Giáo trình Tinh bột thực phẩm

128 trang vanle 2990

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Tinh bột thực phẩm", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_tinh_bot_thuc_pham.pdf

Nội dung text: Giáo trình Tinh bột thực phẩm

Giáo trình Tinh bột thực phẩm
Tinh bột thực phẩm MỞ ĐẦU Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Một lượng tinh bột đáng kể có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau trong đó xảy ra sự biến đổi thuận nghịch từ tinh bột thành đường glucozơ phụ thuộc vào quá trình chín và chuyển hóa sau thu hoạch. Tinh bột có vai trò dinh dưỡng đặc biệt lớn vì trong quá trình tiêu hóa chúng bị thủy phân thành đường glucozơ là chất tạo nên nguồn calo chính của thực phẩm cho con người. Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất lý hóa của chúng. Tinh bột thường được dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho thực phẩm dạng lỏng, là tác nhân làm bền cho thực phẩm dạng keo, là các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng và độ đàn hồi cho nhiều thực phẩm. Trong công nghiệp, ứng dụng tinh bột để xử lí nước thải, tạo màng bao bọc kị nước trong sản xuất thuốc nổ nhũ tương, thành phần chất kết dính trong công nghệ sơn. Các tính chất “sẵn có” của tinh bột có thể thay đổi nếu chúng bị biến hình (hóa học hoặc sinh học) để thu được những tính chất mới, thậm chí hoàn toàn mới lạ. Nội dung của giáo trình được trình bày những vấn đề sau: - Cấu tạo và tính chất của tinh bột. - Các phương pháp hiện đại để xác định các chỉ số cơ bản của tinh bột. - Kỹ thuật sản xuất tinh bột. - Biến hình tinh bột. - Ứng dụng của tinh bột biến hình. Giáo trình được biên soạn theo đề cương môn học “khai thác tinh bột và các sản phẩm từ tinh bột” nhằm làm tài liệu chínhđể giảng dạy cao học cho ngành thực phẩm . Giáo trình có thể làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sinh, sinh viên, cán bộ kỹ thuật, cán bộ quản lý ở các viện nghiên cứu và thiết kế. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Hội đồng Khoa học trường, Hội đồng khoa Hóa Kỹ thuật trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã nghiệm thu và cho phép giáo trình lưu hành. Tác giả - 1 -
Tinh bột thực phẩm Chương 1. CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT 1.1. Hình dạng, đặc điểm, kích thước hạt tinh bột. Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Tinh bột cũng có nhiều ở các loại củ như khoai tây, sắn, củ mài. Một lượng đáng kể tinh bột cũng có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau. Tinh bột có nhiều trong các loại lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột. Hình dạng và thành phần hóa học của tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bao gồm hai thành phần là amiloza và amilopectin. Hai chất này khác nhau về nhiều tính 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. Các phương pháp để tách và xác định hàm lượng amiloza và amilopectin là: - Chiết rút amiloza bằng nước nóng. - Kết tủa amiloza bằng rượu. - Hấp thụ chọn lọc amiloza trên xenlulozơ. Tinh bột là loại polysaccarit khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị glucozơ được nối nhau bởi các liên kết α- glycozit, có công thức phân tử là (C6H10O5)n, ở đây n có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu. Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất hóa lí của chúng. Tinh bột thường dùng làm chất tạo độ nhớt sánh 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 thực phẩm.Ngoài ra tinh bột còn nhiều ứng dụng trong dược phẩm, công nghiệp dệt, hóa dầu Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng không hoà tan trong nước. Do đó có thể tích tụ một lượng lớn ở trong tế bào mà vẫn không bị ảnh - 2 -
Tinh bột thực phẩm hưởng đến áp suất thẩm thấu. Các hyđrat cacbon 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 chuyển hoá thành tinh bột dự trữ ở trong hạt, quả, củ, rễ, thân và bẹ lá. Có thể chia tinh bột thực phẩm thành ba hệ thống: - hệ thống tinh bột của các hạt cốc; - hệ thống tinh bột của các hạt họ đậu; - hệ thống tinh bột của các củ; Bảng 1.1. Đặc điểm của một số hệ thống tinh bột Nguồn Kích thước Hình dáng Hàm lượng Nhiệt độ hồ hạt, nm amiloza, % hoá, 0C Hạt ngô 10-30 Đa giác hoặc 25 67-75 tròn Lúa mì 5-50 Tròn 20 56-80 Lúa mạch đen 5-50 Tròn dài 46-62 Đại mạch 5-40 Bầu dục 68-90 Yến mạch 5-12 Đa giác 55-85 Lúa 2-10 Đa giác 13-35 70-80 Đậu đỗ 30-50 Tròn 46-54 60-71 Kiều mạch 5-15 Tròn dẹp Chuối 5-60 Tròn 17 Khoai tây 1-120 Bầu dục 23 56-69 Khoai lang 5-50 Bầu dục 20 52-64 Sắn 5-35 Tròn Dong riềng 10-130 Bầu dục 38-41 Hạt tinh bột của tất cả hệ thống nêu trên hoặc có dạng hình tròn, hình bầu dục, hay hình đa giác. Hạt tinh bột khoai tây lớn nhất và bé nhất là hạt tinh bột thóc. Kích thước các hạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lí khác nhau như nhiệt độ hồ hoá, khả năng hấp thụ xanh metylen Có thể dùng phương pháp lắng - 3 -
Tinh bột thực phẩm để phân chia một hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích thước đồng đều để nghiên cứu. 1.1.1. Dùng vi ảnh của kính hiển vi điện tử quét Tinh bột sắn có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình mũ, có một số hạt trũng. Hình 1.1. Tinh bột sắn 1500X Hình 1.2. Tinh bột sắn 3500X Tinh bột sắn dây có hình dạng gần giống tinh bột sắn, nhưng hạt có nhiều góc cạnh hơn, các cạnh trũng và bị lõm nhiều hơn số hạt nhỏ nhiều hơn. - 4 -
Tinh bột thực phẩm Hình 1. 3. Tinh bột sắn dây 1500X Hình 1. 4. Tinh bột sắn dây 3500X Kích thước trung bình của hạt sắn dây nhỏ hơn so với tinh bột sắn. Tinh bột huỳnh tinh gồm hầu hết các hạt lớn có dạng hình elíp, trơn nhẵn và có kích thước trung bình lớn hơn tinh bột sắn. - 5 -
Tinh bột thực phẩm Hình 1.5. Tinh bột huỳnh tinh 1500X Hình1. 6. Tinh bột huỳnh tinh 3500X Quan sát ở độ phóng đại 3500x, bề mặt ngoài của 3 loại hạt đều có nếp nhăn. Như vậy ta thấy: kích thước hạt đặc trưng cho mỗi loại tinh bột. 1.1.2. Nghiên cứu kích thước trung bình của hạt tinh bột bằng phương pháp nhiễu xạ lazer. Kính hiển vi điện tử quét có thể xác định kích thước trung bình của hạt tinh bột nhưng chỉ những hạt nằm trong vùng quan sát của kính. Nên số liệu không - 6 -
Tinh bột thực phẩm đặc trưng cho toàn khối hạt. Những phương pháp khác như phương pháp lắng hoặc rây, sàng để phân chia hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích thước đồng đều rồi nghiên cứu thì mất nhiều thời gian, không chính xác ( hạt to lẫn hạt nhỏ). Để khắc phục, dùng phương pháp nhiễu xạ lazer. Nó có thể phân tích và xử lí số liệu đo được một cách nhanh chóng và chính xác. Nguyên tắc đo kích thước hạt bằng hệ thống máy Mastersizer như sau: Mẫu tinh bột được phân tán trong nước với tỉ lệ nhất định, cho vào buồng đựng mẫu. Nguồn sáng tia lazer được phát ra, qua hệ thống lọc và đập vào các hạt mẫu. Năng lượng của nguồn sáng lazer làm các hạt bị nhiễu xạ, từ đó cho ra các thông tin về kích thước hạt nhờ một thiết bị dò tìm thích hợp. Sau đó dữ liệu được tập hợp và được phân tích nhờ một hệ thống có gắn với máy tính sử dụng phần mềm hoá học chuyên dụng. Một số mẫu chuẫn đã đựoc nạp sẵn vào bộ vi xử lí để đối chiếu so sánh với mẫu đang xác định và cho ra những thông tin chính xác về mẫu tinh bột cần phân tích. Thông tin về kích thước hạt sẽ được đưa qua máy thu và qua hệ thống khuyếch đại rồi in ra kết quả. Máy có thể xác định kích thước hạt trong khoảng từ 0,05 đến 3500 µm. Mẫu đem xác định chỉ cần từ vài µm đến vài ml, thời gian xác định nhanh, kết quả có độ tin cậy cao. Bảng 1.2. Đường kính Φ của hạt củ qua máy Mastersiser Đường kính hạt (µm) Sắn Sắn dây Huỳnh tinh D[v,0,1] 0,68 0,99 13,55 D[v,0,5] 12,14 7,73 26,76 D[v,0,9] 20,23 12,48 42,07 D[v,0,1] Kích thước hạt tại đó có 10% tổng số hạt của mẫu nhỏ hơn kích thước này. Nhận xét: tinh bột huỳnh tinh có kích thước lớn hơn nhiều so với sắn và sắn dây, kích thước trung bình 26,76 µm. - 7 -
Tinh bột thực phẩm Sự khác nhau về kích thước của mỗi loại hạt tinh bột dẫn đến sự khác nhau về tính chất cơ lí cũng như về quá trình chế biến, bảo quản và biến hình tinh bột. Hạt tinh bột huỳnh tinh lớn nhất, do đó khi tiến hành quá trình lắng lọc, rửa thì thời gian cho tinh bột huỳnh tinh là ngắn nhất, sắn dây là dài nhất. Sự khác nhau về kích thước ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ hồ hóa, đến khả năng hoà tan, khả năng hấp thụ nước và hấp thụ các chất khác. 1.2. Thành phần hóa học của tinh bột Tinh bột không phải một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccarit khác nhau: amiloza và amilopectin. Tỉ lệ amiloza/amilopectin xấp xỉ ¼. Trong tinh bột loại nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) gần như 100% là amilopectin. Trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amiloza chiếm trên dưới 50%. Hình 1.7 Cấu tạo của tinh bột 1.2.1. Thành phần cấu trúc của amiloza. Trong vi hạt, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước trong khoảng từ 0,02-0,12nm. Hạt tinh bột của tất cả các hệ có dạng hình tròn, hình bầu dục hay hình đa diện. Cấu tạo và kích thước của hạt tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt cũng như quá trình sinh trưởng của cây. - 8 -
Tinh bột thực phẩm Cấu tạo bên trong của vi hạt tinh bột khá phức tạp. Vi hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp đều có lẫn lộn các amiloza dạng tinh thể và amilopectin xắp xếp theo phương hướng tâm. Nhờ phương pháp hiển vi điện tử và nhiễu xạ tia X thấy rằng trong hạt tinh bột “nguyên thuỷ” các chuỗi polyglucozit của amiloza và amilopectin tạo thành xoắn ốc với ba gốc glucozơ một vòng. Trong tinh bột của các hạt ngũ cốc, các phân tử có chiều dài từ 0,35-0,7 µm; trong khi đó chiều dày của một lớp hạt tinh bột là 0,1 µm. Hơn nữa, các phân tử lại xắp xếp theo hướng tâm nên các mạch glucozit của các polysaccarit phải ở dạng gấp khúc nhiều lần Các mạch polysaccarit sắp xếp hướng tâm tạo ra độ tinh thể: các mạch bên của một phân tử amilopectin này nằm xen kẽ giữa các mạch bên của phân tử kia. Ngoài cách sắp xếp bên trong như vậy, mỗi hạt tinh bột còn có vỏ bao phía ngoài. Đa số các nhà nghiên cứu cho rằng vỏ hạt tinh bột khác với tinh bột bên trong, chứa ít ẩm hơn và bền đối với các tác động bên ngoài. Trong hạt tinh bột có lỗ xốp nhưng không đều. Vỏ hạt tinh bột cũng có lỗ nhỏ do đó các chất hòa tan có thể xâm nhập vào bên trong bằng con đường khuếch tán. Hầu hết, các loại tinh bột đều chứa hai loại polyme khác nhau về khối lượng phân tử và cấu trúc hóa học: * Amiloza là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucozơ, liên kết nhau bởi liên kết α−1,4 glicozit. Amiloza “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn. Có hai loại amiloza: - Amiloza có mức độ trùng hợp tương đối thấp ( Khoảng 2000) thường không có cấu trúc bất thường và bị phân ly hoàn toàn bởi β-amilaza. - Amiloza có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối với β−amilaza nên chỉ bị phân hủy 60%. Trong hạt tinh bột hoặc trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa, amiloza thường có cấu hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amiloza - 9 -
Tinh bột thực phẩm mới chuyển thành dạng xoắn ốc. Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucozơ. Đường kính của xoắn ốc là 12,97 A0, chiều cao của vòng xoắn là 7,91A0 . Các nhóm hydroxyl của các gốc glucozơ được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. Hình 1.8. Cấu trúc amiloza 1.2.2. Thành phần cấu trúc của amilopectin Amilopectin là polyme mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α-1,4 glucozit còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glucozit. Hình 1.9. Amiloza và amilopectin - 10 -
Tinh bột thực phẩm Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuổi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucozơ. Phân tử amilopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucozơ. Sự khác biệt giữa amiloza và amilopectin không phải luôn luôn rõ nét. Bởi lẽ ở các phân tử amiloza cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh do đó cũng có những tính chất giống như amilopectin. Cấu tạo của amilopectin còn lớn và dị thể hơn amiloza nhiều. Trong tinh bột tỉ lệ amiloza/amilopectin khoảng ¼. Tỉ lệ này có thể thay đổi phụ thuộc thời tiết, mùa vụ và cách chăm bón. 1.3. Các phản ứng tiêu biểu của tinh bột 1.3.1. Phản ứng thủy phân Một tính chất quan trọng của tinh bột là quá trình thủy phân liên kết giữa các đơn vị glucozơ bằng axít hoặc bằng enzym. Axit có thể thủy phân tinh bột ở dạng hạt ban đầu hoặc ở dạng hồ hóa hay dạng past, còn enzym chỉ thủy phân hiệu quả ở dạng hồ hóa. Một số enzym thường dùng là α- amilaza, β- amilaza Axit và enzym giống nhau là đều thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α-D (1,4) glycozit. Đặc trưng của phản ứng này là sự giảm nhanh độ nhớt và sinh ra đường. Hình 1.10. Phản ứng thủy phân của tinh bột - 11 -
