Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột

Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột

Mục lục

Mục lục 1

Danh mục hình 3

Danh mục bảng 5

MỞ ĐẦU 6

1 Tinh bột 7

1.1 Giới thiệu 7

1.2 Nguồn tinh bột 7

1.3 Cấu trúc hạt tinh bột 8

1.4 Thành phần cấu tạo 9

1.4.1 Amylose 11

1.4.2 Amylopectin 11

1.5 Những tính chất của tinh bột 13

1.5.1 Đặc tính cấu trúc của hạt tinh bột 13

1.5.2 Tính trương nở và hồ hóa của hạt tinh bột 15

1.5.3 Độ nhớt của hồ tinh bột 16

1.5.4 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel 16

1.5.5 Quá trình tạo phức giữa tinh bột và lipid 17

2 Quá trình thủy phân tinh bột 17

2.1 Giới thiệu 17

2.2 Enzyme thủy phân tinh bột 18

2.2.1 Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết  - 1,4 glycoside 18

2.2.2 Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết  - 1,6 glycoside 20

2.2.3 Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết α - 1,4 glycoside và α- 1,6 glycoside 20

2.3 Quá trình thủy phân tinh bột 20

2.3.1 Sự hồ hóa tinh bột 22

2.3.2 Dịch hóa và đường hóa 24

3 Sóng siêu âm 25

3.1 Định nghĩa 25

3.2 Phân loại 25

3.3 Các thông số cần xác định trong quá trình xử lí bằng sóng siêu âm 26

3.3.1 Vận tốc siêu âm 26

3.3.2 Hệ số suy giảm 26

3.3.3 Âm trở 26

3.4 Cơ chế tác động của sóng siêu âm 27

3.4.1 Cơ chế xâm thực khí 27

3.4.1.1 Mô tả hiện tượng 27

3.4.1.2 Phân loại quá trình sủi bong bóng 28

3.4.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng 29

3.4.2 Khuếch tán chỉnh lưu 29

3.5 Ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm 30

4 Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình thủy phân tinh bột 32

4.1 Yếu tố thiết bị 32

4.2 Yếu tố nguyên liệu 39

4.3 Yếu tố điều kiện phản ứng 43

4.4 Ứng dụng của sóng siêu âm trong quá trình đường hóa 46

Kết luận 47

Tài liệu tham khảo 48

Danh mục hình

Hình 1: SEM của tinh bột từ các nguồn khác nhau 7

Hình 2: Liên kết Hydro loại I (trái) và loại II (phải) 8

Hình 3: Cấu tạo của tinh bột ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) 9

Hình 4: Cấu trúc của chuỗi amylose ( John F Robyt, 2008) 10

Hình 5: Cấu trúc của chuỗi amylopectin ( John F Robyt, 2008) 11

Hình 6: Cấu trúc phân nhánh của amylopectin (Martin và Smith, 1995) 12

Hình 7: Cấu trúc phân lớp của hạt tinh bột ( John F Robyt, 2008) 13

Hình 8: Cấu trúc hạt tinh bột (vùng kết tinh và vùng vô định hình) ( John F Robyt, 2008) 13

Hình 9: Mô hình phức chất giữa amylose và hai phân tử monopalmitin (Les Copeland, 2009) 17

Hình 10: Sơ đồ phân loại các enzyme thủy phân tinh bột (Józef Synowiecki, 2007) 17

Hình 11: Mô hình mô phỏng hình thái hạt tinh bột trong quá trình thủy phân 20

Hình 12: Quy trình thực hiện thủy phân tinh bột 20

Hình 13: Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ 23

Hình 14: Các mức tần số của sóng âm 24

Hình 15: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bọt khí 27

Hình 16: Hình ảnh SEM của tinh bột bắp (a) mẫu đối chứng (b) mẫu xử lí bằng bể siêu âm (c) mẫu được xử lí bằng thanh siêu âm (Ivana Ljubić Herceg, 2010) 32

Hình 17: Hình ảnh SEM với cường độ chiếu (a) 34 W.cm-2 (b) 55 W.cm-2 (c) 73 W.cm-2 33

Hình 18: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 34 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút 33

Hình 19: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 73 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút 34

Hình 20: SEM của hạt tương ứng mức độ thủy phân 0 , 3.1, 18.4% (Qiang Huang, 2007) 37

Hình 21: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ nhớt biểu kiến với sự thay đổi nồng độ dịch tinh bột (Wenjian Cheng, 2010) 37

Hình 22: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ hòa tan 38

Hình 23 : Hình ảnh SEM của hồ tinh bột khoai mì (a) mẫu kiểm chứng, (b) năng lượng thấp (20s), (c) năng lượng thấp (40s), (d) năng lượng cao (20s), € năng lượng cao (40s) (Nitayavardhana, 2008) 38

Hình 24 : Lượng đường khử và nhiệt độ gia tăng ở những điều kiện siêu âm khác nhau (Nitayavardhana, 2008) 39

Hình 25: Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột lên sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ 41

Hình 26 : Lượng đường khử của các mẫu siêu âm ở mức năng lượng cao trong vòng 30s ở các nồng độ chất khô khác nhau.( Saoharit Nitayavardhana, 2008) 41

Hình 27 : Hiệu quả chiếu sóng siêu âm cường lực cao với nồng độ chất khô khác nhau 42

Hình 28: Hàm lượng đường khử sau 3h đường hóa với các chế độ xử lí bằng sóng siêu âm khác nhau trong trường hợp xử lí liên tục so sánh với mẫu đối chứng là đường chấm gạch ngang (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 42

Hình 29: Sơ đồ hệ thống thiết bị chiếu siêu âm liên tục (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 43

Hình 30: Ảnh hưởng của mật độ năng lượng của sóng siêu âm đên kích thước phân tử (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 44

Hình 31: Hàm lượng đường khử và mật độ năng lượng đấu vào của phương pháp liên tục và gián

đoạn (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 44

Hình 32: Ảnh hưởng của chế độ bổ sung enzyme đối với hàm lượng đường khử 45

Hình 33: Biểu đồ mô tả quá trình xử hạt tinh bột có sử dụng sóng siêu âm (Yasuo Iida, 2007) .45 Danh mục bảng Bảng 1: Đặc điểm hạt tinh bột của một số hệ thống tinh bột (Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo quản và chế biến lương thực, 2007) 7

Bảng 2: Thành phần hóa học của một số loại hạt tinh bột ( John F Robyt, 2008) 9

Bảng 3: % mạch nhánh của amylopectin từ các loại tinh bột khác nhau ( John F Robyt , 2008) .11

Bảng 4: Khả năng hòa tan trong nước với 220mg tinh bột trong 10 ml nước 14

Bảng 5: Các tính chất của -amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) 18

Bảng 6: Các tính chất của β - amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) 19

Bảng 7: Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Patist, Bates, 2008) 29

Bảng 8:Độ nhớt và chỉ số hòa tan hạt tinh bột với sự thay đổi các thông số về thiết bị khi hạt trương nở và bị phá vỡ (Ivana Ljubić Herceg, 2010) 35

Bảng 9: Nhiệt độ huyền phù tinh bột sau quá trình xử lí bằng sóng siêu âm 36

Bảng 10: Sự thay đổi mức độ thủy phân theo thời gian (Qiang Huang, 2007) 36

Bảng 11: Sự thay đổi độ hòa tan của các loại hạt tinh bột khác nhau theo thời gian 40

