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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ VĂN DU

NGHIÊN CỨU TINH BỘT BIẾN TÍNH
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Chuyên ngành :

CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LƯƠNG HỒNG NGA

Hà Nội – Năm 2014


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

. LỜI CẢM ƠN
Trải qua suốt một chặng đường dài học tập và nghiên cứu miệt mài tại ngôi trường
Bách Khoa, em đã có được những kiến thức chuyên ngành cần thiết và những kinh
nghiệm quý báu để sẵn sàng trở thành một nhà công nghệ, đem khoa học kỹ thuật ứng
dụng vào thực tế sản xuất. Có được kết quả như ngày hôm nay, em xin bày tỏ lòng biết
ơn sâu sắc tới TS. Lương Hồng Nga, cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên,
giúp đỡ em trong suốt thời gian hơn 2 năm qua cho tới khi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Lâm Xuân Thanh, PGS.TS. Lê
Thanh Mai, PGS.TS. Hồ Phú Hà, TS. Chu Kỳ Sơn, cùng các thầy cô giáo, các anh chị
cán bộ đang làm việc và nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm thuộc Viện công nghệ sinh
học và công nghệ thực phẩm đã tận tình chỉ dẫn, truyền đạt cho em những ý kiến chuyên
môn và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu.
Xin cảm ơn các bạn, các anh chị cùng phòng thí nghiệm, các bạn Thực Phẩm 1 đã
luôn giúp đỡ và chia sẻ những khó khăn vất vả trong suốt thời gian thực hiện đề tại
nghiên cứu !
Cuối cùng, em xin cảm ơn bố mẹ, gia đình, tất cả người thân, bạn bè đã luôn bên
em động viên và ủng hộ em hoàn thành đề tài nghiên cứu này!
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2014
Tác giả

Vũ Văn Du


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi nghiên cứu và thực hiện, số liệu và kết
quả trong luận văn là trung thực. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong nghiên cứu này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Nếu
như luận văn có vấn đề, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2014
Tác giả

Vũ Văn Du

Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1

TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT ......................................................................1

1.1.1

Tinh bột ...................................................................................................1

1.1.2

Hình dạng, kích thước của hạt tinh bột ...................................................1

1.1.2.1

Hình dáng hạt tinh bột. .....................................................................1

1.1.2.2

Kích thước hạt tinh bột ....................................................................2

1.1.3

1.1.3.1

Đặc điểm cấu tạo chung. ..................................................................2

1.1.3.2

Cấu tạo amylose và amylopectin .....................................................3

1.1.4
1.2

Cấu trúc của hạt tinh bột. ........................................................................2

Các dạng cấu trúc trong hạt tinh bột .......................................................8

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

1.2.1

Đặc điểm của tinh bột dong riềng .........................................................13

1.2.2

Đặc điểm của tinh bột sắn .....................................................................15

1.3

Biến tính tinh bột .........................................................................................17

1.3.1

Tổng quan về biến tính tinh bột ............................................................17


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

1.3.2

Ứng dụng của tinh bột biến tính ...........................................................25

1.3.3

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

hydroxypropylate ................................................................................................27
1.3.3.1 Cơ chế và điều kiện phản ứng...............................................................28
1.2.3.2 Tính chất và ứng dụng của tinh bột HPS ............................................31
1.2.3.3 Phương diện dinh dưỡng .....................................................................33
1.3.4

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

1.3.4.1 Cơ chế và điều kiện phản ứng...............................................................34
1.3.4.2 Tính chất và ứng dụng của tinh bột acetate ..........................................35
1.3.4.3 Phương diện dinh dưỡng .......................................................................37
1.3.5

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

1.3.5.1 Cơ chế và điều kiện phản ứng...............................................................38
1.3.5.2 Tính chất và ứng dụng của tinh bột phosphate .....................................39
1.3.5.3 Phương diện dinh dưỡng .......................................................................40
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................43
2.1

Vật liệu ........................................................................................................43

2.1.1

Nguyên liệu ...........................................................................................43

2.1.2

Hóa chất ................................................................................................43

2.1.3

Thiết bị sử dụng ....................................................................................43

2.2

Phương pháp nghiên cứu .............................................................................44

2.2.1

Phương pháp biến tính tinh bột .............................................................44

