Khóa luận Khảo sát ảnh hưởng của các loại maltodextrin với chỉ số de khác nhau đến quá trình lạnh đông - Rã đông gel tinh bột sắn (Phần 1)

Nội dung text: Khóa luận Khảo sát ảnh hưởng của các loại maltodextrin với chỉ số de khác nhau đến quá trình lạnh đông - Rã đông gel tinh bột sắn (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI MALTODEXTRIN VỚI CHỈ SỐ DE KHÁC NHAU ĐẾN QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG - RÃ ĐÔNG GEL TINH BỘT SẮN GVHD: ThS. NGUYỄN ĐẶNG MỸ DUYÊN SVTH: PHẠM VĂN CƯỜNG MSSV: 11116011 S K L 0 0 3 9 5 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gởi lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Đặng Mỹ Duyên, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và chỉ dạy em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô thuộc bộ môn Công nghệ Thực phẩm đã truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm cho em trong suốt quá trình học tập tại trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kĩ Thuật Tp. Hồ Chí Minh; đồng thời đã nhiệt tình hỗ trợ về thiết bị và hóa chất cần thiết để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Sau cùng, tôi xin cảm ơn các anh, chị và các bạn làm việc tại phòng thí nghiệm hóa sinh và phòng công nghệ thực phẩm đã đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. i
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là của riêng tôi. Tôi xin cam đoan các nội dung đƣợc tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã đƣợc trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định. Ngày tháng năm 2015 Kí tên ii
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC HÌNH v ĐẶT VẤN ĐỀ viii TÓM TẮT ĐỒ ÁN ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan về cây sắn và tinh bột sắn 1 1.1.1. Tổng quan về cây sắn 1 1.1.2. Tổng quan về tinh bột sắn 1 1.1.2.1. Tinh bột sắn 1 1.1.2.2. Thành phần hóa học của tinh bột 2 1.1.2.3. Tính năng của tinh bột sắn 4 1.1.3. Thoái hóa tinh bột 5 1.1.3.1. Định nghĩa thoái hóa tinh bột 5 1.1.3.2. Cơ chế thoái hóa của gel amilose 7 1.1.3.3. Nguồn gốc phân tử cho tính ổn định nhiệt của amilopectin và cơ chế thoái hóa 9 1.1.3.4. Sự hồ hóa và cơ chế thoái hóa của tinh bột 10 1.1.3.5. Ảnh hưởng của hiện tượng thoái hóa đến chất lượng thực phẩm trong quá trình bảo quản sau khi tinh bột hồ hóa và tạo gel 12 1.1.3.6. Một số phương pháp chống thoái hóa 13 1.1.4. Tổng quan về maltodextrin 14 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 16 iii
5. 2.1. Vật liệu 16 2.1.1. Tinh bột sắn 16 2.1.2. Maltodextrin 17 2.2. Phƣơng pháp 17 2.2.1. Chuẩn bị mẫu 17 2.2.2. Đo độ tách nƣớc (% syneresis) 18 2.2.3. Đo độ đục 19 2.2.4. Đo mức độ thủy phân bằng enzyme 20 2.2.5. Phƣơng pháp xác định hoạt độ enzyme. 20 2.2.6. Phƣơng pháp dƣṇ g đƣờ ng chuẩn đƣờ ng glucose 21 2.2.7. Phƣơng pháp phân tích xử lý số liệu 23 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1. Ảnh hƣởng của các loại maltodextrin với chỉ số DE khác nhau lên độ tách nƣớc của gel tinh bột 24 3.2. Độ đục 28 3.3. Mức độ thủy phân của tinh bột 32 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36 4.1. Kết luận 36 4.2. Kiến nghị 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 PHỤ LỤC 41 iv
6. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hình ảnh chụp SEM của tinh bột 2 Hình 1.2. Cấu tạo amylose. 3 Hình 1.4. Sự liên kết của các phân tử theo dạng 1 6 Hình 1.5. Sự liên kết của các phân tử theo dạng 2 7 Hình 1.6. Cơ chế tạo gel của amilose. Các đƣờng chấm đại diện cho các liên kết hydro. 8 Hình 1.7.Cơ chế thoái hóa của amilose.Các đƣờng chấm đại diện cho liên kết hydro 9 Hình 1.8. Sự liên kết đƣợc hiển thị bằng dòng màu đỏ giữa các phân tử amilopectin* 10 Hình 1.9. Cơ chế tạo gel tinh bột. Các dòng chấm đại diện cho liên kết hydro 11 Hình 1.11. Liên kết side-by-side giữa O-3 và OH-3 12 Hình 2.1. Tinh bột sắn. 16 Hình 2.2. Đƣờng chuẩn glucose. 23 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của maltodextrin chỉ số DE 8 lên độ tách nƣớc của gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông 24 Hình 3.2. Ảnh hƣởng của maltodextrin chỉ số DE 10 lên độ tách nƣớc của gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông 25 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của maltodextrin chỉ số DE 20 lên độ tách nƣớc của gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông 25 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của maltodextrin DE 8 đến độ đục của nƣớc tách ra từ gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông. 28 Hình 3.5. Ảnh hƣởng của maltodextrin DE 10 đến độ đục của nƣớc tách ra từ gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông. 29 v
7. Hình 3.6. Ảnh hƣởng của maltodextrin DE 20 đến độ đục của nƣớc tách ra từ gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông. 29 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của maltodextrin chỉ số DE 8 lên mức độ thủy phân của gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông. 32 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của maltodextrin chỉ số DE 10 lên mức độ thủy phân của gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông. 32 Hình 3.9. Ảnh hƣởng của maltodextrin chỉ số DE 20 lên mức độ thủy phân của gel tinh bột sắn (3% w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông. 33 vi
8. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hóa học của sắn (%) 2 Bảng 1.2. Biến đổi tính chất hóa lý của maltodextrin theo DE (Hoàng Kim Anh và cộng sự 2005). 15 Bảng 1.3. Một số tính chất của các sản phẩm maltodextrin (Hoàng Kim Anh và cộng sự 2005) 15 Bảng 2.1. Giá trị dinh dƣỡng trong ngày của tinh bột sắn. 17 Bảng 2.2. Chỉ tiêu chất lƣợng 17 Bảng 2.3. Chuẩn bi ̣mâũ thí nghiêṃ , mâũ đối chƣ́ ng và mâũ trắng 21 Bảng 2.4. Các mẫu ống đƣợc chuẩn bị để dựng đƣờng chuẩn 22 vii