Bảng 12: Sự thay đổi độ nhớt của một số loại tinh bột bởi sóng siêu âm trong 30s 40

MỞ ĐẦU

Thực phẩm chúng ta sử dụng hằng ngày đa phần do nhiều hợp chất cấu tạo nên Nó là một

hệ gồm nhiều pha chứa hỗn hợp phức tạp giữa nước, polysaccharide, protein, lipid và một sốthành phần vi lượng khác như khoáng, vitamin… Tinh bột thường hiện diện trong thực phẩm vớimột tỉ lệ tương đối lớn, nó cung cấp 50 - 70% năng lượng cho hoạt động hằng ngày của conngười và là nguồn cung cấp glucose cho não và các tế bào khác trong quá trình trao đổi chất Do

đó có thể nói tinh bột như là một nguồn nguyên liệu quan trọng được sử dụng trong công nghiệp.Hàng năm trên thế giới có 60 tấn tinh bột thu được từ các loại hạt ngũ cốc, rễ, củ, thân và bẹ lácủa các loại cây thực vật khác…, trong đó 60% lượng tinh bột này được đưa vào sử dụng trongngành công nghiệp thực phẩm như trong quá trình sản xuất bánh kẹo, kem, snack, thực phẩm chotrẻ em, công nghệ sản xuất các sản phẩm lên men như cồn, bia, rượu…, còn lại 40% được sửdụng trong ngành dược và các ngành công nghiệp khác như sản xuất giấy, nguyên liệu bao gói,chất kết dính, dệt, sợi, vật liệu xây dựng…

Trong nhiều thập kỉ qua, tinh bột đã trở thành một đối tượng nghiên cứu lớn của ngànhcông nghiệp thực phẩm Đã có rất nhiều ngiên cứu về phương pháp phân tích, cấu trúc phân tử,tính chất vật lí, hóa học, hóa sinh, tính chất chức năng cũng như các phương thức sử dụng tinhbột trong từng sản phẩm thích hợp Thông qua các phương thức xử lí tinh bột khác nhau chúng ta

sẽ thu được những tính chất riêng cho sản phẩm thực phẩm tương ứng Biện pháp kĩ thuật thường

sử dụng nhất để chế biến tinh bột là tiến hành quá trình thủy phân Quá trình này được thực hiệndưới tác dụng xúc tác của acid hay sử dụng enzyme Và để hỗ trợ cho quá trình thủy phân nàysóng siêu âm đã được đưa vào trong quy trình xử lí Phần trình bày sau sẽ giải thích rõ hơn về cơchế cũng như ảnh hưởng của sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột

1 Tinh bột

1.1 Giới thiệu

Tinh bột là nguồn carbonhydrate dự trữ trong rễ, hạt của cây và đặc biệt chứa nhiều trongnội nhũ hạt ngũ cốc Nó cung cấp năng lượng cho các quá trình hoạt động của con người (4 kcal/g) Bên cạnh đó tinh bột còn được thủy phân tạo thành đường glucose là nguồn cơ chất cho cácloài vi sinh vật để thực hiện quá trình lên men tạo sản phẩm Tinh bột là một đại phân tử sinh họcđược hình thành từ các tiểu phần là glucose Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh do đó tạothành huyền phù giữa tinh bột và nước Khi đó hạt tinh bột cũng hấp thu một lượng nước nhỏ vàtrương nở nhẹ Sau đó khi tiến hành gia nhiệt hạt sẽ hút nước mạnh hơn cho đến lúc trương nởcực đại dẫn đến độ nhớt đạt cực đại Chính nhờ đặc tính này mà tinh bột được sử dụng như chấttạo đặc trong thực phẩm Đặc tính của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nguồn tinh bột,nồng độ tinh bột, nhiệt độ quá trình gia nhiệt, tốc độ gia nhiệt, hóa chất sử dụng (acid, đường,muối,…) Với các đặc tính hữu ích của tinh bột, chúng được sử dụng khá nhiều trong quá trìnhsản xuất thực phẩm để làm tăng độ nhớt, ngăn cản quá trình đông tụ, ổn định tính chất các sảnphẩm lạnh đông,…Bên cạnh nguồn tinh bột thường, ngày nay con người còn sử dụng nguồn tinhbột biến tính với các đặc tính ưu việt hơn góp phần tạo ra các sản phẩm với chất lượng ngày mộtcao hơn

1.2 Nguồn tinh bột

Tinh bột là polysaccaride chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây Tinh bột có nhiềutrong các loại cây lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồn nguyên liệu chủ yếu đểsản xuất tinh bột Nguồn tinh bột rất đa dạng, trong đó phổ biến nhất là từ các hạt ngũ cốc như lúa

mì, bắp, gạo, khoai tây,… hay từ các loại củ như khoai tây, khoai lang, khoai mì… Ngoài ra mộtlượng đáng kể tinh bột cũng có trong các nhóm cây họ đậu như đậu nành, đậu xanh… và trongmột số loại trái cây như chuối,… Tinh bột từ các loài thực vật khác nhau, hay cùng một giốngcây trồng nhưng phát triển dưới các điều kiện khác nhau thì đều khác nhau cả về hình thái, tínhchất công nghệ và các tính chất chức năng tương ứng Do đó cần đặc chú ý đến những tính chấtnày để đảm bảo chất lượng ổn định và đồng nhất cho sản phẩm

Hình 1 : SEM của tinh bột từ các nguồn khác nhau

(a) gạo ; (b) lúa mì ; (c) khoai tây ; (d) bắp (Narpinder Singh, 2002)

1.3 Cấu trúc hạt tinh bột

Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng hạt không hoà tan trong nước lạnh gồmnhiều sợi liên kết với nhau Các carbonhydrate đầu tiên được tạo ra ở lục lạp do quang hợp,nhanh chóng được chuyển thành tinh bột Tinh bột ở mức độ này được gọi là tinh bột đồng hoá,rất linh động, có thể được sử dụng ngay trong quá trình trao đổi chất hoặc có thể được chuyểnhoá thành tinh bột dự trữ ở trong hạt, quả, củ, rễ, thân và bẹ lá Tùy thuộc vào nguồn gốc mà tinhbột có kích thước thay đổi, trong đó dao động từ 2  150m Hạt tinh bột có thể có dạng hìnhtròn, hình bầu dục hay hình đa diện Cấu tạo và kích thước của hạt tinh bột phụ thuộc vào giốngcây, điều kiện trồng trọt cũng như quá trình sinh trưởng của cây Có thể chia tinh bột thực phẩmthành ba hệ thống:

 Hệ thống tinh bột của các hạt ngũ cốc

 Hệ thống tinh bột của các hạt họ đậu

 Hệ thống tinh bột của các củ

Bảng 1 : Đặc điểm hạt tinh bột của một số hệ thống tinh bột (Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo

quản và chế biến lương thực, 2007) Loại Hình dạng Kích thước (m) Nhiệt độ hồ hóa (0C)