2.2.1.1

Phương pháp biến tính tinh bột hydroxypropylate ........................44

2.2.1.2

Phương pháp biến tính tinh bột phosphate .....................................44


Luận văn thạc sĩ khoa học

2.2.1.3
2.2.2

Vũ Văn Du

Phương pháp biến tính tinh bột acetate ..........................................44

Phương pháp phân tích hóa lý ..............................................................45

2.2.2.1

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

2.2.1.2

Phương pháp xác định pH của tinh bột ..........................................46

2.2.1.3

Phương pháp xác định hàm lượng nhóm hydroxypropyl trong tinh

bột HPS 46
2.2.1.4

Phương pháp xác định hàm lượng nhóm acetyl trong tinh bột AS 47

2.2.1.5

Phương pháp xác định hàm lượng Phospho trong tinh bột ............48

2.2.1.6

Phương pháp xác định độ ổn định lạnh đông – rã đông của gel tinh

bột

50

2.2.1.7

Phương pháp xác định đặc tính cấu trúc gel tinh bột .....................51

2.2.1.8

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

2.2.1.9

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

2.2.3.

Quy trình sản xuất Mochi và phương pháp xác định các tính chất cấu

trúc

53

2.2.3.1. Quy trình sản xuất Mochi .....................................................................53
2.3.3.2. Phương pháp phân tích cấu trúc bánh Mochi (TPA).............................54
2.2.4.

Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) và phân nhóm (HCA)
55

2.2.5.

Xử lý số liệu và tính toán thống kê .......................................................56

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................57
3.1

Tính chất của nguyên liệu ............................................................................57

3.2

Tính chất của tinh bột biến tính hydroxypropylate, phosphate và acetylate
59


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

3.2.1

Độ ẩm và pH của tinh bột biến tính ......................................................59

3.2.2

Xác định mức độ thay thế DS và hàm lượng nhóm thế của tinh bột biến

tính

60

3.3

Ảnh hưởng của các quá trình biến tính tới tính chất của tinh bột ...............62

3.3.1

Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ trương nở -

hòa tan của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng ..................................................62
3.3.2 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới sự ổn định định lạnh
đông – rã đông .......................................................................................................66
3.3.3 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới độ trong dịch hồ ...70
3.3.4 Ảnh hưởng của quá trình biến tính HPS, PS và AS tới đặc tính cấu trúc gel
72
3.3.4.1. Ảnh hưởng của các quá trình biến tính tới độ bền của gel ...................72
3.3.4.2. Ảnh hưởng của các quá trình biến tính tới độ bám dính của gel ..........75
3.4

Thảo luận về ảnh hưởng của các phương pháp biến tính đến tính chất của

tinh bột ..................................................................................................................76
3.5

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

bột biến tính ........................................................................................................79
3.5.1

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

3.5.2

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

3.6. Ứng dụng. .......................................................................................................83
3.6.1. Ảnh hưởng của tinh bột biến tính PECS tới độ cứng của Mochi .............84
3.6.2. Ảnh hưởng của tinh bột biến tính PECS tới độ bám dính của bánh Mochi
84

3.6.3. Ảnh hưởng của tinh bột biến tính PECS tới các tính chất cấu trúc khác
của bánh Mochi ..................................................................................................85


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

KẾT LUẬN ...............................................................................................................87
KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................89
PHỤ LỤC ..................................................................................................................99


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt
A%
AS

Viết đầy đủ/thuật ngữ
Aceytyl %
Acetylated Starch
Acetylated Cassava
ACS
Starch

Acetylated Edible
AECS
Canna Starch
Actual Daily Intake
ADI
ANOVA ANalysis Of VAriance
Cassava Starch
CS
Degree of
DP
Polymeristaion
Degree of Substituent
DS
DS(p)
DS(a)
Edible Canna Starch
ECS
Food and Agriculture
FAO
Organization
Food and Drug
FDA
Administration
Hierarchical cluster
HCA
analysis
Hydroxypropylated
HPS
Starch
Hydroxypropylated

HPCS
Cassava Starch
Hydroxypropylated
HPECS
Edible Canna Starch
Molecule Substitution
MS
Nuclear Magnetic
NMR
Resonance
Native Starch
NS
Phosphorous (%)
P%
Principal Component
PCA
Analysis
Phosphorylated Starch
PS

