhân viên

bộ môn Vật lý chất rắn, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trân trọng cảm ơn các cán bộ nhân viên khoa Thực phảm Viện dinh dưỡng, các cán bộ công nhân viên Công ty cổ phần chế biến thực phẩm Hữu nghị đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện các thí nghiệm

Cuối cùng tôi xin trân trong cảm ơn tất cả những người thân, đồng nghiệp, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận án này!

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Tác giả luận án

Vũ Thị Ngọc Bích

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi với sự

giúp đỡ của tập thể các nhà khoa học

Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực, khách quan, một phần của luận án đã được công bố trên các tạp chí khoa học với sự đồng ý của đồng tác giả, phần còn lại chưa công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Tác giả luận án

Vũ Thị Ngọc Bích

MỤC LỤC Tr MỤC LỤC IV DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC BẢNG X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ XI

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 5

1.1 GIỚI THIỆU CÂY KHOAI LANG 5

1.1.1 Lịch sử phát triển 5

1.1.2 Đặc tính thực vật và phân loại 5

1.1.3 Thành phần hóa học của củ khoai lang 7

1.1.4 Giá trị kinh tế và sử dụng 8

1.2 GIỚI THIỆU CÂY DONG GIỀNG 9

1.2.1 Lịch sử phát triển 9

1.2.2 Đặc tính thực vật và phân loại 10

1.2.3 Thành phần hóa học 12

1.2.4 Giá trị kinh tế và sử dụng 12

1.3 GIỚI THIỆU VỀ TINH BỘT 13

1.3.1 Thành phần hóa học của tinh bột 13

1.3.2 Cấu trúc hạt tinh bột 20

1.3.2.1 Hình dáng, kích thước hạt tinh bột 20

1.3.2.2 Cấu trúc hạt 21

1.3.3 Tính chất của tinh bột 23

1.4 BIẾN TÍNH TINH BỘT 34

1.4.1 Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý 35

1.4.2 Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học 38

1.4.3 Biến tính tinh bột bằng enzym 45

1.4.3 Ứng dụng của tinh bột biến tính trong công nghiệp thực phẩm 48 1.4.4 Một số nghiên cứu biến tính tinh bột bằng phương pháp oxy hóa 50

CHƯƠNG 2.NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU 51

2.1.1 Dong giềng củ tươi 51

2.1.2 Khoai lang củ tươi 51

2.1.3 Tinh bột khoai lang, dong giềng 52

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52

2.2.1 Các phương pháp phân tích hóa lý 52

2.2.1.1 Phương pháp xác định hàm ẩm 52

2.2.1.2 Xác định vi ảnh tinh bột 52

2.2.1.3 Xác định nhiệt độ hồ hóa 52

2.2.1.4 Phương pháp xác định độ nhớt bằng nhớt kế Oswald 53

2.2.1.5 Xác định độ hòa tan của tinh bột 53

2.2.1.6 Xác định độ bền gel 54

2.2.1.7 Phương pháp xác định độ xốp xủa bich quy 54

2.2.1.8 Phương pháp xác định độ trắng của tinh bột 55

2.2.1.9 Phương pháp xác định kích thước tinh bột 55

2.2.2 Các phương pháp phân tích hóa sinh 55

2.2.2.1 Phương pháp phân tích hàm lượng tinh bột, đường 55

2.2.2.2 Phương pháp phân tích hàm lượng protein 56

2.2.2.3 Phương pháp xác định hàm lượng lipit 57

2.2.2.4 Phương pháp xác định hàm lượng xenluloza 57

2.2.2.5 Phương pháp xác định hàm lượng amyloza, amylopectin 57

2.2.2.6 Xác định mức độ trùng hợp trung bình của tinh bột 61

2.2.2.7 Xác định hàm lượng nhóm cacboxyl của tinh bột oxy hóa 62

2.2.2.8 Phương pháp xác định chỉ số khử 62

2.2.2.9 Phương pháp xác định khả năng đường hóa 63

2.2.2.10 Phương pháp xác định khả năng lên men 64

2.2.3 Các quy trình chế biến

2.2.3.1 Quy trình tách thu tinh bột từ củ dong giềng và khoai lang 65

2.2.3.2 Quy trình biến tính tinh bột bằng KMnO4 65

2.2.3.3 Quy trình biến tính tinh bột bằng NaClO 67

2.2.4 Phương pháp đánh giá cảm quan 68

2.2.5 Phương pháp toán học 69

2.2.5.1 Phương pháp xử lý số liệu 69

2.2.5.2 Phương pháp phân tích tương quan 69

5.2.5.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 69

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1 NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU

3.1.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu củ 70

3.1.2 Thành phần hóa học của tinh bột 71

3.1 3 Một số tính chất của tinh bột 73

3.2 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH TINH BỘT BẰNG KMnO4

77 3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ KMnO4 77

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian biến tính 80

3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính 82

3.3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐA ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH TINH BỘT BẰNG NaClO

3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ NaClO 85

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian biến tính 86

3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính 87

3.4 TỐI ƯU HÓA CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH

3.4.1 Tối ưu hóa biến tính tinh bột dong riềng bằng KMnO4 91

3.4.2 Tối ưu hóa biến tính tinh bột khoai lang bằng NaClO 98

3.5 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT BIẾN TÍNH THEO

PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU

3.6.2 Nghiên cứu sử dụng tinh bột dong biến tính làm phụ gia sản

xuất sữa chua

113

3.6.3 Nghiên cứu ứng dụng tinh bột khoai lang biến tính bằng

NaClO trong sản xuất nước mắm dạng kem

115

3.6.4 Nghiên cứu ứng dụng tinh bột khoai lang biến tính bằng

NaClO trong sản xuất bánh qui

119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 124

PHỤ LỤC

Nations (Tổ chứac Lương- Nông thuộc Liên hiệp quốc) KDn1 KDn7 Mẫu biến tính tinh bột dong bằng KMnO4ở mức nồng

độ thứ 1 đến thứ 7 KLn1 KLn7 Mẫu biến tính tinh bột khoai lang bằng KMnO4ở mức

nồng độ thứ 1 đến thứ 7 KDt1 KDt5 Mẫu biến tính tinh bột dong bằng KMnO4ở mức nhiệt

độ thứ 1 đến thứ 5 KLt1 KLt5 Mẫu biến tính tinh bột khoai lang bằng KMnO4ở mức

nhiệt độ thứ 1 đến thứ 5 KDtg1 KDtg5 Mẫu biến tính tinh bột dong bằng KMnO4ở mức thời

gian thứ 1 đến thứ 5 KLtg1 KLtg5 Mẫu biến tính tinh bột khoai lang bằng KMnO4ở mức

thời gian thứ 1 đến thứ 5 JDn1 JDn7 Mẫu biến tính tinh bột dong bằng NaClO ở mức nồng