Maurice (1986) mô tả hạt tinh bột gồm nhiều vùng vô định hình và vùng kết tinh xen kẽnhau Quan sát dưới ánh sáng của quang phổ hồng ngoại, người ta nhận thấy có sự tồn tại liên kếthydro giữa các phân tử tinh bột, các liên kết hydro này đóng vai trò quan trọng, quyết định một sốtính chất của hạt tinh bột Bên trong hạt có các rãnh vô định hình kéo dài từ bề mặt tới tâm tạothành các lỗ xốp Chính các lỗ xốp này giúp nước thâm nhập làm trương nở hạt tinh bột, phá vỡcác liên kết hydro giữa các phân tử bên trong hạt trong quá trình thủy phân Khi không có mặtcác phân tử nước, tinh bột sẽ liên kết với nhau theo loại I Loại liên kết này làm giảm khả nănghoạt động của nhóm -OH Theo kiểu liên kết này, các nhóm -OH bị khóa chặt làm cho hoạt tínhcủa chúng giảm rõ rệt Thông thường tinh bột tồn tại ở dạng này khi bị sấy khô quá mức hoặc bịthoái hóa, trong cả hai trường hợp, nước bị tách ra ngoài Khi trong tinh bột có sự hiện diện củanước, các phân tử tinh bột liên kết nhau theo loại II Đây là dạng liên kết thông thường của tinhbột trong tự nhiên, ở dạng này các nhóm -OH chủ yếu ở carbon thứ 6 nằm cạnh nhau sẽ liên kếtnhau thông qua phân tử nước Bằng phương pháp sấy khô thông thường, ta không thể tách hoàn

toàn ẩm ra khỏi tinh bột, mà thường còn lại khoảng 8 -12% ẩm, được giữ khá bền trong cấu trúcphân tử tinh bột, nước này gọi là nước liên kết, tương đương với lượng nước tạo thành dạngmonohydrate (C6H10O5.H2O)n, với n có thể từ vài trăm đến vài triệu.

Hình 2 : Liên kết Hydro loại I (trái) và loại II (phải)1.4 Thành phần cấu tạo

Tinh bột không phải là một chất riêng biệt mà là một polymer sinh học bao gồm hai thànhphần chính là amylose và amylopectin được tạo thành từ các đơn vị là glucopyranose liên kết vớinhau bằng liên kết -D-1,4 glycoside và -D-1,6 glycoside Hai chất này khác nhau về nhiềutính chất lí học và hóa học Dựa vào sự khác nhau đó có thể phân chia được hai thành phần trên

để điều chế dạng tinh khiết Hầu hết tinh bột chứa khoảng 60 – 90% amylopectin nên tỉ lệamylose / amylopectin trong hạt thường thấy xuất hiện tỉ lệ xấp xỉ ¼ Trong khi đó cũng có tinhbột có amylose với hàm lượng cao (hơn 50% khối lượng tinh bột) như tinh bột đậu xanh, dongriềng và hàm lượng amylopectin xấp xỉ 100% khối lượng tinh bột như tinh bột bắp nếp, gạonếp Tỉ lệ này thay đổi phụ thuộc giống loài, thời tiết, mùa vụ và cách chăm bón Amylose vàamylopectin có cấu tạo chứa nhiều nhóm hydroxyl do đó có thể kết hợp với nhau (liên kết hydtroloại 1) và với các phân tử khác (liên kết hydro loại 2) để tạo nên mạng lưới không gian 3 chiều từ

đó tạo nên những tính chất đặc trưng cho các sản phẩm

Hình 3 : Cấu tạo của tinh bột ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng)

Ngoài hai thành phần chính là amylose và amylopectin thì trong hạt tinh bột còn chứa mộthàm lượng nhỏ các chất khác như: lipit từ 0.1  0.8% khối lượng, protein từ 0.1  0.4% khốilượng, phosphate 0.09  0.63% khối lượng

Bảng 2 : Thành phần hóa học của một số loại hạt tinh bột ( John F Robyt, 2008)

Tinh bột Amylose (%) Amylopectin (%) Lipid (%) Protein (%) Phosphate (%)

1.4.1 Amylose

Hình 4 : Cấu trúc của chuỗi amylose ( John F Robyt, 2008)Amylose có khối lượng phân tử xấp xỉ 105  106 g, chuỗi dài từ 500 - 2000 đơn vị glucose.Amylose “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn Có hai loạiamylose:

 Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp ( khoảng 2000) thường không có cấu trúc

 Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, chiều dài mạch dài hơn và cấu trúc xoắn phức tạphơn do đó khó tiếp xúc với trung tâm hoạt động của β-amylase nên chỉ bị phân hủykhoảng 60%

Phân tử amylose có cấu tạo mạch thẳng, gồm những đơn vị glucose liên kết với nhau bằngliên kết -1,4 glycoside trong đó có khoảng 0.5% số phân tử glucose liên kết với nhau bằng liênkết -1,6 glycoside Amylose thường có dạng cuộn xoắn ốc, đường kính của xoắn ốc là 12.97A0,chiều cao của vòng xoắn là 7.91A0, mỗi vòng xoắn có 6 đơn vị glucose Các nhóm hydroxyl củacác gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H Khi tương tác vớiiod, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng Khi đó phân tử iod được sắp xếp bên trong cấutrúc xoắn ốc của phân tử amylose Amylose dễ hòa tan trong nước ấm tạo thành dung dịch có độnhớt không cao Khi nhiệt độ dung dịch hạ thấp, amylose dễ bị thoái hóa và tạo ra các kết tủakhông thuận nghịch

1.4.2 Amylopectin

Hình 5 : Cấu trúc của chuỗi amylopectin ( John F Robyt, 2008)Cấu tạo của amylopectin lớn và có tỉ lệ phân nhánh khá lớn Khối lượng amylopectinkhoảng 108 đvC và DP lớn hơn 1 triệu.Amylopectin là polyme mạch nhánh, ngoài mạch chính cóliên kết α-1,4 glycoside còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glycoside.Amylosepectin có khoảng 5% số lượng phân tử glucose liên kết bằng liên kết bằng α-1,6glycoside

Bảng 3 : % mạch nhánh của amylopectin từ các loại tinh bột khác nhau ( John F Robyt , 2008)

Mạch nhánh của amylopectin có thể được chia làm 3 phần:

 Loại A: không có nhánh, một đầu của mạch A liên kết với các mạch khác bằng liênkết  - 1,6

 Loại B: dạng mạch nhánh do một hay nhiều mạch A nối vào.