Tinh bột thực phẩm Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxi hóa tạo thành andehyt, xeton và tạo thành các nhóm cacboxyl. Quá trình oxi hóa thay đổi tùy thuộc vào tác nhân oxi hóa và điều kiện tiến hành phản ứng. Quá trình oxi hóa tinh bột trong môi trường kiềm bằng hypoclorit là một trong những phản ứng hay dùng, tạo ra nhóm cacboxyl trên tinh bột và một số lượng nhóm cacbonyl. Quá trình này còn làm giảm chiều dài mạch tinh bột và tăng khả năng hòa tan trong nước, đặc biệt trong môi trường loãng. Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể tiến hành ete hóa, este hóa. Một số monome vinyl đã được dùng để ghép lên tinh bột. Quá trình ghép được thực hiện khi các gốc tự do tấn công lên tinh bột và tạo ra các gốc tự do trên tinh bột ở các nhóm hydroxyl. Những nhóm hydroxyl trong tinh bột có khả năng phản ứng với andehyt trong môi trường axit. Khi đó xảy ra phản ứng ngưng tụ tạo liên kết ngang giữa các phân tử tinh bột gần nhau. Sản phẩm tạo thành không có khả năng tan trong nước. 1.3.2. Phản ứng tạo phức Phản ứng rất đặc trưng của tinh bột là phản ứng với iot. Khi tương tác với iot, amiloza sẽ cho phức màu xanh đặc trưng. Vì vậy, iot có thể coi là thuốc thử đặc trưng để xác định hàm lượng amiloza trong tinh bột bằng phương pháp trắc quan. Để phản ứng được thì các phân tử amiloza phải có dạng xoắn ốc để hình thành đường xoắn ốc đơn của amiloza bao quanh phân tử iot. Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucozơ không cho phản ứng với iot vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh. Axit và một số muối như KI, Na2SO4 tăng cường độ phản ứng. - 12 -
Tinh bột thực phẩm Amiloza với cấu hình xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iot, tương ứng với một vòng xoắn một phân tử iot. Amilopectin tương tác với iot cho màu nâu tím. Về bản chất phản ứng màu với iot là hình thành nên hợp chất hấp thụ. Ngoài khả năng tạo phức với iot, amiloza còn có khả năng tạo phức với nhiều chất hữu cơ có cực cũng như không cực như: các rượu no, các rượu thơm, phenol, các xeton phân tử lượng thấp 1.3.3. Tính hấp thụ của tinh bột Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì bề mặt trong và ngoài của tinh bột đều tham dự. Vì vậy trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến cần phải hết sức quan tâm tính chất này. Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột. Khả năng hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc cấu trúc bên trong của hạt và khả năng trương nở của chúng. 1.3.4. Khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột Xác định khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột cho phép điều chỉnh được tỉ lệ dung dịch tinh bột và nhiệt độ cần thiết trong quá trình công nghiệp, còn có ý nghĩa trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy nhiệt. Rất nhiều tính chất chức năng của tinh bột phụ thuộc vào tương tác của tinh bột và nước (tính chất thủy nhiệt, sự hồ hóa, tạo gel, tạo màng). Ngoài ra, nó cũng là cơ sở để lựa chọn tinh bột biến hình thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Ví dụ: Để sản xuất các sản phẩm nước uống hòa tan như cà phê, trà hòa tan thì nên chọn tinh bột biến hình nào có độ hòa tan cao nhất. 1.4. Những tính chất vật lí của huyền phù tinh bột trong nước 1.4.1. Độ tan của tinh bột Amiloza mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền nên nhanh chóng bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước. Amilopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng. - 13 -
Tinh bột thực phẩm Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột 1.4.2. Sự trương nở Khi ngâm tinh bột vào nước thì thể tích hạt tăng do sự hấp thụ nước, làm cho hạt tinh bột trương phồng lên. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trương nở của hạt tinh bột. Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột khi ngâm vào nước như sau: tinh bột bắp: 9,1%, tinh bột khoai tây: 12,7%, tinh bột sắn: 28,4%. 1.4.3. Tính chất hồ hóa của tinh bột Nhiệt độ để phá vỡ hạt chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ oxi hóa khác nhau thành dung dịch keo gọi là nhiệt độ hồ hóa. Phần lớn tinh bột bị hồ hóa khi 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 trong suốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với 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, kich thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một cách rộng lớn. Bảng 1.3 . Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột Tinh bột tự nhiên Nhiệt độ hồ hóa (t0C) Ngô 62-73 Ngô nếp 62-72 Lúa miến 68-75 Lúa miến nếp 67-74 Gạo 68-74 Lúa mì 59-62 Sắn 52-59 Khoai tây 59-70 - 14 -
Tinh bột thực phẩm 1.4.4. Độ nhớt của hồ tinh bột Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm thực phẩm đó là độ nhớt và độ dẻo. Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn. Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột là đường kính biểu kiến của các phân tử hoặc của các hạt phân tán, đặc tính bên trong của tinh bột như kích thước, thể tích, cấu trúc, và sự bất đối xứng của phân tử. Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxi hóa, các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của các phân tử tinh bột thay đổi do đó làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột. 1.4.5. 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 xắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 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 thành trạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở trạng thái yên tĩnh. Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hydro tham gia, có thể nối trực tiếp 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 đông rồi sau đó cho tan giá. 1.5. Vai trò của tinh bột đối với chất lượng gạo Tinh bột là cấu tử chính của gạo (chiếm đến 90% chất khô). Hàm lượng amiloza trong gạo tẻ có thể chiếm từ 7 đến 33% chất khô. Amilopectin là cấu tử chính của tinh bột và thành phần duy nhất của gạo nếp. Tinh bột gạo nếp chiếm từ 0,8 đến 1,3% amiloza, tập trung chủ yếu ở tâm hạt tinh bột. Tinh bột lúa nếp bị - 15 -
Tinh bột thực phẩm nhuộm màu đỏ hay nâu với iot còn gạo tẻ thì nhuộm màu xanh hay xanh tím. Hàm lượng amiloza phụ thuộc vào trị số và hình dạng hạt tinh bột. Hạt tinh bột lúa nếp và lúa thường có nhiệt độ hồ hóa giống nhau. Nhiệt độ hồ hóa có thể dao động từ 55 đến 790C phụ thuộc vào giống và điều kiện canh tác. Nhiệt độ hồ hóa của cùng 1 loại giống có thể khác nhau đến 100C . Nhiệt độ hồ hóa có thể chia ra 3 loại: loại thấp 690C, loại trung gian 70-740C, và loại cao 740C. Lúa ở vùng nhiệt đới có nhiệt độ hồ hóa loại trung gian hay loại thấp. Điều kiện nhiệt độ trong quá trình hình thành hạt có ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa của tinh bột. Nhiệt độ hồ hóa phản ánh độ bền của hạt tinh bột tới sự tác động của các loại thuốc thử khác nhau. Đối với tinh bột lúa nếp thì biên độ tổn thất lớn hơn so với lúa thường. Những sự khác biệt về nhiệt độ hồ hóa phản ánh rõ tới thời gian nấu gạo. Nấu gạo có nhiệt độ hồ hóa cao sẽ kéo dài thời gian vài phút so với gạo có nhiệt độ hồ hóa thấp. Gạo có nhiệt độ hồ hóa thấp khi nấu sẽ bắt đầu hút nước và trương nở ở nhiệt độ thấp hơn so với gạo có nhiệt độ hồ hóa cao. Nhiệt độ hồ hóa cũng có thể phản ánh độ rỗng tương đối của nội nhũ. Tỉ lệ amiloza: amilopectin xác định các tính chất của cơm. Hàm lượng amiloza càng cao, các hạt tinh bột hút nước cáng mạnh, thể tích các hạt tinh bột tăng nhưng cấu trúc không bị phá hủy nhờ khả năng của amiloza tạo thành các liên kết nước ở mức cao. Độ chắc của cơm và độ bóng bề mặt của nó được quyết định bởi tỉ số amiloza: amilopecin trong tinh bột. - 16 -
Tinh bột thực phẩm Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ SỐ CƠ BẢN CỦA TINH BỘT 2.1. Xác định tinh bột bằng phương pháp so màu. Các phương pháp như: chuẩn độ với iot, so màu, tách tinh bột trong dung dịch HClO4 không phù hợp khi phân tích 1 lượng mẫu khá nhỏ và chưa biết hàm lượng tinh bột. Hovencamp Hermelink đưa ra phương pháp so màu nhanh, nguyên tắc là dựa vào đặc điểm của amiloza và amilopectin cho màu đặc trưng với dung dịch lugol và dung dịch màu lại có khả năng hấp thụ khác nhau với ánh sáng. Khả năng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào nồng độ của amiloza và amilopectin có trong dung dịch. Amiloza hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng 618 nm còn amilopectin hấp thụ ở bước sóng 550nm. Cho nên dùng phương pháp đo quang để xác định hàm lượng amiloza và amilopectin trong tinh bột trong máy so màu. Dựa vào phương pháp trên, trình tự xác định thành phần amiloza và amilopectin được tiến hành như sau: -Tách amiloza và amilopectin: Để xác định amiloza và amilopectin trong tinh bột thì phải có amiloza và amilopectin chuẩn của tinh bột đó, nên phải tách amiloza và amilopectin trong tinh bột đó. + Tách amiloza từ tinh bột: dùng phương pháp Manfred Richter và cộng sự, qui trình theo thứ tự: Bước 1: Kết tủa chọn lọc amiloza nhờ xyclohexanol Bước 2: làm sạch amiloza bằng phương pháp kết tủa với butanol tinh khiết Bước 3: tách amiloza khỏi các dung môi hữu cơ và sấy khô kết tủa thu được + Tách amilopectin từ tinh bột - 17 -
Tinh bột thực phẩm Tốt nhất tách từ tinh bột nếp vì nó chiếm gần như 100%. Tách amilopectin từ tinh bột nếp bằng dung dịch NaOH 0,1% Xây dựng đồ thị đường chuẩn: Đồ thị đường chuẩn là đồ thị gồm các đường thẳng biểu hiện mật độ quang của dung dịch amiloza và amilopectin tinh khiết ở các giá trị nồng độ khác nhau của các bước sóng 550 và 618 nm. Hình 2.1. Đồ thị đường chuẩn của dung dịch amiloza, amilopectin của tinh bột sắn Để xác định đồ thị đường chuẩn tiến hành như sau: hòa tan 25mg amiloza hoặc amilopectin trong 10 ml dung dịch HClO4 45%, định mức thành 100ml, sau đó pha loãng dung dịch thành các dung dịch có nồng độ 1,25; 2,5; 5; 10 mg/100 ml. Lấy 4 ml của mỗi loại cho vào cốc thuỷ tinh, thêm vào mỗi cốc 5 ml dung dịch Lugol, lắc đều cho vào cuvet và đo trên máy so màu lần lượt các bước sóng 550 và 618 nm. Từ các đồ thị đường chuẩn, xác định hệ số hấp thụ a của amiloza và amilopectin trên các bước sóng. Đó chính là hệ số góc (a) của các đường biểu diễn - 18 -
Tinh bột thực phẩm Hình 2.2. Đồ thị đường chuẩn của dung dịch amiloza, amilopectin của tinh bột sắn dây. Hình 2.3. Đồ thị đường chuẩn của dung dịch amiloza, amilopectin của tinh bột huỳnh tinh Xác định hàm lượng amiloza và amilopectin trong bột: Tiến hành thí nghiệm xác định mật độ quang của dung dịch tinh bột ở các nồng độ khác nhau lần lượt tại các bước sóng giống như phần xác định đường chuẩn. Sau đó tính giá trị R ( R là tỉ số mật độ quang của dung dịch tinh bột ở các bước sóng 618 và 550 nm). Từ đó tính được hàm lượng amiloza và amilopectin có trong tinh bột. - 19 -
Tinh bột thực phẩm Bảng 2.1 : Mật độ quang và giá trị R của dung dịch các loại tinh bột. Bước sóng 550 618 Ri (nm) n ∑ Ri R= i=1 (n = 4) Loại tinh bột n Nồng độ (mg/100ml) Mật độ quang 1,25 0,085 0,077 0,906 Tinh bột sắn 2,5 0,175 0,141 0,805 5 0,283 0,289 1,02 0,861 10 0,692 0,494 0,71 1,25 0,103 0,091 0,883 2,5 0,157 0,127 0,809 0,895 Tinh bột sắn dây 5 0,209 0,207 0,990 10 0,562 0,504 0,897 1,25 0,078 0,070 0,897 Tinh bột huỳnh 2,5 0,150 0,126 0,840 0,902 tinh 5 0,270 0,253 0,937 10 0,585 0,548 0,937 - 20 -
Tinh bột thực phẩm Bảng 2.2. Hệ số hấp thụ của amiloza và amilopectin của tinh bột sắn, tinh bột sắn dây, tinh bột huỳnh tinh ở các bước sóng 550 và 618 nm Hệ số hấp thụ am 550 ap 550 am 618 ap618 Loại tinh bột Tinh bột sắn 7,06 4,82 10,62 2,68 Tinh bột sắn dây 6,85 4,82 10,96 2,68 Tinh bột huỳnh tinh 7,76 4,82 10,46 2,68 Trong đó: am 550: Hệ số hấp thụ của amiloza ở bước sóng 550 nm ap550 : Hệ số hấp thụ của amilopectin ở bước sóng 550 nm am 618 : Hệ số hấp thụ của amiloza ở bước sóng 618 nm ap 618: Hệ số hấp thụ của amilopectin ở bước sóng 618 nm Từ bảng 2.1 và 2.2 tính tỉ lệ amiloza và amilopectin theo công thức: P.am618 + (1− P).ap618 R= P.am550 + (1− P).ap550 Trong đó: P: hàm lượng amiloza (%) R: giá trị của tỉ số mật độ quang giữa 2 bước sóng 618 và 550 nm của tinh bột Từ công thức trên chúng tôi tính được: - 21 -