Chú giải
Hàm lượng nhóm acetyl (%)
Tinh bột acetate
Tinh bột sắn acetate
Tinh bột dong riềng acetate
Lượng ăn vào hàng ngày chấp nhận được
Phân tích phương sai
Tinh bột sắn
Mức độ trùng hợp
Độ thay thế

Độ thay thế với tinh bột phosphate
Độ thay thế với tinh bột acetate
Tinh bột dong riềng
Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp
Quốc
Cục quản lý thuốc và thực phẩm Hoa Kỳ
Phân nhóm theo thứ bậc
Tinh bột Hydroxypropylate
Tinh bột sắn Hydroxypropylate
Tinh bột dong riềng Hydroxypropylate
Sự thay thế phân tử
Cộng hưởng từ hạt nhân
Tinh bột chưa biến tính
Hàm lượng phospho (%)
Phân tích thành phần chính
Tinh bột Phosphate


Luận văn thạc sĩ khoa học

PCS
PECS
RS
SEM
STTP
STMP
TPA

Phosphorylated Cassava
Starch

Phosphorylated Edible
Canna Starch
Resistant Starch
Scanning Electron
Microscope
Sodium
tripolyphosphate
Sodium
trimetaphosphate
Texture Profile Analysis

Vũ Văn Du

Tinh bột sắn Phosphate
Tinh bột dong riềng Phosphate
Tinh bột bền
Kính hiển vi điện tử
Natri tripoly phosphate
Natri trimeta phosphate
Phân tích đặc tính cấu trúc


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1. 1. Liên kết α(1→4) . .......................................................................................3
Hình 1. 2. Giả thiết về cấu trúc của amylose của Jay-lin Jane. ...................................4

Hình 1. 3. Các phân tử iodine bên trong cấu trúc xoắn của amylose. .........................4
Hình 1. 4. Liên kết α – D – 1,4 – glucozit và α – D – 1,6 – glucozit. .........................5
Hình 1. 5. Các giả thuyết về cấu trúc của amylopectin. ..............................................6
Hình 1. 6. Hình ảnh mô phỏng chuỗi xoắn kép trong tinh thể tinh bột và mô hình cụm
của phân tử amylopectin kết hợp với cấu trúc xoắn kép tách đôi. ..............................7
Hình 1. 7. Sự phân lớp của hạt và cấu tạo vỏ hạt. .......................................................8
Hình 1. 8. Hình ảnh tổng quan về cấu trúc hạt tinh bột. .............................................9
Hình 1. 9. Cấu trúc dạng sợi của tinh bột. .................................................................10
Hình 1. 10. Ảnh X-ray của 3 kiểu cấu trúc của tinh bột. A (gạo nếp), B (khoai tây), C
(hạt sen). ....................................................................................................................10
Hình 1. 11. Cấu trúc tinh thể dạng A của tinh bột. ...................................................11
Hình 1. 12. Cấu trúc tinh thể dạng B. .......................................................................12
Hình 1. 13. Kích thước hạt tinh bột dong riềng chụp qua SEM. ..............................13
Hình 1. 14. Hình ảnh nhiễu xạ tia X của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng. ..........14
Hình 1. 15. Độ trương nở và độ trong của tinh bột dong riềng so với tinh bột sắn,
khoai tây và khoai lang. ............................................................................................15
Hình 1. 16. Các phương pháp biến tính tinh bột chính được sử dụng trong công nghiệp
thực phẩm. .................................................................................................................18
Hình 1. 17. Sự phân cắt mạch tinh bột bởi enzyme ..................................................20
Hình 1. 18. Phản ứng chính xảy ra trong quá trình oxy hóa tinh bột ........................21
Hình 1. 19. Cấu trúc của hạt tinh bột được tạo liên kết ngang. Mỗi cầu nối X tượng
trưng cho một kết ngang (liên kết hóa trị).................................................................24
Hình 1. 20. Mô tả sự hoạt động của các nhóm thế có vai trò như những “nhóm khóa”
(blocking group) trong chuỗi polymer tinh bột .........................................................25