 Loại C: mạch duy nhất trong phân tử amylopectin có mang gốc glucose có nhómkhử

Hình 6 : Cấu trúc phân nhánh của amylopectin (Martin và Smith, 1995)

Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuỗi mạch nhánhnày khoảng 25-30 đơn vị glucose Phản ứng giữa amylopectin và iod cho phức màu nâu tím.Amylopectin chỉ hòa tan trong nước nóng và tạo dung dịch có độ nhớt cao Do cấu trúc cồngkềnh lập thể nên các phân tử amylopectin trong dung dịch không có khuynh hướng kết tinh lạinên thường không bị hiện tượng thoái hóa Sự khác biệt giữa amylose và amylopectin không phảiluôn luôn rõ nét bởi lẽ ở các phân tử amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh do đócũng có những tính chất gần giống như amylopectin Sự khác nhau này được giải thích là do sựkhác nhau trong quá trình sinh tổng hợp tinh bột dưới tác dụng của nhiều loại enzyme khác nhau.1.5 Những tính chất của tinh bột

1.5.1 Đặc tính cấu trúc của hạt tinh bột

Tỉ lệ vùng kết tinh của hạt tinh bột là 15% đối với hạt giàu amylose và khoảng 4550% đốivới hạt tinh bột nếp Hạt tinh bột có cấu trúc được sắp xếp theo một trật tự xác định tùy loại hạt.Cấu trúc bên trong của hạt gồm những lớp với các vòng tròn đồng tâm được sắp xếp theo thứ tựkích thước tăng dần từ tâm đến bề mặt hạt, có độ dày tăng từ 120  400 nm lần lượt chứa cácvùng kết tinh và vô định hình với mức độ tăng dần vùng kết tinh và giảm dần vùng vô định hìnhtương ứng

Hình 7 : Cấu trúc phân lớp của hạt tinh bột ( John F Robyt, 2008)Vùng tinh thể được hình thành chính bởi mạch amylopectin gốc còn vùng vô định hìnhđược hình thành từ các nhánh của phân tử amylopectin, amylose và cấu trúc amylopectin sắp xếpkhông trật tự

Hình 8 : Cấu trúc hạt tinh bột (vùng kết tinh và vùng vô định hình) ( John F Robyt, 2008)Đối với hạt có hàm lượng amylose cao, mạch xoắn ốc của amylose cũng có thể góp phầnvào quá trình kết tinh của hạt tạo nên cấu trúc bán tinh thể với tính chất lưỡng chiết (khúc xạ kép)khi được quan sát dưới kính hiển vi ánh sáng phân cực Các tinh thể tạo bởi mạch amylopectinđược phân thành 2 loại: loại A với cấu trúc chặt chẽ hơn loại B Việc sinh tổng hợp tinh thể loại

A và loại B khác nhau trong suốt quá trình hình thành hạt từ đó dẫn đến sự khác nhau về cấu trúcphân tử amylopectin và tỉ lệ amylose/amylopectin trong hạt Tinh thể loại B có cấu trúc mạchamylopectin ngắn hơn Các hạt tinh bột ngũ cốc có khuynh hướng có nhiều tinch thể loại A trongkhi đó tinh bột từ các cây thân củ và các hạt tinh bột giàu amylose chứa nhiều cấu trúc loại Bhơn Bên cạnh đó còn xuất hiện một dạng trung gian giữa loại A và loại B đó là tinh thể loại C.Loại tinh thể thể này xuất hiện nhiều ở một vài loại trái, thân cây Thường trong hạt xuất hiện cảhai loại tinh thể trên nhưng với tỉ lệ khác nhau tùy nguồn gốc cũng như điều kiện trồng trọt Ví dụđối với hạt tinh bột lúa mì tinh thể loại A chiếm tỉ lệ cao hơn nhưng có số lượng ít hơn hạt loại B

Do đó dẫn đến sự khác nhau trong cấu trúc và tính chất chức năng của sản phẩm sau này

Amylose có khả năng tạo phức với iod để tạo thành phức amylose – iod, do đó chúng tathường sử dụng phương pháp này để xác định amylose trong hạt Mặc dù phương pháp nàynhanh và thuận tiện nhưng nó không cho kết quả chính xác bởi vì bước sóng hấp thu cực đại của

phức amylose – iod khác nhau phụ thuộc vào DP Bên cạnh đó amylopectin cũng có thể tạo thànhphức với iod tạo thành phức amylopectin – iod và cũng có thể bị hấp thu ở bước sóng này.Phương pháp quang phổ cũng là một phương pháp hiệu quả để thay thế cho phương pháp nàynhưng bị hạn chế ở chỗ không thể sử dụng với số lượng lớn Do đó, việc kết hợp các kĩ thuậtphân tích để xác định sự sắp xếp, tổ chức các phân tử trong hạt, ước lượng độ dày vùng tinh thể

và sự ảnh hưởng của amylose đối với amylopectin trong hạt tinh bột nguyên thủy Hiện nay có rấtnhiều phương pháp phân tích để xác định cấu trúc tinh bột như là kĩ thuật nhiễu xạ ( xác định sựkết tinh của nguyên liệu), phương pháp đo góc phân tán ( xác định sự phân bố mật độ electron),phương pháp đo nhiệt lượng ( DSC) để xác định khả năng hòa tan, kết tinh và nhiệt chuyển đổitinh thể Các kĩ thuật hình ảnh như kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vinguyên tử, phương pháp quang phổ cũng được sử dụng rộng rãi để nhận biết hình dạng và cấutrúc hạt tinh bột

1.5.2 Tính trương nở và hồ hóa của hạt tinh bột

Phần lớn hạt tinh bột bị hồ hóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ởtrạng thái tự nhiên Các biến đổi hóa lí khi hồ hóa như sau: hạt tinh bột trương lên, tăng độ trongsuốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với nhau để tạothành gel Ở nhiệt độ bình thường, tinh bột không hòa tan trong nước, tinh bột cũng không hòatan trong ether, ancohol, sunfua carbon… Khi ngâm hạt tinh bột trong nước ở nhiệt độ thường, tanhận thấy có sự tăng thể tích của tinh bột là do nước được hấp thụ vào trong, làm hạt tinh bộttrương phồng lên, đây chính là hiện tượng trương nở của hạt tinh bột Khả năng trương nở củahạt trong nước tăng khi nhiệt độ tăng và đến một lúc nào đó tạo thành dung dịch keo gọi là hồtinh bột Khi tinh bột được gia nhiệt với sự tham gia của nước hay sử dụng phương pháp hấp sửdụng autoclave hay trộn tinh bột với nước có nhiệt độ 1000C, cấu trúc hạt bị phá vỡ và lúc nàynhóm –OH của nước tạo liên kết hydro với với nhóm –OH của phân tử amylose và amylopectin.Điều này làm tăng khả năng hòa tan và trương nở của hạt Trong các loại hạt, tinh bột khoai tây là

có độ trương nở và khả năng hòa tan lớn nhất và giá trị nhỏ nhất ở tinh bột lúa mì

Bảng 4 : Khả năng hòa tan trong nước với 220mg tinh bột trong 10 ml nước

bằng biện pháp hấp bằng autoclave ở nhiệt độ 1210C trong 20 phút ( John F Robyt, 2008)