độ thứ 1 đến thứ 7 JLn1 JLn7 Mẫu biến tính tinh bột khoai lang bằng NaClO ở mức

nồng độ thứ 1 đến thứ 7 JDt1 JDt5 Mẫu biến tính tinh bột dong bằng NaClO ở mức nhiệt

độ thứ 1 đến thứ 5 JLt1 JLt5 Mẫu biến tính tinh bột khoai lang bằng NaClO ở mức

nhiệt độ thứ 1 đến thứ 5 JDtg1 JDtg5 Mẫu biến tính tinh bột dong bằng NaClO ở mức thời

gian thứ 1 đến thứ 5 JLtg1 JLtg5 Mẫu biến tính tinh bột khoai lang bằng NaClO ở mức

thời gian thứ 1 đến thứ 5 SEM Scaning Electronic Microscope (kính hiển vi điện tử

quét TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của củ khoai lang 8

Bảng 1.2 thành phần hóa học của củ dong giềng 12

Bảng 1.3 Hàm lượng Am của một số tinh bột 13

Bảng 1.4 Kích thước của một số loại tinh bột 20

Bảng 2.1.Tỷ lệ pha dung dịch chuẩn Am/Ap ……… ……… 59

Bảng 3.1 Các thành phần chính của nguyên liệu nghiên cứu 70

Bảng 3.2.Thành phần hóa học của tinh bột nghiên cứu

Bảng 3.3 Giá trị mật độ quang của các dung dịch chuẩn

70 71 Bảng 3.4 Một số tính chất của tinh bột khoai lang và dong riềng 77

Bảng 3.5.Giá trị mã hóa và thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm biến tính tinh bột dong 92

Bảng 3.6 Ma trận thực nghiệm và kết quả biến tính tinh bột dong riềng 92

Bảng 3.7 Giá trị mã hóa và thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm biến tính tinh bột khoai lang 98

Bảng 3.8 Ma trận thực nghiệm và kết quả biến tính tinh bột khoai lang 99

Bảng 3.9 Các thông số của tinh bột dong riềng 107

Bảng 3.10 Các thông số của tinh bột khoai lang 108

Bảng 3.11 Chất lượng cảm quan giò chay 112

Bảng 3.12 Độ bền gel của giò chay 113

Bảng 3.13.Điểm đánh giá cảm quan sữa chua 115

Bảng 3.14.Giá trị trung bình độ OD của các mẫu mắm 117

Bảng 3.15 mức độ ưa thích của các mẫu mắm 117

Bảng 3.16 Giá trị trung bình độ xốp các mẫu bánh quy 119 Bảng 3.17 Điểm đánh giá cảm quan trung bình của các thành viên cho

bich quy 120

DANH MỤC CÁC HÌNH VỄ

Hình 1.1 Cây và củ khoai lang 6

Hình 1.2 Cây và củ dong giềng 11

Hình 1.3 Cấu trúc mạch amyloza 14

Hình 1.4 Cấu tạo phân tử amylopectin 17

Hình 1.5 Mô hình cấu tạo phân tử amylopectin của tinh bột khoai tây 18

Hình 1.6 Ảnh một số tinh bột với độ phóng đại khác nhau 21

Hình 1.7 Ảnh chụp cấu trúc phân tầng hạt tinh bột khoai

tây 22

Hình 1.8 Cấu trúc vòng của các mẫu tinh bột 22

Hình 1.9 Mô hình cấu trúc amyloza và amilopectin trong các lớp kết tinh và vô định hình 23

Hình 1.10 Mô hình hạt tinh bột hồ hóa(B), thoái hóa(C) 31

Hình 1.11.Mô hình tạo liên kết ngang giữa trimetaphotphat và tinh bột 41

Hình 1.12.Cơ chế tác dụng của α- amilaza lên liên kết α- 1,4 glucozit của phân tử tinh bột 46

Hình 1.13.Cơ chế tác dụng của β - amilaza lên liên kết α- 1,4 glucozit của phân tử tinh bột 47

Hình1.14 Cơ chế tác dụng của Pululanaza lên liên kết α- 1,6 glucozit của phân tử tinh bột 48

Hình2.1 Dong riềng Hưng yên 51

Hình 2.2 Dong riềng Tuyên Quang 51

Hình 2.3 Khoai lang Hà Bắc 52

Hình 2.4 Khoai lang Hoàng Long 52

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình thí nghiệm xác định khả năng đường hóa 63

Hình 2.6 Sơ đồ quy trình thí nghiệm xác định khả năng lên men 64

Hình 2.7 Sơ đồ quy trình tách tinh bột từ củ 65

Hình 2.8 Sơ đồ quy trình biến tính tinh bột bằng KMnO4 67

Hình 2.9.Sơ đồ quy trình biến tính tinh bột bằng NaClO 68

Hình3.1 Đồ thị biến thiên mật độ quang (OD) theo hàm lượng Am (%) 72 Hình 3.2 Vi ảnh tinh bột khoai lang Hoàng Long 73 Hình 3.3 Vi ảnh tinh bột dong riềng Hưng Yên 74 Hình 3.4 Biểu đồ phân bố kích thước hạt tinh bột khoai lang Hoàng

Long 75 Hình 3.5 Biểu đồ phân bố kích thước hạt tinh bột dong riềng Hưng Yên 75 Hình 3.6.Giản đồ DSC xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột dong riềng 76

Hình 3.7.Giản đồ DSC xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang 76

Hình 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ KMnO4đến độ nhớt tinh bột 78 Hình 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ KMnO4đến độ hòa tan tinh bột 78 Hình 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ KMnO4 đếnđộ bền gel của tinh bột 78 Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến độ nhớt tinh bột biến tính bằng KMnO4 79 Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến độ hòa tan tinh bột biến tính bằng KMnO4 80 Hình 3.13 Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến độ bền gel tinh bột biến tính bằng KMnO4 80 Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến độ nhớt tinh bột biến tính bằng KMnO4 81 Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến độ hòa tan tinh bột biến tính bằng KMnO4 81 Hình 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến độ bền gel tinh bột biến tính bằng KMnO4 81 Hình 3.17.Ảnh hưởng của nồng độ NaClO đến độ nhớt tinh bột biến