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

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


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Một số loại tinh bột biến tính sử dụng phổ biến trong thực phẩm [24] ...18
Bảng 1. 2. Ứng dụng của tinh bột biến tính trong một số sản phẩm thực phẩm.......26
Bảng 3. 1. Thành phần hóa học của tinh bột sắn và tinh bột dong riềng ..................57
Bảng 3. 2. Độ ẩm và pH của tinh bột biến tính .........................................................59
Bảng 3. 3. Mức độ thay thế DS và hàm lượng nhóm thế của tinh bột biến tính .......60
Bảng 3. 4. Tổng hợp tính chất đặc trưng của tinh bột biến tính từ tinh bột sắn và tinh
bột dong riềng ...........................................................................................................82
Bảng 3. 5. Kết quả phân tích cấu trúc theo phương pháp TPA với các mẫu Mochi có
và không bổ sung tinh bột biến tính ..........................................................................83


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

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

bột phổ biến ở nước ta và được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm như:
bánh kẹo, thực phẩm truyền thống, mì và sợi lương thực... Trong khi tinh bột dong
riềng có đặc điểm nổi bật là hàm lượng amylose cao, hạt tinh bột có kích thước lớn,
gel tinh bột cứng, khả năng tạo màng và tạo sợi tốt [1][5][8] nhưng ứng dụng chỉ hạn
chế trong các sản phẩm thực phẩm truyền thống như miến, bánh. Tinh bột sắn lại là
nguồn tinh bột được sử dụng nhiều trong không chỉ công nghiệp thực phẩm mà còn
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác như giấy, bao bì, dược
phẩm…Tinh bột sắn có kích thước hạt nhỏ, khả năng tạo gel và cấu trúc gel yếu hơn
so với tinh bột dong riềng nhưng lại có các đặc tính nổi bật về độ nhớt và độ trong
của gel-paste [1][4][12]. Mặt khác, các tinh bột biến tính như HPS, AS, PS được biết
tới nhờ ưu điểm cải thiện tốt các tính chất độ nhớt của dịch tinh bột, giảm được sự
thoái hóa, và duy trì sự ổn định độ bền gel, paste qua các quá trình bảo quản lạnhlạnh đông [14][61][69][70][75][81]…do đó biến tính tinh bột nhằm làm giảm những
hạn chế, nâng cao phạm vi ứng dụng và giá trị của các nguồn tinh bột tự nhiên. Hơn
nữa, với mong muốn nghiên cứu những tính chất đặc trưng của ba phương pháp biến
tính tinh bột Hydroxypropylate, Phosphate và Acetate tùy mục đích ứng dụng trong


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

những sản phẩm khác nhau. Vì vậy, trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu tinh bột biến tính ứng dụng trong công nghệ thực phẩm”.

Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sự khác biệt một số tính chất đặc trưng của tinh bột sắn, tinh bột
dong riềng khi biến tính bằng các phương pháp khác nhau như hydroxypropylate,
photphate và acetylate nhằm đưa một cái nhìn mới, tổng quát và rõ ràng hơn về ảnh
hưởng của các phương pháp biến tính này đến tính chất của tinh bột. Từ đó định

hướng ứng dụng các loại tinh bột biến tính vào các nhóm sản phẩm cụ thể để phát
huy ưu điểm của chúng.

Nội dung nghiên cứu.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của các biện pháp biến tính bởi hydroxypropylate
(HPS), photphate (PS) và acetylate (AS) lên một số tính chất chức năng của tinh bột
dong riềng, tinh bột sắn biến tính
 So sánh và phân biệt đặc điểm của tinh bột biến tính theo các phương pháp
biến tính khác nhau như HPS, PS, AS.
 Ứng dụng tinh bột biến tính trong sản xuất bánh Mochi


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT

1.1

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

nước do vậy có thể tích tụ một lượng lớn mà không ảnh hưởng tới áp suất thẩm thấu của
tế bào. Kích thước, hình dáng của hạt tinh bột rất đa dạng phụ thuộc vào cấu trúc tổ chức,
sự sắp xếp các chuỗi mạch và đặc tính của thực vật. Một cách tổng quát hệ thống tinh
bột thực phẩm được chia thành 3 hệ thống: hệ thống tinh bột của các hạt cốc, hệ thống
tinh bột các hạt họ đậu và hệ thống tinh bột các củ [8].
1.1.2 Hình dạng, kích thước của hạt tinh bột
1.1.2.1

Hình dáng hạt tinh bột.

