CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH TINH bột

Công nghệ biến tính tinh bột bằng các phương pháp vật lý, Công nghệ biến tính tinh bột bằng các phương pháp hóa học, Công nghệ biến tính tinh bột bằng các phương pháp sinh học. Ứng dụng của các sản phẩm tinh bột biến tính vật lý trong công nghiệp thực phẩm. Ứng dụng của các sản phẩm tinh bột biến tính hóa học trong công nghiệp thực phẩm. Ứng dụng của các sản phẩm tinh bột biến tính sinh học trong công nghiệp thực phẩm.

KHOA CƠ KHÍ VÀ CÔNG NGHỆ

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay con người rất chú trọng nhiều phươngdiện, yếu tố sau: phong cách, ăn uống, thời trang,… Và khác với các thập niêntrước thì con người chỉ “ ăn no mặc ấm ” nhưng hiện tại tiêu chí đó đã thay đổitheo thời gian Thay vào đó là “ ăn ngon mặc đẹp ” và để phù hợp với các tiêu chícủa khách hàng đưa ra, các nhà sản xuất thực phẩm, mỹ phẩm, thời trang… luônđáp ứng các thị hiếu đó

Riêng thực phẩm nói riêng các sản phẩm không những đa dạng về mẫu mãbao bì mà còn chất lượng sản phẩm, giá trị cảm quan cũng được nâng lên Để làmsản phẩm thực phẩm trở lên hoàn hảo hơn ngoài nguyên liệu chính ra thì còn cócác nguyên vật liệu phụ như chất phụ gia Và tinh bột biến tính là chất được ứngdụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất như giấy, dệt nói chung và côngnghiệp thực phẩm nói riêng

Bài tiểu luận sau đây nhóm chúng em muốn làm rõ về tinh bột là gì? Vì saotinh bột lại biến tính? Nó có ưu điểm gì tốt hơn tinh bột bình thường được sử dụngrộng rãi trong tương ớt, bánh kẹo, bún,… Các phương pháp biến tính tinh bột vàcác ứng dụng của chúng trong công nghiệp thực phẩm Qua đó, chúng ta có thểhiểu rõ hơn về tinh bột biến tính để có thể sử dụng hiệu quả hơn

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT 1.1 Giới thiệu tổng quát về tinh bột

Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây Một lượngđáng kể tinh bột cũng có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau trong đóxảy ra quá trình biến đổi thuận nghịch từ tinh bột thành đường glucozơ phụ thuộcvào quá trình chín và chuyển hóa sau thu hoạch Đặc biệt, nguồn tinh bột có nhiềutrong các loại lương thực như: ngô, khoai tây, lúa mì, củ mì, sắn dây, gạo, đậu…nên các loại lương thực được coi là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinhbột

Hình 1.1 Một số loại hạt, củ có chứa tinh bột

Tinh bột là loại polysaccarit khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị glucozơđược nối nhau bởi các liên kết α- glycozit, có công thức phân tử là (C6H10O5)n, n ởđây có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu Tinh bột không phải là một chất riêng biệt,

nó bao gồm hai thành phần là amiloza và amylopectin Hình dạng và thành phầnhóa học của tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt

Có thể chia tinh bột thực phẩm thành các hệ thống sau

Hình dáng

Hạt ngô 10-30 Đa giác hoặc tròn

Lúa mạch đen 5-50 Tròn dài

Trong công nghiệp thực phẩm tinh bột thường dùng để làm chất tạo độ nhớtsánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương,như các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng, độ đàn hồi cho nhiều loại thựcphẩm Ngoài ra tinh bột còn nhiều ứng dụng trong dược phẩm, công nghiệp dệt,hóa dầu

1.2 Thành phần hóa học của tinh bột

Tinh bột không phải là một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysacarit khácnhau: Amylose và Amylopectin Trong những nguyên liệu khác nhau thì hàmlượng Amylose và Amylopectin cũng không giống nhau

1.2.1 Thành phần cấu trúc của amylose

Hình 1.2 Cấu trúc của phân tử Amylose

Amylose là loại mạch thẳng, chuỗi dài khoảng 500 - 2000 đơn vị glucozơnhờ liên kết α-1,4- glucozit Trong không gian, nó cuộn lại thành hình xoắn ốc vàđược giữ bền vững nhờ các liên kết hydro Đường kính xoắn ốc là 12,97oA, chiềucao vòng xoắn 7,91 oA.

