Nghiên cứu tinh bột biến tính ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Tinh bột biến tính thể hiện nhiều tính chất nổi bật so với tinh bột chưa biến tính như độ trong của gel, độ hòa tan, độ trương nở, đặc tính về độ nhớt nóng và lạnh, khả năn

. LỜI CẢM ƠN

Trải qua suốt một chặng đường dài học tập và nghiên cứu miệt mài tại ngôi trường Bách Khoa, em đã có được những kiến thức chuyên ngành cần thiết và những kinh nghiệm quý báu để sẵn sàng trở thành một nhà công nghệ, đem khoa học kỹ thuật ứng dụng vào thực tế sản xuất Có được kết quả như ngày hôm nay, em xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc tới TS Lương Hồng Nga, cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian hơn 2 năm qua cho tới khi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Lâm Xuân Thanh, PGS.TS Lê Thanh Mai, PGS.TS Hồ Phú Hà, TS Chu Kỳ Sơn, cùng các thầy cô giáo, các anh chị cán bộ đang làm việc và nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm thuộc Viện công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm đã tận tình chỉ dẫn, truyền đạt cho em những ý kiến chuyên môn và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Xin cảm ơn các bạn, các anh chị cùng phòng thí nghiệm, các bạn Thực Phẩm 1 đã luôn giúp đỡ và chia sẻ những khó khăn vất vả trong suốt thời gian thực hiện đề tại nghiên cứu !

Cuối cùng, em xin cảm ơn bố mẹ, gia đình, tất cả người thân, bạn bè đã luôn bên

em động viên và ủng hộ em hoàn thành đề tài nghiên cứu này!

Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2014

Tác giả

Vũ Văn Du

. LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi nghiên cứu và thực hiện, số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong nghiên cứu này đều được chỉ rõ nguồn gốc Nếu như luận văn có vấn đề, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2014

Tác giả

Vũ Văn Du

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT 1

1.1.1 Tinh bột 1

1.1.2 Hình dạng, kích thước của hạt tinh bột 1

1.1.2.1 Hình dáng hạt tinh bột 1

1.1.2.2 Kích thước hạt tinh bột 2

1.1.3 Cấu trúc của hạt tinh bột 2

1.1.3.1 Đặc điểm cấu tạo chung 2

1.1.3.2 Cấu tạo amylose và amylopectin 3

1.1.4 Các dạng cấu trúc trong hạt tinh bột 8

1.2 Tổng quan về tinh bột dong riềng và tinh bột sắn 13

1.2.1 Đặc điểm của tinh bột dong riềng 13

1.2.2 Đặc điểm của tinh bột sắn 15

1.3 Biến tính tinh bột 17

1.3.1 Tổng quan về biến tính tinh bột 17

1.3.2 Ứng dụng của tinh bột biến tính 25

1.3.3 Tinh bột Hydroxypropylate (HPS) và các nghiên cứu về tinh bột hydroxypropylate 27

1.3.3.1 Cơ chế và điều kiện phản ứng 28

1.2.3.2 Tính chất và ứng dụng của tinh bột HPS 31

1.2.3.3 Phương diện dinh dưỡng 33

1.3.4 Tinh bột acetate (AS) và các nghiên cứu về tinh bột acetate 34

1.3.4.1 Cơ chế và điều kiện phản ứng 34

1.3.4.2 Tính chất và ứng dụng của tinh bột acetate 35

1.3.4.3 Phương diện dinh dưỡng 37

1.3.5 Tinh bột Phosphate (PS) và các nghiên cứu về tinh bột phosphate 38

1.3.5.1 Cơ chế và điều kiện phản ứng 38

1.3.5.2 Tính chất và ứng dụng của tinh bột phosphate 39

1.3.5.3 Phương diện dinh dưỡng 40

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.1 Vật liệu 43

2.1.1 Nguyên liệu 43

2.1.2 Hóa chất 43

2.1.3 Thiết bị sử dụng 43

2.2 Phương pháp nghiên cứu 44

2.2.1 Phương pháp biến tính tinh bột 44

2.2.1.1 Phương pháp biến tính tinh bột hydroxypropylate 44

2.2.1.2 Phương pháp biến tính tinh bột phosphate 44

2.2.1.3 Phương pháp biến tính tinh bột acetate 44

2.2.2 Phương pháp phân tích hóa lý 45

2.2.2.1 Phương pháp xác định độ ẩm của tinh bột (TCVN 4846-89) 45

2.2.1.2 Phương pháp xác định pH của tinh bột 46

2.2.1.3 Phương pháp xác định hàm lượng nhóm hydroxypropyl trong tinh bột HPS 46 2.2.1.4 Phương pháp xác định hàm lượng nhóm acetyl trong tinh bột AS 47 2.2.1.5 Phương pháp xác định hàm lượng Phospho trong tinh bột 48

2.2.1.6 Phương pháp xác định độ ổn định lạnh đông – rã đông của gel tinh bột 50 2.2.1.7 Phương pháp xác định đặc tính cấu trúc gel tinh bột 51

2.2.1.8 Phương pháp xác định độ trương nở - hòa tan của tinh bột 51

2.2.1.9 Phương pháp xác định độ trong của dịch tinh bột 52

2.2.3 Quy trình sản xuất Mochi và phương pháp xác định các tính chất cấu trúc 53 2.2.3.1 Quy trình sản xuất Mochi 53

2.3.3.2 Phương pháp phân tích cấu trúc bánh Mochi (TPA) 54

2.2.4 Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) và phân nhóm (HCA) 55 2.2.5 Xử lý số liệu và tính toán thống kê 56

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57

3.1 Tính chất của nguyên liệu 57 3.2 Tính chất của tinh bột biến tính hydroxypropylate, phosphate và acetylate

59

3.2.1 Độ ẩm và pH của tinh bột biến tính 59

3.2.2 Xác định mức độ thay thế DS và hàm lượng nhóm thế của tinh bột biến tính 60 3.3 Ảnh hưởng của các quá trình biến tính tới tính chất của tinh bột 62

3.3.1 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ trương nở - hòa tan của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 62

3.3.2 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới sự ổn định định lạnh đông – rã đông 66

3.3.3 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ trong dịch hồ 70

3.3.4 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới đặc tính cấu trúc gel 72 3.3.4.1 Ảnh hưởng của các quá trình biến tính tới độ bền của gel 72

3.3.4.2 Ảnh hưởng của các quá trình biến tính tới độ bám dính của gel 75

3.4 Thảo luận về ảnh hưởng của các phương pháp biến tính đến tính chất của tinh bột 76

3.5 Thảo luận về ảnh hưởng của nguồn gốc tinh bột đến tính chất của tinh bột biến tính 79

3.5.1 Tính chất đặc trưng của tinh bột sắn biến tính 80

3.5.2 Tính chất đặc trưng của tinh bột dong riềng biến tính 81

3.6 Ứng dụng 83

3.6.1 Ảnh hưởng của tinh bột biến tính PECS tới độ cứng của Mochi 84

3.6.2 Ảnh hưởng của tinh bột biến tính PECS tới độ bám dính của bánh Mochi 84 3.6.3 Ảnh hưởng của tinh bột biến tính PECS tới các tính chất cấu trúc khác của bánh Mochi 85