Tinh bột thực phẩm ap618 − R.ap550 P= R(am550 − am618) − am618 + ap618 Hàm lượng amilopectin P’=100 - P Bảng 2.3. Hàm lượng amiloza và amilopectin trong tinh bột Thành phần % amiloza amilopectin Loại tinh bột Tinh bột sắn 24,36 75,64 Tinh bột sắn dây 25,28 74,72 Tinh bột huỳnh tinh 32,52 67,48 Nhận xét: tinh bột huỳnh tinh có amiloza cao nhất, như vậy khi tạo sợi sẽ có độ dai và độ bền cao hơn, nên tạo màng bao tốt, đồng thời nhiệt độ hồ hóa cao hơn. 2.2. Xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai Nhiệt độ hồ hóa là nhiệt độ để phá vỡ hạt, chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có độ hydrat hóa khác nhau thành dung dịch keo, nhiều tính chất chức năng và tính chất cơ cấu trúc của tinh bột chỉ được thể hiện rõ sau khi đã được hồ hóa (tính nhớt, dẻo, dai, bền, độ trong suốt, khả năng tạo gel, tạo độ đặc, tạo màng ).Trong công nghiệp dệt, giấy thì nhiệt độ hồ hóa là 1 thông số rất cần thiết. Trong công nghiệp biến hình thì nhiệt độ hồ hóa là mốc quan trọng để điều chỉnh các thông số công nghệ. Có nhiều phương pháp xác định nhiệt độ hồ hóa. Theo dõi độ nhớt của dung dịch tinh bột theo nhiệt độ bằng nhiều loại nhớt kế khác nhau, bằng kính hiển - 22 -
Tinh bột thực phẩm vi, cộng hưởng từ hạt nhân. Tuy nhiên, phương pháp phân tích nhiệt vi sai tiến hành nhanh chóng, chính xác, xác định được điểm nhiệt độ hồ hóa. Xác định nhiệt độ hồ hóa bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai, kỹ thuật DSC đã được Poonam và Dollimre áp dụng năm 1998. Nguyên tắc của phương pháp này là dò tìm sự khác nhau về nhiệt độ giữa mẫu trắng là nước cất và tinh bột nguyên chất trong quá trình nâng nhiệt từ 30 đến >90oC ở môi trường xác định. Đường cong biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ này được gọi là đường cong của giản đồ DSC. Sự thay đổi trạng thái của tinh bột từ dạng dung dịch sang dạng hồ sẽ làm cho đường cong DSC có điểm uốn. Lấy đạo hàm của đường cong này, chúng ta sẽ có đường cong DTA. Thí nghiệm được tiến hành trên thiết bị TA, dòng không khí được sử dụng có tốc độ 100ml/phút. Chén đựng mẫu thí nghiệm bằng bạch kim. Cân 1 mg tinh bột trộn với 9 ml nước cất rồi cho vào chén bạch kim, đưa vào máy cùng lúc với mẫu trắng, và tiến hành phân tích nhiệt. Nhiệt độ nâng trong khoảng từ 30 đến trên 900C , tốc độ đốt nóng khoảng 10 0C/ phút .Nhiệt độ hồ hóa được xác định là nhiệt độ cao nhất(Tp) của đường cong DTA. Bảng 2.4. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột được đo bằng kỹ thuật DSC trên TA Nhiệt độ Tinh bột sắn Tinh bột Tinh bột hồ hóa (0C) sắn dây huỳnh tinh 57,30 60,03 61,81 Nhiệt độ hồ hóa của huỳnh tinh cao nhất. Vì tỉ lệ amiloza cao tức là số lượng mạch thẳng nhiều có khả năng liên lết chặt bên trong cấu trúc hạt, amiloza xếp thành hình song song được định hướng chặt chẽ nên phá vỡ được hạt để chuyển thành dung dịch keo phải cần nhiệt độ cao hơn. 2.3. Cách xác định độ hòa tan và khả năng hydrat hóa của tinh bột Độ hòa tan và khả năng hydrat hóa của tinh bột được đo bởi phương pháp của Manfred Richter và cộng sự. Nguyên tắc của phương pháp này là đun tinh bột trong 1 lượng nước dư và khuấy trộn liên tục trong nồi cách thủy ở nhiệt độ khác nhau từ 40-800C. Sau đó li tâm với tốc độ 2500 vòng/phút trong 10 phút. Lượng - 23 -
Tinh bột thực phẩm tan còn lại trong dung dịch sau khi li tâm chính là lượng tinh bột hòa tan. Từ đó có thể tính được khả năng hòa tan và khả năng hydrat hóa của tinh bột. Cách tiến hành và công thức tính: Cho một lượng tinh bột vào 70ml nước, liên tục khuấy trong nồi cách thủy ở nhiệt độ khác nhau từ 40-800C trong 30 phút. Thêm nước vào hỗn hợp cho đến 80 g và đem li tâm với tốc độ 2500 vòng/phút trong 10 phút. Phần nước của dịch li tâm chắt ra và lấy 50 ml cho bốc hơi khô đến khối lượng không đổi và cân. Lượng tinh bột nằm trong pha nước sau khi li tâm chính là lượng tinh bột hòa tan. Lượng nước và tinh bột nằm trong phần lắng đem cân, sau đó sấy khô tinh bột lắng này đến khối lượng không đổi và cân lại để xác định khả năng hấp thụ nước của tinh bột theo các công thức sau: Hàm lượng nước liên kết với tinh bột được tính theo công thức: w= r-a r: khối lượng tinh bột lắng sau khi li tâm a: khối lượng tinh bột lắng sau li tâm đem sấy khô Khả năng hòa tan được tính theo công thức: m.b.100 L = A.V m: Khối lượng dung dịch sau khi hồ hóa b: Khối lượng tinh bột còn lại trong dung dịch sau khi li tâm được xác định theo phương pháp sấy khô A: Khối lượng tinh bột ban đầu V: Thể tích dung dịch đem sấy khô Khả năng hydrat hóa của tinh bột ( hấp thụ nước) w.100 W = A(100 − L) - 24 -
Tinh bột thực phẩm Hình 2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp thụ nước của tinh bột Hình 2.5 . Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hòa tan của tinh bột Nhận xét: ở nhiệt độ 40-500C khả năng hấp thụ nước và hòa tan trong nước rất ít Nhiệt độ càng cao thì 2 khả năng này càng cao. Giải thích: Các phân tử tinh bột ở trạng thái tự nhiên thường liên kết chặc chẽ bằng liên kết hydro bền nên khi ở trong nước lạnh có thể hấp thụ nước một cách thuận nghịch nhưng rất nhỏ. Hơn nữa để phá vỡ được lớp vỏ bao bọc của hạt cần có 1 năng lượng đáng kể. Nhiệt độ tăng làm tăng vận tốc chuyển động của phân tử. Đến một giá trị nhất định làm đứt liên kết hydro giữa các phân tử làm cho - 25 -
Tinh bột thực phẩm chúng phân tán và hòa tan hoàn toàn trong nước thành dung dịch. Tinh bột sắn có khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan cao nhất. Đó là do tinh bột có cấu tạo lỗ xốp và cấu trúc khác nhau nên khả năng thâm nhập của các phân tử nước bằng con đường khuyếch tán qua vỏ khác nhau. Điều này liên quan đến kích thước hạt và hàm lượng amiloza. Tinh bột huỳnh tinh có kích thước hạt lớn nhất, nước xâm nhập dễ dàng nhưng amiloza khá cao, số mạch thẳng nhiều nên cấu trúc chặt chẽ hơn làm cho phân tử nước khó đi qua. Bảng 2.5. Một số chỉ số liên quan đến cấu trúc mạch tinh bột Chỉ số Sắn Sắn dây Huỳnh tinh Mức độ trùng hợp (đơn vị glucozơ) 1323 1284 1548,4 Độ nhớt (centipoise: Cp) 388,4 314,4 425,8 Chỉ số khử (số ml dd Na2S2O3 0,1N/1g tb khô) 0,32 0,48 0,16 Khả năng hấp thụ iot (mg I2/g tb) 43,94 40,80 45,69 Nhận xét: - Mức độ trùng hợp của huỳnh tinh lớn nhất. Điều đó cho thấy: tinh bột huỳnh tinh có mạch phân tử cũng như khối lượng phân tử lớn nhất. - Có sự tương quan chặc chẽ giữa mức độ trùng hợp, chỉ số khử và độ nhớt của tinh bột. - Tinh bột huỳnh tinh có mức độ trùng hợp cao nhất, có mạch phân tử dài nhất, chứa nhiều nhóm hydroxyl nhất nên có khả năng liên kết nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại đồ sộ hơn, giữ được nhiều phân tử nước hơn nên có độ nhớt cao nhất. - Khối lượng phân tử của tinh bột huỳnh tinh lớn nhất, tức là số nhóm –OH glucozit của nó trong 1 gam tinh bột ít nhất do đó chỉ số khử của tinh bột huỳnh tinh là ít nhất. - Khả năng hấp thụ iot của tinh bột có liên quan đến kích thước hạt. Kích thước hạt tinh bột huỳnh tinh lớn nhất nên có cấu tạo xốp nhất, có điều kiện để cho các phân tử iot xâm nhập vào hạt dễ dàng, cân bằng hấp thụ đạt được nhanh chóng hơn, do đó khả năng hấp thụ iot của nó là cao nhất. - 26 -
Tinh bột thực phẩm Chương 3. KỸ THUẬT SẢN XUẤT TINH BỘT 3.1. Sản xuất tinh bột từ quả *Tinh bột của các hạt họ đậu Các hạt thuộc họ đậu như đậu hà lan, đậu xanh, đậu trắng, đậu đen và đậu ván (trừ đậu tương) cũng là nguồn giàu tinh bột (50-60%). Đậu tương hầu như không có tinh bột. Tách tinh bột. Sơ đồ công nghệ để thu tinh bột từ hạt đậu cũng tương tự như từ hạt ngô. h 0 Ngâm hạt, nghiền vỡ sơ bộ 40 trong nước ấm 50 C có chứa 0,2% SO2 . Sau khi tách vỏ, hạt được nghiền ướt để giải phóng tinh bột. Sữa tinh bột được ly tâm để tách protein ra khỏi tinh bột. 3.2. Sản xuất tinh bột từ ngũ cốc Các hạt cốc bao gồm: lúa, ngô, kê, lúa mì, đại mạch, kiều mạch, yến mạch, lúa mạch đen. Thường hàm lượng tinh bột chiếm 50-70% lượng chất khô của hạt. 3.2.1. Lúa Gồm các bộ phận chủ yếu sau: a) Vỏ trấu chiếm 19-21% khối lượng hạt b) Vỏ quả chiếm 5-6 % khối lượng hạt c) Vỏ hạt chiếm 1-2,5% khối lượng hạt d) Lớp alơrông chiếm 6-12% khối lượng hạt e) Nội nhũ trong đó tinh bột chiếm 80%. f) Phôi hạt chiếm 2,25% khối lượng hạt. Cách tách tinh bột gạo: Hạt tinh bột gạo có kích thước nhỏ (3-8µm) được bao bởi một lớp vỏ protein cứng, chặt và không hoà tan trong nước, nên để tách được tinh bột cần phải - 27 -
Tinh bột thực phẩm xử lí hoá học để tách protein ra khỏi tinh bột. Có thể ngâm gạo xay trong dung dịch kiềm loãng (0,25%-0,35%) trong một thời gian dài để làm mềm hạt. Tách hết kiềm, rửa bằng nước, sau đó gạo được nghiền để phá vỡ tế bào và giải phóng các hạt tinh bột. Tiếp đó khối nghiền được khuấy đều với một lượng dư dung dịch kiềm loãng. Phần lớn protein sẽ bị hoà tan và chuyển vào lớp trên của dung dịch kiềm nên có thể tách ra bằng cách gạn. Khuếch tán khối tinh bột vào nước để tạo ra dịch sữa tinh bột rồi cho qua rây có kích thước nhất định để loại bỏ các tạp chất. Tinh bột được rửa và lắng gạn, lặp đi lặp lại nhiều lần sẽ thu được tinh bột tinh sạch. Có thể ngâm gạo xay trong dung dịch SO2 ở một nhiệt độ và thời gian nhất định (50oC,72 h ) để làm cho khung protein bị trương lên và bị khuếch tán vào dung dịch dễ dàng. Tiếp đó gạo được nghiền trong cối nghiền. Khối nghiền cho qua sàng quay và sàng rung để tách vỏ và xơ. Sau đó khuấy đều với dung dịch NaOH để tạo ra huyền phù rồi cho vào ly tâm để tách ra làm 2 lớp: lớp chất lỏng ở phía trong (quanh tâm của máy ly tâm) chứa nhiều protein và lớp đặc có khối lượng riêng lớn thì ở vòng ngoài chứa chủ yếu là tinh bột có lẫn ít protein. Ly tâm nhiều lần dịch sữa tinh bột trong kiềm, rồi trong nước sẽ thu được tinh bột tinh sạch. 3.2.2. Hạt lúa mì Hạt lúa mì gồm các phần chính sau: a)Vỏ quả chiếm 4-6% khối lượng hạt. b)Vỏ hạt chiếm 3-2,5 % khối lượng hạt. c)Lớp alơrông d)Nội nhũ chiếm 82% khối lượng hạt. Nội nhũ được tạo nên từ các tế bào lớn có thành rất mỏng (gần như không thể phân biệt được bằng kính hiển vi) chứa đầy tinh bột và các chất protein. Nội nhũ có màu trắng hoặc vàng nhạt phụ thuộc vào mức độ chứa đầy protein của tế bào, mức độ liên kết của protein với các hạt tinh bột cũng như kích thước và hình dạng - 28 -
Tinh bột thực phẩm của các hạt tinh bột mà màu nội nhũ có thể trắng trong, trắng đục hoặc trắng trong từng phần. Hạt hoàn toàn trắng trong khi tất cả các tế bào của nội nhũ chứa đầy không còn không gian rỗng chứa không khí. Nếu tế bào nội nhũ xốp có nghĩa là còn các lỗ và các khe chứa không khí thì ánh sáng tới lại bị khúc xạ nhiều lần nên hạt không trong suốt và có màu trắng đục. - Tách tinh bột: có thể thu tinh bột từ hạt nguyên hay từ bột mì. Thường có 5 giai đoạn chủ yếu sau: + Trộn bột mì với nước theo một tỉ lệ nhất định để thu được khối bột nhuyễn và dẻo; + Rửa tinh bột từ khối bột nhuyễn đó bằng nước kết hợp với biện pháp cơ học. Tinh bột hoàn toàn trôi đi còn lại khối gluten; + Tách gluten ra khỏi tinh bột bằng cách cho qua rây; + Làm sạch tinh bột và gluten; + Làm khô tinh bột và gluten bằng phương pháp thông thường. 3.2.3. Ngô Hạt ngô thường có các phần chủ yếu sau đây: a) Lớp vỏ quả chiếm 5-7% khối lượng hạt b) Lớp vỏ hạt mỏng chiếm 2 % khối lượng hạt c) Lớp alơrông chiếm 6-8% khối lượng hạt d) Cuống chiếm1,5% khối lượng hạt (dính hạt với cùi) e) Phôi ngô chiếm 10-19% khối lượng hạt f) Nội nhũ chiếm 72-75% khối lượng hạt (chứa 77-84% tinh bột). - Tách tinh bột: nội nhũ có màu trắng đục (nội nhũ bột hay nội nhũ mềm) có màu trắng trong (nội nhũ rắn). Loại ngô bột chứa rất ít hoặc hoàn toàn không chứa nội nhũ trắng trong. Vùng trắng đục gồm những tế bào có kích thước lớn, có chứa các hạt tinh bột tròn, to và có khung protein tương đối mỏng nên dễ bị rách trong thời gian sấy - 29 -