Lực trương nở cao ở bắp nếp, khoai mì, khoai tây được giải thích là do có chứa hàm lượngcao các nhóm phosphate thường gắn ở cuối mạch phân tử amylose (bao gồm monoeste phosphate

và phospholipid), lực đẩy giữa các nhóm phosphate ở các mạch liền kề sẽ làm tăng sự kết hợpnước do làm yếu mức độ liên kết trong vùng kết tinh Ngoài thành phần các hợp chất phosphoảnh hưởng đến độ trương nở của tinh bột thì sự hiện diện của lipid trong hạt cũng ảnh hưởng đếnkhả năng trương nở Kết quả nó làm giảm khả năng trương nở của hạt Nguyên nhân là do lipidtham gia tạo phức với amylose làm cấu trúc tinh thể càng chặt chẽ hơn nên làm giảm sự xâmnhập của nước vào trong hạt Ở trạng thái tự nhiên, tinh bột không bị hòa tan trong nước lạnh là

do năng lượng tương tác phân tử trong điều kiện đó vượt xa năng lượng hydrat hóa Khi hấp thụnước, tinh bột trương nở dần, 25 – 50% hạt tinh bột vẫn chưa bị trương, khi tăng nhiệt độ đếnmột giới hạn nào đó, các hạt trương nở một cách nhanh chóng, hình dáng hạt sẽ thay đổi đột ngộtđến thời điểm bị phá vỡ hoàn toàn tạo thành dạng keo dính Khả năng trương nở của các hạt tinhbột từ các nguồn khác nhau sẽ khác nhau tùy vào thành phần hóa học (tỉ lệ amylose/amylopectin,hàm lượng nhóm phosphate…), kích thước hạt, chiều dài nhánh, sự sắp xếp trật tự các hạt Ví

dụ bắp và lúa mì có thể trương nở đến thể tích lớn gấp 30 lần thể tích hạt ban đầu mà không bị rã

ra Việc tăng khả năng trương nở hay tính tan của hạt dẫn đến việc làm tăng độ trong của huyềnphù tinh bột – nước Hiện tượng trương nở này xảy ra trước tiên ở các khe lõm của hạt tinh bột,sau đó lan rộng cả bề mặt, làm cho thể tích của chúng tăng lên nhiều lần cho đến khi hạt bị rách

và trở thành cái túi không định hình, hoặc ngừng tăng thể tích, lúc đó tinh bột bắt đầu hồ hóa,nhiệt độ tương ứng lúc này để tinh bột trương nở và giải phóng các sợi amylose và amylopectinđược gọi là nhiệt độ hồ hóa Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độnhất định Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH mà nhiệt

độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một cách đáng kể Dựa vào thuyết của Jenkins vàDonald, nước đầu tiên vào vùng vô định hình trước, khi đó nó sẽ trương nở ở một mức độ nhấtđịnh, dưới tác dụng của áp lực phá vỡ, nước sẽ di chuyển từ vùng vô định hình đến vùng kết tinh.Nhiệt độ hồ hóa của hầu hết tinh bột nằm trong khoảng 60 – 800C Thông qua độ nhớt của hồ tinhbột chúng ta có thể đánh giá được mức độ hồ hóa của hạt

1.5.3 Độ nhớt của hồ tinh bột

Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột, ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu củanhiều sản phẩm thực phẩm, đó là độ nhớt và độ dẻo Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl, cókhả năng liên kết được với nhau làm cho các phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn,khiến dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn Yếu tố chính ảnh hưởng đến độnhớt của dung dịch tinh bột là đường kính biểu kiến của các phân tử hoặc của các hạt phân tán,đặc cấu trúc phân tử tinh bột như kích thước, thể tích, và sự bất đối xứng Nồng độ tinh bột, pH,nhiệt độ, tác nhân oxi hóa, các hóa chất phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của cácphân tử tinh bột thay đổi do đó làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột Độ nhớt thay đổi liêntục trong suốt quá trình thủy phân tinh bột: giá trị sẽ tăng đến cực đại sau đó giảm dần ở giai đoạndịch hóa và đường hóa do sự gãy của các phân tử amylose và amylopectin Sự thay đổi này phụthuộc vào quá trình xử lí hạt Để xác định độ nhớt người ta thường sử dụng thiết bị phân tích độnhớt Rapid Visco Analyser ( RVA), thông qua đó giúp cho việc điều chỉnh lực xé, nén cũng nhưdừng quá trình khi đã đạt độ nhớt xác định RVA là một thiết bị thuận tiện để nghiên cứu ảnhhưởng của phụ gia tạo nên tính chất lưu biến của sản phẩm Các thông số do RVA đưa ra có thểgiúp dự đoán kết cấu và chất lượng sản phẩm

1.5.4 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel

Tinh bột sau khi hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp xếp lại một cách

có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng không gian 3 chiều Để tạo được gel thì

dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thànhtrạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở trạng thái yên tĩnh Trong gel tinh bột chỉ có các liênkết hydro tham gia, có thể nối trực tiếp giữa các mạch amylose và amylopectin hoặc được nốigián tiếp qua phân tử nước

Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại, các phân tử amylose có thể bị táchnước và liên kết lại với nhau thông qua liên kết hydro, quá trình này gọi là quá trình thoái hóa.Trong suốt quá trình thoái hóa, các mạch xoắn amylose liên kết lại với nhau giữa 40 – 70 đơn vịglucose Kết quả amylose sẽ tách lớp lắng xuống Quá trình thoái hóa diễn ra mạnh trong hồ tinhbột tự nhiên giàu amylose Hàm lượng amylose được xem là một trong những nhân tố ảnh hưởnglớn đến quá trình thoái hóa Amylose có chiều dài mạch càng lớn thì mức độ thoái hóa càng tăng.Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó cho rã đông Đối với tinh bộtgiàu amylopectin thì thường không xảy ra hiện tượng thoái hóa do cấu trúc cồng kềnh khó lại gần

để kết lại với nhau Các loại hạt khác nhau thì có mức độ thoái hóa khác nhau ví dụ như tinh bộtkhoai tây có mức độ thoái hoá cao hơn so với gạo, bắp, lúa mì Do đó cần có chế độ xử lí phù hợpcho từng loại sản phẩm tinh bột cụ thể để tránh xảy ra hiện tượng thoái hóa làm ảnh hưởng đếntính chất công nghệ sản phẩm

1.5.5 Quá trình tạo phức giữa tinh bột và lipid

Trong hạt tinh bột ngoài các thành phần chính là amylose và amylopectin còn tồn tại mộtlượng nhỏ khoảng 1% các chất béo như acid béo, lisophospholipids và monoacylglycerides có thểlàm thay đổi đặc tính và tính chất chức năng của tinh bột Sự tạo phức giữa tinh bột và lipid màchủ yếu là amylose với hàm lượng khoảng 15  45% khối lượng amylose trong hạt làm giảm khảnăng hòa tan của tinh bột trong nước, thay đổi tính chất lưu biến của hồ tinh bột, giảm khả năngtrương nở, tăng nhiệt độ hồ hóa, giảm độ bền vững của gel đồng thời làm giảm quá trình thoáihóa của hạt tinh bột Phức này được ứng dụng khá phổ biến trong thực phẩm: làm giảm độ nhớtthực phẩm từ tinh bột, tăng sự ổn định khi rã đông thực phẩm lạnh đông, chất ổn định bột nhào vàlàm mềm trong bánh mì, thay thế chất béo và là chất tạo đặc trong thực phẩm Các acid béo cókhuynh hướng liên kết mạch xoắn của amylose và thường nằm ở cuối mạch phân tử amylose

Hình 9 : Mô hình phức chất giữa amylose và hai phân tử monopalmitin (Les Copeland, 2009)

2 Quá trình thủy phân tinh bột

2.1 Giới thiệu

Quá trình thủy phân là quá trình xảy ra dưới tác dụng của các phân tử nước tham gia phảnứng cắt đứt mạch các phân tử có kích thước lớn Trước đây quá trình thủy phân tinh bột sử dụng

xúc tác acid Xúc tác này đòi hỏi nhiều năng lượng hơn cho quá trình gia nhiệt và khó khăn trongkiểm soát Hiện nay thường sử dụng xúc tác là enzyme bởi yêu cầu giữ lại màu sắc và các thànhphần trong nguyên liệu do chế độ xử lý nhẹ nhàng hơn quá trình thủy phân bằng acid Trong hạttinh bột, do có các vùng kết tinh nên gây khó khăn cho enzyme trong quá trình thủy phân bởi vìcấu trúc liên kết chặt chẽ nên enzyme khó xâm nhập Hầu hết các enzyme đều đặc hiệu cho liênkết α-1,4 glycoside, nhưng để thủy phân hoàn toàn tinh bột cần phải cắt hết các liên kết α-1,6glycoside này Do đó có thể bổ sung các enzyme cắt đặc hiệu cho liên kết α-1,6 glycoside.