Trong phân từ amyloza có một đầu tính khử và một đầu không có tính khử,trong đó đầu có tính khử có nhóm - OH glucozit phân tử lượng trung bình 10000 –300000

1.2.2 Thành phần cấu trúc của amylopectin

Hình 1.3 Cấu trúc của phân tử Amylopectin

Amylopectin là polyme mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α-1,4glucozit mà còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glucozit Chiều dài của chuỗi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucozơ Phân tửamilopectin có thể chưa tới 1000000 đơn vị glucozơ

Các Amylopectin thường được phân bố bên ngoài hạt tinh bột Amylopectin chỉhoà tan trong nước khi đun nóng và tạo nên dung dịch có độ nhớt cao

1.3 Một số tính chất vật lí của tinh bột

1.3.1 Độ tan của tinh bột

Amylose mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền nên nhanhchóng bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước Amylopectin khó tan trongnước ở nhiệt độ thường chỉ tan trong nước nóng

Ở nhiệt độ thường tinh bột không hòa tan trong nước, tinh bột cũng không hòatan trong ete, rượu, sunfua cacbon, clorofoc Tinh bột hòa tan trong môi trườngkiềm tốt hơn là trong môi trường trung tính hoặc axit và kiềm có tác dụng ion hóatừng thành phần do đó làm cho phần tử polisaccarit hydrat hóa tốt hơn

1.3.2 Sự trương nở

Khi ngâm tinh bột vào nước thì thể tích hạt tăng do sự hấp thụ nước, làm chohạt tinh bột trường phồng lên Hiện tượng này gọi là hiện tượng trương nở hạt tinhbột

Hiện tượng này được giải thích như sau: Ở điều kiện thường phần lớn tinh bộttồn tại ở dạng monohydrat Khi điều kiện bão hòa ẩm do các phân tử nước có kíchthước bé chúng dễ dàng liên kết với các nhóm OH kém hoạt động hơn như C vị trí

số 2,3 tạo nên dạng tinh bột trihydrat Lúc này có sự hiện diện các phân tử nướcnên kích thước hạt tinh bột tăng lên

Tùy thuộc vào cấu trúc các loại tinh bột khác nhau mà khả năng trương nởtrong điều kiện bão hòa sẽ mạnh hay yếu Thông thường tinh bột các loại hạttrương nở kém hơn so với tinh bột củ

1.3.3 Tính chất hồ hóa của tinh bột

Nhiệt độ để phá vỡ hạt chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ hydrat hóakhác nhau thành dung dịch keo gọi là nhiệt độ hồ hóa Phần lớn tinh bột bị hồ hóakhi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ở trạng 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 hợpvới nhau để tạo thành gel

Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độ nhất định.Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH mànhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một cách rộng lớn

1.3.5 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 xếplại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3 chiều Để tạođược gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải được hồ

hóa để chuyển tinh bột thảnh trạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở trạngthái yên tĩnh Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hydro tham gia, có thể nối trựctiếp các mạch polyglucozit hoặc gián tiếp qua phân tử nước

Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ thoát

ra gọi là sự thoái hóa Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đồng rồisau đó cho tan giá

PHẦN 2: TINH BỘT BIẾN TÍNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN TÍNH

TINH BỘT 2.1 Giới thiệu về tinh bột biến tính (QUYÊN)

Tinh bột tự nhiên với các tính chất đặc trưng đã và đang được khai thác đếnmức có thể phục vụ cho nhu cầu sản xuất Tuy nhiên, khi ngành công nghiệp thựcphẩm mở rộng với chủng loại sản phẩm đa dạng thị tinh bột tự nhiên cho thấynhững hạn chế, hoặc có những tính chất mặc dù thích hợp cho sản phẩm này nhưnglại bất lợi cho sản phẩm khác Vì vậy, quá trình biến tính tinh bột được sử dụng đểtạo ra những loại tinh bột có các tính chất phù hợp với những sản phẩm nhất định.Trong sản xuất thực phẩm ứng với mỗi loại sản phẩm đòi hỏi một dạng tinhbột hay dẫn xuất tinh bột nhất định như tinh bột phải có độ hoà tan tốt, giàuamylose, amylopectin, tính bền,…

Biến tính tinh bột là các quá trình làm biến đổi cấu trúc và tác động lên cácliên kết hydro của tinh bột một cách có kiểm soát Ngoại trừ tinh bột biến tính vật

lý (hồ hoá trước), sự biến đổi này chỉ diễn ra ở cấp độ phân tử, với ít hoặc không

có thay đổi trên bề mặt bên ngoài của hạt tinh bột Do đó, nguồn gốc thực vật củatinh bột vẫn có thể xác định được bằng kính hiển vi