9. ĐẶT VẤN ĐỀ Với xu hƣớng phát triển năng động của nền kinh tế, con ngƣời phải bận rộn với nhiều công việc nên những loại thực phẩm chế biến sẵn lƣu trữ lạnh đông đƣợc sử dụng nhƣ một xu thế tất yếu để đáp ứng nhu cầu ăn uống hàng ngày. Các sản phẩm làm sẵn từ tinh bột nhƣ: bánh bao, bánh mì, bánh một lọc, há cảo . đƣợc ƣu tiên sử dụng. tuy nhiên trong quá trình bảo quản lạnh đông các sản phẩm này thƣờng bị khô , xốp sau khi tiến hành rã đông do tinh bột bị thoái hóa gây ra hiên tƣợng mất nƣớc. Để giải quyết những vấn đề này chúng tôi tiến hành nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng của một số chất lên quá trình thoái hóa của tinh bộtsắn, đây là loại tinh bột phổ biến và có trữ lƣợng lớn ở nƣớc ta. Chúng tôi lựa chọn nguyên liệu chống thoái hóa là các loại maltodextrin với chỉ số DE khác nhau. Vì đâu là loại nguyên liệu đƣợc sử dụng phổ biến trong ngành công nghệ thực phẩm nhƣ một chất phụ gia. Maltodextrin có độ ngọt thấp nên dễ ứng dụng trong các sản phẩm từ bột. Hơn nữa nghiên cứu ảnh hƣởng của maltodextrin lên sự thoái hóa của tinh bột còn là một hƣớng mới trong lĩnh vực chống thoái hóa vì vậy chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của maltodextrin lên gel tinh bột trải qua quá trình lạnh đông – rã đông. Mục tiêu của nghiên cứu là khảo sát ảnh hƣởng của các loại maltodextrin với chỉ số DE khác nhau lên sự thoái hóa của gel tinh bột sắn. Trong phần nghiên cứu này chúng tôi xin đƣợc theo đuổi 2 mục tiêu: + Làm rõ đƣợc sự ảnh hƣởng của các loại maltodextrin lên tính ổn định của gel tinh bột sắn sau rã đông, tức khả năng chống lại sự thoái hóa của tinh bột sắn. + Tìm ra nguyên liệu chống thoái hóa ở nồng độ tối ƣu trên gel tinh bột sắn. Từ đó có thể ứng dụng vào thực tế để cải thiện chất lƣợng thực phẩm viii
10. TÓM TẮT KHÓA LUẬN Việc thoái hóa của gel tinh bột là một quá trình phức tạp, nó gây ra nhiều tác động làm giảm chất lƣợng của các sản phẩm một các rõ rệt sau khi trải qua quá trình lạnh đông – rã đông. Trong đồ án này chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng của các loại maltodextrin với chỉ số DE 8, DE 12và DE 20 ở các nồng độ 0%, 3%, 5%, 7% (w:w) lên khả năng chống thoái hóa của gel tinh bột sắn nồng độ 3% (w:w) qua 5 chu kì lạnh đông – rã đông. Bằng các thí nghiệm về kiểm tra độ tách nƣớc, độ đục và mức độ thủy phân bằng enzyme α- amilase của các mẫu gel, có thể thấy đƣợc sự tác động của 3 loại maltodextrin lên quá trình thoái hóa của gel tinh bột qua các chu kì lạnh đông – rã đông là khác nhau. Chỉ có mẫu gel tinh bột bổ sung maltodextrin DE 12 cho thấy tác dụng chống thoái hóa tốt,đối với các mẫu bổ sung maltodextrin DE 8 và DE 20 cho thấy sự xuất hiện của các mẫu này trong gel tinh bột gây ra hiện tƣợng thoái hóa nhanh và mạnh hơn.Mức độ gây thoái hóa của các mẫu gel bổ sung maltodextrin DE 20 cao hơn so với các mẫu bổ sung maltodextrin DE 8 và mức độ thoái hóa của cả 2 mẫu gel tăng tỷ lệ thuận với lƣợng bổ sung vào. Mức độ ổn định của các mẫu gel còn phụ thuộc vào chu kì và nhiệt độ chúng tôi khảo sát. Nhìn chung khi cùng bảo quản ở cùng một điều kiện hầu hết các mẫu qua nhiều chu kì lạnh đông – rã đông đều cho thấy mức độ thoái hóa tăng dần. Qua các thí nghiệm đã khảo sát chúng tôi kết luận rằng loại maltodextrin DE 12 có khả năng chống thoái hóa gel tinh bột sắn qua các chu kì lạnh đông – rã đông tốt nhất ở nồng độ 5% bổ sung. ix
11. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về cây sắn và tinh bột sắn 1.1.1. Tổng quan về cây sắn Cây sắn có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La tinh (Crantz, 1976) và đƣợc trồng cách đây khoảng 5.000 năm (CIAT, 1993). Trung tâm phát sinh cây sắn đƣợc giả thiết tại vùng đông bắc của nƣớc Brasil thuộc lƣu vực sông Amazon, nơi có nhiều chủng loại sắn trồng và hoang dại (De Candolle 1886; Rogers, 1965). Trung tâm phân bố phụ có thể tại Mexico và vùng ven biển phía bắc của Nam Mỹ. Cây sắn đƣợc ngƣời Bồ Đào Nha đƣa đến Congo của châu Phi vào thế kỷ 16. Tài liệu nói tới sắn ở vùng này là của Barre và Thevet viết năm 1558. Ở châu Á, sắn đƣợc du nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ 17(P.G. Rajendran và cộng sự, 1995) và Sri Lankađầu thế kỷ18 (W.M.S.M Bandara và M Sikurajapathy, 1992). Sau đó, sắn đƣợc trồng ở Trung Quốc, Myanma và các nƣớc châu Á khác ở cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19 (Fang Baiping 1992. U Thun Than 1992). Cây sắn đƣợc du nhập vào Việt Nam khoảng giữa thế kỷ 18, (Phạm Văn Biên1991). Ở Việt Namsắn đã trở thành nguyên liệu cho công nghiệp, phục vụ đắc lực cho xuất khẩu. Hiện nay, cả nƣớc có khoảng 600.000 ha đất trồng mì, nếu thống kê đầy đủ khoảng gần 700.000 ha. Trong diện tích sắn đó, Tây Ninh là một trong những địa phƣơng có diện tích trồng mì lớn nhất, chiếm gần 10% tổng diện tích cả nƣớc.Việt Nam hiện đang sản xuất hàng năm hơn 2 triệu tấn sắn củ tƣơi, đứng hàng thứ 11 trên thế giới về sản lƣợng sắn, nhƣng lại là nƣớc xuất khẩu tinh bột sắn đứng hàng thứ 3 trên thế giới sau Thái Lan và Indonesia. 1.1.2. Tổng quan về tinh bột sắn 1.1.2.1. Tinh bột sắn Củ sắn gồm 4 phần chính: vỏgỗ chiếm từ 0.5% - 3% khối lƣợng củ, phần này hầu nhƣ không có tinh bôt.Vỏ cùi hay vỏ thịt chiếm thừ 8% - 10% khối lƣợng củ.Trong vỏ cùi chủ yếu là xenllulose ngoài ra con chứa 5 – 8% tinh bột. Thịt sắn là thành phần chủ yếu của củ sắn, bao gồm các tế bào nhu mô thành mỏng. Thành phần của vỏ tế bào nhu mô là xenllulose, 1
12. pentozose.Bên trong là các hạt tinh bột và nguyên sinh chất. Lƣợng tinh bột trong thịt sắn phân bố không đều, nhiều nhất ở lớp ngoài rồi giảm dần vào bên trong. Ngoài các tế bào nhu mô con các tế bào thành cứng không chứa tinh bột. Bảng 1.1. Thành phần hóa học của sắn (%) Thành Phần Tỷ lệ (%) Nƣớc 70,25 Tinh bột 21,45 Protein 1,12 Chất béo 0,40 Xenlluloza 1,10 Đƣờng 5,13 Tro 0,54 Tinh bột sắn có kích thƣớc dao động trong khoảng từ 5 đến 40 µm gồm nhiều hạt lớn nhỏ khác nhau . Hình 1.1.Hình ảnh chụp SEM của tinh bột 1.1.2.2. Thành phần hóa học của tinh bột Tinh bột không phải hợp chất đồng thể mà gồm 2 polysaccharide khác nhau: amilose và amilpectin. Nhìn chung tỷ lệamilose/amilopetin trong đa số tinh bột là 1/4. Thƣờng trong tinh bột các loại nếp (gạo nếp, ngô nếp) tỷ lệ amilpectin đạt gần nhƣ 100% . Ở tinh bột sắn (sắn) hàm lƣợng amiloseđạt 20 %. 2