2.2 Enzyme thủy phân tinh bột

Enzyme chỉ thủy phân hiệu quả tinh bột khi tiếp xúc trực tiếp với phân tử tinh bột hay nóicách khác là tinh bột đã được hòa tan một phần Một số enzym thường dùng là α-amylase, β-amylase, glucoamylase… Đa phần các enzyme đều thủy phân đặc hiệu các phân tử tinh bột Đặctrưng của phản ứng thủy phân là sự giảm nhanh độ nhớt dung dịch và sinh ra các dextrin phân tửlượng nhỏ Sự xâm nhập của nước, enzyme vào hạt tinh bột đầu tiên xảy ra ở vùng vô định hình.Đầu tiên emzyme tấn công vào bề mặt hạt hình thành những lỗ nhỏ, các lỗ này to dần và hìnhthành kênh dẫn, kênh này dẫn đến tâm hạt dẫn đến sự phá vỡ toàn bộ hạt Các enzyme thủy phânđược chia thành hai nhóm lớn là exo- và endo- enzyme Exo- enzyme thường tác dụng vào phân

tử ở vị trí đầu mạch của đầu không khử Endo- enzyme tác động vào vị trí giữa mạch của cácphân tử nên làm cho độ nhớt dung dịch gảm nhanh hơn

Hình 10 : Sơ đồ phân loại các enzyme thủy phân tinh bột (Józef Synowiecki, 2007)

2.2.1 Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết  - 1,4 glycoside

 Enzyme  - amylase (EC.3.2.1.1)

Enzym α - amylase là protein phân tử lượng thấp, thường nằm trong khoảng 50000 đến60000đvC Các nhà nghiên cứu cho thấy hầu hết các chuỗi mạch axit amin của enzym α -

amylase đều có cấu trúc bậc 3 tương tự nhau Enzyme  - amylase có thể có nguồn gốc từ thựcvật (mầm hạt nảy mầm), động vật (tuyến tụy của heo, bò…) hay từ vi sinh vật (vi khuẩn và nấmmốc) Trong đó nguồn cung cấp  - amylase thường sử dụng là từ vi sinh vật do có khả năng chịunhiệt cao Hiệu quả thủy phân cao nhất là  - amylase thu được ở tuyến tụy heo, kế đến là  -amylase từ mầm hạt nảy mầm và cuối cùng là từ vi khuẩn và nấm mốc Enzyme  - amylase tácđộng chủ yếu lên liên kết -1,4 glycoside ở vị trí giữa mạch nên làm giảm nhanh độ nhớt do đócòn được gọi là enzyme dịch hóa Khi  - amylase tiếp xúc hạt tinh bột và tiến hành thủy phânhạt tinh bột sẽ tạo ra các sản phẩm chính là dextrin thường có từ 2 – 7 đơn vị glucose Cách thứctác dụng của α - amylase phụ thuộc nguồn gốc enzym và bản chất của cơ chất.

Một điều hay nhầm lẫn là  - amylase cắt ngẫu nhiên vào mạch tinh bột nhưng thực chất

nó có tính chất cắt đặc hiệu Tính chất cắt này phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme mà sẽ có tínhđặc trưng riêng cho từng loài pH tối ưu của α - amylase phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme Nóichung, pH tối ưu nằm trong khoảng axit yếu 4,8 - 6,9 Tuy nhiên có một số α - amylase chịu axit

cao như α amylase từ Bacillus acidocaldarious (pH tối ưu 3,5) và chịu kiềm mạnh như α amylase từ Bacillus licheniformis ( pH tối ưu 9,0) Sự có mặt của ion canxi cho phép cải thiện

-độ ổn định của enzyme đối với sự thay đổi của pH Nhiệt -độ hoạt -động tối ưu của α - amylasecũng phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme Nói chung nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 40-500C,nhưng có thể đạt tới giá trị gần 70-800C đối với α-amylase từ vi khuẩn như B sterothermophilus,

B subtilis, B licheniformis.

Bảng 5 : Các tính chất của -amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học

Bách Khoa Đà Nẵng)

 Enzyme  - amylase (EC.3.2.1.2)

Những hiểu biết về β - amylase còn rất hạn chế Chỉ có các enzyme có nguồn gốc thực vậtđược biết đến nhiều nhất Các enzyme này được sinh tổng hợp ở trong các hạt dưới dạng tiềm

ẩn, sau đó được hoạt hóa trong quá trình nảy mầm nhờ enzyme protease Gần đây người ta tách

chiết được β amylase từ vi khuẩn như Bacillus pseudomonas, B streptomices Enzyme β

-amylase được tạo ra từ một chuỗi mạch polypeptide duy nhất, có khối lượng phân tử 60000 đvC.Các enzym β - amylase có pH tối ưu nằm trong khoảng 5 - 6 và nhiệt độ tối ưu khoảng 500C Tuynhiên các β - amylase vi khuẩn thường có tính bền nhiệt hơn so với β - amylase có nguồn gốcthực vật

Bảng 6 : Các tính chất của β - amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học

Bách Khoa Đà Nẵng)

Cơ chế tác động của β – amylase chủ yếu vào các liên kết  - 1,4 glycoside từ đầu khôngkhử của mạch giải phóng ra chủ yếu các phân tử maltose Tác động của enzyme sẽ ngừng lại ởchỗ sát với liên kết α - 1,6 glycoside Amylose gần như bị thủy phân hoàn toàn trong khi đó,trong cùng điều kiện thì chỉ có 55% amylopectin được chuyển thành β - maltose Phần còn lạicủa sự thủy phân amylopectin là dextrin có phân tử lượng nhỏ hơn và có chứa tất cả các liên kếtα- 1,6 glycoside của phân tử ban đầu

2.2.2 Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết  - 1,6 glycoside

 Pullulanase (EC.3.2.1.41)

Enzyme này có thể thủy phân các liên kết α- 1,6 glycoside của tinh bột, glycogen, pullulan

và các dextrin Điều đáng chú ý là sự định vị của liên kết α- 1,6 glycoside có ảnh hưởng lớn đếntác động của enzym Đặc biệt sự có mặt của hai liên kết α - 1,4 glycoside nằm kề bên liên kết α-1,6 glycoside là điều kiện cần thiết cho enzyme phân cắt liên kết này

độ 40-600C Sự có mặt của các oligosaccharide trong môi trường có tác dụng ổn định enzyme.Ngược lại sự có mặt của ion canxi kìm hãm và làm biến tính enzyme Enzyme này được xem làenzyme duy nhất có khă năng chuyển hóa hoàn toàn tinh bột thành glucose