Tinh bột thực phẩm khô để tạo ra các khe rỗng. Chính do các khe rỗng này mà làm cho phần mềm của nội nhũ có dạng bột trắng. Còn ở vùng nội nhũ trắng trong, tế bào có chứa các hạt tinh bột rất nhỏ và có khung protein dày nên không bị rách khi làm khô. Tinh bột có thể tách ra từ nội nhũ bột ( nội nhũ trắng đục) một cách dễ dàng bằng cách nghiền ngô sau khi đã ngâm trong nước. Còn để thu được lượng tinh bột tối đa từ nội nhũ trắng trong thì cần phải dùng những tác nhân làm mềm đặc hiệu. Để sản xuất tinh bột từ ngô, đầu tiên người ta thường ngâm ngô hạt trong nước ấm 0 (50 C) có chứa SO2 ở nồng độ nhất định (0,1-0,2 %) trong một thời gian dài (30- 50h) để làm mềm hạt ngô, làm dễ dàng cho việc tách phôi một cách nguyên vẹn và tách tinh bột sau này. SO2 là tác nhân vừa có tác dụng ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật gây thối, vừa có tác dụng làm cho màng protein bị trương lên, bị phân rã và khuếch tán dễ dàng vào dung dịch. Có thể do SO2 có khả năng làm đứt được các liên kết disunfua nối các chuỗi protein lại với nhau. Hạt qua ngâm hấp phụ được khoảng 45% nước, 0,2-0,4g SO2 / 1 kg hạt và mất đi 6-6,5% chất khô do hoà tan vào dung dịch ngâm. Tiếp đó ngô được nghiền thô với nước trong thiết bị nghiền thích hợp để tách phôi. Đại bộ phận phôi được tách khỏi hạt trong giai đoạn này, được làm khô rồi đem ép hoặc trích ly để lấy dầu. Sau khi tách hết phôi, ngô được nghiền mịn và tinh bột được giải phóng khỏi tế bào. Tinh bột cùng với protein (gluten) sau khi qua rây có kích thước lỗ thích hợp, được tách khỏi bã rồi đi vào thiết bị ly tâm. Ở đây gluten nhẹ (có màu vàng) tạo thành lớp ở phía trong, còn tinh bột thì tập trung ở phía ngoài. Tinh bột qua ly tâm lần thứ hai được thu lại và rửa sạch, làm khô. 3.3. Tinh bột của các loại củ Khoai tây, khoai lang, sắn, dong riềng, củ mài, sắn dây cũng là những nguồn để thu tinh bột rất quan trọng. 3.3.1. Khoai tây Hàm lượng tinh bột trong củ phân bố không đều. Các lớp tế bào nằm ở giữa - 30 -
Tinh bột thực phẩm lớp tế bào thành mỏng và trung tâm của củ thường chứa nhiều tinh bột nhất. Ở giữa củ ( trung tâm) có lượng tinh bột thấp. Hàm lượng tinh bột trong khoai tây dao động từ 8-30%. Kích thước hạt tinh bột khoai tây khoảng 30-150µm 3.3.2. Khoai lang Cấu tạo củ khoai lang gồm 3 phần: a)Vỏ bao chiếm 1% khối lượng củ b)Vỏ cùi chiếm 5-12% khối lượng củ c)Thịt củ Lượng tinh bột trong khoai lang thường dao động từ 15-31%, kích thước hạt tinh bột từ 15-80 µm 3.3.3. Sắn Củ sắn gồm 4 phần chính: a) Vỏ gỗ chiếm 0.5-3% khối lượng củ b) Vỏ cùi chiếm 8-10% khối lượng củ c) Thịt sắn là phần chủ yếu của củ sắn, bao gồm các tế bào nhu mô thành mỏng. Thành phần vỏ tế bào nhu mô là xenlulozơ, pentozơ, bên trong là các hạt tinh bột và nguyên sinh chất. Lượng tinh bột trong thịt sắn phân bố không đều nhiều nhất ở lớp ngoài rồi giảm dần vào trong. Kích thước hạt tinh bột sắn khoảng 15-80 µm. 3.4. Các qui trình hiện đại sản xuất tinh bột 3.4.1. Thu tinh bột từ nguyên liệu củ Ngâm củ để hòa tan bớt dịch bào, làm mềm củ và để rửa sơ bộ các tạp chất. Cắt khúc để dễ rửa và dễ vận chuyển. Rửa nguyên liệu để tách các tạp chất: đá, cát,đất và một phần vỏ. Nghiền để phá vỡ tế bào, giải phóng tinh bột. Tách rửa tinh bột bằng rây để loại bỏ các phần tử lớn và dịch bào nhằm đảm bảo chất lượng tinh bột. Tách bã lớn, chủ yếu là xenlulozơ và rửa tách tinh bột lẫn với bã. Tách - 31 -
Tinh bột thực phẩm dịch bào khỏi sữa tinh bột bằng li tâm. Tinh chế sữa tinh bột và tách bã nhỏ. Rửa tinh bột để tách các tạp chất hoà tan và không hoà tan lần cuối bằng xiclon nước, bằng bể rửa, máng rửa hay bằng máy li tâm. Trong sản xuất tinh bột từ củ, để phá vỡ tế bào người ta dùng máy mài xát hoặc kết hợp máy xay để xay lại lần thứ hai. Cả máy mài và xay gọi chung là nghiền. Hình 3.1. Sơ đồ thu tinh bột từ củ Cần chú ý là dịch bào vỏ khi thoát khỏi tế bào, tiếp xúc với oxi của không khí , thường nhanh chóng bị oxi hoá tạo thành những chất màu có tên gọi là Melanin. Tinh bột rất dễ dàng hấp thụ màu của dịch bào, trở nên không trắng và rất khó tẩy rửa hoàn toàn chất màu khỏi tinh bột bằng nước. Để đảm bảo tinh bột có màu trắng tự nhiên thì quá trình công nghệ phải ngắn và tách dịch bào càng sớm càng tốt. - 32 -
Tinh bột thực phẩm 3.4.2. Qui trình sản xuất tinh bột của Thái Lan: Hình 3.2. Qui trình sản xuất tinh bột từ củ. - 33 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.3. Sơ đồ qui trình sản xuất tinh bột Chú thích: 1. Sắn tươi 2.Băng tải ngang 3. Băng tải nghiêng 4. Máy Bóc vỏ sơ bộ 5. Máy thái lát 6. Máy nghiền 7.Bộ lọc 8. Máy phân ly tách dịch bào 9. Ly tâm vắt 10.Vít tải 11.Máy sấy 12.Xiclon - 34 -
Tinh bột thực phẩm 13. Xilon làm nguội 14.Rây và đóng gói 15.Tinh bột sắn 16.Vít nén 17. Bã sắn 18.Khí nóng Hình 3.4. Băng tải Hình 3.5. Phểu gom củ - 35 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.6. Băng chuyền Hình 3.7. Máy bóc vỏ củ Bóc vỏ củ: là thùng quay, thân nhiều thanh thép ghép song song nhau theo chiều dọc. Do ma sát giữa củ với củ, giữa củ với thân máy. Bóc khoảng 50% cùng với đất cát. - 36 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.8. Máy rửa củ Rửa củ: Tách đất cát và một phần vỏ. Là bể rửa củ có các cánh guồng nhằm đảo trộn và vận chuyển, tạp chất nhẹ tạp chất nặng cùng với nước rửa lọt qua lưới ở cuối máy đến hệ thống nước thải còn nguyên liệu được băng tải nghiêng đưa đến chặt củ. Hình 3.9. Máy Chặt củ Chặt củ: chặt cho máy mài dễ làm việc. Bộ phận chính là các dao chặt gắn vào trục quay, đáy thiết bị được ghép từ các tấm thép đặt song song nhau tạo nên những khe hở có kích thước đúng bằng bề dày của lát cắt và bảo đảm không cho nguyên - 37 -
Tinh bột thực phẩm liệu rơi xuống dưới trước khi được chặt thành các khúc nhỏ dưới tác dụng của các lưỡi dao cắt rồi rơi vào máy mài. Máy mài củ: Nhằm phá vỡ cấu trúc của tế bào củ, một số giải phóng ra khỏi tế bào gọi là tinh bột tự do, số còn lại là tinh bột liên kết. Bề mặt tay quay của máy mài có dạng răng cưa, thùng máy có dạng răng cưa nên tạo ra nghiền, mài, xát, xay. Trong quá trình mài phải dội nước để tách tinh bột tự do và tinh bột trong xơ, sau đó dùng sữa tinh bột loãng ở lần chiết thứ ba dội vào tiếp theo đưa đi chiết lọc. Hình 3.10. Máy mài củ Hình 3.11 Máy phân li tách dịch bào Phân ly tách dịch bào: vì dịch bào củ khi thoát ra khỏi tế bào chứa tirozin và enzym tirozinaza. Dưới tác dụng của enzym, tirozin kết hợp thêm gốc hydroxyl - 38 -
Tinh bột thực phẩm thứ hai, sau đó cromoxydaza oxi hoá tiếp tục thành melanin có màu, làm tinh bột không trắng. Vì vậy phải tách dịch bào sau khi mài. Dùng sunfit hoá dịch sữa thô để tránh quá trình tạo màu. Dịch từ máy mài bơm sang thiết bị lọc tại đây xơ bã được giữ lại trên lưói lọc để đưa sang máng rồi hoà với nước sạch để lọc lần cuối. Sữa bột lọt qua lưới lọc đưa đi tách dịch bào lần 1, sau đó bơm đi lọc lần hai để tách bã mịn. Sau 3 lần lọcvà tách dịch bào, sữa tinh bột được hiệu chỉnh đến nồng độ 3oBx đưa đi li tâm vắt để tách tinh bột. Nguyên tắt quá trình tẩy trắng bằng sunfít hoá: S+O2 = SO2+ Q (1) trong buồn đốt lưu huỳnh + - SO2 + H2O = H + HSO3 (2) nén SO2 lên bồn hấp thụ - 0 HSO3 + H2O = H + H2SO4 (3) sunfit hoá dịch sữa chất khử S+4 - 2e = S+6 sẽ tác dụng vào nối đôi của chất màu làm chất màu biến thành chất không màu. Để tăng hiệu suất phản ứng (2) phải tăng diện tích tiếp xúc giữa SO2 và - nước bằng các tia nước và dòng khí SO2, lượng HSO3 sẽ tan trong nước và dẫn vào thiết bị lọc. Hình 3.12. Máy chiết lọc - 39 -
Tinh bột thực phẩm Chiết lọc: nhằm tách tinh bột còn sót trong xơ và bã bằng cách dội nước vào tinh bột thô sau khi nghiền tách xơ. Sữa tinh bột sau khi tinh chế 30 Bx thì bơm sang máy lọc li tâm để tách nước. Tinh bột thu được có độ ẩm 38-40% Hình 3.13. Máy li tâm tách nước Hình 3.14. Ống làm khô nhanh - 40 -
Tinh bột thực phẩm Làm khô làm nguội: giảm độ ẩm còn 10-12%. Dùng không khí nóng, nhiệt độ tinh bột sau khi khô đạt 50-750C nên phải làm nguội đến 30-35 0C Thực hiện qui trình làm khô nhanh: tinh bột ướt từ máy lọc li tâm được băng tải đưa sang vít tải để phân phối tinh bột vào ống làm khô nhanh. Tinh bột ướt sẽ cuốn theo đường khí nóng ( có nhiệt độ 200-2200C) và chuyển động dọc theo chiều dài của ống làm khô nhanh để đến xyclon, sau đó dùng quạt hút của hệ thống làm nguội để hút sang xyclon làm nguội. Tiêu chuẩn thành phẩm: - W không quá 12% - Tạp chất: không có - Sâu mọt : không - Meo, mốc: không thấy bằng mắt thường - Màu, mùi, vị: bình thường, không mùi mốc, chua và vị đắng - Không kết cục hoặc kết tảng. - Độ chua không quá 3 ml NaOH 1N/100g. Hình 3.15. Bộ tiếp tinh bột - 41 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.16. Cyclone Hình 3.17. Thiết bị rây và đóng gói - 42 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.18.Vít ép Hình 3.19. Van quay - 43 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.20. Buồng đốt khí nóng Hình 3.21. Quạt thổi - 44 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.22. Thùng thép không rỉ Hình 3.23.Máy bơm tinh bột dạng sữa - 45 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.24. Hộp bánh răng Hình 3.25. Máy phát SO2 - 46 -
Tinh bột thực phẩm Hình 3.26. Bộ li hợp thủy lực Hình.3.27 Vít tải 3.4.4. Qui trình sản xuất tinh bột photphate qui mô pilot Nguyên liệu tinh bột sắn sau khi xác định một số chỉ tiêu về tính chất nguyên liệu được trộn với dung dịch STP có nồng độ 6% điều chỉnh pH đến 11. Huyền phù tinh bột được khuấy liên tục trong thời gian 30 phút bằng thiết bị khuấy, sau đó tách ẩm ở nhiệt độ môi trường đến độ ẩm 25%. Tinh bột được sấy khô ở nhiệt độ 400C. Để thực hiện phản ứng phosphoryl hóa tiến hành gia nhiệt hỗn hợp STP và tinh bột đã được sấy khô trong lò nung tại 1400C trong 103 phút. Sau đó, lấy hỗn hợp đem làm nguội đến nhiệt độ môi trường và phân tán chúng - 47 -
Tinh bột thực phẩm trong nước cất bằng thiết bị khuấy. Tiến hành trung hòa huyền phù tinh bột này bằng HCl đến pH 6,5-7. Hình 3.28. Qui trình sản xuất tinh bột photphate Huyền phù được rữa sạch bằng cách lắng gạn, ly tâm trong tinh bột lắng liên tục, lọc chân không và máy ly tâm tách nước ở tốc độ 3000 vòng/phút. Tinh bột ẩm thu được có độ ẩm 30-32% đem sấy khô ở nhiệt độ 500C trong tủ sấy. Tinh bột khô thu được đem đi nghiền, xay mịn, rây hoặc sàng rung. - 48 -
Tinh bột thực phẩm Chương 4. BIẾN HÌNH TINH BỘT Trong thực tế sản xuất, ứng với mỗi một sản phẩm thực phẩm thường đòi hỏi 1 dạng tinh bột hoặc một dẫn suất tinh bột nhất định. Có sản phẩm yêu cầu tinh bột giàu amiloza lại có sản phẩm yêu cầu tinh bột thuần nhất amilopectin. Có sản phẩm cần dạng tinh bột có độ hòa tan tốt, có dạng cần tinh bột bền không bị thoái hóa ở nhiệt độ thấp. Có loại cần độ dẻo độ trong, có loại không mong muốn những tính chất đó. Vì vậy, để có được những loại hình tinh bột phù hợp người ta phải biến hình tinh bột . Mục đích của biến hình tinh bột nhằm: - Cải biến các tính chất của sản phẩm. - Tăng giá trị cảm quan. - Tạo mặt hàng mới. Dựa vào bản chất của phương pháp có thể phân loại các phương pháp như sau: - Phương pháp biến hình vật lí - Phương pháp biến hình hóa học - Phương pháp biến hình bằng enzym. 4.1. Phương pháp biến hình vật lí 4.1.1. Trộn với chất rắn trơ Tinh bột có ái lực với nước nhưng nếu hòa trực tiếp vào nước thì sẽ bị vón cục. Có thể làm cho tinh bột phân tán tốt vào nước nếu đầu tiên đem trộn nó với chất 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. 4.1.2. Biến hình bằng hồ hóa sơ bộ Tinh bột ban đầu được hồ hóa trong một lượng thừa nước, sau đó sấy phun hoặc sấy thùng quay. Dưới tác dụng nhiệt ẩm làm đứt các liên kết giữa các phân - 49 -
Tinh bột thực phẩm tử, làm phá vỡ cấu trúc của các hạt tinh bột khi hồ hóa. Tinh bột hồ hóa sơ bộ có những tính chất sau: - Trương nhanh trong nước; - Biến đổi chậm các tính chất khi bảo quản; - Bền khi ở nhiệt độ thấp; - Có độ đặc và khả năng giữ nước, giữ khí tốt. Do đó người ta thường dùng tinh bột hồ hóa sơ bộ này trong mọi trường hợp khi cần độ đặc, giữ nước mà không cần nấu. Tinh bột loại này nếu đi từ tinh bột amilopectin thì sẽ làm tăng độ “tươi” cho sản phẩm, tăng độ trong suốt, độ đàn hồi cũng như làm bền độ nhớt. Dùng tinh bột hồ hóa sơ bộ còn tránh tổn thất các chất bay hơi trong bánh ngọt, giữ được chất béo và bảo vệ chất béo khỏi bị oxi hóa khi sấy khô, liên kết ẩm và ổn định ẩm trong các sản phẩm thịt. Ete oxit của tinh bột dưới dạng hồ hóa sơ bộ được sử dụng trong sản xuất kem rất có hiệu quả. Amiloza hoặc tinh bột giàu amiloza (trên 60% amiloza) nếu khuếch tán vào nước dưới áp suất cao hơn áp suất khí quyển rồi sau đó sấy khô thì không bị thoái hóa. Người ta thường thêm tinh bột hồ hóa sơ bộ vào các dung dịch khoan ( khi khoan các giếng dầu mỏ) nhằm giữ cho dung dịch khoan 1 lượng nước cần thiết. 4.1.3. Biến hình tinh bột bằng gia nhiệt khô ở nhiệt độ cao Dextrin là sản phẩm phân giải nữa vời của tinh bột. Thực tế pirodextrin thu được khi gia nhiệt tinh bột khô ở nhiệt độ 175-1950C trong thời gian 7-18h. Phương pháp chế tạo pirodextrin như sau: - Phun axit (với lượng 0,05-0,15% trọng lượng tinh bột ) vào tinh bột có dộ ẩm khoảng 5%.Có thể dùng AlCl3 làm chất xúc tác. Cũng có thể cho thêm các tác nhân kiềm tính như Canxi photphat, Natri bicacbonat hoặc Tritanolamin làm chất đệm (để làm giảm bớt độ axit khi ở nhiệt độ cao). Sau khi sấy nhẹ tinh bột đến độ - 50 -