13. Amilose Amilose là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose, liên kết nhau bởi liên kết α−1,4 glicoside. Hình1.2. Cấu tạo amylose. Amilose “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn. Có hai loại amilose: - Amilose có mức độ trùng hợp tƣơng đối thấp thƣờng không có cấu trúc bất thƣờng và bị phân ly hoàn toàn bởi β-amilase. Tinh bột chứa nhiều amilose thì khó bị phân hủy hơn tinh bột nhiều amilopectin. - Amilose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối với β−amilase nên chỉ bị phân hủy 60%. Trong hạt tinh bột hoặc trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa, amilose thƣờng có cấu hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amilose mới chuyển thành dạng xoắn ốc. Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucose. Đƣờng kính của xoắn ốc là 12,97A0, chiều cao của vòng xoắn là 7,91A0. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose đƣợc bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. Amilopectin 3
14. Hình1.3. Cấu tạo amylopectin. Amilopectin là polyme mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α-1,4 glucoside còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glucoside. Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuổi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucose. Phân tử amilopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose. 1.1.2.3. Tính năng của tinh bột sắn  Khả năng hấp thụ của hạt tinh bột Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tƣơng tác với các chất hòa tan thì trên bề mặt và bên ngoài của hạt đều tham dự. Sự hấp thụ và phản hấp thụ hơi nƣớc, các chất ở thể khí và thể hơi trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy nhiệt có ý nghĩa quan trọng. Vì vậy trong quá trình bảo quản cũng nhƣ chế biến tinh bột cần lƣu ý tính chất này. Bằng nghiên cứu thực nghiệm ngƣời ta nhận thấy rằng khi độ ẩm tƣơng đối của không khí là 73% thì khả năng hấp thụ nƣớc của tinh bột là 10.33%, khi độ ẩm không khí đạt 100% thì khả năng hút ẩm lên đến 20,93% (Lê Ngọc Tú và cộng sự 1999).  Khả năng hấp thụ nƣớc Khi hòa tan tinh bột vào nƣớc do kích thƣớc phân tử tinh bột lớnnên các phân tử nƣớc sẽ xâm nhập vào giữa các phân tử tinh bột. Tại đây chúng sẽ tƣơng tác với các nhóm hoạt động của tinh bột tạo ra lớp vỏ nƣớc làm cho liên kiết ở mắt xích nào đó của hạt tinh bột bị yếu đi, do đó phân tử tinh bột bị xê dịch rồi “rão “ ra và bị trƣơng lên. Quá trình trƣơng lên này luôn đến trƣớc quá trình hòa tan. Để đạt tới trạng thái này còn phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ và loại tinh bột. Trong phân tử tinh bột có chứa các nhóm có cực mạnh nên chúng hòa tan trong nƣớc. Khi ở nhiệt độ thƣờng tinh bột hấp thụ 25 – 50 % nƣớc, ở600C tinh bột hấp thụ 300% nƣớc, ở 70℃ thì hấp thụ 1000% nƣớc và khi trƣơng nở cực đại tinh bột có thể hấp thụ 2500% nƣớc(Lê Ngọc Tú và cộng sự 1999).  Tính chất nhớt – dẻo của hồ tinh bột Đây là một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hƣởng đến chất lƣợng và kết cấu của nhiều loại thực phẩm. Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết đƣợc với nhau làm cho tinh bột tập hợp lại đồ sộ hơn, giữ nƣớc nhiều hơn khiến cho 4
15. dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn.Do đó các phân tử di chuyển khó khăn hơn. Tính chất này thể hiện mạnh hơn ở các loại tinh bột có nhiều amilopectin (các loại nếp).  Khả năng tạo gel và thoái hóa tinh bột Khi để nguội hồ tinh bột thì các phân tử sẽ tƣơng tác với nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột có cấu trúc mạng ba chiều. Trong gel tinh bột chỉ có duy nhất các liên kết hydro tham gia. Các liên kết hydro có thể nối trực tiếp các mạc polyglucoside lại với nhau hoặc gián tiếp qua các cầu phân tử nƣớc(Lê Ngọc Tú và cộng sự 1999). Vì tinh bột chứa cảamilopectin và amilose nên trong gel tinh bột có vùng kết tinh và vùng vô định hình . Tinh bột cũng có thể đồng tạo gel với protein. Nhờ tƣơng tác này mà khả năng giữ nƣớc, độ cứng và độ đàn hồi của gel protein đƣợc tốt hơn. Gel tinh bột giàu amilose thƣờng cứng và đàn hồi kém. 1.1.3. Thoái hóa tinh bột 1.1.3.1. Định nghĩa thoái hóa tinh bột Khi gel tinh bột để một thời gian dài chúng sẽ co lại và một lƣợng dịch thể sẽ tách ra. Quá trình đó gọi là sự thoái hóa. Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để lạnh đông rồi sau đó cho tan giá. Có hiện tƣợng thoái hóa là do hình thành nhiều cầu hydro giữa các phân tử tinh bột. Các phân tử amilose có mạch thẳng nên định hƣớng với nhau dễ dàng và tự do hơn so với các phân tửamilopectin(Lê Ngọc Tú và cộng sự 1999).Sự thoái hóa bao gồm ba giai đoạn: - Các mạch đƣợc uốn thẳng lại - Vỏ hydrat bị mất và các mạch đƣợc định hƣớng - Các cầu hydro đƣợc tạo thành giữa các nhóm OH. Tinh bột thoái hóa có thể đƣợc chia thành thoái ngắn hạn và thoái hóa dài hạn (Atwell và cộng sự 1988). Hai ngày đầu sau khi xử lý, các thành phần amilose không thể phục hồi nhanh chóng và liên kết lạiđể hình thành các hạt mầm tinh thể. Tiếp theo sau đó là sự hình thành các hạt mầm tinh thểamilopectin một cách chậm chạp và sự hình thành của một tinh thể hoàn hảo. Các quá trình sau này có thể diễn ra trong vài tuần. 5
16. Sự tạo thành liên kết giữa các phân tử tinh bột, phụ thuộc vào hình dáng phân tử tinh bột và tỷ lệ amilose và amilopectin.Ngay sau khi hồ hóa, amilose hình thành nên cấu trúc xoắn . Sau đó, các cấu trúc xoắn này sắp xếp lại một cách nhanh chóng trƣớc khi phân chia các pha. Những xoắn sau đó sẽ tổng hợp để tạo thành cấu trúc tinh thể(Ottenhof, M.-A., Farhat, I. A. 2004).Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng sự đồng kết tinh của amilose và amilopectin có thể xảy ra trong quá trình thoái hóa (Leloup và cộng sự 1991). Vansoest và cộng sựcho rằng amilose có thể tạo thành một bộ khung và đóng vai trò nhƣ một mầm giống cho amilopectin. Do cấu trúc amilose cho phép hình thành nhiều vị trí liên kết hydro giữa các phân tử kề nhau do đó dung dịch amilose rất kém bền vững và dễ bị thoái hóa hoàn toàn. Các liên kết hydro trong phân tử tinh bột đóng một vai trò rất quan trọng trong việc quyết định một số tính chất quan trọng của phân tử tinh bột. Khi tinh bột có sự hiện diện của nƣớc,các phân tử tinh bột liên kết với nhau theo dạng 1 (Hình 1.4). Đây là dạng liên kết thông thƣờng của tinh bột tự nhiên, trong dạng này các nhóm –OH chủ yếu ở C thứ 6 nằm cạnh nhau sẽ liên kết với nhau thông qua một phân tử nƣớc. Tùy thuộc vào dạng của tinh bột nhƣ mạch thẳng hay phân nhánh loại xoắn ốc hoặc duỗi thẳng mà số liên kết hydro và vị trí của các liên kết đó trong hạt tinh bột thay đồi