2.3 Quá trình thủy phân tinh bột

Có 3 giai đoạn trong quá trình thủy phân tinh bột: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa Quá trình hồhóa là quá trình các hạt trương nở kèm theo sự giải phóng các các sợi amylose và amylopectindưới tác dụng xúc tác của -amylase Trong quá trình hồ hóa, độ nhớt dịch tăng dần và khi quátrình kết thúc độ nhớt dịch sẽ đạt giá trị cực đại Sau đó các sợi amylose và amylopectin tiếp tụcđược giải phóng trong quá trình dịch hóa và sau đó sẽ bị cắt ngắn tạo thành các dextrin phân tửlượng nhỏ Kết quả độ nhớt của dịch giảm xuống Quá trình đường hóa là quá trình cắt ngắn các

phân tử dextrin phân tử lượng nhỏ để tạo ra sản phẩm là các loại đường đơn giản như glucose,maltose…dưới tác dụng xúc tác của enzyme glucoamylase Độ nhớt của dịch khi này được xem

Đầu tiên tinh bột sẽ được trộn với nước theo tỉ lệ 30-40% (w/w) ở pH 6.0-6.5, 20-80 ppm

Ca2+ (ổn định và hoạt hóa hoạt tính của enzyme -amylase) Tỉ lệ này có thể thay đổi tùy loại tinhbột sử dụng (phụ thuộc vào quy trình xử lí của từng sản phẩm tinh bột) Sau đó α -amylase được

bổ sung vào để thực hiện quá trình hồ hóa Khi đó môi trường phải ở điều kiện thích hợp choenzyme xúc tác Thời gian lưu trong jet cooker rất ngắn, một phần tinh bột đã hồ hóa sẽ được đưaqua hệ thống ống duy trì nhiệt độ 100-1050C trong khoảng 5 phút để quá trình hồ hóa xảy ra hoàntoàn Sau đó quá trình thủy phân tiếp tục với quá trình dịch hóa trong thùng chứa ở nhiệt độ 90-

1000C và kết thúc sau 1 – 2 giờ Cuối cùng nhiệt độ sẽ được hạ về 550C để thực hiện tiếp quátrình đường hóa, quá trình này sẽ kéo dài cho đến lúc dịch thủy phân đạt đến DE cuối theo yêucầu Tinh bột sau quá trình dịch hóa thường được đưa qua quá trình đường hóa nhưng một phầnnhỏ có thể được sấy phun để tạo thành maltodextrin Trong trường hợp này thì chúng ta phải ứcchế enzyme bằng cách giảm pH (xuống giá trị thấp hơn giá trị tối thích của enzyme) khi kết thúcquá trình xử lý nhiệt

và làm hạt trương nở khoảng 5% thể tích Dưới nhiệt độ hồ hóa, xảy ra quá trình hút nước vàtrương nở thuận nghịch Khi được đun nóng, nhiệt năng cung cấp sẽ phá vỡ hàng loạt liên kếthydro ràng buộc các phân tử nước, giúp các phân tử nước này trở nên linh động hơn, dễ dàng tấncông 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 tinhbột Do đó, hạt tinh bột sẽ trương nở đáng kể, tăng thể tích và kích thước Dưới tác dụng củanhiệt, một số phân tử amylose và và amylopectin phân tử lượng nhỏ sẽ khuếch tán vào môitrường xung quanh Các phân tử tinh bột này sẽ bị hydrate hóa tạo thành các micelle nhỏ Cácmicelle này và các hạt tinh bột đã trương nở sẽ kết hợp lại với nhau bằng liên kết hydro, hìnhthành các liên kết ba chiều mới, làm độ nhớt tăng lên Khi nhiệt độ tăng, đường kính hạt tăng đếnkhi 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 biếndạng) của hạt tinh bột đã trương nở Do đó, hồ tinh bột là một dung dịch bao gồm các hạt đãtrương nở lơ lửng trong nước nóng, các phân tử amylose cũng bị phân tán trong này Những tácđộng qua lại trong dung dịch khi này liên quan đến liên kết hydro nội phân tử giữa các hạt tinhbột với nhau và giữa các hạt tinh bột với nước(Tako và Hizukuri, 1999)

Tóm lại quá trình hồ hóa được định nghĩa là sự đứt gãy không thuận nghịch trong cấu trúccác phân tử hạt tinh bột khi được gia nhiệt với lượng nước lấy dư (Sivak và Preiss, 1998) Do đóxảy ra các hiện tượng là chuyển từ huyền phù sang dạng dung dịch keo, và từ dạng dung dịch keochuyển sang dạng gel (Gomi và cộng sự, 1998; Chatakanonda và cộng sự, 2000) cũng như sự pháhủy 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 hydrogiữa 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 tantinh bột vào nước nóng

Thông thường, cấu trúc mạng lưới micelle không ổn định, ngoài ra kích thước của hạtcũng không ổn định, nên quá trình hồ hóa không xảy ra ở một nhiệt độ nhất định, mà dao độngtrong một khoảng nhiệt độ tùy vào việc cung cấp thêm năng lượng cho sự phá vỡ liên kết ởnhững vùng có cấu trúc chặt chẽ trong mạng lưới micelle tạo nên liên kết mới giữa tinh bột vànước Quá trình hồ hóa các loại tinh bột thường xảy ra ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ sôi của nước.Nếu sau khi hồ hóa xong mà quá trình gia nhiệt vẫn kéo dài cho đến nhiệt độ sôi, thì năng lượngđược cung cấp thừa do gia nhiệt lại tiếp tục phá hủy liên kết hydro vừa mới tạo ra giữa phân tửnước và các nhóm -OH của tinh bột, làm cho kết cấu của tinh bột đã hồ hóa trở nên lỏng lẻo,giảm độ nhớt và độ dẻo của hồ tinh bột

Nhiệt độ hồ hóa của các nguồn tinh bột khác nhau thì khác nhau Tinh bột khoai mì cónhiệt độ hồ hóa trong khoảng 58.5 – 700C, so với 56 – 660C ở khoai tây và 62 – 720C ở tinh bộtbắp Các dẫn xuất của tinh bột được tạo ra nhờ các liên kết ngang hay khi thêm các chất có hoạttính bề mặt có thể làm thay đổi nhiệt độ hồ hóa Nhiệt độ hồ hóa cũng ảnh hưởng đến chất lượngnấu của tinh bột, nhiệt độ hồ hóa thấp thường có chất lượng nấu thấp do tinh bột dễ bị phá vỡ.Nồng độ huyền phù tinh bột, tốc độ đun nóng, độ ẩm ban đầu của tinh bột đều có ảnh hưởng đếnnhiệt độ hồ hóa Khi tăng nồng độ huyền phù tinh bột thì nhiệt độ hồ hóa giảm Nhiệt độ hồ hóaphụ thuộc nhiều vào kích thước hạt tinh bột, kích thước hạt nhỏ thì có nhiệt độ hồ hóa cao hơn sovới tinh bột chứa hạt có kích thước lớn