KẾT LUẬN 87

KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC 99

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AECS Acetylated Edible

ANOVA ANalysis Of VAriance Phân tích phương sai

Organization

Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

FDA Food and Drug

PCS Phosphorylated Cassava

Starch

Tinh bột sắn Phosphate

PECS Phosphorylated Edible

Canna Starch

Tinh bột dong riềng Phosphate

STTP Sodium

STMP Sodium

TPA Texture Profile Analysis Phân tích đặc tính cấu trúc

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Liên kết α(1→4) 3

Hình 1 2 Giả thiết về cấu trúc của amylose của Jay-lin Jane 4

Hình 1 3 Các phân tử iodine bên trong cấu trúc xoắn của amylose 4

Hình 1 4 Liên kết α – D – 1,4 – glucozit và α – D – 1,6 – glucozit 5

Hình 1 5 Các giả thuyết về cấu trúc của amylopectin 6

Hình 1 6 Hình ảnh mô phỏng chuỗi xoắn kép trong tinh thể tinh bột và mô hình cụm của phân tử amylopectin kết hợp với cấu trúc xoắn kép tách đôi 7

Hình 1 7 Sự phân lớp của hạt và cấu tạo vỏ hạt 8

Hình 1 8 Hình ảnh tổng quan về cấu trúc hạt tinh bột 9

Hình 1 9 Cấu trúc dạng sợi của tinh bột 10

Hình 1 10 Ảnh X-ray của 3 kiểu cấu trúc của tinh bột A (gạo nếp), B (khoai tây), C (hạt sen) 10

Hình 1 11 Cấu trúc tinh thể dạng A của tinh bột 11

Hình 1 12 Cấu trúc tinh thể dạng B 12

Hình 1 13 Kích thước hạt tinh bột dong riềng chụp qua SEM 13

Hình 1 14 Hình ảnh nhiễu xạ tia X của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 14

Hình 1 15 Độ trương nở và độ trong của tinh bột dong riềng so với tinh bột sắn, khoai tây và khoai lang 15

Hình 1 16 Các phương pháp biến tính tinh bột chính được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm 18

Hình 1 17 Sự phân cắt mạch tinh bột bởi enzyme 20

Hình 1 18 Phản ứng chính xảy ra trong quá trình oxy hóa tinh bột 21

Hình 1 19 Cấu trúc của hạt tinh bột được tạo liên kết ngang Mỗi cầu nối X tượng trưng cho một kết ngang (liên kết hóa trị) 24

Hình 1 20 Mô tả sự hoạt động của các nhóm thế có vai trò như những “nhóm khóa” (blocking group) trong chuỗi polymer tinh bột 25

Hình 1 21 Phản ứng giữa propylen oxide và tinh bột trong môi trường kiềm 29 Hình 1 22 Cấu tạo của propylene oxide 29 Hình 1 23 Mô tả sự thay thế nhóm hydroxypropyl vào các vị trí C–2, C–3, C–6 30 Hình 1 24 Cơ chế quá trình acetate hóa tinh bột (ST) trong môi trường kiềm với acetic anhydride 35 Hình 1 25 Quá trình phosphoryl hóa tạo 38 Hình 2 1 Quy trình sản xuất Mochi 53 Hình 3 1 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ trương nở ở 85oC của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 63 Hình 3 2 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ hòa tan của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng ở 85oC 65 Hình 3 3 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới sự ổn định lạnh đông-rã đông của tinh bột sắn 67 Hình 3 4 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới sự ổn định lạnh đông-rã đông của tinh bột dong riềng 68 Hình 3 5 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ trong dịch hồ của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 71 Hình 3 6 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ bền gel tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 73 Hình 3 7 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ bám dính của gel tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 75 Hình 3 8 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các tính chất và từng loại tinh bột 77 Hình 3 9 Sơ đồ cây phân nhóm theo thứ bậc các loại tinh bột 78 Hình 3 10 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các tính chất và từng loại tinh bột biến tính từ tinh bột sắn 80 Hình 3 11 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các tính chất và từng loại tinh bột biến tính từ tinh bột dong riềng 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Một số loại tinh bột biến tính sử dụng phổ biến trong thực phẩm [24] 18

Bảng 1 2 Ứng dụng của tinh bột biến tính trong một số sản phẩm thực phẩm 26

Bảng 3 1 Thành phần hóa học của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 57

Bảng 3 2 Độ ẩm và pH của tinh bột biến tính 59

Bảng 3 3 Mức độ thay thế DS và hàm lượng nhóm thế của tinh bột biến tính 60

Bảng 3 4 Tổng hợp tính chất đặc trưng của tinh bột biến tính từ tinh bột sắn và tinh bột dong riềng 82

Bảng 3 5 Kết quả phân tích cấu trúc theo phương pháp TPA với các mẫu Mochi có và không bổ sung tinh bột biến tính 83

LỜI MỞ ĐẦU

Biến tính tinh bột nhằm mục đích cải thiện các đặc tính chức năng của tinh bột, tạo ra các tính chất mới, ưu việt và ổn định hơn Có nhiều phương pháp biến tính tinh bột như: biến tính oxy hóa, biến tính ezyme, biến tính tạo liên kết ngang(cross-linked), este hóa…trong đó tinh bột có liên kết ngang, tinh bột oxy hóa, tinh bột Phosphate, tinh bột Acetate, tinh bột Hydroxypropylate là những tinh bột biến tính đã và đang được sử dụng rộng rãi Tinh bột biến tính thể hiện nhiều tính chất nổi bật so với tinh bột chưa biến tính như độ trong của gel, độ hòa tan, độ trương nở, đặc tính về độ nhớt nóng và lạnh, khả năng tiêu hóa,…đặc biệt là sự cải thiện cấu trúc gel và sự ổn định trong quá trình bảo quản lạnh và lạnh đông