Tinh bột thực phẩm ẩm từ 1-5% thì tiến hành dextrin hóa trong thiết bị trộn có gia nhiệt bằng hơi, bằng dầu hoặc đốt nóng trực tiếp. Dextrin hóa xong thì làm nguội. Khi dextrin hóa thường xảy ra 2 phản ứng sau: - Phân giải tinh bột thành sản phẩm có khối lượng phân tử thấp hơn; - Phản ứng tái trùng hợp các sản phẩm vừa mới tạo thành ở trên chủ yếu bằng liên kết 1-6 tạo cấu trúc có độ phân nhánh cao. Ở giai đoạn đầu phản ứng thủy phân là chủ yếu, nên độ nhớt của tinh bột lúc này bị giảm rất mạnh. Khi tăng nhiệt độ lên thì phản ứng tái trùng hợp mới trở thành phản ứng chính. Ngoài ra ở nhiệt độ cao còn xảy ra phản ứng chuyển glucozit: các liên kết 1-4 glucozit không bền trong amiloza lúc này sẽ chuyển thành liên kết 1-6 bền hơn. ( B) Dưới tác dụng của nhiệt độ, tinh bột đã bị biến hình một cách sâu sắc, do đó nhiều tính chất cũng bị thay đổi theo, độ hòa tan tăng, hàm lượng dextrin tăng, đường khử tăng rồi giảm, độ nhớt giảm, màu sắc thay đổi. Phụ thuộc vào nhiệt độ ta sẽ thu được dextrin trắng (95-1200C), dextrin vàng (120-1800C), pirodextrin (170-1950C). - 51 -
Tinh bột thực phẩm Dextrin trắng có độ hòa tan cao trong nước lạnh thay đổi từ 0% đến 90% và có mức độ phân nhánh trung bình xấp xỉ 3%. Dextrin vàng thường có màu từ vàng nhạt đến nâu sẫm và có độ hòa tan rất đáng kể, có mức độ phân nhánh trung bình trên 20%. Pirodextrin có mức độ phân nhánh từ 20-25% và có khối lượng phân tử lớn hơn dextrin vàng do đó dung dịch cũng bền hơn. Dung dịch dextrin có khả năng tạo màng, dính kết các bề mặt đồng nhất và không đồng nhất. Thường dùng dextrin làm chất liên kết và chất keo dính để pha sơn. Do dextrin có độ nhớt thấp nên có thể dùng ở nhiệt độ cao mà vẫn bền. Độ hòa tan trong nước lạnh của dextrin cao hơn tinh bột . Thường dùng dextrin trắng, dextrin vàng, pirodextrin để pha keo dán phong bì, dán nhãn chai, băng dính, thùng cáctông. Keo dextrin có thêm các phụ gia để làm biến đổi tính chất các dung dịch và của màng dextrin. Natri tetraborat là một trong những phụ gia được dùng rộng rãi cùng với dextrin. Có thể thêm borat đến 20% khối lượng của keo. Thêm borat sẽ làm tăng độ nhớt của dung dịch dextrin, tăng độ bền và khả năng dính của nó. Đường, mật rỉ, glyxerin và các hợp chất polyhydroxit thêm vào keo dextrin để tăng tính dẻo của màng và giảm độ dòn khi độ ẩm thấp. Các dextrin được dùng để hồ sợi. Pirodextrin còn được dùng để làm chất làm đặc cho các thuốc nhộm sợi, dùng làm dung môi và chất mang các chất màu. 4.2. Biến hình bằng phương pháp hóa học 4.2.1. Biến hình bằng axit Dưới tác dụng của axit một phần các liên kết giữa các phân tử và trong phân tử tinh bột bị đứt. Do đó làm cho kich thước phân tử giảm đi và tinh bột thu được những tính chất mới. Trong sản xuất công nghiệp, người ta cho khuếch tán tinh bột (huyền phù tinh bột 12-15Bx) trong dung dịch axit vô cơ có nồng độ 1-3%, rồi khuấy đều ở - 52 -
Tinh bột thực phẩm nhiệt độ 50-550C trong 12-14 h. Sau đó trung hòa, lọc rữa và sấy khô. Tinh bột biến tính bằng axit so với tinh bột ban đầu có những tính chất sau: - Giảm ái lực với iot; - Độ nhớt đặc trưng bé hơn; - Áp suất thẩm thấu cao hơn do khối lượng phân tử trung bình bé hơn; - Khi hồ hóa trong nước nóng hạt trương nở kém hơn; - Trong nước ấm có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa thì độ hòa tan cao hơn; - Nhiệt độ hồ hóa cao hơn; - Chỉ số kiềm cao hơn; Ứng dụng: vì có độ nhớt thấp nên được dùng trong công nghiệp dệt để hồ sợi, sản xuất kẹo đông, làm bóng giấy để tăng chất lượng in và mài mòn. Có 2 phương pháp biến hình bằng axit đó là: - Biến hình bằng axít trong môi trường ancol - Biến hình bằng axít trong môi trường nước 4.2.1.1. Nghiên cứu phương pháp biến hình bằng phương pháp axít trong môi trường ancol. Tạo ra những sản phẩm tinh bột mạch ngắn hơn, các dextrin hoặc các đường. Trong môi trường ancol như etanol hoặc metanol, do các ancol này có độ phân cực nhỏ hơn nước nên độ phân ly của axit tham gia xúc tác cũng nhỏ hơn; do đó phản ứng thủy phân làm biến dạng tinh bột diễn ra chậm hơn so với trong môi trường nước. Vì vậy chúng ta có thể điều chỉnh và khống chế quá trình biến hình tinh bột để tạo ra các sản phẩm có mạch phân tử mong muốn một cách dễ dàng hơn và đạt hiệu suất thu hồi cao hơn. Qui trình sản xuất theo phương pháp Robyt (cho sắn): Axít HCl đậm đặc trộn với 100 ml môi trường, sau đó khuấy đều, đậy kín miệng bình và biến hình trong 72 giờ. - 53 -
Tinh bột thực phẩm Hình 4.2 .Qui trình sản xuất tinh bột từ sắn theo phương pháp Robyt Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân cắt mạch tinh bột trong quá trình biến hình: Chủ yếu là nhiệt độ, hàm lượng axit, nồng độ dịch tinh bột và loại môi trường. Khả năng phân cắt mạch tinh bột biểu thị bằng chỉ số mức độ trùng hợp mạch tinh bột. Cách xác định mức độ trùng hợp của tinh bột: Mức độ trùng hợp Pn là số lượng gốc glucozit trung bình có trong mạch tinh bột. Pn được xác định bằng phương pháp oxi hóa nhóm cuối tinh bột bằng KIO4 - 54 -
Tinh bột thực phẩm Dưới tác dụng của periodat, mạch tinh bột sẽ bị oxi hóa nhóm cuối khử tạo ra 2 axit focmic (HCOOH) và nhóm cuối không khử tạo ra 1 axit focmic trong cùng 1 mạch tinh bột. Để định lượng axit focmic sinh ra, dùng dung dịch NaOH 0,1N để chuẩn độ bằng chỉ thị metyl đỏ 0,1% với dung dịch etylenglycol đến khi xuất hiện màu vàng không đổi trong 1 phút. Từ lượng axit được tạo thành ta tính được mức độ trùng hợp Cách tiến hành: Cân 250 mg tinh bột khô tuyệt đối hòa tan trong 35 ml nước cất, lắc đều, thêm 30 ml KIO4 để ở nhiệt độ phòng trong bóng tối 24h. Kết thúc phản ứng cho 7 ml etylenglycol lắc đều trong 10 phút. Chuẩn độ lượng axit focmic tạo ra bằng NaOH 0,1N với chỉ thị metyl đỏ 0,1% đến khi dung dịch chuyển từ màu hồng nhạt sang vàng nhạt. Pn được xác định bằng công thức: a.3 Pn = 162 .b a: khối lượng tinh bột khô, g b: Số mol axit focmic tạo thành, mol 162: Phân tử lượng 1 gốc glucozit Cách tính số mol HCOOH tạo thành (b) Từ phương trình chuẩn độ: HCOOH + NaOH = HCOONa + H2O áp dụng định luật đương lượng: CN NaOH : Số mol đương lượng NaOH V NaOH: thể tích dung dịch NaOH cần dùng CN NaOH: Số mol đương lượng HCOOH= Số mol đương lượng NaOH Số mol đương lượng HCOOH = Số mol phân tử HCOOH = b CN NaOH . V NaOH → b = , mol 1000 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và hàm lượng axít: - 55 -
Tinh bột thực phẩm Cố định nồng độ tinh bột là 25 g trong 100 ml ancol hay trong 100ml metanol 96% Hàm lượng axit chọn trong khoảng 3- 15 ml Nhiệt độ biến hình trong khoảng 10-150C. Hình 4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và hàm lượng axit đến Pn trong môi trường etanol Hình 4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và hàm lượng axit đến mức độ trùng hợp của tinh bột biến hình trong môi trường metanol. Cả hai môi trường đều thấy hàm lượng axit và nhiệt độ càng tăng thì mức độ phân cắt mạch càng lớn (Pn giảm), trong môi trường metanol sự phân cắt mạnh hơn. Khi hàm lượng axit tăng thì càng có nhiều ion H+ tấn công vào mạch tế bào nên phân cắt càng nhiều. Còn nhiệt độ cao xảy ra sự chuyển động nhiệt của ion H+ và của mạch phân - 56 -
Tinh bột thực phẩm tử tinh bột gây ra sự khuyếch tán của ion H+ trong toàn bộ dung dịch và tấn công vào mạch phân tử tinh bột, làm các liên kết trong phân tử cũng có thể bị đứt, toàn bộ dung dịch chuyển sang trạng thái keo, lúc này phân cắt mạch dễ dàng hơn bởi sự tấn công của ion H+. Tuy nhiên t0 >60oC xảy ra hồ hóa tinh bột. Tốt nhất nên thực hiện biến hình ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa ( từ 10-550C). Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tinh bột: Chuẩn bị mẫu ở nồng độ 25, 50 và 75 g tinh bột trong 2 môi trường, nhiệt độ 250C với các mức hàm lượng axit 3,6,9,12 và 15. Hình 4.5 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột đến Pn ở 250C trong môi trường etanol. Hình 4.6 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột đến mức độ trùng hợp Pn ở nhiệt độ 250C trong môi trường metanol. - 57 -
Tinh bột thực phẩm Nhận xét: Trong cả hai môi trường, với cùng một điều kiện về nhiệt độ và nồng độ axit, khi nồng độ tinh bột càng tăng thì mức độ trùng hợp càng tăng. Đó là do nồng độ tinh bột càng lớn sẽ cản trở sự xâm nhập của ion H+ vào mạch tinh bột , kết quả mật độ tiếp xúc ion H+ bé nên hiệu quả quá trình phân cắt mạch tinh bột càng giảm. Qua các đồ thị trên ta khẳng định rõ hơn yếu tố nồng độ axit ảnh hưởng sâu sắc hơn đối với mức độ phân cắt mạch tinh bột so với nồng độ tinh bột . Ảnh hưởng của môi trường: Các mẫu được chuẩn bị với hai nồng độ tinh bột 50g và 75g trong 100 ml môi trường với các nồng độ axit 3,6,9,12 và 15 ml tại 550C. Kết quả biểu diễn ở đồ thị sau: Hình 4.7 Ảnh hưởng của các môi trường etanol và metanol đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn ở nhiệt độ 550C So sánh các kết quả thu được ta thấy mức độ phân cắt của mạch tinh bột bằng phương pháp axit trong môi trường metanol lớn hơn so với trong môi trường etanol ở cùng điều kiện (nhiệt độ, nồng độ axit, nồng độ tinh bột ). Nghĩa là giá trị Pn thu được trong môi trường etanol lớn hơn so với môi trường metanol. Điều này có thể giải thích như sau: với hai môi trường trên, HCl trong dung dịch đều có khả năng phân li hoàn toàn thành H+ như nhau nhưng metanol có kích thước phân tử nhỏ hơn nên dễ khuếch tán và mang H+ vào sâu trong mạch phân tủ tinh bột hơn etanol. Kết quả là có nhiều H+ tấn công vào mạch tinh bột hơn do đó có khả năng phân cắt mạch tinh bột lớn hơn. Nhưng metanol không nên ứng dụng - 58 -
Tinh bột thực phẩm trong công nghiệp thực phẩm mà có thể ứng dụng trong công nghiệp dệt, công nghiệp giấy hay làm chất độn trong khoan dầu mỏ. 4.2.1.2 Nghiên cứu biến hình tinh bột bằng phương pháp axit trong môi trường nước Qui trình theo phương pháp Ali và Kemf: Hình 4.8 Qui trình biến hình tinh bột bằng axit theo phương pháp Ali và Kemf Biến hình trong môi trường etanol, metanol đắt tiền, tái chế phức tạp, thời gian dài, tốn nhiều thiết bị, giá thành cao. Biến hình bằng axit trong môi trường nước khắc phục được những nhược điểm trên. Tinh bột khô được phân tán trong nước thành dịch huyền phù với nồng độ 33% và biến hình với xúc tác là dung dịch axit HCl 0,5N ở 500C trong điều kiện - 59 -
Tinh bột thực phẩm khuấy trộn liên tục. Khi biến hình kết thúc, trung hòa bằng dung dịch NaOH 1N đến trung tính và rửa sạch tinh bột bằng máy li tâm siêu tốc và nước nhiều lần.Cuối cùng là sấy, nghiền, rây để thành phẩm có W<12%. a)Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi tính chất của tinh bột trong quá trình biến hình + Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian biến hình đến Pn và độ hòa tan Các mẫu tinh bột biến hình được chuẩn bị theo qui trình trên với các mức thời gian 30, 60, 90 và 120 phút. Hàm lượng axit HCl 0,5N thay đổi ở các mức 50, 100, 150 và 200 ml. Nồng độ sữa tinh bột chọn là 33%, nhiệt độ biến hình 500C. Hình 4.9 Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gain đến mức độ trùng hợp của tinh bột sắn biến hình Hình 4.10 Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian đến mức độ trùng hợp tinh bột sắn dây biến hình - 60 -
Tinh bột thực phẩm Hình 4.11 Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian đến mức độ trùng hợp tinh bột huỳnh tinh biến hình + Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian đến mức độ hòa tan của tinh bột sắn, cho sắn dây và huỳnh tinh cũng như trên. Hình 4.12. Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian đến độ hòa tan của tinh bột sắn biến hình Hình 4.13. Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian đến độ hòa tan của tinh bột sắn dây biến hình - 61 -
Tinh bột thực phẩm Hình 4.14. Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian đến độ hòa tan của tinh bột huỳnh tinh biến hình Kết luận: Hàm lượng axit và thời gian càng tăng thì Pn càng giảm và độ hòa tan càng tăng. Giải thích: Hàm lượng HCl tăng thì càng có nhiều H+ tấn công vào mạch tinh bột, tinh bột bị phân cách càng nhiều, số lượng gốc glucozơ có trong 1 mạch tinh bột càng giảm. Vì vậy, mức độ trùng hợp giảm. Còn khi thời gian biến hình càng dài thì H+ càng có điều kiện để xâm nhập và tái xúc tác vào các vị trí bên trong mạch tinh bột nên mức độ phân cắt cao hơn. Pn giảm, nên số lượng mạch ngắn tăng, tức khối lượng phân tử của tinh bột giảm, làm dễ dàng chuyển dịch hơn mạch dài nên khả năng khuyếch tán vào nước dễ hơn và hòa tan tốt hơn. Mức độ phân cắt của tinh bột khác nhau thì khác nhau, tinh bột sắn đạt Pn thấp nhất. Tinh bột sắn biến hình có độ hòa tan cao nhất vì trong quá trình biến hình, Pn giảm rất nhanh nên mạch ngắn tăng nhiều, kích thước phân tử nhỏ hơn nên khả năng khuyếch tán và dễ hòa tan trong nước hơn. b)Vi ảnh của tinh bột biến hình qua kính hiển vi điện tử quét: Hình dạng cơ bản sau khi biến hình tinh bột có sự thay đổi, có kích thước lớn hơn, bề mặt ngoài vỏ sần sùi hơn, có nhiều lỗ nhỏ, hoặc bị trầy sướt. - 62 -