Như vậy nhiệt độ hồ hóa và khả năng hồ hóa của một loại tinh bột nào đó sẽ phụ thuộc rấtlớn vào cấu trúc của mạng lưới micelle trong hạt tinh bột, cấu trúc này được đặc trưng bởi hìnhdáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ giữa amylose và amylopectin, mức độ phânnhánh 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 cứunhững ảnh hưởng khi các hạt tinh bột liên kết với lipid vào những đặc tính nhiệt, nhớt, dẻo củagel tinh bột và nhận thấy việc thêm các lysophospholipid làm giảm enthalpy hồ hóa của tinh bộtcùng với sự gia tăng về nhiệt độ tại điểm chuyển đổi amylose – lipid xảy ra Nguyên nhân là docác lipid tạo phức với amylose trên bề mặt hạt do đó ngăn cản sự xâm nhập các phân tử nước vàhạt 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 bộtsau khi gia nhiệt trong nước với hàm lượng nước khác nhau Hình ảnh hiển vi quang học cho thấyhạt khi bị gia nhiệt dưới nhiệt độ bắt đầu hấp thu nhiệt (To) không làm ảnh hưởng đến hạt Saukhi gia nhiệt đến các nhiệt độ khác nhau, hình ảnh hiển vi quang học cho thấy, tương ứng vớihàm lượng nước khác nhau trong suốt quá trình, có 4 hình thái riêng biệt trong tập hợp hạt: hạtnguyên, hạt bị mất một phần tính lưỡng chiết, hạt không có tính lưỡng chiết nhưng còn dạng hìnhcầu và hạt không còn nguyên vẹn Sự thay đổi càng rõ ràng khi thực hiện quá trình gia nhiệt vớihàm lượng nước và nhiệt độ cao hơn

Hình 13 : Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ

Ở đây chúng ta cần phân biệt sự hồ hóa và quá trình hydrat hóa của hạt tinh bột Quá trìnhhydrat hóa là quá trình hạt tinh bột hút nước làm hạt trương nở dẫn đến tăng độ nhớt của hỗn hợp,còn sự hồ hóa chỉ mức độ hấp thu nước tối đa làm hạt trương nở cực đại dẫn đến độ nhớt đạt cựcđại Mức độ trương nở sẽ phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của hạt Cấu trúc phân tử bên trongcàng cứng, nhiệt độ cho quá trình hồ hóa càng cao Trong quá trình hồ hóa chúng ta cần quan tâmtới hiện tượng hồ tinh bột sau khi gia nhiệt và được làm nguội, các phân tử amylose sẽ tách ra, táikết hợp và hợp nhất với các hạt tinh bột đã trương nở theo một cấu trúc có thứ tự làm cho độ nhớttăng lên (Lai và cộng sự, 2000) Hiện tượng này được xem như là quá trình kết tinh hoặc tái kếttinh (nghĩa là sự hình thành và sự kết hợp của hai đoạn xoắn ốc) của amylose (Seow và cộng sự,1996)

2.3.2 Dịch hóa và đường hóa

Sau giai đoạn hồ hóa hạt tinh bột trương nở nhưng vẫn còn nguyên vẹn Khi ta tiếp tục gianhiệt hỗn hợp, sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử tinh bột trong hỗn hợp dưới tác dụng củanhiệt độ sẽ làm cho liên kết giữa các phân tử tinh bột với nhau, giữa tinh bột với nước trở nênlỏng lẻo Kết quả là các phân tử amylose và amylopectin được giải phóng từ dạng “liên kết” trongcấu trúc hạt tinh bột sang dạng “tự do” Quá trình này được gọi là quá trình dịch hóa Sản phẩmtạo thành của quá đường hóa là maltodextrin, các oligosacarit, đường glucose, maltose vàmaltotriose Lúc này tinh bột trở nên “hòa tan” trong nước, độ nhớt của hỗn hợp giảm đi đáng kể.Quá trình này được thực hiện dưới sự có mặt của enzyme α-amylase và -amylase hình thành cácphân tử có chiều dài mạch ngắn hơn Enzyme này có thể có trong bản thân hạt tinh bột hay được

bổ sung từ ngoài vào Tiếp theo enzyme glucose-amylase sẽ được bổ sung vào để tiến hành thủyphân hoàn toàn các phân tử mạch ngắn để hình thành đường glucose Tùy theo loại sản phẩmmong muốn quá trình chuyển hóa này có thể được xúc tác bởi một hay kết hợp nhiều enzyme.Khi sử dụng enzym amiloglucosidase sẽ cho ra các sản phẩm giàu glucose Còn thủy phân bằngmột hỗn hợp các enzym β - amylase và pululanase thì cho sản phẩm giàu maltose (90%) Để táchriêng hai quá trình dịch hóa và đường hóa thì cần sử dụng những điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu

để tăng hoạt độ của enzym cũng như để cơ chất có trạng thái hòa tan tốt

3 Sóng siêu âm

3.1 Định nghĩa

Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số lớn hơn tần số giới hạn trên ngưỡng nghe của người bình thường, tức là có tần số lớn hơn 20 kHz Sóng siêu âm có những đặc tính của sóng âmnhư phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa và có thể lan truyền trong môi trường khí, rắn, lỏng

3.2 Phân loại

Dựa vào tần số, sóng siêu âm được chia làm 3 loại:

- Siêu âm tần số thấp (siêu âm năng lượng cao) (20 – 100 kHz): khi đó có sự hình thành và

vỡ ra của các bong bóng khí có kích thước lớn sẽ làm cho nhiệt độ và áp suất tăng cao Do đó cókhả năng làm thay đổi tính chất hóa lý của nguyên liệu Vì vậy được sử dụng để phá vỡ tế bàohay làm bền hệ nhũ tương Ngày nay siêu âm tần số thấp được ứng dụng trong điều khiển quátrình kết tinh, loại khí khỏi thực phẩm dạng lỏng, vô hoạt enzyme, tăng hiệu quả quá trình trích

ly cũng như tăng tốc độ các phản ứng hóa học (Knorr và cộng sự 2004, McClements 1995,Roberts 1993, Zheng và Sun 2006)

- Siêu âm tần số cao (siêu âm năng lượng thấp) (100kHz-2MHz): khi tần số cao, kích thướccác bong bóng khí khá nhỏ nên quá trình sủi bọt diễn ra nhẹ nhàng hơn Do đó không làm thayđổi những tính chất hóa lý của nguyên liệu nên được thường được dùng trong phân tích, đặc biệttrong phân tích thực phẩm nhằm xác định tính chất hóa lý của thực phẩm cũng như thành phầncấu trúc và trạng thái vật lý của thực phẩm (Fellows 2000, Jayasooriya và cộng sự 2004, Knorr vàcộng sự 2004, McClements 1995) So với các phương pháp phân tích truyền thống với tác dụngtương tự thì việc áp dụng sóng siêu âm đem lại hiệu quả nhanh và chính xác hơn

- Siêu âm chẩn đoán (5-10MHz): lúc này không còn hiện tượng sủi bong bóng và cơ chếchính của siêu âm trong khoảng tần số này là dòng âm thanh, dùng để đo hệ số tốc độ và hấp thụcủa sóng trong môi trường, dùng trong y học, phân tích hóa học

Phần lớn, những nghiên cứu về sóng siêu âm trong thực phẩm thường giới hạn trong khoảng 20 40kHz (thuộc vùng tần số thấp, năng lượng cao)

-Hình 14 : Các mức tần số của sóng âm