Nhiều nghiên cứu đã xác định nhiệt độ hồ hoá của tinh bột khoai mì nằmtrong khoảng từ 49 – 64oC đến 62 - 73 oC, cao hơn khoai tây và thấp hơn bắp Độnhớt của hồ tinh bột khoai mì và khoai tây cao hơn tinh bột bắp, tinh bột lúa mìhay tinh bột gạo Khả năng hồ hoá sớm, độ nhớt cao của tinh bột khoai mì thể hiệnlực liên kết yếu giữa các phân tử tinh bột trong cấu trúc hạt

Hồ tinh bột khoai mì có độ trong cao do có khả năng trương nở tốt và xuhướng thoái hoá thấp Khả năng trương nở và hoà tan cao của tinh bột khoai mìmột lần nữa thể hiện lực liên kết yếu trong cấu trúc hạt Độ trong cao và vị nhạtcủa tinh bột khoai mì rất thích hợp để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm Côngthức gel của tinh bột khoai mì có độ bền tốt nên có nhiều ứng dụng trong thựcphẩm, đặc biệt trong các sản phẩm có thời gian bảo quản lâu

2.1.1 Định nghĩa

Là quá trình làm thay đổi cấu trúc phân tử của tinh bột, tạo ra các phân tửpolysaccharide có mạch ngắn hơn hay gắn các chất, các nhóm khác vào phân tửtinh bột…Dưới tác dụng của các tác nhân như nhiệt độ, acid, enzyme, các chất oxyhoá…dẫn đến làm thay đổi cấu trúc vật lý, hoá học của tinh bột

2.1.2 Tính chất

- Có khả năng làm đặc, tạo mối liên kết tốt, độ bền cao

- Tạo cho sản phẩm có tính cảm quan và tạo được gel

- Giảm ái lực với iot, độ nhớt bé hơn, áp suất thẩm thấu cao hơn

- Hồ hoá trong nước nóng hạt trương nở kém hơn, chỉ số kiềm cao

- Nhiệt độ hồ hoá cao hơn tinh bột

1412 Distarch phosphate esterified with sodium trimetaphosphate

1413 Phosphated distarch phosphate

1414 Acetylated distarch phosphate

1420 Starch acetate esterified with acetic anhydride

1421 Starch acetate esterified with vinyl acetate

1422 Acetylated distarch adipate

1423 Acetylated distarch glycerol

1440 Hydroxypropyl starch

1442 Hydroxypropyl distarch phosphate

1450 Starch sodium octenyl succinate [4]

Còn nếu dựa trên bản chất những biến đổi xảy ra trong phân tử tinh bột,

Kovalxkaia chia tinh bột biến tính bằng hoá chất thành 2 loại: tinh bột cắt và tinh bột bị thay thế

- Nhóm tinh bột cắt: trong phân tử tinh bột xảy ra hiện tượng phân cắt liên kết C-O giữa các monome và những liên kết khác, giảm khối lượng phân tử, xuất hiện một

số liên kết mới trong và giữa các phân tử Cấu trúc hạt của tinh bột có thể bị phá vỡ

ít nhiều Nhóm tinh bột này có rất nhiều ứng dụng như tinh bột biến tính bằng acid được dùng để phủ giấy, tăng độ bền của giấy, cải thiện chất lượng in Trong công nghiệp thực phẩm, tinh bột loại này dùng để tạo cấu trúc gel trong sản xuất bánh kẹo

Tinh bột oxi hoá cũng được xếp và nhóm này Một số loại tinh bột được oxi hoá bởi KMnO4 trong môi trường acid được sử dụng thay thế aga, pectin trong sản xuất bánh kẹo, kem, các sản phẩm sữa cũng như trong đồ hộp Các sản phẩm tinh bột oxi hoá yếu cũng được dùng trong bánh mì để làm tăng thời gian giữ khí của bột nhào, giảm thời gian lên men và tăng chất lượng của bánh Tinh bột oxi hoá bởihypoclorit, H2O2, HI và muối của nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp giấy.