Tinh bột thực phẩm Hình 4.15 . Vi ảnh tinh bột ngô ở 300C, nồng độ 5%, độ phóng đại 3000X Hình 4.16 . Vi ảnh tinh bột ngô ở 500C, nồng độ 5%, độ phóng đại 3000X Hình 4.17 . Vi ảnh tinh bột ngô ở 600C, nồng độ5%, độ phóng đại 3000X - 63 -
Tinh bột thực phẩm Hình 4.18 . Vi ảnh tinh bột ngô ở 650C, nồng độ 5%, độ phóng đại 2000X Hình 4.19 . Vi ảnh tinh bột ngô ở 800C, nồng độ 5%, độ phóng đại 2000X Hình 4.20 . Vi ảnh tinh bột ngô ở 850C, nồng độ 5%, độ phóng đại 2000X c.Kích thước vi ảnh trung bình của các tinh bột biến hình bằng axit. - 64 -
Tinh bột thực phẩm Kích thước vi ảnh của 3 loại tinh bột biến hình đều tăng rõ rệt, mức độ biến hình càng tăng thì kích thước càng tăng. Giải thích: Các H+ xâm nhập vào trong vỏ bằng khuếch tán và tiến hành phân cắt các phân tử tinh bột bên trong hạt. Tạo ra những phân tử ngắn hơn, nhưng số lượng phân tử mạch ngắn sẽ tăng làm tăng thể tích của các vi hạt Do đó kích thước vi hạt tinh bột tăng lên trong toàn bộ mẫu. d. Sự thay đổi nhiệt độ hồ hóa trong quá trình biến hình. Trong quá trình biến hình có sự thay đổi lớn về cấu trúc mạch tinh bột làm cho nhiệt độ hồ hóa bị thay đổi.Nói chung tinh bột nào có mức độ phân cắt cao hơn thì nhiệt độ hồ hóa cao hơn. Giải thích: Khi bị phân cắt thành những phân tử nhỏ hơn, mạch ngắn hơn nhưng không đồng đều. Do mạch phân tử tinh bột biến hình có kích thước ngắn hơn nên dễ dàng xắp sếp chặc chẽ hơn làm cản trở quá trình hydrat hóa và trương nở của tinh bột. Mặc khác cũng có thể là do lúc đó trong hạt, mức độ có trật tự của các mixen đã tăng lên, các mạch tinh bột nằm trong vùng vô định hình bị thủy phân nên các mixen đó đã liên kết với nhau, tạo ra những mảng mạch khá lớn và vì vậy làm nhiệt độ hồ hóa tăng lên. 4.2.2. Biến hình tinh bột bằng kiềm Trong môi trường kiềm, tinh bột hòa tan rất dễ vì kiềm làm ion hóa từng phần và do đó làm cho sự hydrat hóa tốt hơn. Kiềm có thể phá hủy tinh bột từ đầu nhóm cuối khử thông qua dạng enol. Sự phá hủy kiềm cũng có thể xảy ra ngẫu nhiên ở giữa mạch nhất là khi có mặt oxi và có gia nhiệt. Sản phẩm bánh gio là kết quả của sự biến hình tinh bột bằng kiềm dựa trên nguyên lí đó. Trong thực tế người ta thường xử lí hạt gạo nếp bằng một hỗn hợp các oxyt kim loại của nước tro có tính kiềm vừa phải và hài hòa (trong thành phần của nước tro thường có các oxyt như K2O, Na2O, MgO, CaO, Fe2O3 Sau đó gói lại và nấu. Sản phẩm thu được chẳng những có trạng thái đồng thể,nhuyễn, mịn, dai, dẻo mà có màu nâu đẹp, được bổ sung thêm những nguyên tố có trong tro. - 65 -
Tinh bột thực phẩm 4.2.3. Biến hình tinh bột bằng oxi hóa - Thông thường tinh bột được oxi hóa bằng hypoclorit. Cho dung dịch Natrihypoclorit có chứa 5-10% clo tự do (hoặc nước javel) vào huyền phù tinh bột có nồng độ 20-240Be và có pH= 8-10 (bằng cách thêm NaOH loãng, nếu pH cao hơn thì mức độ oxi hóa bị giảm). Khuấy đều ở nhiệt độ 210C đến 380C. Sau khi đạt được mức độ oxi hóa cần thiết (thường 4-6h) trung hòa huyền phù dịch tinh bột đến pH= 6-6,5. Tách clo tự do bằng dung dịch natribisufit. Rữa tinh bột bằng nước, lọc rồi sấy đến độ ẩm 10-12%. Nét đặc trưng của tinh bột đã được oxi hóa là độ trắng: tinh bột càng trắng thì mức độ oxi hóa càng cao. Trong phân tử của tinh bột oxi hóa tạo ra các nhóm cacboxyl và cacbonyl, đồng thời xảy ra phân ly một số liên kết D-glucozit, do đó làm giảm kích thước phân tử. Nếu mức độ oxi hóa khá cao thì hạt trong quá trình hồ hóa bị phá hủy hoàn toàn và tạo ra dung dịch trong suốt. Nếu đưa lên bảng kính lớp hồ rất mỏng của tinh bột oxi hóa rồi để khô thì thu được màng mềm, rất trong và rất dễ hòa tan. Tinh bột oxi hóa được sử dụng để hồ bề mặt trong công nghiệp sản xuất giấy, để hồ sợi bông, sợi pha và tơ nhân tạo trong công nghiệp dệt, chất làm đặc trong công nghiệp thực phẩm. Bảng 4.1.Tiêu hao chất oxi hóa (kg/ 1tấn chất khô tinh bột ) Tinh bột Chất oxi hóa HCl (khí ) NaOH (tinh thể) Na2CO3 KBrO3 6 2,6-8,9 2,9-8,9 KMnO4 8 12 13,2 Ca(ClO)2 4H2O 10 1 1,1 Cho CN dệt 1,5 30 42,1 - 66 -
Tinh bột thực phẩm Hình 4.21 Qui trình biến hình tinh bột theo phương pháp oxi hóa - 67 -
Tinh bột thực phẩm 4.2.4. Nghiên cứu biến hình tinh bột bằng phương pháp oxi hóa Với tác nhân oxi hóa là NaOCl chứa 6% Clo tự do. Hình 4.22. Qui trình biến hình tinh bột theo phương pháp oxi hóa - 68 -
Tinh bột thực phẩm Qui trình: Hiện nay tác nhân được dùng phổ biến hơn vẫn là Hypoclorit. Dùng dung dịch Natri hypoclorit có chứa 5-10% Clo tự do hoặc dùng nước javel có chứa 6% Clo tự do . Tinh bột khô khuấy trộn trong nước và NaOH 0,01N thành huyền phù tinh bột có nồng độ 33-34% và có pH=8-10. Để biến hình cho dung dịch NaOCl có chứa 5-10% clo tự do, khuấy đều ở nhiệt độ 21-380C cho đến khi đạt mức độ oxi hóa cần thiết (4-6h). Sau đó tiến hành trung hòa hỗn hợp bằng HCl 0,01N đến pH=6-6,5. Để tách clo tự do còn lại dùng Natrithiosunfat 0,1N, để kiểm tra quá trình tách clo hoàn toàn tiến hành thử bằng dung dịch KI 0,1N. Nếu còn clo tự - do sẽ đẩy I tạo thành I2 làm cho hồ tinh bột chuyển sang màu xanh. Tiếp tục cho Na2S2O3 cho đến khi không còn clo tự do.Tiến hành rửa lại bằng nước và li tâm nhiều lần cho đến khi thử các chất hòa tan trong nước không còn nữa. Để thử xem còn muối lưu huỳnh không dùng H2SO4 và đun nhẹ. Nếu có kết tủa lưu huỳnh màu vàng xuất hiện, sau khi tách hết các chất hòa tan, tiến hành sấy 350C đến độ ẩm 10-12%, nghiền nhỏ, sàng và bảo quản. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự thay đổi tính chất của tinh bột oxi hóa Tính chất nổi bật của tinh bột oxi hóa là cho khả năng phồng nở cao hơn các loại tinh bột biến hình khác, tinh bột biến hình nào có thành phần amilopectin cao nhất thì sẽ cho độ phồng nở tốt nhất. Chọn phương pháp qui hoạch thực nghiệm đủ yếu tố 2 mức TĐY23 Xây dựng mô hình toán học và thực nghiệm theo mô hình: Trên cơ sở các tài liệu tham khảo chọn3 yếu tố ảnh hưởng chính đến quá trình là: - X1: nồng độ tinh bột từ 33-44% - X2: thể tích nước javel từ 5-10 ml - X3: thời gian biến hình từ 4-6 h Mức độ oxi hóa tinh bột được đánh giá qua sự thay đổi: - Y1: độ nhớt của tinh bột biến tính (CSt) - Y2: mức độ trùng hợp của mạch tinh bột ( đơn vị glucozơ) - 69 -
Tinh bột thực phẩm - Y3: chỉ số khử của tinh bột biến hình - Y4: khả năng hấp thụ iot.(mg/g) Mô hình thí nghiệm được xây dựng với 11 thí nghiệm trong đó có 3 thí nghiệm tại tâm với phương trình quan hệ được biểu diễn: yi=f (x1, x2, x3)Bảng 4.2 Các mức yếu tố: Các yếu tố và các giá trị không thứ nguyên Các mức X , Không X , Không X Không 1 2 3, % thứ ml thứ h thứ nguyên nguyên nguyên 38,5 0 7,5 0 5 0 Mức cơ sở (X0 ) j Khoảng biến 5,5 2,5 1 thiên (li) Mức trên (+) 44 + 10 + 6 + Mức dưới (-) 33 - 5 - 4 - Bảng 4.3 Kết quả qui hoạch thực nghiệm TĐY 23 X1u, % X2u,ml X3u,h Độ nhớt Mức độ Khả Chỉ số CSt, Y1 trùng hợp năng hấp khử Y4 u Y2 , đv thụ iot glucozơ Y3, mg/g 1 - - + 5,861 286,7 38,71 1,44 33 5 6 2 44 5 6 6,286 964,5 39,83 1,22 3 33 10 6 3,750 370,4 34,49 4,96 4 44 5 4 7,623 925,9 40,95 0,96 - 70 -
Tinh bột thực phẩm 5 33 10 4 4,526 402,6 35,96 4,00 6 33 5 4 5,467 857,3 39,79 1,44 7 44 10 4 6,393 593,5 35,87 4,32 8 44 10 6 4,656 487,3 36,81 4,16 T1 38,5 7,5 5 5,660 701,55 38,01 2,56 T2 38,5 7,5 5 5,386 701,55 37,44 2,72 T3 38,5 7,5 5 5,662 712,2 38,01 2,72 Từ bảng trên tìm các phương trình hồi qui: Y1= 5,5703+0,6693 X1-0,7390 X2-0,4300X3 Y2= 678,525+64,275 X1-215,075 X2-25,950 X3+12,67X1X2-10,250X1X3 Y3= 37,801+0,564 X1-2,019X2-0,576 X3 Y4= 2,80-0,16X1+1,56X2+0,16X3 Nhận xét từ các phương trình hồi qui, 3 yếu tố ảnh hưởng nhiều đến quá trình biến hình thể hiện sự thay đổi các chỉ số:Pn, độ nhớt, khả năng hấp thụ iot và chỉ số khử. Trong đó yếu tố thể tích nước javel ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến hình tinh bột . Trong suốt quá trình oxi hóa, luôn luôn có sự tạo thành các nhóm cacboxyl và cacbonyl và có sự đứt liên kết glucozit tạo thành các phân tử tinh bột có mạch ngắn hơn. Khi tăng thể tích nước javel và tăng thời gian biến hình, hoặc khi giảm nồng độ tinh bột thì mức độ oxi hóa tăng lên. Mạch tinh bột còn bị cắt rất ngắn nên mức độ trùng hợp giảm, độ nhớt giảm. Mạch tinh bột càng ngắn khả năng hấp thụ iot càng giảm, chứng tỏ hàm lượng amiloza trong tinh bột giảm mạnh, cho thấy trong quá trình oxi hóa nguyên tử oxi tấn công mạnh vào phân tử amiloza. Đồng thời với quá trình cắt mạch, xảy ra sự tạo thành các nhóm cacboxyl và cacbonyl làm cho chỉ số khử của tinh bột càng tăng mạnh. So với phương pháp axit, Pn của tinh bột sắn dây oxi hóa giảm thấp hơn nhiều. Mặc dầu thời gian oxi hóa có dài hơn (4-6h) so với thời gian axit hóa 30- 120 phút nhưng chỉ cần 5 ml nước javel là đủ tiến hành 1 quá trình oxi hóa tinh bột , trong khi phương pháp axit phải cần đến 50-200 ml HCl 0,5N. - 71 -
Tinh bột thực phẩm Nghiên cứu sự thay đổi hình dạng và kích thước của tinh bột sắn dây trong quá trình oxi hóa Sự thay đổi hình dạng và kích thước tinh bột bằng phương pháp biến hình oxi hóa gần như cùng qui luật với phương pháp oxi hóa. Nghĩa là sau khi biến hình thì kích thước hạt tinh bột tăng lên, còn hình dáng bên ngoài thì gần như không đổi. Như vậy thì chất xúc tác axit hay chất xúc tác oxi hóa không phá vỡ hạt tinh bột mà xâm nhập vào bên trong hạt bằng cách khuếch tán qua lớp vỏ hạt. Sự thay đổi nhiệt độ hồ hóa trong quá trình biến hình Tinh bột oxi hóa có sự thay đổi lớn về cấu trúc mạch tinh bột và kích thước của hạt do đó nhiệt độ hồ hóa cũng bị thay đổi. Kết quả cho thấy: Các hạt tinh bột oxi hóa có nhiệt độ hồ hóa thấp hơn nhiệt độ tinh bột ban đầu.( nhiệt độ hồ hóa của nguyên liệu sắn dây ban đầu: 60,030C). Mức độ oxi hóa càng cao thì nhiệt độ hồ hóa càng giảm. Giải thích: Quá trình oxi hóa tinh bột, tạo thành các nhóm cacboxyl và cacbonyl và sự đứt liên kết glucozit tạo thành các phân tử tinh bột có mạch ngắn hơn. Ngoài ra do tạo thành các ion liên kết với tinh bột sẽ ảnh hưởng đến độ bền của các liên kết hydro giữa các yếu tố cấu trúc bên trong của hạt. Do đó sự hiện diện của các nhóm cacboxyl tích điện âm cùng dấu sẽ đẩy nhau làm lung lay cấu trúc bên trong của hạt, kết quả làm nhiệt độ hồ hóa của tinh bột biến hình giảm. Mức độ oxi hóa càng tăng, sự cắt mạch và số nhóm cacboxyl, cacbonyl tạo thành càng lớn nên cấu trúc bên trong hạt càng kém bền, nên nhiệt độ hồ hóa của tinh bột càng giảm. Sự thay đổi nhiệt độ hồ hóa trong trường hợp này hoàn toàn trái ngược với biến hình bằng phương pháp axit. 4.2.5. Biến hình tinh bột bằng xử lí tổ hợp để thu nhận tinh bột keo đông Cho vào huyền dịch tinh bột có nồng độ 24-250Be và có nhiệt độ 42-450C (Pha tinh bột với nước ấm có t0= 500C) dung dịch HCl 10% với lượng 1-15% so với huyền dịch. Khuấy đều liên tục huyền dịch tinh bột rồi cho dung dịch Kali permanganate 5% (0,15-1,25 % so với khối lượng khô của tinh bột) và cất giữ ở - 72 -
Tinh bột thực phẩm nhiệt độ trên cho đến khi mất màu thường không quá 20 phút) . Sau đó gạn và rửa tinh bột bằng nước cho đến khi nước rửa không còn phản ứng axít. Kết quả cùng với sự tăng mức độ biến hình thì khối lượng phân tử tinh bột, độ nhớt và nhiệt độ hồ hóa sẽ giảm. Hình 4.23. Qui trình biến hình tinh bột bằng xử lí hỗn hợp Tinh bột biến hình này có khả năng keo đông cao, không còn mùi đặc biệt và có độ trắng cao.Dùng tinh bột keo đông làm chất ổn định trong sản xuất kem, dung thay thế aga-aga và agaroit. 4.2.6. Biến hình bằng cách tạo liên kết ngang Tinh bột sẽ thu được tính chất mới khi cho tác dụng với axít boric. Khi đó 4 nhóm OH của 2 mạch tinh bột nằm gần nhau sẽ tạo thành phức với axít boric. Nói cách khác khi đó giữa các mạch polyglucozit sẽ tạo ra các liên kết ngang như trong hình. Tinh bột thu được sẽ dai hơn, dòn và cứng hơn. Nói chung phân tử bất kì nào - 73 -