khác nhau. Hình 1.4. Sự liên kết của các phân tử theo dạng 1 Khi không có mặt các phân tử nƣớc, tinh bột sẽ liên kết với nhau theo dạng 2 (Hình 1.5). Khi phân tử tinh bột khi không có sự hiện diện của nƣớc, khả năng hoạt động của nhóm –OH giảm. Theo kiểu liên kết này các nhóm –OH bị khóa chặt làm cho hoạt tính của chúng giảm rõ rệt. Thông thƣờng tinh bột tồn tại ở dạng này bị sấy khô quá hoặc bị thoái hóa. Cả hai trƣờng hợp này nƣớc trong tinh thể bị tách hẳn ra ngoài. 6
17. Hình 1.5. Sự liên kết của các phân tử theo dạng 2 Những kết quả nghiên cứu của Pauling về độ bền của nối hydro trong tinh bột cho thấy rằng: - Nếu liên kết hydro tạo bởi các nhóm –OH ở C thứ 6 là bền nhất, những nhóm –OH ở vị trí này gọi là nhóm sơ cấp. Các phân tử tinh bột mạch thẳng tạo liên kết loại này bền hơn so với các loại phân nhánh vì có lợi thế không gian. - Đối với những nhóm –OH ở C thứ 2 hoặc 3 (còn gọi là nhóm –OH thứ cấp), độ bền vững và khả năng tạo liên kết kém hơn rất nhiều so với nhóm –OH sơ cấp là do chúng bị cản trở về mặt không gian. - Vì vậy mà các nhóm –OH thứ cấp của mạch thẳng dễ tạo liên kết hydro hơn. Trong khi đó do cấu trúc cồng kềnh của phân tử tinh bột phân nhánh và khả năng va chạm với nhau sẽ tạo liên kết kém hơn nhiều. - Ngƣợc lại nếu các phân tử nƣớc có kích thƣớc nhỏ dễ dàng tấn công vào các nhóm –OH thứ cấp này tạo nên hợp chất bền giữa tinh bột và nƣớc. 1.1.3.2. Cơ chế thoái hóa của gel amilose Amilose dễ dàng hòa tan trong nƣớc ấm tạo dung dịch có độ nhớt không cao. Khi nhiệt độ dung dịch thấp, amilose dễ bị thoái hóa tạo ra các gel tinh thể và các kết tủa không thuận nghịch. Dung dịch amilose nấu chín sẽ tạo thành các phức hợp amilose bảo vệ một phần khỏi sự thoái hóa. Các phân tử amilose có thể bị tách nƣớc và liên kết lại với nhau thông qua liên kết hydro. Trong suốt quá trình thoái hóa, các mạch xoắn amilose liên kết lại với nhau giữa 40 – 70 đơn vị glucose. Kết quả amilose sẽ tách lớp lắng xuống. Quá trình thoái hóa diễn ra mạnh trong hồ tinh bột tự nhiên giàu amilose. Hàm lƣợng amilose đƣợc xem là một nhân tố ảnh 7
18. hƣởng lớn đến quá trình thoái hóa. Amilose có chiều dài mạch càng lớn thì mức độ thoái hóa càng tăng. Sau khi huyền phù dịch nƣớc của amilose đƣợc gia nhiệt ở nhiệt độ cao (1200C – 1400C) và sau đó đƣợc làm lạnh, amilose tạo ra một dạng gel. Có hai bƣớc chuyển đổi cấu hình không gian trong các phân tử amilosetrên một phạm vi nhiệt độ 150C – 250C và 800C – 900C.Kết quả cho thấy có hai quá trình chuyển đổi cấu hình không theo từng bƣớc trong phân tử amilose. Cơ chế tạo gel amilose trong dung dịch nƣớc đƣợc minh họa trong Hình1.6(M. Tako và cộng sự 1995). Liên kết nội phân tử hydro có thể xảy ra giữa OH-6 và các nguyên tử oxy hemiacetal liền kề của lƣợng dƣ D-glucopyranosyl. Ngoài ra, giữa các phân tử liên kết hydro diễn ra giữa OH-2 và O-6 liền kề dƣ lƣợng D-glucopyranosyl. Hình1.6. Cơ chế tạo gel của amilose. Các đƣờng chấm đại diện cho các liên kết hydro. (Masakuni Tako và cộng sự 2014) Phân tử amilose đƣợc pha loãng ở nồng độ 1,0% (w / v) trong dung dịch đã thay đổi thành một dạng gel dƣới sự kích thích cơ học yếu, bị gây ra bởi một hiệu ứng cái lồng xảy ra ngay cả ở nhiệt độ phòng (15-200C). Các phân tử amilose không ổn định dẫn đến thoái hóa. Do đó, sự thoái hóa xảy ra vì các phân tử amilose co lại. Nguyên nhân là do sự giảm động năngvà chuyển động Brown của các phân tử polymer và nƣớc.Kết quả co rút này trong Hình mới của hydro trong và giữa các liên 8