Hình 3.18 Ảnh hưởng của nồng độ NaClO đến độ hòa tan tinh bột biến

tính 85 Hình 3.19 Ảnh hưởng của nồng độ NaClO đến độ bền gel tinh bột biến tính 86 Hình 3.20 Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến độ nhớt tinh bột biến tính bằng NaClO 87 Hình 3.21 Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến độ hòa tan tinh bột biến tính bằng NaClO 87 Hình 3.22 Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến độ bền gel tinh bột

biến tính bằng NaClO 87 Hình 3.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến độ nhớt tinh bột biến tính bằng NaClO 88 Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến độ hòa tan tinh bột biến tính bằng NaClO 88 Hình 3.25 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến độ bền gel tinh bột biến tính bằng NaClO 89 Hình 3.26.Mức độ đáp ứng sự mong đợi-biến tính tinh bột dong riềng 97 Hình 3.27.Mức độ đáp ứng sự mong đợi- biến tính tinh bột khoai lang 104 Hình3.28 Đồ thị phân bố kích thước tinh bột dong riềng biến tính 106 Hình 3.29 Giản đồ DSC xác định nhiệt đồ hồ hóa của tinh bột dong

riềng biến tính 106 Hình 3.30 Vi ảnh tinh bột dong riềng gốc (A) và biến tính (B) 107 Hình 3.31 Đồ thị phân bố kích thước tinh bột khoai lang biến tính 108 Hình 3.32 Giản đồ DSC xác định nhiệt đồ hồ hóa của tinh bột khoai

lang biến tính 109 Hình 3.33 Vi ảnh tinh bột khoai lang gốc (A) và biến tính (B) 110 Hình 3.34 Sơ đồ quy trình chế biến giò chay 112 Hình 3.35 Sơ đồ quy trình sản xuất sữa chua 115 Hình 3.36 Sơ đồ quy trình sản xuất nước mắm dạng kem 117

Hình 3.37 Sơ đồ quy trình sản xuất bich quy 120

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Nước ta nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa rất thuận lợi cho việc phát triển nhiều loại cây trồng nói chung và cây lương thực nói riêng Cây lương thực chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất nông nghiệp và là nguồn nguyên liệu chủ yếu của công nghiệp sản xuất tinh bột

Với sự phát triển của khoa học, tinh bột càng ngày càng được ứng dụng rất nhiều, đặc biệt là ngành công nghệ thực phẩm Tuy nhiên, những tính chất của tinh bột nguyên gốc vẫn chưa đáp ứng được một cách tốt nhất cho những sản phẩm công nghiệp hiện nay Xuất phát từ thực tế đó người ta đã tiến hành biến tính tinh bột để tạo ra những tính chất mới phù hợp với yêu cầu sản xuất nhằm đạt được những sản phẩm có chất lượng tốt hơn, giá trị cảm quan cao hơn và tạo

ra những sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người

Ở nước ta, nguồn tinh bột nguyên liệu rất dồi dào và phong phú, song có nhiều sản phẩm vẫn phải sử dụng tinh bột biến tính nhập ngoại, làm tăng giá thành sản phẩm và nhiều khi không thuận lợi trong sản xuất Trong các nguồn tinh bột, các loại củ giàu tinh bột có nhiều đặc tính thuận lợi cho khai thác như hàm lượng tinh bột cao, kết cấu củ mềm, giá thành hạ Cây khoai lang và dong riềng là hai loại cây có củ giàu tinh bột được trồng phổ biến và lâu đời ở nước ta Tinh bột dong riềng có hàm lượng Am cao hứa hẹn khả năng tạo gel tốt Tinh bột khoai lang có hàm lượng Ap cao sẽ có khả năng tạo độ nhớt lớn Với việc biến tính, tạo thêm hoặc cải thiện các tính chất tự nhiên của hai loại tinh bột này hứa hẹn nhiều ứng dụng tốt trong công nghệ thực phẩm, giảm thiểu việc nhập ngoại các loại tinh bột biến tính và phụ gia thực phẩm trong tương lai

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu biến tính tinh bột từ dong riềng, khoai lang và ứng dụng trong sản xuất một số thực phẩm” được tiến hành

với mục tiêu nghiên cứu sự thay đổi một số tính chất quan trọng của tinh bột dong riềng và khoai lang nhằm hướng tới khả năng ứng dụng cho sản xuất thực

phẩm, làm tăng giá trị kinh tế của tinh bột nói riêng và các sản phẩm nông sản nói chung, góp phần thúc đẩy phát triển nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu một số tính chất của tinh bột khoai lang và dong riềng

- Nghiên cứu biến tính tinh bột dong riềng, tinh bột khoai lang bằng phương pháp oxy hóa bằng tác nhân KMnO4 và NaClO

- Nghiên cứu chế độ công nghệ biến tính tinh bột khoai lang, dong riềng thu tinh bột biến tính đáp ứng các tính chất công nghệ thích hợp trong sản xuất

một số thực phẩm

- Nghiên cứu thử nghiệm sử dụng tinh bột biến tính trong sản xuất một số sản phẩm thực phẩm

3 Nội dung nghiên cứu

- Xác định thành phần cơ bản của nguyên liệu dong riềng, khoai lang và tinh bột tách ra từ chúng

- Nghiên cứu thành phần và một số tính chất của tinh bột khoai lang và dong riềng

- Nghiên cứu biến tính tinh bột dong riềng, tinh bột khoai lang bằng phương pháp oxy hóa sử dụng hai tác nhân KMnO4 và NaClO, tìm ra phương án biển tính tối ưu để có được sản phẩm tinh bột biến tính có những tính chất công nghệ phù hợp với việc ứng dụng cho một số sản phẩm thực phẩm

- Xác định một số đặc tính của tinh bột biến tính so sánh với tinh bột chưa biến tính

- Nghiên cứu áp dụng tinh bột biến tính để sản xuất một số sản phẩm thực phẩm

- Đây là công trình nghiên cứu về biến tính tinh bột hướng tới mục tiêu khả năng tạo gel, tạo nhớt và hòa tan của tinh bột biến tính

- Công trình nghiên cứu biến tính tinh bột hướng tới các tính chất chức năng của tinh bột sẽ có nhiều thuận lợi trong việc áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại sản phẩm với những tính chất đặc thù khác nhau

- Công trình đề cập nghiên cứu khả năng chuyển hóa sinh học của tinh bột biến tính, là cơ sở để tiến tới nghiên cứu, xem xét mức độ an toàn, khả năng tiêu hóa của các tinh bột biến tính đã và đang được sử dụng trong sản xuất thực phẩm