- Nhóm tinh bột thay thế: là nhóm tinh bột mà tính chất của chúng thay đổi do các nhóm hydroxyl ở cacbon 2, 3 và 6 liên kết với các gốc hoá học hay đồng trùng hợpvới một hợp chất cao phân tử khác, hoặc 2 mạch polisaccarit có thể bị gắn vào nhau do các liên kết dạng cầu nối

Mức độ biến tính tinh bột được đặc trưng bởi độ thế (Degree of substitution– DS)

DS là số nhóm hiđroxyl bị thế trên một AGU (Anhydrous Glucose Unit) Như vậy,

độ thế có giá trị trong khoảng 0-3 Trong trường hợp này tính chất của tinh bột bị thay đổi rõ rệt Thông thường tinh bột loại này có độ nhớt và độ bền kết dính cao (được sử dụng để sản xuất các sản phẩm cần bảo quản) như tinh bột axetat, tinh bộtphotphat, tinh bột oxi

hoá

2.2 Các phương pháp biến tính tinh bột

Tinh bột ở dạng không biến tính, khi sử dụng trong công nghiệp thực phẩm

bị hạn chế Ví dụ: Các hạt tinh bột ngô nếu ở dạng chưa biến tính, khi đun nóng sẽ

dễ dàng hydrat hoá, trương nhanh rồi vỡ hạt làm giảm độ nhớt để tạo nên một khối keo và dễ chảy

Vì vậy làm hạn chế phạm vi ứng dụng của tinh bột này trong nhiều loại thương phẩm Nhược điểm của tinh bột tự nhiên thể hiện ở tính chảy tự do hay tính

kị nước của hạt tinh bột; tính không hoà tan; tính kém trương nở; độ nhớt tăng trong nước lạnh; sự tăng quá hay không điều chỉnh được độ nhớt sau khi nấu Sự dính kết hay tạo hỗn hợp giống cao su đối với những loại tinh bột đã nấu, đặc biệt

là ngô nếp, khoai tây, tinh bột sắn, tính dễ thoái hoá khi kéo dài thời gian đun nóng hay giảm pH, độ kém trong… Mục đích của việc biến tính tinh bột là để tăng cường hoặc hạn chế những tính chất cố hữu của nó nhằm tăng khả năng làm đặc, cải thiện mối liên kết, tăng độ bền, cải thiện tính cảm quan, tạo được gel, mở rộng phạm vi sử dụng của tinh bột trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau

Dựa vào bản chất của phương pháp có thể phân loại các phương pháp biếntính tinh bột như sau:

- Phương pháp biến tính vật lý: là phương pháp biến tính tinh bột thuần túy dùng

các lực vật lý như ép, nén và hồ hóa tác dụng lên tinh bột để làm thay đổi một sốtính chất của nó nhằm phù hợp với những ứng dụng, sản phẩm tinh bột biến tínhcủa phương pháp này là những tinh bột hồ hóa, tinh bột xử lý nhiệt ẩm

- Phương pháp biến tính hóa học: là phương pháp sử dụng những hóa chất cần

thiết nhằm thay đổi tính chất của tinh bột, sản phẩm chủ yếu của phương pháp biếntính hóa học là những tinh bột xử lý axit, tinh bột ete hóa, este hóa, phosphat hóa.Phương pháp thủy phân bằng enzim: là phương pháp biến tính tinh bột tiên tiếnhiện nay, cho sản phẩm tinh bột biến tính chọn lọc không bị lẫn những hóa chấtkhác Sản phẩm của phương pháp này là các loại đường gluco, fructo; các poliolnhư sorbitol, mannitol; các axit amin như lysin, MSG, các rượu, các axit

- Phương pháp biến tính tinh hóa sinh: là phương pháp biến tính tinh bột tiên tiến

hiện nay, cho sản phẩm tinh bột biến tính chọn lọc, không lẫn các hóa chất khác Sản phẩm của phương pháp này là các loại đường như sorbitol, mannitol, các acid amin như lysin, MSG, rượu, acid…Biến tính tinh bột bằng thủy phân enzyme để thu các dextrin và các sản phẩm đặc thù

2.2.1 Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý

2.2.1.1 Trộn với chất rắn trơ

Tinh bột có ái lực với nước nhưng nếu hòa trực tiếp vào nước thì sẽ bị vóncục Có thể làm cho tinh bột phân tán tốt vào nước nếu đầu tiên đem trộn nó vớichất rắn trơ Khi trộn đồng đều sẽ làm cho các hạt tinh bột cách biệt nhau về vật lí

do đó sẽ cho phép chúng hydrat hóa một cách độc lập và không kết thành cục

2.2.1.2 Biến tính bằng phương pháp nhiệt ẩm

Tinh bột khi có đủ nước và dưới tác dụng của nhiệt độ cao sẽ bị hồ hóa,nhưng khi hàm ẩm thấp tinh bột sẽ không bị hồ hóa (ở hàm ẩm 1-3% và nhiệt độ