Tinh bột thực phẩm có khả năng phản ứng với hai ( hay nhiều hơn) nhóm hydroxyl đều tạo ra được liên kết ngang giữa các mạch tinh bột. Các tinh bột có liên kết ngang còn là thành phần của dung dịch sét để khoan dầu mỏ, thành phần của sơn, của gốm, làm chất kết dính cho các viên than, làm chất mang các chất điện di trong pin khô. Hình 4.24. Sự tạo thành liên kết ngang giữa a boric và tinh bột Đã có nhiều công trình nghiên cứu về tinh bột liên kết ngang như: Bryant - xử lí tinh bột bằng ClO3 (1933), Felton và Schopmeryer sử dụng photphat oxychloride để tạo tinh bột dạng photphat (1939), Caldwell xử lí huyền phù tinh bột với hỗn hợp anhydrit axit và acetate. Madmoud Z.Sitohy đã nghiên cứu:”Tính chất hóa lí của các tinh bột photphate khác nhau”(2000). Năm 2004, Eduardo San Martin-Martinez đã nghiên cứu tinh bột photphate được sản xuất bằng quá trình ép Tuy nhiên ở Việt Nam hầu như chưa có công trình công bố về tinh bột photphate, đặc biệt tinh bột liên kết ngang. Tinh bột liên kết ngang là tinh bột biến hình thu nhận từ tinh bột tự nhiên sau khi một số nhóm chức của axit được este hóa với các nhóm OH của tinh bột. Liên kết ngang ảnh hưởng sâu sắc đến độ nhớt của tinh bột. Tinh bột có DS thấp vẫn cho độ nhớt cao hơn so với tinh bột gốc. Ngay cả ở mức độ thấp thì liên kết ngang vẫn cho mức độ ổn định trạng thái và cải thiện hỗn hợp dạng paste. Nói - 74 -
Tinh bột thực phẩm chung khi mức độ liên kết ngang càng tăng thì tinh bột có thể chống chịu được sự thay đổi trong quá trình nấu và tạo dạng paste. Tinh bột photphate là dẫn xuất anion có độ nhớt cao, huyền phù trong và ổn định hơn tinh bột tự nhiên. Việc tăng mức độ thay thế khi tiến hành phosphoryl hóa tinh bột sẽ làm giảm nhiệt độ hồ hóa. Khi mức thay thế DS=0,07 thì tinh bột phosphoryl có thể trương nở trong nước lạnh. Tinh bột photphate bị nhộm màu bởi thuốc nhộm mang điện tích dương như metylen xanh. Quan sát tinh bột bị nhuộm màu dưới kính hiển vi có thể thấy được sự đồng nhất của quá trình biến hình. Cường độ hấp thụ màu thể hiện qua mức độ anion hóa. Độ phân tán của tinh bột rất ổn định trong các sản phẩm thực phẩm khi lưu trữ đông. Qua nhiều lần tan giá, hồ tinh bột không tách nước và bề mặt trở nên nhẵn bóng. Do vậy, hồ tinh bột photphate ổn định sau khi tan giá hơn các loại tinh bột biến hình khác. Do tính chất ion nên tinh bột photphate là chất nhũ hóa tốt. Huyền phù tinh bột photphate có thể kết hợp với gelatin, keo thực vật, polyvinylancohol và polyacrylate để ổn định trạng thái nhũ tương. Sự hình thành nhóm este photphate trong tinh bột được xử lí với STP ở t=1500C và liên kết photpho là 0,3%. Điều kiện phản ứng trong quá trình sản xuất tinh bột photphate như nhiệt độ, thời gian, pH, hàm lượng muối photphate có ảnh hưởng lớn đến độ nhớt của sản phẩm cuối cùng. Nếu xử lí tinh bột bắp với Natri tripolyphotphate với nồng độ tăng từ 1-20% ở điều kiện nhiệt độ 1200C, thời gian 60 phút, pH=9 thì mức độ phosphoryl hóa sẽ tăng gấp 14,6 lần và độ nhớt cực đại tăng lên 800 đơn vị Brabender. Màng mỏng hình thành từ tinh bột photphate chứa 1-5% phospho sẽ trong suốt, mềm dẻo và có khả năng hòa tan trong nước. Sự tạo thành liên kết ngang: Để tạo ra tinh bột biến hình dùng trong thực phẩm và kỹ thuật, người ta thường dùng epiclohydrin và natri trimetaphotphate, phospho oxycloride, adipid - 75 -
Tinh bột thực phẩm anhydride làm tác nhân phản ứng trong môi trường kiềm. Ngoài liên kết ngang tạo ra do biến hình còn có các liên kết hydro chúng đều là những cầu nối ngang giữa các phân tử. Khi tinh bột liên kết ngang được đun nóng trong nước thì liên kết hydro có thể bị yếu đi hay bị phá vỡ, tuy nhiên hạt sẽ giữ nguyên đổi nhờ những liên kết ngang hóa học giữa các mạch phân tử. Nhóm photphate trong tinh bột được tạo ra bằng cách xử lí nhiệt khô giữa tinh bột và dung dịch orto-,pyro-,meta- hay tripolyphotphate. Tinh bột thực hiện phản ứng phosphoryl hóa với natri tripolyphotphate ở nhiệt độ (100-1200C) hoặc ortophotphate ở nhiệt độ (140-1600C), pH của hỗn hợp tinh bột –STP giảm từ 8,5-9 xuống 7 trong suốt quá trình thực hiện phản ứng. Tinh bột được chuẩn bị với muối photphate ở dạng dung dịch hòa tan. Sau khi điều chỉnh pH, trộn đều. Sản phẩm tinh bột thường chứa 6-12% liên kết photpho được tạo thành bằng cách duy trì tinh bột trong dung dịch orto photphate (45-55%) ở pH = 4-6,4, nhiệt độ 50-600C, lọc, làm khô và gia nhiệt đến nhiệt độ 140-1600C trong 2 giờ. Sau đó trung hòa, lắng,lọc, li tâm, sấy khô và nghiền rây. Nói chung tinh bột photphate monoeste được sản xuất trong khoảng pH từ 5-6,5 với orto photphate và 5-8,5 với STP. Với một số muối photphate, pH quá cao sẽ thu được liên kết ngang dieste trong tinh bột. Nếu xử lí ở pH thấp sẽ gây ra hiện tượng thủy phân tinh bột. Quá trình xử lí nhiệt gồm 2 bước: làm khô ở nhiệt độ thấp nhằm bay hơi ẩm, xử lí nhiệt ở nhiệt độ cao (120-1700C) nhằm thực hiện quá trình phosphoryl hóa. 4.3. Biến hình sinh học tinh bột 4.3.1. Các tác nhân biến hình tinh bột 4.3.1.1. Các enzym thủy phân * Các enzym đặc hiệu với liên kết α-1,4 - Các enzym phân cắt liên kết α-1.4 ở nội mạch- Enzym α- amilaza (EC.3.2.1.1) - 76 -
Tinh bột thực phẩm + Cấu tạo và tính chất của α- amilaza - Cấu tạo: Enzym α- amilaza là protein phân tử lượng thấp, thường nằm trong khoảng 50000 đến 60000. Đến nay người ta đã biết rất rõ các chuỗi mạch axitamin của 18 α- amilaza. Nhưng chỉ có hai loại α- amilaza là taka- amilaza từ Aspergillus oryzae và α- amilaza của tụy lợn, được nghiên cứu kỹ về hình thể không gian của cấu trúc bậc ba. Mới đây, các nhà nghiên cứu cho thấy các chuỗi mạch axitamin của enzym α- amilaza đều có cấu trúc bậc 3 tương tự nhau. Hình 4.25. Cấu trúc bậc 3 của α- amilaza Nói chung, α- amilaza đều có cấu trúc từ 3 vùng khác nhau: -Vùng trung tâm A: có kích thước lớn ở dạng thùng (α−β)8. -Vùng B nằm giữa tờ giấy xếp b thứ 3 và xoắn ốc a tiếp sau cấu trúc (a-b)8. Vùng này được tạo nên từ ba tờ giấy xếp b đối song song và một vòng dài có cấu trúc it trật tự. Vùng B này được gắn chặt với vùng A bởi một cầu disunfua. -Vùng C có cấu trúc tờ giấy xếp b, và được liên kết với vùng A, bởi một chuỗi đơn polypeptit. Tùy theo nguồn gốc enzym, vùng này có thể mang thêm một mạch gluxit. Một số α- amilaza đặc biệt là α- amilaza từ tụy lợn và từ thực vật có chứa ion Ca2+. Ion này nằm ở giữa vùng A và vùng B, một mặt có tác dụng làm ổn định cấu trúc bậc 3 của enzym và mặt khác có vai trò như chất hoạt hóa dị không gian. - 77 -
Tinh bột thực phẩm Tâm hoạt động của α- amilaza nằm trong một rãnh có chiều dài khoảng 3nm. Rãnh này nằm giữa vùng A ở đầu C của nó và vùng B. Các tâm hoạt động của các α- amilaza khác nhau thường được tạo nên bởi 5 đến 11 tâm phụ (A tới K) tùy theo nguồn gốc của enzym. Ở tâm hoạt động, cơ chất được giữ trong tư thế một hình thể bị uốn cong nhờ các liên kết Van der Walls với một số axitamin thơm cũng như các liên kết hydro giữa các mạch bên của các axitamin có cực và cơ chất. Matsura và cộng sự (1984) cho rằng siêu cấu trúc (a-b)8 tạo ra một trường tĩnh điện có lực hút mạnh, có thể có ảnh hưởng tới toàn bộ quá trình xúc tác, nghĩa là tới sự gắn cơ chất,trạng thái chuyển cũng như tới sự giải phóng sản phẩm thủy phân. Nhiều tác giả đã chứng minh được sự tồn tại của một tâm gắn phụ không đặc hiệu nằm trên bề mặt enzym. Tâm này có vai trò như một cái điều hòa của enzym để chống lại sự kìm hãm cạnh tranh bởi sản phẩm thủy phân. Nhiều nghiên cứu về năng lượng tương tác của một gốc glucozơ ở cơ chất với các tâm phụ khác nhau của enzym, cho thấy các α- amilaza đều có đặc tính chung sau: - Năng lượng tương tác của các tâm từ A-E với gốc glucozơ luôn luôn dương. Tương tác này thuận lợi cho việc giữ chuỗi mạch ở tâm hoạt động sau khi đứt liên kết. - Năng lượng của tâm F (gần với tâm xúc tác) với gốc glucozơ thì hơi âm cho tới dương mạnh. Điều này tùy thuộc vào nguồn enzym. - Năng lượng tương tác của tâm G là dương. Chính vì vậy nó tạo điều kiện hình thành cho phức enzym-cơ chất. Phức này sẽ không được tạo ra với các chuỗi mạch ngắn maltooligosaccarit., chính các chuỗi mạch ngắn này lại là chất kìm hãm cạnh tranh khi ở nồng độ cao. - Tâm xúc tác của α- amilaza có lẽ chỉ được giới hạn ở hai axitamin axit - 78 -
Tinh bột thực phẩm tính (aspartic hay glutamic) nằm trong vùng gắn cơ chất. Cơ chế thủy phân bắt đầu bằng sự làm yếu liên kết glucozit C1-C4 phải thủy phân, do kết quả của việc tạo nên phức enzym-cơ chất. Liên kết này lại một lần nữa bị yếu đi dưới tác dụng của một trong hai axitamin axit tính đóng vai trò là chất cho proton tới C4. Khi liên kết glucozit bị đứt sẽ tạo nên một ion oxicacbonium (trạng thái chuyển). Ion này được ổn định bởi điện tích âm của một axit amin khác. Cuối cùng, ion oxicacbonium tác dụng với một phân tử nước và hai oligosaccarit được tạo thành liền rời bỏ tâm hoạt động của enzym. - Tính chất: pH tối ưu của α- amilaza phụ thuộc vào nguồn gốc enzym. Nói chung, pH tối ưu nằm trong khoảng axit yếu 4,8-6,9. Tuy nhiên có một số α- amilaza chịu axit cao như α- amilaza từ Bacillus acidocaldarious (pH tối ưu 3,5) và chịu kiềm mạnh như α- amilaza từ Bacillus licheniformis ( pH tối ưu 9,0). Sự có mặt của ion Canxi cho phép cải thiện độ ổn định của enzym đối với sự thay đổi của pH. - Nhiệt độ hoạt động tối ưu của α- amilaza cũng phụ thuộc vào nguồn gốc enzym. Nói chung nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 40-500C, nhưng có thể đạt tới giá trị gần 70-800C đối với α- amilaza từ vi khuẩn như B. sterothermophilus, B. subtilis, B. licheniformis.Bảng 4.5 . Các tính chất của α- amilaza Nguồn gốc enzym Khối lượng phân tử pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu, 0C -Động vật Tụy lợn 50000 6,9 37 - Thực vật Malt đại mạch 59500 4,7-5,4 50-55 -Vi sinh vật B. amilotiquefaciens 49000 5,9 65 B. licheniformis 22500 5,0-9,0 76 B. stearothermophilus 49000 5,4-6,1 70 B. subtilis 47000 5,3-6,4 50 A.oryzae 52600 5,5-6,9 40 - 79 -
Tinh bột thực phẩm Cơ chế tác dụng của α- amilaza: Enzym α- amilaza thủy phân liên kết α- 1,4 trên nhiều mạch và tồn tại nhiều vị trí của cùng một mạch, giải phóng ra glucozơ và các oligosaccarit có từ 2-7 đơn vị glucozơ, trong đó 1 glucozơ khử tận cùng ở dạng α. Kết quả tác động của α- amilaza thường làm giảm nhanh độ nhớt của dung dịch tinh bột , do đó còn gọi là α- amilaza dịch hóa. Cách thức tác dụng của α- amilaza phụ thuộc nguồn gốc enzym và bản chất của cơ chất. Khi thủy phân amiloza sản phẩm cuối cùng chủ yếu là maltoza và maltotrioza. Do maltotrioza bền hơn nên việc thủy phân nó thành maltoza và glucozơ được thực hiện sau đó. Có hai cơ chế tác dụng lên amiloza ở trong dung dịch: cơ chế tấn công nhiều lần và cơ chế tấn công ưu tiên. Trong cơ chế tấn công nhiều lần, sự tiếp xúc giữa các enzym và cơ chất xảy ra một cách ngẫu nhiên và tất cả các liên kết đều có thể bị thủy phân. Sau khi thủy phân, duy nhất chỉ có một phân tử được giải phóng khỏi enzym, còn phân tử kia được giữ lại trong lòng của enzym thì trượt dọc theo trung tâm hoạt động để chịu sự thủy phân mới. Sau nhiều lần lặp lại quá trình này, chuỗi mạch được giải phóng nốt. Trong cơ chế tấn công ưu tiên, sự tiếp xúc giữa enzym và cơ chất chỉ dẫn tới một lần thủy phân duy nhất, cả hai phân tử được giải phóng ra sau khi xúc tác. Và không phải tất cả mọi liên kết đều mẫn cảm như nhau đối với enzym, nhất là các liên kết ở đầu chuỗi thường bền hơn. Cơ chế tấn công nhiều lần đã được xác nhận bằng thực nghiệm, thường thấy đối với enzym α- amilaza của dịch tụy lợn. Còn cơ chế tấn công ưu tiên đã được - 80 -
Tinh bột thực phẩm nghiên cứu đối với các enzym α- amilaza của nước bọt, của nấm mốc và vi khuẩn khi phản ứng với dung dịch amiloza. Trong trường hợp chuỗi mạch thẳng có mức độ trùng hợp thấp thì cơ chế tấn công nhiều lần có xác xuất rất thấp từ 0,1-0,27 đối với nhiều α- amilaza. Trong trường hợp này hai chuỗi mạch rời khỏi trung tâm hoạt động ngay sau khi thủy phân, nhưng do bị vây bởi các phân tử dung môi nên xác xuất để cho phần được thủy phân trở lại là lớn. Khi thủy phân amilopectin trong dung dịch ngoài glucozơ, maltoza và maltotrioza còn có thêm các dextrin giới hạn có nhánh. Các α−dextrin giới hạn này có chứa các liên kết α- 1,6 của polime ban đầu cộng với các liên kết α- 1,4 kề bên thường bền với thủy phân. * Các enzym phân cắt liên kết α- 1,4 ở ngoại mạch - Enzym β-amilaza (EC.3.2.1.2) Cấu trúc và tính chất của β-amilaza: Những hiểu biết về β-amilaza còn rất hạn chế. Chỉ có các enzym có nguồn gốc thực vật được biết đến nhiều nhất. Các enzym này được tổng hợp nên ở trong các hạt dưới dạng tìm ẩn, sau đó được hoạt hóa trong quá trình nảy mầm nhờ enzym proteaza. Gần đây người ta tách chiết được β-amilaza từ vi khuẩn như Bacillus pseudomonas, B. streptomices. Enzym β-amilaza được tạo ra từ một chuổi mạch polypeptit duy nhất, có khối lượng phân tử 60000, nhưng người ta mới chỉ biết đến trình tự axitamin của hai trong số các enzym này. Nghiên cứu các chuỗi axit amin này đã phát hiện thấy có một tỉ lệ giống nhau khoảng 32%, đặc biệt với hai vùng tham gia vào quá trình thủy phân. Có hai nhóm tiol, trong đó có một nhóm hoạt động hơn, tham gia trực - 81 -