5 Ý nghĩa thực tiễn

- Xây dựng được chế độ biến tính tinh bột khoai lang bằng NaClO có thể ứng dụng trong sản xuất một số sản phẩm thực phẩm nhằm cải thiện độ nhớt, độ dẻo, độ phồng nở

- Xây dựng được chế độ biến tính tinh bột dong riềng bằng KMnO4 có thể ứng dụng cho các sản phẩm cần cải thiện độ bền gel

- Sử dụng tinh bột biến tính vào quy trình sản xuất một số sản phẩm thực phẩm có khả năng ứng dụng vào thực tế sản xuất

- Các sản phẩm tinh bột biến tính có khả năng ứng dụng thay thế các tinh bột biến tính nhập ngoại, giúp tăng giá trị kinh tế cho nông sản, thúc đẩy phát triển sản xuất nông nghiệp cũng như công nghiệp chế biến thực phẩm của nước nhà

6 Những điểm mới của đề tài

- Nghiên cứu về sự thay đổi độ bền gel của tinh bột khoai lang và tinh bột dong riềng biến tính bằng phương pháp oxy hóa

- Nghiên cứu biến tính tinh bột để có được các tính chất công nghệ thích hợp cho việc ứng dụng sản xuất một số loại sản phẩm thực phẩm

- Nghiên cứu về khả năng chuyển hóa sinh học của tinh bột biến tính bởi enzym thủy phân tinh bột và nấm men

- Đóng góp thêm các thông tin về thành phần hóa học, tính chất của tinh bột khoai lang và dong riềng

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1.1 L ịch sử phát triển

Khoai lang (Ipomoea batatas) là cây hai lá mầm thuộc họ Bìm bìm

(Convolvulaceae) Trong số khoảng 50 loài và hơn 1000 giống thuộc họ Bìm bìm, chỉ có khoai lang là cây lương thực quan trọng có giá trị kinh tế [73]

Cây khoai lang có nguồn gốc từ Nam Mỹ Những mẫu khoai lang khô thu được tại hang Chilca Canyon (Peru) sau khi phân tích phóng xạ cho thấy chúng

có độ tuổi từ 8.000 đến 10.000 năm Trước khi Colombo phát hiện ra châu Mỹ, cây khoai lang đã được trồng tại Trung Mỹ, Nam Mỹ, vùng Caribbe, Polynesia,

New Zealand [126] Vào năm 1492, trong chuyến vượt biển tìm ra châu Mỹ, Colombo đã phát hiện ra khoai lang được trồng ở Hispaniola và Cuba Từ đó, cây khoai lang mới thực sự lan rộng ở châu Mỹ và di thực ra khắp thế giới [23] Đầu tiên, nó được đưa về Tây Ban Nha, sau đó du nhập vào châu Phi, Ấn Độ, Philippines, Trung Quốc, Nhật Bản…[49]

Theo các tài liệu cổ như sách Thực vật bản thảo, Lĩnh Nam tạp kỉ của Lê Quý Đôn thì cây khoai lang có thể được đưa vào nước ta từ đảo Luzon (Philippines) vào khoảng cuối thời kì nhà Minh cai trị nước ta Theo Biên niên lịch sử cổ trung đại Việt Nam (NXB Khoa học xã hội, 1987): “Năm Mậu Ngọ (1558), khoai lang từ Philippines được đưa vào Việt Nam…” Như vậy, cây khoai lang đã có mặt tại Việt Nam cách đây gần 450 năm [23],[9]

Khoai lang là loài cây thân thảo dạng dây leo, thân bò, có nhựa ở thân và

củ Lá khoai lang mọc so le hình tim hay xẻ thùy chân vịt, các hoa có tràng hợp

và kích thước trung bình Rễ củ ăn được có hình dáng thuôn dài và thon, lớp vỏ

nhẵn nhụi có màu từ đỏ, tím, nâu hay trắng Lớp cùi thịt có màu từ trắng, vàng, cam hay tím

Củ khoai lang là bộ phận rễ phình to chứa tinh bột, mỗi thân khoai lang có thể cho 40-50 củ Các loại khoai có kích thước, hình dạng, màu sắc, các đặc tính

về bảo quản, dinh dưỡng và chế biến khác nhau Chiều dài củ có thể từ vài centimet tới trên 30cm, khối lượng củ từ 100g tới 1kg [4]

Hình 1.1 Cây và củ khoai lang

Cấu tạo của củ khoai lang gồm có 3 phần là vỏ bao, vỏ cùi và thịt củ [13] Khoai lang là loại củ không có lõi, từ cuống củ nối với thân cây có hệ thống xơ chạy dọc theo củ [2] Các mắt củ có thể là rễ nhỏ hay mầm

Phần vỏ bao chiếm khoảng 1% khối lượng toàn củ, gồm những tế bào hình

tứ giác, có thành dày chứa sắc tố, xếp hàng ngang và xít nhau Thành tế bào chủ yếu gồm xenluloza, bảo vệ củ chống lại các tác động cơ học

Phần vỏ cùi có ranh giới không rõ rệt với thịt củ, chiếm 5 – 10% khối lượng toàn củ Vỏ cùi gồm những tế bào dạng tinh thể, thành mỏng, chứa tinh bột, nguyên sinh chất, dịch thể (chất mủ), sắc tố, enzym

Phần thịt củ gồm những tế bào nhu mô chứa tinh bột, đường, các hợp chất nitơ, các nguyên tố vi lượng…[9]

• Phân loại

Người ta có nhiều cách phân loại khoai lang

a Theo mục đích sử dụng:

- Các giống dùng cho chế biến tinh bột có năng suất củ cao, hàm lượng tinh bột lớn như khoai Hoàng Long, KB1…

- Các giống dùng để ăn củ tươi có hàm lượng chất khô lớn, đặc biệt là hàm lượng tinh bột và đường tự do cao, chất lượng thơm ngon như khoai Lim, Hoàng Long…

- Các giống sử dụng thân, lá làm rau cho người và dùng trong chăn nuôi có năng suất lá cao, củ ngọt, năng suất củ trung bình như KL5, K51…[9]

- Vụ Xuân (trồng tháng 2-3, thu hoạch tháng 6-7, trên cả nước)

- Vụ Hè Thu (trồng tháng 5-6, thu hoạch tháng 8-10, chủ yếu ở các tỉnh phía Nam)

Khoai lang cũng có thể được phân loại theo màu sắc vỏ khoai, màu sắc thịt củ… [4],[24]