180oC tinh bột bị biến đổi rất nhỏ) Ở một độ ẩm giới hạn dưới tác động của nhiệt

độ tinh bột không bị hồ hóa nhưng thay đổi các tính chất Điều kiện cho sự biếnđổi này là nhiệt độ 95-110oC, độ ẩm 18-27%, trong thời gian từ 12-16 giờ

Biến tính bằng phương pháp nhiệt ẩm hạt tinh bột không bị thay đổi về hìnhdạng mà chủ yếu thay đổi về cấu trúc và tính chất tùy theo cấu trúc vật lý ban đầucủa hạt Dựa theo cấu trúc vùng kết tinh người ta chia tinh bột thành 4 loại: loại A(tinh bột ngũ cột), loại B (tinh bột củ), loại C (tinh bột họ đậu), loại V (phức hợp)

Tinh bột biến tính bằng xử lí nhiệt ẩm bị thay đổi một số tính chất như độhòa tan, độ nhớt, độ phồng nở, nhiệt độ hồ hóa và dải nhiệt độ trong quá trình hồ

hóa Khả năng trương nở của tinh bột bị giảm khi xử lí nhiệt ẩm điều này được giảithích là do sự sắp xếp lại các chuỗi polymer trong cấu trúc Độ hòa tan của tinh bột

xử lí nhiệt ẩm thay đổi theo các quy luật khác nhau liên quan đến hàm lượng lipithoặc hàm lượng amylose Ví dụ như amylose trong khoai tây ở trạng thái vô địnhhình, khi xử lí chuyển thành dạng trật tự hơn nên độ hòa tan giảm, trong khi tinhbột ngũ cốc thì amylose một phần liên kết với chất béo nên khi xử lí thì độ hòa tanlại tăng

Tinh bột xử lí bằng nhiệt ẩm cũng tăng khả năng bị tác động bởi enzyme.Điều này có thể là do sự sắp xếp lại của vùng kết tinh làm cho enzyme dễ xâmnhập, đồng thời cũng do khả năng liên kết giữa tinh bột với nước tăng sau khi xử línhiệt ẩm Phương pháp nhiệt ẩm làm giảm độ nhớt dịch hồ, có thể làm tăng độ bềncủa hồ tinh bột Nói chung hiệu quả của quá trình xử lí nhiệt ẩm đối với các tínhchất của tinh bột, các thuộc tính của hạt cũng như giá trị kinh tế không cao Tuynhiên, việc nghiên cứu sẽ giúp người ta hiểu rõ và điều khiển hiệu quả các quátrình gia công nước nhiệt đặc biệt đối với những loại nguyên liệu giàu tinh bột

2.2.1.3 Biến tính tinh bột bằng phương pháp Anneling

Phương pháp Anneling được mô tả như quá trình hồ hóa ở nhiệt độ thấp.Anneling xử lý tinh bột trong điều kiện hàm lượng nước đủ lớn cho quá trình hồhóa nhưng tại nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa

Quá trình anneling làm giảm khả năng trương nở và độ hòa tan của tinh bột.Anneling cũng làm tăng nhiệt độ hồ hóa và giảm khoảng nhiệt độ hồ hóa Nhiềunghiên cứu cũng thống nhất rằng trong quá trình anneling xảy ra sự sắp xếp lại cácphân tử vùng vô định hình tạo thành các vùng có cấu trúc chặt chẽ hơn có nănglượng tự do thấp hơn, do đó quan sát quá trình hồ hóa sẽ thấy nhiệt độ hồ hóa củatinh bột anneling cao hơn và người ta cũng quan sát thấy khoảng nhiệt độ hồ hóanhỏ hơn Ảnh hưởng của anneling đến độ nhớt của tinh bột vẫn đang còn là đề tàitranh luận Theo H.Jacobs và cộng sự, qua quá trình anneling tinh bột khoai tâygiảm độ nhớt trong khi tinh bột gạo, đậu, lúa mỳ thông số này lại tăng chút ít

Anneling được cho là phương pháp đơn giản rẻ tiền và an toàn để cải thiệntính chất lý hóa của tinh bột so với các phương pháp hóa học Anneling có thể xảy

ra không theo chủ định trong nhiều quá trình sản xuất và bảo quản thực phẩm cónhiều tinh bột do đó ảnh hưởng đến cấu trúc của sản phẩm Quá trình ngâm hạttrong nước dư trước khi nghiền thường hay xảy ra hiện tượng anneling, nhất là đốivới phương pháp ngâm ở nhiệt độ cao Vì lí do đó tinh bột sản xuất đại trà có thể