Bên cạnh đó tinh bột sắn và tinh bột dong riềng là hai trong số nhiều nguồn tinh bột phổ biến ở nước ta và được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm như: bánh kẹo, thực phẩm truyền thống, mì và sợi lương thực Trong khi tinh bột dong riềng có đặc điểm nổi bật là hàm lượng amylose cao, hạt tinh bột có kích thước lớn, gel tinh bột cứng, khả năng tạo màng và tạo sợi tốt [1][5][8]nhưng ứng dụng chỉ hạn chế trong các sản phẩm thực phẩm truyền thống như miến, bánh Tinh bột sắn lại là nguồn tinh bột được sử dụng nhiều trong không chỉ công nghiệp thực phẩm mà còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác như giấy, bao bì, dược phẩm…Tinh bột sắn có kích thước hạt nhỏ, khả năng tạo gel và cấu trúc gel yếu hơn

so với tinh bột dong riềng nhưng lại có các đặc tính nổi bật về độ nhớt và độ trong của gel-paste [1][4][12] Mặt khác, các tinh bột biến tính như HPS, AS, PS được biết tới nhờ ưu điểm cải thiện tốt các tính chất độ nhớt của dịch tinh bột, giảm được sự thoái hóa, và duy trì sự ổn định độ bền gel, paste qua các quá trình bảo quản lạnh-lạnh đông [14][61][69][70][75][81]…do đó biến tính tinh bột nhằm làm giảm những hạn chế, nâng cao phạm vi ứng dụng và giá trị của các nguồn tinh bột tự nhiên Hơn nữa, với mong muốn nghiên cứu những tính chất đặc trưng của ba phương pháp biến tính tinh bột Hydroxypropylate, Phosphate và Acetate tùy mục đích ứng dụng trong

những sản phẩm khác nhau Vì vậy, trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Nghiên cứu tinh bột biến tính ứng dụng trong công nghệ thực phẩm”

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sự khác biệt một số tính chất đặc trưng của tinh bột sắn, tinh bột dong riềng khi biến tính bằng các phương pháp khác nhau như hydroxypropylate, photphate và acetylate nhằm đưa một cái nhìn mới, tổng quát và rõ ràng hơn về ảnh hưởng của các phương pháp biến tính này đến tính chất của tinh bột Từ đó định hướng ứng dụng các loại tinh bột biến tính vào các nhóm sản phẩm cụ thể để phát huy ưu điểm của chúng

Nội dung nghiên cứu.

 Nghiên cứu ảnh hưởng của các biện pháp biến tính bởi hydroxypropylate (HPS), photphate (PS) và acetylate (AS) lên một số tính chất chức năng của tinh bột dong riềng, tinh bột sắn biến tính

 So sánh và phân biệt đặc điểm của tinh bột biến tính theo các phương pháp biến tính khác nhau như HPS, PS, AS

 Ứng dụng tinh bột biến tính trong sản xuất bánh Mochi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT

1.1.1 Tinh bột

Tinh bột là một trong những polysaccharide dự trữ dinh dưỡng rất quan trọng của

thực vật và là một carbonhydrate phổ biến thứ hai trong tự nhiên bên cạnh cellulose Tinh bột được tổng hợp nhờ quá trình quang hợp của cây xanh, và được tìm thấy có mặt chủ yếu trong hạt, củ và rễ nhưng tuy nhiên cũng được xác định có trong thân, lá, và các bộ phận khác của thực vật Có thể tách được tinh bột tinh khiết từ nhiều nguồn khác nhau bằng các biện pháp xử lý đơn giản Các nguồn tinh bột phổ biến và quan trọng nhất là hạt ngũ cốc, đậu và củ [1][6]

Trong tự nhiên tinh bột thường tồn tại dưới dạng các hạt nhỏ, không hòa tan trong nước do vậy có thể tích tụ một lượng lớn mà không ảnh hưởng tới áp suất thẩm thấu của

tế bào Kích thước, hình dáng của hạt tinh bột rất đa dạng phụ thuộc vào cấu trúc tổ chức,

sự sắp xếp các chuỗi mạch và đặc tính của thực vật Một cách tổng quát hệ thống tinh bột thực phẩm được chia thành 3 hệ thống: hệ thống tinh bột của các hạt cốc, hệ thống tinh bột các hạt họ đậu và hệ thống tinh bột các củ [8]

1.1.2 Hình dạng, kích thước của hạt tinh bột

1.1.2.1 Hình dáng hạt tinh bột

Tinh bột được phân lập từ các nguồn thực vật khác nhau thì biểu hiện các đặc tính khác nhau, đặc trưng cho từng loại về hình dạng, kích thước, phân bố sắp xếp Hệ thống hạt tinh bột có hình dạng rất phong phú như: hình cầu, hình oval, đa giác, hình đĩa (hai mặt lồi), hình thon dài, hình bầu dục…Hình dạng của hạt tinh bột phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như hệ thống tinh bột, thời gian sinh trưởng của thực vật và các điều kiện dinh dưỡng Hầu hết các hạt tinh bột đều được tạo ra trong các amyloplasts riêng biệt và tách nhau, nhưng cũng có một số loại tinh bột như: gạo, gạo nếp, yến mạch…có nhiều hơn

một hạt được tạo ra trong một amyloplast, tạo thành khối hạt lớn hơn và các hạt nhỏ dính vào nhau chặt chẽ khó tách rời, hầu hết hạt tinh bột kết hợp ở dạng này có dạng đa diện, đó có thể là kết quả của sự phát triển trong điều kiện hạn chế về không gian [8]

1.1.2.2 Kích thước hạt tinh bột

Kích thước của hạt tinh bột rất đa dạng, chúng nằm trong khoảng từ <1μm tới hơn 100μm Hạt tinh bột tiểu mạch có đường kính từ 2 – 3μm), hạt tinh bột đại mạch có đường kính 22 – 36μm Hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn hơn, trung bình từ 15 – 75μm, hạt tinh bột ngô từ 5 – 20μm Với cùng một hệ thống tinh bột thì hình dạng và kích thước của mỗi hạt cũng không đồng nhất Ví dụ: hạt tinh bột lúa mạch có cả hạt hình dẹt, hạt hình cầu, và gồm 3 loại: hạt lớn (35 μm), trung bình (10 - 20 μm) và nhỏ (2 μm)…[6][8]

1.1.3 Cấu trúc của hạt tinh bột

1.1.3.1 Đặc điểm cấu tạo chung

Hạt tinh bột được cấu tạo bởi những thành phần chính là amylose và amylopectin, các hợp chất liên kết trung gian giữa amylose và amylopectin, lipid (bao gồm cả phospholipid và các acid béo tự do), các nhóm monoeste phosphate và các loại protein/enzyme Trong đó, hàm lượng và cấu trúc của hai thành phần amylose và amylopectin đóng vai trò quan trọng chính tới những đặc tính chức năng của tinh bột Tuy nhiên, lipid và các nhóm monoeste phosphate cũng có ảnh hưởng lớn tới tính chất của tinh bột trong một số điều kiện nhất định Hàm lượng amylose và amylopectin trong tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc của tinh bột Những loại tinh bột thường thấy như tinh bột ngô thường, gạo, lúa mì và khoai tây chứa khoảng từ 70 – 80% amylopectin và 20 – 30% amylose [34]

Tinh bột được gọi là “tinh bột nếp” có chứa rất ít hoặc không có thành phần amylose: tinh bột gạo nếp chứa 3 – 5% amylose còn lại là amylopectin, tinh bột ngô nếp có <1% amylose Một vài loài lúa mạch tương tự gạo nếp nhưng thành phần tinh bột

của chúng hàm lượng amylose lên tới 10%, hơn nữa, hiện nay đã có các giống ngô và lúa mới có hàm lượng amylose cao lên tới 30 – 70% [6]