*Gluxit: Là thành phần chủ yếu, chiếm tỉ lệ lớn nhất và có ý nghĩa nhất trong củ khoai lang Hàm lượng gluxit chiếm tới 80 – 90% chất khô tương đương 24 – 27% trọng lượng củ tươi

- Tinh bột: là thành phần chủ yếu trong các chất gluxit Hàm lượng tinh

bột trung bình của khoai lang khoảng 60 – 70% chất khô, tương đương với khoảng 18% trọng lượng củ tươi Với các giống khoai Việt Nam con số này dao động trong khoảng khá lớn 9,3 – 31,2% , nói chung khoai trồng vụ xuân hè có hàm lượng tinh bột cao hơn vụ đông [38]

- Đường: trong khoai có hàm lượng khá cao Các kết quả nghiên cứu

khoai lang ở Việt nam vào vụ đông năm 2000 có hàm lượng đường khoảng 13,98 – 22,7 % [38] Đường trong khoai lang vừa có giá trị dinh dưỡng vừa đem lại giá trị cảm quan cho sản phẩm, đặc biệt các sản phẩm chế biến trực tiếp từ củ tươi

*Protein: Hàm lượng protein của khoai phụ thuộc vào giống, điều kiện khí hậu, đất đai, kĩ thuật canh tác, mùa vụ…Hàm lượng protein thô của khoai lang

biến động trong khoảng khá lớn 1,3 – 10% chất khô [13]

*Hợp chất polyphenol: Trong củ khoai có chứa một số hợp chất

polyphenol, với hàm lượng khoảng 0,16% phân bố khá đều trong vỏ và thịt củ Hiện tượng oxy hóa hợp chất polyphenol là nguyên nhân chính gây màu thâm

đen cho các sản phẩm chế biến từ củ, giảm độ trắng của tinh bột khoai lang [19]

Củ khoai lang khi nảy mầm lượng enzym amylaza tăng lên đáng kể khiến cho hàm lượng đường tăng lên [9], [10]

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của củ khoai lang, trên 100g củ [2]

% ăn

được

Khoai lang là nguồn thức ăn giàu tinh bột, vitamin và muối khoáng nhưng hàm lượng protein thấp Trước đây người ta thường dùng khoai lang làm nguồn lương thực sử dụng trực tiếp với cách thức sử dụng đơn giản: luộc, nướng, nấu cháo…Trong vài ba thập kỉ gần đây, việc sử dụng khoai lang đã có những thay đổi cơ bản Cùng với cách ăn truyền thống, ở một số nước như Philipin, Trung quốc, Đài loan, Nhật… khoai lang còn được chế biến thành nhiều sản phẩm hấp dẫn như khoai đóng hộp, nước sốt khoai, mứt khoai… Khoai tươi cũng được chế biến thành các dạng bột để phối chế sản xuất các loại snack, thực phẩm ăn kiêng…Khoai lang cũng được dùng để khai thác tinh bột làm nguyên liệu cho

nhiều ngành công nghiệp khác

Ở nước ta khoai lang được dùng chế biến ăn trực tiếp như luộc, nướng Một số địa phương có sản phẩm khoai deo Khoai lang cũng được chế biến thành dạng khô, khai thác tinh bột nhưng nói chung là sản lượng thấp

Gần đây ở một số nước như Nhật bản đã nghiên cứu và sản xuất thành công một số sản phẩm từ tinh bột khoai lang như xyclodextrin, oligosaccarit có giá trị kinh tế rất cao vì chúng được sử dụng với vai trò đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, dược phẩm [13]

1.2 GIỚI THIỆU CÂY DONG RIỀNG

1.2 1 Lịch sử phát triển

Dong riềng (Canna edulis Ker) là cây thân thảo, thuộc họ Cannaceae có

nguồn gốc phát sinh từ Peru Nam Mỹ [24] Nam Mỹ là trung tâm đa dạng của dong riềng nhưng Châu Á, Châu Úc, Châu Phi là nơi sử dụng dong riềng nhiều nhất Theo thống kê chưa đầy đủ, diện tích trồng dong riềng trên thế giới ước tính khoảng 200 – 300 nghìn ha Năng suất bình quân đạt khoảng 30 tấn/ha

Ở Việt Nam dong riềng được du nhập vào từ thế kỉ XIX Năm 1898 người Pháp đã trồng thử dong riềng ở nước ta nhưng phải dừng lại vì thời đó chúng ta chưa biết cách chế biến

Châu Phi là châu lục có sản lượng và diện tích dong riềng lớn nhất thế giới với năng xuất trung bình 30tấn/ha Ở châu Á, Trung quốc là nước sản xuất nhiều dong riềng Ở Việt Nam, dong riềng được trồng với diện tích khoảng 30.000 ha, sản xuất hàng năm gần 300.000 tấn củ tươi Dong riềng có sức sống mạnh, có khả năng thích nghi cao với điều kiện ngoại cảnh, chống đỡ sâu bệnh tốt nhưng chịu úng kém, thường được được trồng ở những chân ruộng hạn, đất dốc Củ dong riềng chủ yếu dùng trong sản xuất tinh bột, miến Các tỉnh trồng và sử dụng nhiều dong riềng trước đây là Hà tây, Sơn tây, Huế, Đồng Nai [24] Gần đây một

số địa phương khác cũng phát triển cây dong riềng như Nghệ an, Tuyên Quang, Hưng Yên…Ở miền Bắc nước ta dong riềng thường được trồng từ tháng 2 đến tháng 11 thu hoạch để ăn củ tươi có thể sau 6 đến 8 tháng, nhưng để khai thác tinh bột thì sau khi trồng 1 đến 1,5 năm là tốt nhất

Dong riềng (Canna edulis Ker) là cây thân thảo, họ chuối hoa (cannaceae) có

nhiều tên gọi khác nhau tùy theo từng địa phương như khoai chuối, khoai lào, dong tây, khoai riềng, củ đót, chuối nước

Cây dong riềng có chiều cao trung bình từ 1,2 đến 1,5m, có cây cao trên 2,5m, thường có màu xanh hoặc xanh xen tía Thân gồm những đốt dài tiếp phần

củ Thân rễ phình to thành củ giống hình củ riềng, nhưng to hơn, chiều dài đạt tới 60 cm, phân nhiều nhánh và chứa nhiều tinh bột, nằm trong đất Thân rễ gồm nhiều đốt, mỗi đốt có một lá vảy, lúc mới ra lá vảy có hình chóp nhọn, khi lá to,

lá vảy bị rách ra và tiêu dần Trên mỗi đốt của thân củ có những mầm có thể phát triển thành nhánh Nhánh của củ có thể chia thành các nhánh cấp 1 đến cấp 3 Vỏ của thân củ có màu biến động từ trắng đến vàng kem và hồng tía Kích thước củ biến động khá lớn tùy thuộc vào điều kiện chăm bón