19. kết phân tử giữa hai nguyên tử oxy và hemiacetal liền kề OH-6 dƣ lƣợng D-glucopyranosyl, và O-6 và OH-2 dƣ lƣợng D-glycopyranosyl đƣợc trình bày trong Hình1.7(Y. Tamaki và cộng sự 2014). Hình1.7.Cơ chế thoái hóa của amilose.Các đƣờng chấm đại diện cho liên kết hydro (Masakuni Tako và cộng sự 2014) 1.1.3.3. Nguồn gốc phân tử cho tính ổn định nhiệt củaamilopectin và cơ chế thoái hóa Amilopectin chỉ hòa tan trong nƣớc nóng và tạo dung dịch có độ nhớt cao. Do cấu trúc cồng kềnh lập thể, khó lại gần để liên kết với nhau nên cácamilopectin không có khuynh hƣớng kết tinh lại vì vậy dung dịchamilopectin thƣờng không bị thoái hóa. Sự thoái hóaamilopectin xảy ra trong thời gian dài hơn so với amilose, có lẽ vì cấu trúc phân nhánh củaamilopectin. Hơn nữa một số nhà nghiên cứu đã cho thấy rằng sự tái kết tinh của amilose vàamilopectin có thể xảy ra trong suốt quá trình thoái hóa.Vansoest và cộng sự cho rằng amilose có thể tạo thành một bảng lệnh và hoạt động nhƣ một hạt mầm choamilopectin.Schierbaum và cộng sự đề xuất rằng các chuỗi phía ngoài của các phân 9
20. tửamilopectin có thể tƣơng tác với amilose để tạo thành một mạng lƣới. Klucinec và Thompson cũng gợi ý sự tồn tại của các tƣơng tác amilose – amilopectin. Các nhóm methylene của C-6 của dƣ lƣợng D-glucopyranosyl cũng có thể tham gia một phần trong van der Waals lực hút với các nguyên tử oxy hemiacetal. Liên kết hydro nội phân tử và lực hút van der Waals đóng vai trò chi phối trong nhiệt sự ổn định của các phân tửamilopectin trong dung dịch, dẫn đến một độ nhớt ổn định và đàn hồi.Các liên kết hydro xảy ra do giảm động năng và chuyển động Brown của các phân tử polymer và nƣớc trong suốt lƣu trữ (Hình1.8). Tuy nhiên, khi đun nóng thì cấu trúc mềm ban đầu củaamilopectin đƣợc phục hồi (hay gelamilopectin có thể từ trạng thái sau khi bị thoái hóa trở về trạng thái ban đầu khi đun nóng) do tăng động năng dẫn đến phá vỡ các liên kết hydro tứ diện giữa polymer- polymer, polymer-nƣớc và các phân tử nƣớc-nƣớc. Hình1.8. Sự liên kết đƣợc hiển thị bằng dòng màu đỏ giữa các phân tửamilopectin* *: Trong bánh gạo truyền thống của Nhật Bản. Sau khi bảo quản trong khoảng 10 ngày, kết hợp giữa các phân tửamilopectin bị thay đổi và các phân tử nước cũng thay đổi do giảm động năng và chuyển động Brown.(Masakuni Tako và cộng sự 2014). 1.1.3.4. Sự hồ hóa và cơ chế thoái hóa của tinh bột Khi nghiên cứu cơ chế hồ hóa của tinh bột gạo, khoai tây, và tinh bột lúa mì. Sự kết hợp giữa các phân tử có thể diễn ra giữa các O-6 của amilose và OH-2 của phân tửamilopectin do liên kết hydro, nhƣ minh họa trong Hình1.9.Các chuỗiamilopectin ngắn tham gia cấu thành các phân tử. Liên kết hydro giữa các phân tử amilose vàamilopectin có tính ổn định nhiệt. Hai 10