1.1.3.2 Cấu tạo amylose và amylopectin

a Cấu tạo của amylose

Phân tử amylose là một chuỗi polyme chủ yếu là mạch thẳng, tan được trong nước Các nguyên tử cacbon trong phân tử glucose được đếm bắt đầu từ nguyên tử cacbon trong nhóm chức aldehyte (C=O) gọi là đầu khử Trong phân tử amylose, nguyên tử C-1 trên phân tử glucose thứ nhất liên kết với nguyên tử C-4 của phân tử glucose tiếp theo, gọi là liên kết α(1→4) Kiểu liên kết này tạo ra chuỗi mạch chứa hàng trăm tới hàng nghìn đơn vị glucose

Hình 1 1 Liên kết α(1→4) [6]

Kích thước của phân tử amylose thường được biểu thị bằng mức độ trùng hợp (DP

- degree of polymeristaion) của các mono-glucose hơn là khối lượng phân tử Mức độ trùng hợp (DP) trung bình của amylose trong khoảng từ 0.51 – 6.34x103 ví dụ: amylose

từ tinh bột khoai tây DPs: 0.84-21.8x103, amylose của tinh bột sắn DPn: 0.58-22.4 x103

[8]

Ngoài ra, trong cấu trúc phân tử của amylose còn có sự xuất hiện của các điểm phân nhánh với liên kết α(1→6) Điều này được chứng minh do sự phân cắt không hoàn toàn amylose bởi enzyme β-amylase thành maltose và các dextrin Amylose từ các tinh bột ngũ cốc như gạo, ngô, lúa mì, đại mạch cho mức độ phân cắt >80% Đã có rất nhiều

các công trình nghiên cứu về cấu trúc đa nhánh tự nhiên của amylose Hizukuri và cộng

sự đã phát hiện và chỉ ra rằng phân tử amylose của tinh bột khoai tây có (DP: 4850-6340) có từ 9 tới 12 điểm phân nhánh, amylose của tinh bột sắn (DP: 2660-3390) có từ 7-20 điểm phân nhánh…mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh phụ thuộc vào nguồn gốc của amylose [34]

Hình 1 2 Giả thiết về cấu trúc của amylose của Jay-lin Jane [8]

Một trong các giả thiết về cấu trúc của amylose được Jay-lin Jane đưa ra cho thấy

rõ cấu trúc của amylose bao gồm cả các cụm chưa trưởng thành và có các điểm phân nhánh, trên đó có các nhánh rất dài (EL), dài (L), và ngắn (S)

Một đề xuất khác về hình dáng của chuỗi amylose là sự tạo thành các vòng xoắn Các liên kết α (1→4) tạo nên cấu trúc xoắn ốc, có hai dạng xoắn là xoắn đơn và xoắn kép Ở dạng vòng xoắn đơn, mỗi vòng xoắn ốc chứa sáu monome glucose Khi phản ứng với iodine, các phân tử iodine chiếm gọn các vòng xoắn ốc trong cấu trúc amylose, do đó làm thay đổi sự hấp thụ màu của tinh bột

Hình 1 3 Các phân tử iodine bên trong cấu trúc xoắn của amylose

b Cấu tạo của amylopectin

Amylopectin là polyme có mức độ phân nhánh cao, thành phần cơ bản cấu tạo nên là mono- glucose liên kết theo 2 kiểu α – D – 1,4 – glucozit và α – D – 1,6 – glucozit Amylopectin có kích thước phân tử và số lượng mạch nhánh lớn hơn amylose rất nhiều,

do đó nó có cấu trúc không gian phức tạp hơn

Hình 1 4 Liên kết α – D – 1,4 – glucozit và α – D – 1,6 – glucozit [34]

Phân tử amylopectin là một phân tử phân nhánh bao gồm 3 loại chuỗi mạch: A, B và C (Hình 1.6) Chúng đều có dạng mạch thẳng, chỉ chứa liên kết α – D – 1,4 – glucozit, nhưng có chiều dài mạch và vị trí phân bố khác nhau Chuỗi mạch A ngắn nhất, được liên kết với các chuỗi khác bằng đầu khử thông qua liên kết α -D-(1 → 6) và nó không

tự phân nhánh Chuỗi B được liên kết với một chuỗi B khác hay chuỗi C thông qua liên kết α -D-(1 → 6) tại đầu khử, nhưng chuỗi B lại có thể tự phân nhánh cho ra một chuỗi

A hay một chuỗi B thông qua vị trí liên kết O-6 của một đơn vị glucose Mỗi phân tử amylopectin chỉ có duy nhất một chuỗi mạch C là chuỗi mạch có đầu khử duy nhất của phân tử Chiều dài trung bình của các chuỗi A, B, C theo DP vào khoảng 19-28, 29-31, 25-27 tương ứng [8]

Hình 1 5 Các giả thuyết về cấu trúc của amylopectin [8]

 Sơ đồ cấu tạo lớp của Haworth (1937): phân tử amylopectin không có phần lõi mà do các đoạn mạch riêng biệt vốn đã được liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 glucozit sẽ được nối lại với nhau nhờ các liên kết α-1,6 glucozit tại các điểm phân nhánh

 Sơ đồ đuôi én của Staudinger (1937): phân tử amylopectin có một mạch chính tương đối ngắn, các mạch phụ chứa khoảng 20 gốc glucose được kết hợp vào mạch chính bằng các liên kết α-1,6 glucozit và α-1,3 glucozit

 Sơ đồ hình cây của Meyer (1940) và sơ đồ chùm của Whelan (1970): các ông cho rằng các gốc glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 và phân tử không gian phức tạp sẽ được tạo thành nhờ các liên kết α-1,6 Như vậy trong phân tử amylopectin có rất nhiều các mạch phụ nối vào mạch chính bằng các nhóm khử Khi thủy phân bằng α-amylase, amylopectin bị phân giải đến 50-60% có nghĩa là liên kết α-1,6 không thuận

lợi đối với enzym này Meyer còn chỉ ra rằng khoảng cách giữa các điểm phân nhánh bằng 8 -10 đơn vị glucose, mỗi nhánh tự do có khoảng 15 – 18 đơn vị glucose