Giải phẫu thân rễ cho thấy phía ngoài cùng của củ là biểu bì gồm những tế bào dẹt, tiếp là nhu mô và bên trong có những bó cương mô và những bó mạch

dẫn, libe (mạch rây) và gỗ Những tế bào nhu mô ở đây chỉ chứa một số hạt tinh

bột Vào trong nữa là lớp trụ bì rất rõ và trong cùng là nhu mô chứa nhiều hạt

tinh bột [10]

Hình1 2 Cây và củ dong riềng

Phân loại:

Cây dong riềng, loài Canna edulis ker thuộc chi ngải hoa (canna), họ

chuối hoa (Cannaceae)

Dong riềng trồng có hai dạng chính là: dong đỏ và dong trắng

Trong tập đoàn 36 giống dong riềng địa phương thu thập giai đoạn

1994-2003, đã phân biệt rõ 6 nhóm dong riềng trên cơ sở màu sắc lá, chiều cao cây và

màu hoa đó là:

- Nhóm giống cây cao, lá rộng có màu xanh tía, gân tía

- Nhóm giống cây cao, lá hẹp có màu xanh tía, gân tía

- Nhóm giống cây trung bình, lá hẹp có màu xanh xen tía, gân tía

- Nhóm giống cây cao, lá hẹp màu xanh

- Nhóm giống cây cao, lá rộng màu xanh, hoa đỏ

- Nhóm giống cây cao, lá rộng, màu xanh, hoa vàng

Trong đó dạng cây cao, lá rộng, có màu xanh xen tía và hoa đỏ có số

lượng mẫu giống nhiều hơn cả trong tập đoàn

Các thành phần dinh dưỡng khác như protit, lipit vitamin có hàm lượng thấp Hàm lượng xenluloza trong dong riềng khá cao, cấu trúc xơ dài và bền

Trong củ dong riềng còn có các hợp chất polyphenol, với hàm lượng khoảng 0,16% Khi nghiền củ, các hợp chất này bị ô xy hóa tạo các chất màu thâm đen, hấp phụ vào làm giảm độ trắng của tinh bột [19]

Củ dong riềng có nhiều công dụng: luộc để người ăn, làm bột, nấu rượu Tinh bột dong riềng có thể làm hạt trân châu, miến, bánh đa, và các loại thức ăn tổng hợp khác Tinh bột dong riềng có hàm lượng amyloza thuộc loại cao, nên có nhiều lợi thế để sản xuất các sản phẩm cần độ dai, giòn như miến, trân châu

Ở nước ta, một sản lượng rất lớn dong riềng được dùng để sản xuất miến Miến sản xuất từ tinh bột dong riềng dai, giòn rất được ưa chuộng Có nhiều làng nghề phát triển kinh tế rất tốt nhờ sản phẩm miến như ở Đông thọ - Thái Bình,

Hoài Đức – Hà Nội Dong riềng chế biến thành bột thu lợi hơn cả trồng lúa trong điều kiện khó khăn

Ngoài ra, dong riềng còn có nhiều công dụng khác Trong thân cây dong

riềng có sợi màu trắng, có thể sử dụng chế biến thành sợi dệt, thành các loại bao

bì nhỏ Cả củ, thân, lá đều có thể sử dụng để làm thức ăn chăn nuôi

1.3 GIỚI THIỆU VỀ TINH BỘT

Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bao gồm hai hợp phần chính là amyloza và amylopectin Ngoài hai thành phần này tinh bột còn có một phần rất nhỏ các chất béo, protein và các chất tro Trong các thành phần phụ lipit

là đáng kể nhất Các chất béo thường là axit béo và phospholipit chúng thường liên kết với thành phần amyloza và phần lớn nằm trên bề mặt hạt tinh bột [13]

Amyloza và amylopectin là hai polyme cấu tạo từ các đường đơn α-D- glucoza, amyloza có cấu tạo mạch thẳng còn amylopectin có cấu tạo mạch nhánh Đặc điểm cấu tạo và tỷ lệ của chúng sẽ quyết định tính chất của tinh bột Trong đa số các loại tinh bột tỷ lệ Am/Ap xấp xỉ ¼ Các loại tinh bột khác nhau thì hàm lượng amyloza và amylopectin cũng khác nhau Thường trong tinh bột loại nếp (ngô nếp, gạo nếp) hàm lượng amylopectin gần như là 100% Còn trong các loại tinh bột dong riềng, đậu xanh hàm lượng amyloza chiếm trên dưới 50% [33]

Bảng 1.3 Hàm lượng Am của một số tinh bột

Amyloza

Ban đầu người ta biết đến amyloza là một chuỗi polyme có cấu trúc mạch thẳng của các phân tử D-glucoza gắn với nhau bởi liên kết α-1,4 glucozit tạo chuỗi dài từ 200 đến hàng nghìn phân tử glucoza Phân tử amyloza có một đầu khử và một đầu không khử Khi bị thủy phân hoàn toàn tạo ra đường maltoza và glucoza

Về sau này người ta đã xác định được rằng amyloza cũng có cấu trúc phân nhánh Bằng các thí nghiệm thủy phân amyloza bằng các enzym khác nhau và oxi hóa đầu khử của mạch bởi periodat người ta thấy rằng phân tử amyloza có trung bình từ 0 đến 2,3 mạch nhánh với mức độ trùng hợp từ 620 (tinh bột hoa huệ tây) đến 1300 (tinh bột sắn) Miasaka và Smith thì cho rằng trong tinh bột ngô và khoai tây thì cứ 300 đến 400 đơn vị glucoza có một liên kết nhánh Trong hạt tinh bột, trong dung dịch hay trạng thái thoái hóa phân tử amyloza tồn tại ở trạng thái mạch giãn, còn khi có tác nhân kết tủa thì Am tồn tại trạng thái xoắn

ốc, với mỗi vòng 6 gốc glucoza đường kính vòng xoắn 12,97Å chiều cao 7,91 Å

Có thể pha chế được dung dịch nước amyloza khi đun ở nhiệt độ cao và dưới áp suất Khi ở 150ºC thì phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn

Trong đa số trường hợp dung dịch amyloza rất nhanh chóng tạo keo thậm chí ngay cả khi ở nhiệt độ cao Tốc độ tạo keo là hàm số của thời gian, nhiệt độ,

pH, nồng độ và phương pháp hòa tan amyloza

Amyloza thường hòa tan trong các dung môi sau: cloralhydrat; formamit; axit đicloaxetic; pirolidin; đimetylsulfoxit; axetamic; etilenđiamin; piperazin ; axit formic

Dung dịch amyloza trong đa số các dung môi này đều có độ nhớt cao Dung môi tốt nhất của amyloza là đimetylsulfoxit Nếu dung môi khan thì có thể hòa tan được 50% khối lượng amyloza có độ ẩm từ 7-10% Sau đó nếu thêm nước vào thì amyloza lại kết tủa

 Tính lưu biến

Các phân tử amyloza thường tuyến tính và đều đặn, do đó trong dung dịch chúng có khuynh hướng liên kết lại với nhau để tạo ra tinh thể Khi sự liên hợp xảy ra với tốc độ tối thiểu thì Am sẽ tạo ra khối không tan của các hạt đã thoái hóa, khi tốc độ liên hợp cực đại thì amyloza chuyển thành thể keo

Amyloza đã thoái hóa thường không tan trong nước lạnh, nhưng lại có khả năng hấp thụ một lượng nước lớn Một số amyloza có thể hấp thụ một lượng nước gấp bốn lần trọng lượng của nó

Ở nhiệt độ thường keo amyloza là một khối trắng đục không thuận nghịch, không thấy hiện tượng co Nghiên cứu keo amyloza bằng kính hiển vi, người ta thấy chúng có cấu trúc hạt rõ rệt, chứng tỏ có tính không tan của kiểu tinh thể

Vậy, sự khác nhau giữa thoái hóa và tạo keo chỉ là mức độ định hướng

Độ bền của keo amyloza do nồng độ và thời gian quyết định Khi khô keo trở nên cứng giòn và không thể trở về trạng thái ban đầu được nữa

 Phản ứng với iôt

Khi tương tác với iốt amyloza cho phức màu xanh đặc trưng Vì vậy, người ta dùng phương pháp trắc quang để xác định hàm lượng Am thông qua việc xác định cường độ màu của phức này

Tác nhân của phản ứng là HI hoặc iôtđua Iốt tinh khiết không cho màu xanh khi thêm vào tinh bột hoặc amyloza

Để có thể phản ứng được với iôt phân tử amyloza phải có dạng vòng hoặc xoắn ốc Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucoza không cho phản ứng với iốt vì không tạo được vòng xoắn ốc hoàn chỉnh

Amyloza có hình xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iôt tương ứng với một vòng xoắn ốc một phân tử iôt Trong phức iôt – Am các phân tử iôt chui vào vùng ưa béo của xoắn ốc amyloza tạo thành một chuỗi các nguyên tử iốt nằm cạnh nhau

Phản ứng xảy ra dễ dàng khi amyloza khô tương tác với hơi iôt Nếu amyloza đã có cấu hình không gian thích hợp để tạo phức thì nước không phải là yếu tố cần thiết Vai trò của nước là để cho các phân tử amyloza và iôt chuyển động được tự do và để tạo điều kiện cho việc hình thành cấu hình xoắn ốc Ngoài

ra amyloza cũng có khả năng tạo phức với rất nhiều hợp chất hữu cơ có cực và không cực khác nhau như: các rượu no, các rượu vòng, các phenol, các axit béo

 Sự thoái hóa của amyloza

Hiện tượng hạt tinh bột sau khi hồ hóa chuyển trở về trạng thái kết tinh ban đầu gọi là sự thoái hóa Hiện tượng thoái hóa là kết quả của sự tạo thành liên kết hyđro giữa các phân tử amyloza vừa có nhóm hyđroxyl, vừa có nhóm tiếp nhận hyđro, giữa các phân tử amyloza mạch đã giãn thường định hướng với nhau dễ dàng và tự do hơn giữa các phân tử amylopectin cứng nhắc Do đó, sự thoái hóa liên quan nhiều đến amyloza Quá trình thoái hóa gồm ba giai đoạn:

- Đầu tiên các mạch được uốn thẳng lại

- Tiếp đến vỏ hyđrat bị mất và các mạch được định hướng

- Cuối cùng là sự tạo thành liên kết hyđro giữa các nhóm hyđroxyl của amyloza

Do cấu tạo của amyloza cho khả năng tạo được một số lớn liên kết hyđro giữa các phân tử cạnh nhau nên dung dịch amyloza vô cùng không bền vững Khi nồng độ amyloza lớn hơn 2% thì các liên kết hyđro được hình thành một cách rộng rãi giữa nhiều phân tử cạnh nhau và thể keo tụ được hình thành Khi nồng độ thấp hơn hoặc khi ở điều kiện nhiệt độ được kiểm tra thì các phân tử sẽ định hướng với nhau và tạo ra nhiều tinh thể Khi tập hợp tinh thể vượt trên kích thước keo thì sẽ tạo ra kết tủa

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thoái hóa của Am

Tốc độ thoái hóa đạt cực đại khi pH = 7 và sẽ giảm khi tăng hoặc giảm pH

pH cao hơn 10 sự thoái hóa không xảy ra, còn khi pH thấp hơn 2 thì tốc độ thoái hóa vô cùng bé[33]

Amylopectin

Cấu tạo

Amylopectin có mạch phân nhánh do các gốc α-D glucozit kết hợp với nhau bằng liên kết α 1,4 glucozit, còn ở điểm phân nhánh thì bằng liên kết α-1,6 glucozit

Hình 1 4 Cấu tạo phân tử amylopectin

Phân tử amylopectin lớn và dị thể hơn Am nhiều (bằng phương pháp tán xạ

ánh sáng người ta đã xác định được phân tử lượng của một amylopectin vào khoảng 5.108

)

Trong quá trình nghiên cứu đã xuất hiện nhiều giả thuyết khác nhau về cấu trúc của phân tử amylopectin Tuy nhiên hiện nay các nhà nghiên cứu đều thống nhất theo đề nghị của Peat đưa ra vào năm 1952 Theo thuyết này phân tử amylopectin được chia làm 3 phần:

• Mạch A: không phân nhánh, một đầu mạch A liên kết với các mạch khác bằng liên kết α 1- 6 glucozit

• Mạch B: dạng mạch có nhánh do một hoặc nhiều mạch A nối vào

• Mạch C: Mạch duy nhất trong phân tử amylopectin mang gốc glucoza có tính khử

Tỷ số giữa mạch A và mạch B mô tả mức độ phân nhánh của amylopectin, thường có giá trị khoảng 8-2,2 theo tỷ lệ mol và 0,4-1 theo khối lượng phân tử