Tinh bột thực phẩm tiếp hay gián tiếp vào quá trình thủy phân, đặc biệt chúng có khả năng gắn chặt các chất kìm hãm hoạt động của enzym như các dẫn xuất của thủy ngân hay các peptit. Tham gia vào cơ chế tác dụng của β-amilaza thường có một nhóm cacboxyl thể hiện tính chất ái nhân và một nhóm imidazol thể hiện tính chất ái electron. Sự nghịch đảo hình thể của cacbon anome (C1) được thực hiện nhờ việc tạo thành hợp chất đồng hóa trị trung gian kiểu este-axetal giữa cacbon anome và nhóm cacboxyl của tâm hoạt động. Sau đó este này bị phân hủy bởi tác động của một phân tử nước lên nhóm este để giải phóng ra α- maltoza và hoàn nguyên nhóm cacboxyl của enzym. Các enzym β-amilaza có pH tối ưu nằm trong khoảng 5-6 và nhiệt độ tối ưu khoảng 500C. Tuy nhiên các β-amilaza vi khuẩn thường có tính bền nhiệt hơn so với β-amilaza có nguồn gốc thực vật. Bảng 4.6 . Các tính chất của β- amilaza Nguồn gốc enzym Khối lượng phân tử pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu, 0C - Thực vật Malt đại mạch 56000 5,2 Lúa mì 64200 5,2-6,2 55 Đỗ tương 57000 5,4 55 Khoai lang 50000 5,0-6,0 50-55 - Vi sinh vật B. cerus 58000 7,0 40 B.polymyxa 42000 7,5 40 B. megaterium 58000 6,5 40-65 - Cơ chế tác dụng của β-amilaza: Enzym này xúc tác thủy phân các liên kết α- 1,4 của amiloza và amilopectin ở đầu không khử của mạch và giải phóng ra maltoza có dạng β. Tác động của enzym sẽ ngừng lại ở chổ sát với liên kết α- 1,6. Amiloza thường bị thủy phân - 82 -
Tinh bột thực phẩm hoàn toàn trong khi đó, trong cùng điều kiện thì chỉ có 55% amilopectin được chuyển thành β-maltoza. Phần còn lại của sự thủy phân amilopectin là một β- dextrin giới hạn có phân tử lượng cao và có chứa tất cả các liên kết α- 1,6 của phân tử ban đầu. Các enzym β-amilaza tác dụng theo cơ chế tấn công bội, có nghĩa là enzym sẽ thủy phân lần lượt nhiều liên kết glucozit của cùng một chuỗi trước khi được rời ra khỏi môi trường. Số lần tác động lặp lại của enzym lên cùng một chuỗi mạch α- glucan phụ thuộc vào kích thước của chuỗi mạch này, thường khoảng bằng 4 đối với chuỗi mạch ngắn và tăng lên đối với chuỗi mạch dài hơn. - Các amilaza tạo ra các oligosaccarit đặc thù: Các amilaza ngoại mạch này thường tạo ra các oligosaccarit đặc thù, chứa từ 3-6 đơn vị glucozơ tùy thuộc nguồn gốc enzym. Các enzym này đã được phát hiện ra cách đây 20 năm trong các canh trường vi khuẩn. Việc phân lập được các enzym này đã tạo ra thuận lợi lớn hơn cho sản xuất ở qui mô công nghiệp các oligosaccarit đặc thù với mức độ tinh khiết cao. Đó là: + Amilaza từ S. griseus giải phóng ra maltotrioza. + Amilaza từ P.stutzeri giải phóng ra maltotetraoza + Amilaza từ B. licheniformis giải phóng ra maltopentaoza + Amilaza từ A. aerogenes giải phóng ra maltohexaoza Cơ chế tác dụng của chúng tương đối gần với cơ chế tác động của β- amilaza. Chúng thường thủy phân các liên kết α- 1,4 glucozit ở đầu không khử của mạch α- glucan và giải phóng ra các sản phẩm dạng α. Các mạch thẳng như là amiloza sẽ bị thủy phân hoàn toàn thành những oligosaccarit đặc hiệu của enzym. - 83 -
Tinh bột thực phẩm Với amilopectin thì các enzym này sẽ dừng lại ở điểm phân nhánh có liên kết α- 1,6 để tạo ra các dextrin giới hạn có phân tử lượng cao. Bảng 4.7. Đặc tính của các amilaza tạo ra các oligosaccarit đặc thù Oligosaccarit tạo ra Maltotrioza Maltotetraoza Maltopentaoza Maltohexanoza Khối lượng phân tử 55000 56000 22500 65000 pH tối ưu 5,6-6,0 8,0 5,0-8,0 7,0 Nhiệt độ tối ưu 45 45 76 52 * Các enzym đặc hiệu với liên kết α- 1,6 Các enzym cắt nhánh thường thủy phân liên kết α- 1,6 của các α- glucan có nhánh và các sản phẩm tái hợp của chúng. - Các enzym có khả năng thủy phân trực tiếp các liên kết α- 1,6 của amilopectin hoặc của glucogen. + Pululanaza (EC.3.2.1.41) Enzym này có thể thủy phân các liên kết α- 1,6 của tinh bột, glucogen, pululan và các destrin giới hạn. Điều đáng chú ý là sự định vị của liên kết α- 1,6 có ảnh hưởng lớn đến tác động của enzym. Đặc biệt sự có mặt của hai liên kết α- 1,4 nằm kề bên liên kết α- 1,6 là điều kiện cần thiết cho enzym phân cắt liên kết này. + Isoamilaza (EC.3.2.1.68) Enzym này không có khả năng thủy phân pulutan và không thể cắt đứt liên kết α- 1,6 của các phân tử chứa ít hơn ba liên kết α- 1,4 * Các enzym đặc hiệu với liên kết α- 1,4 và α- 1,6 - Amiloglusidaza (EC.3.2.1.3) + Cấu trúc và tính chất của amiloglucosidaza Amiloglucosidaza từ nấm mốc là các protein có khối lượng phân tử dao động rất lớn từ 27000 đến 112000 tùy thuộc vào nguồn gốc của enzym. Các kết quả nhận được về các chuỗi axit amin của nhiều enzym glucoamylaza cho thấy có sự dao động đáng kể tùy nguồn gốc enzym. - 84 -
Tinh bột thực phẩm Nói chung, các amiloglucosidaza đều có chứa các gốc metionin, trytophan và một nữa gốc cystein. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa chuỗi axitamin, cấu trúc bậc ba và hoạt động của enzym vẫn chưa được làm sáng tỏ. Tất cả các amiloglucosidaza từ nấm mốc đều là glucoprotein, chứa 5-20% gluxit trong đó chủ yếu là các monosaccarit glucozơ, mannoza, galactoza, glucosamin. Ở amiloglucosidaza cũng giống như các enzym amilolytic khác, việc cắt đứt liên kết glucosit được thực hiện do sự tạo thành oxicacbonium trung gian, tiếp theo là sự nghịch đảo hình thể của cacbon C1 của glucozơ vừa giải phóng. Các nhóm tyrozin, trytophan, histidin và amin đã có vai trò trong việc gắn cơ chất, trong khi đó nhóm COOH và COO- lại tham gia vào xúc tác hóa học. Enzym glucoamilaza có thể thủy phân được cả liên kết α- 1,4 và α- 1,6 có lẽ là do các nhóm đảm nhận việc cố định cơ chất mà không phải là do các nhóm tham gia vào xúc tác hóa học. Các amiloglucosidaza chủ yếu được tạo ra từ hai iso enzym I và II, khác nhau bởi khả năng thủy phân tinh bột ở trạng thái rắn và bởi độ bền của chúng. Amiloglucosidaza I tự hấp thụ và thủy phân được tinh bột dạng rắn, ngược lại amiloglucosidaza II không có cả hai tính chất này. Tính chất của amiloglucosidaza phụ thuộc vào nguồn gốc của enzym. Hoạt động tối ưu của enzym nằm trong khoảng pH 4,5-5,5 và nhiệt độ 40-600C. Sự có mặt của các oligosaccarit trong môi trường có tác dụng ổn định enzym. Ngược lại sự có mặt của ion Canxi kìm hãm chúng và làm biến tính enzym. Bảng 4.8. Các đặc tính của amiloglucosidaza Nguồn gốc enzym Khối lượng phân tử pH tối ưuNhiệt độ tối ưu, 0C A.Niger I 90000 4,5-5,0 A.Niger II 112000 4,5-5,0 A. oryzae I 76000 4,5 60 A. oryzae II 38000 4,5 50 - Cơ chế tác dụng của enzym amiloglucosidaza Amiloglucosidaza có thể giải phóng ra β-D glucozơ bằng cách thủy phân lặp lại nhiều lần các liên kết α- 1,4 của mạch α- glucan từ đầu không khử. Chúng - 85 -
Tinh bột thực phẩm cũng thủy phân được các liên kết α- 1,6 và α- 1,3 nhưng mức độ rất chậm (chậm hơn 10-30 lần). Tốc độ thủy phân cũng phụ thuộc vào bản chất của liên kết kề cận với liên kết glucosit được thủy phân, cũng như vào kích thước và cấu trúc của cơ chất bị thủy phân. Nhất là với các α- glucan mạch dài thì bị thủy phân nhanh hơn là với các maltodextrin và các oligosaccarit. Có lẽ đây là enzym duy nhất có khă năng chuyển hóa hoàn toàn tinh bột thành glucozơ. Tuy nhiên, khi nồng độ β-glucozơ trong môi trường tăng lên do sự thủy phân các mạch α- glucan thì các amiloglucosidaza có thể xúc tác ngưng tụ nhiều đơn vị glucozơ để tạo ra maltoza và isomaltoza. Một số amiloglucosidaza kiểu I có khả năng tự hấp thụ vào hạt tinh bột sống và thủy phân từng phần. 4.3.1.2 Các enzym xúc tác phản ứng tổng hợp các oligosaccarit * Nghịch đảo của phản ứng thủy phân Phản ứng tổng hợp là do chuyển dịch cân bằng của phản ứng thủy phân: Hydrolaza A-H + B-OH A-B + H2O Muốn phản ứng tổng hợp không xảy ra phải tìm cách loại bỏ liên tục các sản phẩm cuối (tách chiết, kết tủa, biến đổi hóa học), tăng nồng độ cơ chất ban đầu và giảm hoạt độ của nước. Các osidaza khác nhau (β-glucosidaza, manosidaza, β-galactosidaza) sẽ cho ta các disacarit. Tuy nhiên do độ hoạt động khác nhau của các nhóm hydroxyl nên sản phẩm thu được là một hỗn hợp các đồng phân, mà không phải là một sản phẩm duy nhất. * Enzym chuyển thủy phân (transhydrolaza) Các phản ứng kiểu transferaza có thể thu được bằng cách đặt các enzym thủy phân trong những điều kiện rất đặc biệt. Cần nhớ rằng, trong quá trình thủy phân, enzym thường xúc tác việc chuyển một bộ phận của phân tử chất cho đến - 86 -
Tinh bột thực phẩm một phân tử nước được dùng làm chất nhận. Hydrolaza A-B + H2O A-H + B-OH Trong các điều kiện không qui ước thì chất nhận được chọn lựa bởi enzym sẽ rất khác nhau: A-O-B + E-H Chất cho Enzym E-B + A-H C- H chất nhận H-OH E-OH+ E-H B-C + E-H Hình 4.27. Cách tác dụng của một hydrolza trong quá trình chuyển glucosit Việc chọn các điều kiện phản ứng cho phép tăng hiệu quả của phản ứng chuyển glucosit này Phản ứng dạng này đã được nghiên cứu với enzym destran-sucraza từ L. mesenteroides. Enzym này xúc tác sự tổng hợp các liên kết α- 1,3 và α- 1,6 trong môi trường dư thừa maltoza hay isomaltoza và chất tiếp nhận là saccaroza. Trong trường hợp này sẽ tạo ra một polysaccarit có phân tử lượng cao hơn và có các điểm phân nhánh ở vị trí α- 1,3 trong phân tử. Điều đáng chú ý là các oligosaccarit mới tạo ra rất bền đối với tác động thủy phân của enzym α- amilaza dịch tụy. Vì lẽ đó, các oligosacarit này được coi như những chất độn không sinh năng lượng hoặc có thể coi như những sợi thực phẩm bởi lẽ chúng trơ đối với các enzym đường tiêu hóa. - 87 -
Tinh bột thực phẩm * Enzym transferaza Trong các phản ứng này enzym xúc tác chuyển một bộ phận của phân tử gọi là chất cho đến một phân tử khác gọi là chất nhận. Các phần được chuyển có bản chất khác nhau: Metyl, aldehyt, mạch cacbon, axitamin Cơ chế tổng quát của phản ứng như sau: A-O-B + E-H Chất cho Enzym A-H E-B + C- H chất nhận B-C + E-H Chẳng hạn phản ứng chuyển glucozyl là một ví dụ. Trong trường hợp này nếu oligosaccarit là chất cho, còn nước là chất nhận ta sẽ có được một phản ứng thủy phân nói chung. Còn nếu oligosaccarit hoặc tinh bột là chất nhận ta có phản ứng tổng hợp các oligosacarit có phân tử lượng lớn hơn. Ngoài ra, dưới tác dụng của các enzym này mà một số chất mới được tổng hợp nên: - Laetryl là một chất chống ung thư được tạo nên từ phản ứng chuyển glucosyl giữa benzaldehyt cyanhidrin và axit gluconic.(hih) - Dưới tác dụng của β-galactosidaza từ A. oryzae hoặc từ Streptococcus thermophilus trên dung dịch lactoza sẽ xảy ra phản ứng chuyển glucosit để tân tạo ra transgalacto oligosaccarit (TOS). TOS thường có mặt dưới dạng hỗn hợp tri, tetra, penta và hexaoligozit. TOS có vị ngọt (bằng 50-80% sacaroza) nhưng không sinh ra năng lượng, không tiêu hóa được bởi các enzym đường ruột nhưng lên men được bởi hệ vi sinh vật của kết tràng. TOS có tính chất của sợi thực phẩm. Trong - 88 -
Tinh bột thực phẩm môi trường có axit TOS bền hơn sacaroza ở mọi nhiệt độ. TOS được sử dụng là thức ăn trẻ nhỏ, trong nước uống. 4.3.1.3. Enzym đồng phân Trường hợp điển hình là quá trình chuyển hóa glucozơ thành fructoza. Có thể thực hiện quá trình này bằng phương pháp hoá học, tuy nhiên do thiếu tính đặc hiệu cũng như do các điều kiện tiến hành phản ứng khắc nghiệt về pH và nhiệt độ nên một phần sản phẩm tạo thành bị phân hủy làm cho hiệu suất thu hồi thấp. Đồng phân hóa bằng phương pháp enzym thường cho ta kết quả khả quan hơn mặc dù hiện nay người ta chưa tìm được một enzym nào có tính đặc hiệu chặt chẽ đối với glucozơ. Thường có tới ba enzym thực hiện phản ứng này: - Enzym D-xyloisomeraza xúc tác phản ứng đồng phân hóa D-xyloza thành D-xyluloza cũng co thể xúc tác phản ứng chuyển D- glucozơ thành D-fructoza, D- riboza thành D-ribuloza. Enzym này đòi hỏi có ion Coban. - Glucophotphat isomeraza đồng phân hóa glucozơ-6-photphat thành fructoza-6-photphat với sự có mặt của asenat. - Glucoisomeraza phụ thuộc NAD: enzym này cần NAD như là cofactơ. Enzym đầu tiên là enzym duy nhất có ứng dụng trong công nghiệp. Enzym này có nguồn gốc vi sinh vật: Streptomyces olivochromogenus, S. phaeochromogenus, Actinoplanes missouriensis, Nocardia, Arthrobacter globiformis, Pseudomonas, B. coagulans. Nó là enzym nội bào có thể thu được khi nuôi cấy trên môi trường có chứa xyloza hoặc xylan. Phản ứng được xúc tác là phản ứng thu năng lượng theo sơ đồ Michaelis: α-D- glucopyranoza andehyt-D- glucoza β-D- glucopyranoza - 89 -