 Mô hình cấu trúc dạng cụm/chùm của amylopectin( cluster model ): được đề xuất độc

lập bởi Nikuni (1969) và French(1972) giúp giải thích rõ hơn cấu tạo vùng tinh thể và cấu tạo vùng vô định hình bên trong cấu trúc hạt tinh bột Phân tử amylopectin có các điểm phân nhánh nằm tại các cụm và các nhánh chuỗi thể hiện một cấu trúc tinh thể xoắn kép Cấu trúc phân tử amylopectin bao gồm các lớp tinh thể xen kẽ với các lớp vô định hình và được lặp đi lặp lại Kassenbeck đã nghiên cứa quá trình thủy phân tinh bột bởi enzyme và chỉ ra rằng khoảng cách của sự lặp lại này là 7nm Bằng những nghiên cứa thủy phân tinh bột ngô bởi acid Yamaguchi và cộng sự cũng xác định khoảng cách của sự lặp lại các lớp vô định hình và lớp tinh thể vào cỡ 7±1nm, và lớp có độ bền acid dày khoảng 5nm Điều đó cho thấy rằng các vùng tinh thể xếp xen kẽ với các vùng vô định hình với khoảng cách tương ứng là 5nm và 2nm [5][8][34]

Hình 1 6 Hình ảnh mô phỏng chuỗi xoắn kép trong tinh thể tinh bột và mô hình cụm

của phân tử amylopectin kết hợp với cấu trúc xoắn kép tách đôi [8]

1.1.4 Các dạng cấu trúc trong hạt tinh bột

Lớp vỏ ngoài: bên ngoài hạt tinh bột tồn tại một lớp vỏ cứng, lớp vỏ này có tác dụng bảo vệ cho các phân tử bên trong Trung tâm của hạt tinh bột có chứa amylose, và

tỷ lệ hàm lượng amylopectin tăng dần theo chiều hướng ra ngoài lớp vỏ của hạt Lớp vỏ ngoi đặc trưng cho qu trnh kết hợp, và quá trình mở rộng phân tử amylopectin trong tất cả các loại hạt (hình 1.7)

Hình 1 7 Sự phân lớp của hạt và cấu tạo vỏ hạt[25]

Các vết nứt trên bè mặt hạt là do quá trình phóng xạ đặc biệt từ hạt, là nét đặc trưng riêng của rất nhiều hạt tinh bột Chúng được tạo thành do sức ép khi có sự khác biệt về khả năng phát triển tại các vùng khác nhau bên trong hạt tinh bột Những vết nứt như vậy có thể có lợi trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme xâm nhập vào, và những hạt tinh bột do đó sẽ bị thủy phân nhanh hơn so với các hạt không có vết nứt và lỗ hổng trong hạt tinh bột [25][52]

Hình 1 8 Hình ảnh tổng quan về cấu trúc hạt tinh bột [25]

Ở bên trong hạt tinh bột (phía trên bên trái), các vùng tinh thể có cấu trúc chặt chẽ (cứng) xen kẽ với các vùng bán tinh thể có cấu trúc mềm được thể hiện hai màu tối và sáng tương ứng Trên bề mặt hạt tinh bột có các lỗ mao quản dẫn tới các rãnh, nơi mà cấu trúc vô định hình là chủ yếu Ở mức độ chi tiết hơn, cấu trúc khối có chứa một số lớp mỏng, lớp vô định hình và lớp tinh thể nằm xếp chồng xen kẽ nhau Trong hình tiếp theo, cấu trúc phân nhánh của amylopectin trong tinh bột và các liên kết amylose-lipid Hình ảnh tiếp theo (Blanshard, 1987) cho thấy mối liên kết amylose-lipid có tính năng xắp xếp và định hướng các chuỗi amylopectin Ở mức cao nhất của sự sắp xếp trật tự

cho thấy cấu trúc tinh thể của các polyme tinh bột (Theo Gallant và cộng sự, 1992;Imberty và Perez, 1988) [8][25][52]

Cấu trúc dạng sợi: hạt tinh bột bao gồm những tinh thể xốp, mọc dài ra, gồm nhiều

hay ít sự sắp xếp xuyên tâm và được kết nối với nhau bởi các đơn vị tinh thể Sự sắp xếp đó tạo thành các sợi nhỏ song song và có thể tạo thành dạng hình xoắn ốc đơn hay kép gọi là các sợi tinh bột

Hình 1 9 Cấu trúc dạng sợi của tinh bột [34]

Cấu trúc tinh thể: Trong hạt tinh bột tồn tại một mạng lưới tinh thể, có 4 loại cấu trúc tinh thể: A, B, C, V, bằng phương pháp nhiễu xạ X-ray có thể xác định được từng loại cấu trúc và đặc điểm của chúng

Hình 1 10 Ảnh X-ray của 3 kiểu cấu trúc của tinh bột A (gạo nếp), B (khoai tây), C

(hạt sen) [25]

Các kiểu loại A và B có các hình ảnh tán xạ đặc trưng riêng, nhưng khi trộn hỗn hợp các loại A và B theo tỷ lệ khác nhau sẽ thu được các ảnh tãn xạ khác nhau Trong đó có một số mẫu hỗn hợp có ảnh tán xạ đặc trưng của tinh bột kiểu C Một số thân rễ, củ (khoai lang) và tinh bột đậu thuộc kiểu C Kiểu C đã được chia thành Ca, Cb, và Cc trên cơ sở của sự tương tự của ảnh tán xạ đối với kiểu A và B hoặc giữa hai kiểu, tương ứng 0

Cấu trúc tinh thể dạng A: là dạng cấu trúc tinh thể được hình thành do quá trình tác

động của con người hay được tạo ra bởi các phân tử amylodextrin Cấu trúc dạng này thường được tìm thấy trong tinh bột của các hạt ngũ cốc như gạo, ngô…

Hình 1 11 Cấu trúc tinh thể dạng A của tinh bột [25]

Trong cấu trúc A, các đường xoắn ốc được xếp chặt trong một ô nghiêng 4 cạnh, với các phân tử nước xếp xen kẽ, sự có mặt của nước rất quan trọng trong tổ chức của tinh thể A Trong cấu trúc tinh thể A, liên kết hydro được hình thành giữa các phân tử tinh bột mà không cần có sự tham gia của nước [8]

Cấu trúc tinh thể dạng B: Là dạng cấu trúc tinh thể phổ biến nhất trong hạt tinh

bột, trong cấu trúc tinh thể dạng B, các đường xoắn ốc được xếp chặt với nhau trong một

ô sáu cạnh Sự có mặt của 36 phân tử nước tạo thành một trục ở trung tâm Cấu trúc tinh thể tinh bột gốc tính dạng B không bắt màu với iot, nước là môt thành phần quan trọng trong việc hình thành nên cấu trúc tinh thể dạng B, nước tạo thành liên kết chính: liên kết hydro giữa tinh bột - nước - tinh bột [8]

Hình 1 12 Cấu trúc tinh thể dạng B [25]

Cấu trúc dạng V: Cấu trúc tinh thể dạng này được quan sát đầu tiên trong tinh bột

đã được hồ hóa, đặc biệt là trên sự kết tủa với rượu etylic và với sự có mặt của các axit béo Cấu trúc dạng V cũng có thể được hình thành bởi các dẫn xuất của tinh bột, như malto-andehit, α-tetra amyloes, và amylodextrin Nó cũng được tìm thấy ở các dạng tinh

thể hỗn hợp trong tinh bột gốc của một số giống ngô…[34]