Do có cấu tạo phân nhánh phức tạp, phân tử amylopectin có cấu tạo như những chùm nho trong đó có xen kẽ hai loại vùng:

• Vùng kết tinh: có cấu tạo chặt, sắp xếp có trật tự và có độ tinh thể do đó bị thủy phân khó khăn

• Vùng vô định hình: sắp xếp kém trật tự có nhiều điểm phân nhánh và không có độ tinh thể gọi là vùng vô định hình, dễ dàng bị thủy phân[12]

Hình 1.5 Mô hình cấu tạo phân tử amylopectin của tinh bột khoai tây [56]

Khối lượng phân tử trung bình 4-5 108

(2,5-3.106 DP) Mức độ trùng hợp trung bình của amylopectin gạo khoảng 5000 - 13.000, của cọ 10.000 - 40.000 [120]

Tỷ lệ nhóm cuối không khử/ nhóm cuối khử thường là một vài trăm

Mạch A được liên kết với các mạch khác bằng liên kết α-1-6, không có mạch

mạch nhánh và mức độ trùng hợp bằng 15 Mạch B thường có một hoặc vài nhánh A nối vào Mạch C là mạch duy nhất trong phân tử có mang gốc glucoza khử Một số mạch B tham gia vào cấu tạo của hai chùm, xuyên qua hai vùng có trật tự và hai vùng kém trật tự, thường có mức độ trùng hợp bằng 45

Tính chất của amylopectin

Amylopectin không có khả năng liên kết với butanol hoặc những hợp chất hữu cơ khác Khi hòa tan trong nước sôi, amylopectin sẽ tạo ra dung dịch có độ nhớt cao và rất bền vững

Amylopectin được đặc trưng bởi các thông số: độ nhớt đặc trưng, giá trị xanh (blue value), ái lực với iot (IA), λmax, khối lượng phân tử, tỷ lệ mạch nhánh A/B, phân bố chiều dài mạch, giới hạn thủy phân bởi β amylaza Các giá trị này thay đổi tùy theo loại tinh bột và nó cũng phụ thuộc vào giống cây trồng, điều kiện thổ nhưỡng, canh tác, thu hoạch trong một khoảng giá trị nhất định

Nhìn chung các loại amylopectin λmax:530-550 nm; BV <0.2 và IA<1 Những mẫu tinh bột có tỷ lệ phân bố chiều dài mạch lớn có thể cho các giá trị này cao hơn các loại khác Giới hạn thủy phân bởi β amilaza khoảng 55-61% [120]

Bên cạnh 2 thành phần chính là amyloza và amylopectin, người ta cũng đã quan sát thấy các phân tử trung gian giữa 2 cấu tử này Cơ sở để xác định chúng

là mức độ phân nhánh và khối lượng phân tử Tuy nhiên giới hạn các đặc tính này giữa Am và Ap còn chưa rõ ràng vì vậy khó có thể tách hoàn toàn các phần

tử này, thậm chí khái niệm về nó cũng chưa được rõ ràng

Ngoài hai thành phần chính là amyloza và amilopectin, tinh bột cũng có thể còn chứa một số thành phần khác như các phospho liên kết, protein, lipit, các

chất khoáng Hầu hết các thành phần này có hàm lượng rất nhỏ đôi khi chỉ là vết

Sự có mặt của các thành phần này có thể tác động đến tính chất của tinh bột

Hạt tinh bột của tất cả các hệ thống có hình tròn, hình bầu dục hay hình đa diện Hạt tinh bột khoai tây lớn nhất và bé nhất là hạt tinh bột thóc Hình dáng, cấu tạo và kích thước hạt tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt

và quá trình sinh trưởng của cây

Bảng 1.4 Kích thước của một số loại tinh bột [91]

Tên gọi Dải kích thước

(μm)

Đường kính trung bình, (μm)

dài từ 0,35-0,75 μm trong khi đó chiều dày của mỗi lớp tinh bột là 0,1 μm, mặt khác các phân tử sắp xếp theo phương hướng tâm nên các mạch glucozit của các

polysaccarit phải ở dạng gấp khúc nhiều lần Bằng kính hiển vi điện tử người ta

đã quan sát được cấu trúc phân tầng của hạt tinh bột

Tinh bột khoai tây [55] Tinh bột sắn [54] Tinh bột khoai lang[54]

Tinh bột lúa mì [116]

Hình 1.7.Ảnh chụp cấu trúc phân tầng hạt tinh bột khoai tây [128]

Nhìn qua kính hiển vi có thể thấy một loạt các lớp đồng tâm hoặc không xung quanh rốn hạt Về bản chất của các lớp đồng tâm này có nhiều giả thiết Trước đây người ta đã từng cho rằng các lớp khác nhau là do nồng độ các chất khác nhau, cường độ ánh sáng, lượng nước cung cấp và các yếu tố môi trường thay đổi trong quá trình bồi đắp

Hình 1.8 Cấu trúc vòng của các mẫu tinh bột

từ các điều kiện trồng khác nhau [57]

Tuy nhiên điều này lại không phù hợp với một số trường hợp khác như với tinh bột khoai tây các cấu trúc mỏng và dày đều được hình thành trong điều kiện không đổi Khi thủy phân tinh bột, người ta thấy các lớp mỏng hiện ra dường

như có cấu trúc chặt chẽ hơn, trong khi các vùng xen kẽ giữa chúng sắp xếp lỏng lẻo hơn Bencher & Holzl dự đoán rằng các lớp chặt là vùng kết tinh, còn các lớp lỏng là vùng vô định hình

Cấu trúc phần kết tinh và phần vô định hình

Trước đây người ta cho rằng vùng kết tinh được cấu tạo bởi các phân tử amylopectin Tuy nhiên trong các nghiên cứu với tinh bột ngô và khoai tây người

ta thấy rằng khi gia nhiệt có 50% amyloza của tinh bột ngô khuếch tán ra trong khi với khoai tây con số này là 20% Như vậy chứng tỏ amyloza còn lại nằm trong vùng kết tinh Điều đó có nghĩa là cả hai thành phần amyloza và amylopectin đều tham gia tạo tinh thể Khối lượng vật chất vùng kết tinh khoảng 60%, trong khi tỷ lệ vùng kết tinh khoảng 0-24%

Phần vô định hình của tinh bột bao gồm chủ yếu là các mạch nhánh của amylopectin, ngoài ra còn chứa một ít amyloza và phức amylo-lipit