Cấu trúc tinh thể dạng C: trong tinh bột gốc, cấu trúc tinh thể dạng C được hình

thành là do sự chuyển tiếp hay đan xen giữa cấu trúc tinh thể dạng B và tinh thể dạng A [25]

1.2 Tổng quan về tinh bột dong riềng và tinh bột sắn

1.2.1 Đặc điểm của tinh bột dong riềng

Tinh bột dong riềng được tách từ cây dong riềng có tên khoa học là Edible Canna

(Canna edulis) Các đặc tính và thành phần hóa học của tinh bột dong riềng đã được

nhiều nghiên cứu chỉ rõ

Tinh bột dong riềng có kích thước lớn Kích thước hạt thay đổi trong khoảng 100µm và phần lớn là trên 50µm Vì thế, tinh bột dong riềng thường dễ tách bởi phương pháp lắng đơn giản Khi quyét dưới kính hiển vi điện tử (SEM) tinh bột dong có hình bầu dục- elip hoặc oval, bề mặt ngoài hạt tinh bột nhẵn và mịn [18][38][59]

6-Hình 1 13 Kích thước hạt tinh bột dong riềng chụp qua SEM [38]

Bước sóng hấp thụ cực đại λmax của tinh bột dong riềng cao hơn so với của tinh bột khoai tây nhưng lại thấp hơn so với tinh bột sắn và khoai lang trong khi đó hàm

lượng amylose và giá trị xanh (blue value) của tinh bột dong riềng cao hơn hẳn so với tinh bột sắn, khoai tây và khoai lang [38]

Hình 1 14 Hình ảnh nhiễu xạ tia X của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng [38] Dựa trên phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy tinh bột dong riềng có cấu trúc kiểu B với độ trung bình của chuỗi polymer chiều dài chuỗi amylopectin thay đổi trong khoảng 22.5-28.9 Hàm lượng amylose của tinh bột dong riềng ở Việt Nam là 37.1% cao hơn so với những tinh bột củ khác (hàm lượng Am trong tinh bột dong riềng của Nhật_xanh, Thái_xanh và Thái_tím từ 19-28%, ngược lại tinh bột dong riềng có nguồn gốc Ấn Độ

Hình 1 15 Độ trương nở và độ trong của tinh bột dong riềng so với tinh bột sắn, khoai

tây và khoai lang [38]

Vì có hàm lượng amylose cao nên khả năng thoái hóa của tinh bột dong riềng lớn, sự ổn định cấu trúc gel tinh bột trong điều kiện lạnh – lạnh đông kém, mức độ tách nước cao [38][71]

Tinh bột dong riềng được nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng có khả năng cao chống lại

sự thủy phân bởi enzym α-amylase, do đó khả năng chuyển hóa tinh bột thành đường với các sản phẩm từ tinh bột dong riềng thấp Sự chuyển hóa thấp cũng đang dần trở thành một hướng nghiên cứu mới với các nguồn thực phẩm tự nhiên giàu carbonhydrate khi mà các vấn đề về béo phì và tiểu đường trở lên lo ngại [38]

Với những đặc tính và tính chất chức năng trên nghiên cứu biến tính tinh bột dong riềng giúp cải thiện và nâng cao những giá trị so với tinh bột tự nhiên

1.2.2 Đặc điểm của tinh bột sắn

Tnh bột sắn được thu nhận từ củ của cây sắn hay khoai mì (Manihot esculenta) là cây lương thực ăn củ có thể sống lâu năm, thuộc họ Đại kích (Euphorbiaceae)

Tinh bột sắn có màu rất trắng, pH thường vào khoảng 6.0 – 6.3 Quan sát bằng SEM, hạt tinh bột sắn có khích thước từ 5 – 40 μm, với những hạt lớn 25 - 35μm, hạt nhỏ 5 - 15μm và nhiều hình dạng, chủ yếu là hình tròn, bề mặt nhẵn, một bên mặt có chỗ lõm hình nón và một núm nhỏ ở giữa Các nghiên cứu cấu trúc bằng tia X cho thấy

tinh bột sắn có cấu trúc tinh thể dạng A và hỗn hợp A, B [4][22][38] Tuy nhiên theo một số tài liệu khác thì tinh bột sắn lại có cấu trúc tinh thể dạng A và C [8][12]

Khi hạt tinh bột sắn bị phá vỡ, có thể quan sát được các rãnh tạo cấu trúc xốp của hạt Các rãnh vô định hình kéo dài từ bề mặt tới tâm của hạt tạo thành các lỗ xốp Chính các lỗ xốp này giúp nước thâm nhập làm trương nở tinh bột, phá vỡ các liên kết hydro giữa các phân tử trong cấu trúc tinh thể, tạo điều kiện cho tác dụng phân hủy của enzym Tinh bột sắn có cấu trúc hạt tương đối xốp, liên kết giữa các cấu trúc tinh thể yếu, vì vậy

nó dễ bị phân hủy bởi các tác nhân như axit và enzym hơn so với các loại tinh bột khác như ngô, gạo [1][4][6]

Tinh bột sắn có hàm lượng amylopectin và phân tử lượng trung bình tương đối cao Hàm lượng amylose của tinh bột sắn trong khoảng 16% – 18% [12][22] Tinh bột sắn có những tính chất tương tự các loại tinh bột chứa nhiều amylopectin như độ nhớt cao, xu hướng thoái hóa thấp và độ bền gel cao

Tinh bột sắn có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng 58.5oC – 70oC [7], 57.3oC – 63.7oC [1][4] so với 56oC – 66oC ở khoai tây và ở bột bắp 62oC – 72oC, 65.6oC – 79.7oC [6][8][12][52] Việc tạo ra các dẫn xuất của tinh bột nhờ các liên kết ngang hay việc thêm các chất có hoạt tính bề mặt có thể thay đổi nhiệt độ hồ hóa Nhiệt độ hồ hóa cũng ảnh hưởng đến chất lượng nấu của tinh bột, nhiệt độ hồ hóa thấp thường làm chất lượng nấu thấp do tinh bột dễ bị phá vỡ [12]

Độ nhớt là tính chất quan trọng giúp tinh bột có nhiều ứng dụng như chất làm đặc trong công nghiệp thực phẩm, chất hồ vải trong công nghiệp dệt hay chất phủ trong công nghiệp giấy Tinh bột lúa mì, ngô và tinh bột gạo có độ nhớt thấp so với tinh bột sắn và khoai tây Khả năng hồ hóa sớm, độ nhớt cao của tinh bột sắn thể hiện lực liên kết yếu giữa các phân tử tinh bột trong cấu trúc của hạt [22]

Khả năng nở và hòa tan của tinh bột sắn cũng thể hiện lực liên kết yếu trong cấu trúc hạt Sự có mặt của các gốc ester có khả năng ion hóa, các chất phụ gia như chất có hoạt tính bề mặt, những biến tính về mặt hóa học… đều có ảnh hưởng đến khả năng trương nở và hòa tan của tinh bột Tính chất này phụ thuộc nhiều vào giống sắn, điều kiện môi trường sống, thời điểm thu hoạch [1].

1.3 Biến tính tinh bột

Biến tính tinh bột nhằm mục đích cải thiện các đặc tính chức năng của tinh bột tự nhiên, tạo ra các tính chất mới, ưu việt và ổn định hơn [81]

1.3.1 Tổng quan về biến tính tinh bột

Từ những năm 1940, tinh bột biến tính sử dụng trong ngành công nghệp thực phẩm đã trở thành một xu hướng tất yếu thay thế cho tinh bột tự nhiên

Nói chung, tinh bột biến tính được sử dụng vì ba lý do Đầu tiên, chúng cung cấp

những thuộc tính chức năng trong các sản phẩm thực phẩm mà tinh bột có nguồn gốc tự nhiên không thể cung cấp Trong sản xuất bánh, tinh bột biến tính giúp tăng khả năng làm dày, ổn định một hệ cấu trúc pha trộn giữa tinh bột – protein – lipit Trong các ứng dụng khác, tinh bột biến tính có thể cung cấp một loạt các chức năng, từ khả năng tiêu hóa - phân hủy; hấp thu hoặc ngăn ngừa hơi ẩm; tạo ra một kết cấu sợi hay màng chắc chắn với độ dai và độ cố kết cao; có thể tạo ra một kết cấu mịn hoặc giúp ổn định hệ nhũ tương trong pha phân tán

Thứ hai, tinh bột là nguồn nguyên liệu dồi dào và có sẵn

Thứ ba, tinh bột mang lại một giá trị kinh tế trong nhiều ứng dụng khác nhau mà

giúp giảm giá thành của sản phẩm trong khi đó vẫn duy trì chất lượng

Hình 1 16 Các phương pháp biến tính tinh bột chính được sử dụng trong công nghiệp

thực phẩm [70]

Ngày nay, tinh bột biến tính được sử dụng như một phụ gia thực phẩm với các quy định về giới hạn của mức độ biến đổi, lượng sử dụng và ghi nhãn Theo FDA, FAO và Quy định của châu Âu về phụ gia thực phẩm cho phép các tinh bột biến tính sau được sử dụng trong sản phẩm thực phẩm [14][24][80][81]

Bảng 1 1 Một số loại tinh bột biến tính sử dụng phổ biến trong thực phẩm [24]

E1401 Acid-treated starch Tinh bột xử lý acid

E1402 Alkaline-treated starch Tinh bột xử lý kiềm

E1403 Bleached starch Tinh bột tẩy trắng

E1404 Oxidized starch Tinh bột oxi hóa

E1405 Starches, enzyme-treated Tinh bột xử lý enzyme

E1410 Monostarch phosphate Tinh bột phosphate đơn tinh bột

E1411 Distarch glycerol Tinh bột glycerol hai tinh bột

E1412 Distarch phosphate esterified with

E1422 Acetylated distarch adipate Tinh bột acetyl hóa adipate hai tinh bột

E1423 Acetylated distarch glycerol Tinh bột acetyl hóa glycerol hai tinh bột

E1440 Hydroxypropyl starch Tinh bột hydroxypropyl

E1442 Hydroxypropyl distarch phosphate Tinh bột hydroxypropyl phosphate hai

Biến tính bằng enzyme làm thủy phân của một số phần của tinh bột thành các phần tử

có trọng lượng phân tử thấp gọi là maltodextrin, hoặc dextrin (Hình 1.5) Chúng được sử dụng rộng rãi cho các ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm [14][52][73]

Hình 1 17 Sự phân cắt mạch tinh bột bởi enzyme [73]

Biến tính bằng phương pháp hóa học

Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học là phương pháp sử dụng các tác nhân hóa học để thay đổi cấu trúc của tinh bột [14] Sự phát triển của tinh bột biến tính

bằng các tác nhân hóa học đã được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, dược phẩm và các ngành công nghiệp dệt may Biến tính bằng phương pháp hóa học làm thay đổi các tính chất chức năng của tinh bột Các phản ứng hóa học và các tác nhân hóa học chủ yếu tác động liên quan tới các nhóm hydroxyl của chuỗi polymer tinh bột [70][73][81]

Các phản ứng tạo thành các dẫn xuất tinh bột khác nhau: dẫn xuất ester hoặc ether; hoặc các quá trình oxy hóa các nhóm hydroxyl của phân tử tinh bột tạo ra các nhóm carbonyl và carboxyl (hình 1.6); hoặc các quá trình thế các nhóm thế có tính chất ưa/kị béo vào vị trí các nhóm hydroxyl [70]

Hình 1 18 Phản ứng chính xảy ra trong quá trình oxy hóa tinh bột [73]

Các tác nhân hóa học được phép sử dụng với liều lượng nhất định theo các quy định của các tổ chức quản lý thực phẩm và dược phẩm của Mỹ, Châu Âu (FAO, CODEX, FDA…) [14][70]

Biến tính tinh bột theo phương pháp hóa học thường được thực hiện qua các phản ứng trong môi trường nước Dịch tinh bột trong nước thường có nồng độ từ 25-40% theo chất khối lượng chất khô được cho phản ứng với các tác nhân trong những điều kiện nhiệt độ, pH, và thời gian thích hợp Khi phản ứng hoàn tất hoặc để dừng phản ứng, tinh bột được đưa về pH cố định và sau đó được lọc rửa với nước và thu hồi dưới dạng bột

khô Trong phần lớn các phản ứng tạo ra các dẫn suất tinh bột, hiệu suất phản ứng ở mức trên 70% hoặc nhiều hơn [14][70][81]

Mức độ biến tính của tinh bột bởi các tác nhân được đặc trưng bởi mức độ thay

thế (DS- Degree of Substitution) khi các nhóm thế (ví dụ như acetate hay phosphate)

phản ứng với các nhóm hydroxyl của các đơn phân tử glucose [73]

Mức độ thay thế phân tử (MS - Molar substitution) cũng được sử dụng để đánh

giá mức độ biến tính khi nhóm thế có thể tiếp tục phản ứng với chính thuốc thử để tạo thành nhóm thế polyme MS được tính bằng số mol trung bình của nhóm thế trên một mol đơn vị D-glucose và được xác định bằng các phương pháp vật lý hay hóa học, phụ thuộc vào tính chất của từng nhóm thế [70] Bởi vì mỗi đơn vị AGU trong phân tử tinh bột chỉ có 3 nhóm hydroxyl có khả năng thay thế vào nên giá trị tối đa có thể có của DS là 3, trong khi đó, giá trị MS có thể lớn hơn 3 [73]

Tỷ lệ phần trăm của nhóm thế tính theo trọng lượng cũng là một chỉ số đơn giản đánh giá mức độ thay thế của nhóm thế vào phân tử tinh bột

Phương pháp phân tích cộng hưởng từ hạt nhân (NMR-Nuclear Magnetic Resonance) cũng được sử dụng phổ biến để xác định mức độ thay thế và vị trí cụ thể của

nhóm thế bên trong polymer tinh bột [14]

Hiện nay, việc sử dụng kết hợp nhiều tác nhân biến tính đang là một xu hướng nghiên cứu mới nhằm tận dụng tối đa các ưu điểm của từng loại riêng rẽ

Biến tính bằng phương pháp chuyển đổi (Conversion): là phương pháp dùng

các tác nhân hóa học làm phá hủy một phần hoặc hoàn toàn phân tử tinh bột, từ đó làm yếu cấu trúc hạt, giảm khả năng trương nở khi hồ hóa trong nước, giảm độ nhớt, tăng độ phân tán của tinh bột trong nước [70][81] Mục tiêu chính mong muốn sử dụng nồng

độ tinh bột ở tỷ lệ cao hơn, tăng độ hòa tan trong cả nước nóng và nước lạnh, kiểm soát độ bền gel, hoặc tăng sự ổn định của paste tinh bột Thông thường, tinh bột tự nhiên ít

khi được sử dụng nhiều hơn so với 6% (theo chất khô) để tạo dịch hồ bởi vì độ nhớt cao Tuy nhiên, trong ngành công nghiệp bánh kẹo trong một sản phẩm như kẹo cao su mềm lại cần một loại tinh bột có độ nhớt thấp nhưng ở nồng độ chất rắn cao để có được cấu trúc gel mong muốn Do đó, sử dụng tinh bột chuyển đổi giúp giải quyết vấn đề này Các phương pháp chuyển đổi để biến tính tinh bột bao gồm thủy phân bởi acid, quá trình oxy hóa bởi các tác nhân, dextrin hóa (dextrinization), và chuyển đổi bởi enzyme Mỗi phương pháp chuyển đổi cung cấp các sản phẩm tinh bột với những tính năng riêng biệt, độc đáo [14][73]

Biến tính bằng cách tạo liên kết ngang (Crosslinking): tinh bột liên kết ngang

được tạo thành khi sử dụng một, hai hay nhiều tác nhân hóa học có thể phản ứng với hai hoặc nhiều hơn các nhóm hydroxyl giống hoặc khác nhau trên chuỗi polyme tinh bột

[70][81] Quá trình tạo liên kết ngang nhờ các liên kết cộng hóa trị đóng vai trò như những "mối hàn" để củng cố cấu trúc hạt tinh bột (Hình 1.7) Việc hình thành các liên kết ngang tác động tới sự trương nở của hạt tinh bột, tạo ra tinh bột biến tính có thể chịu được nhiệt độ cao và tính bền acid cao Tinh bột có liên kết ngang thường được tạo thành nhờ phản ứng trong môi trường kiềm (pH từ 7.5-12) giữa dịch tinh bột (từ 30-45%) và các tác nhân tạo liên kết ngang, thường kèm theo sự có mặt xúc tác của các muối Trong

số các chất được phép sử dụng để tạo liên kết ngang trong tinh bột thì phổ biến là: phosphorus oxychloride (POCl3), sodium trimetaphosphate (STMP), và hỗn hợp của adipic anhyhdride và acetic anhydride

Hình 1 19 Cấu trúc của hạt tinh bột được tạo liên kết ngang Mỗi cầu nối X tượng

trưng cho một kết ngang (liên kết hóa trị) [73]

Biến tính bằng phương pháp thay thế (Substitution): biến tính bằng phương

pháp thay thế là sử dụng các tác nhân hóa học đơn chức năng phản ứng với một hay nhiều nhóm hydroxyl của phân tử tinh bột tạo thành các dẫn xuất của tinh bột [73][81],

điển hình là tinh bột ester và tinh bột ether Độ nhớt của dịch tinh bột có xu hướng tăng lên sau khi được làm lạnh và gel tinh bột trở nên thoái hóa dần Điều này hình thành do

sự thay đổi cấu trúc và liên kết của các phân tử amylose trong tinh bột Trong thực tế, các loại tinh bột thường hình thành gel cứng và tách nước do quá trình thoái hóa và sắp xếp lại của các phân tử amylose Để ngăn ngừa và giảm thiểu sự sắp xếp này các nhóm –OH của tinh bột được thay thế hay ổn định bằng cách thay thế bởi các nhóm đơn chức năng gọi là "nhóm khóa hay blocking group" chẳng hạn như nhóm acetyl, nhóm hydroxypropyl vào các chuỗi mạch chính của polyme tinh bột (Hình 1.8) Sự thay thế các nhóm chức thông qua các phản ứng ester hóa hay ether hóa, làm giảm nhiệt độ hồ hóa, ngăn ngừa sự thoái hóa và ổn định cấu trúc tinh bột bởi cơ chế ngăn ngừa sự sắp xếp lại của các chuỗi mạch trong phân tử tinh bột sau khi được hồ hóa Tinh bột biến tính bằng cách thay thế các nhóm chức được sử dụng phổ biến cho các sản phẩm lưu trữ lạnh/lạnh đông

Hình 1 20 Mô tả sự hoạt động của các nhóm thế có vai trò như những “nhóm khóa”

(blocking group) trong chuỗi polymer tinh bột [70]

Biến tính bằng phương pháp vật lý

Tinh bột biến tính bằng phương pháp vật lý là phương pháp sử dụng các tác nhân vật lý làm thay đổi cấu trúc hạt tinh bột [1]

Tinh bột điển hình của phương pháp này là tinh bột hồ hóa sơ bộ (Pregelatinized starch) và tinh bột được xử lý nhiệt-ẩm (Heat- moisture treated starch) Tinh bột được

xử lý bởi các tác nhân vật lý trước khi hồ hóa và xử lý nhiệt trên tinh bột [70] Tinh bột

đã được hồ hóa là tinh bột đã nấu chín và có thể được sử dụng như chất làm đặc và có thể hòa tan ngay trong nước lạnh [73][81]

Tinh bột còn có thể xử lý qua các quá trình ủ nhiệt và ẩm, cả hai đều gây thay đổi cấu trúc vật lý của tinh bột mà không cần hồ hóa Quá trình xử lý nhiệt-ẩm làm tăng độ nhớt của dịch hồ và tăng sự ổn định của cấu trúc gel tinh bột [73]

1.3.2 Ứng dụng của tinh bột biến tính

Sự đa dạng các tính chất chức năng của tinh bột, đặc biêt là tinh bột biến tính làm cho chúng phù hợp với nhiều loại thực phẩm (Bảng 1.2) Tinh bột tham gia vào cấu trúc,