Tinh bột được phân lập từ các nguồn thực vật khác nhau thì biểu hiện các đặc tính
khác nhau, đặc trưng cho từng loại về hình dạng, kích thước, phân bố sắp xếp. Hệ thống
hạt tinh bột có hình dạng rất phong phú như: hình cầu, hình oval, đa giác, hình đĩa (hai
mặt lồi), hình thon dài, hình bầu dục…Hình dạng của hạt tinh bột phụ thuộc nhiều vào
các yếu tố như hệ thống tinh bột, thời gian sinh trưởng của thực vật và các điều kiện dinh
dưỡng. Hầu hết các hạt tinh bột đều được tạo ra trong các amyloplasts riêng biệt và tách
nhau, nhưng cũng có một số loại tinh bột như: gạo, gạo nếp, yến mạch…có nhiều hơn
1


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

một hạt được tạo ra trong một amyloplast, tạo thành khối hạt lớn hơn và các hạt nhỏ dính
vào nhau chặt chẽ khó tách rời, hầu hết hạt tinh bột kết hợp ở dạng này có dạng đa diện,
đó có thể là kết quả của sự phát triển trong điều kiện hạn chế về không gian [8].
1.1.2.2

Kích thước hạt tinh bột

Kích thước của hạt tinh bột rất đa dạng, chúng nằm trong khoảng từ <1μm tới hơn
100μm. Hạt tinh bột tiểu mạch có đường kính từ 2 – 3μm), hạt tinh bột đại mạch có
đường kính 22 – 36μm. Hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn hơn, trung bình từ 15 –
75μm, hạt tinh bột ngô từ 5 – 20μm...Với cùng một hệ thống tinh bột thì hình dạng và
kích thước của mỗi hạt cũng không đồng nhất. Ví dụ: hạt tinh bột lúa mạch có cả hạt
hình dẹt, hạt hình cầu, và gồm 3 loại: hạt lớn (35 μm), trung bình (10 - 20 μm) và nhỏ (2
μm)…[6][8].
1.1.3 Cấu trúc của hạt tinh bột.
1.1.3.1

Đặc điểm cấu tạo chung.

Hạt tinh bột được cấu tạo bởi những thành phần chính là amylose và amylopectin,
các hợp chất liên kết trung gian giữa amylose và amylopectin, lipid (bao gồm cả
phospholipid và các acid béo tự do), các nhóm monoeste phosphate và các loại
protein/enzyme. Trong đó, hàm lượng và cấu trúc của hai thành phần amylose và
amylopectin đóng vai trò quan trọng chính tới những đặc tính chức năng của tinh bột.
Tuy nhiên, lipid và các nhóm monoeste phosphate cũng có ảnh hưởng lớn tới tính chất
của tinh bột trong một số điều kiện nhất định. Hàm lượng amylose và amylopectin trong
tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc của tinh bột. Những loại tinh bột thường thấy như tinh
bột ngô thường, gạo, lúa mì và khoai tây chứa khoảng từ 70 – 80% amylopectin và 20 –
30% amylose [34].
Tinh bột được gọi là “tinh bột nếp” có chứa rất ít hoặc không có thành phần
amylose: tinh bột gạo nếp chứa 3 – 5% amylose còn lại là amylopectin, tinh bột ngô nếp
có <1% amylose. Một vài loài lúa mạch tương tự gạo nếp nhưng thành phần tinh bột
2


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

của chúng hàm lượng amylose lên tới 10%, hơn nữa, hiện nay đã có các giống ngô và
lúa mới có hàm lượng amylose cao lên tới 30 – 70% [6].
1.1.3.2

Cấu tạo amylose và amylopectin

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

Hình 1. 1. Liên kết α(1→4) [6]
Kích thước của phân tử amylose thường được biểu thị bằng mức độ trùng hợp (DP
- degree of polymeristaion) của các mono-glucose hơn là khối lượng phân tử. Mức độ
trùng hợp (DP) trung bình của amylose trong khoảng từ 0.51 – 6.34x103. ví dụ: amylose
từ tinh bột khoai tây DPs: 0.84-21.8x103, amylose của tinh bột sắn DPn: 0.58-22.4 x103
[8].
Ngoài ra, trong cấu trúc phân tử của amylose còn có sự xuất hiện của các điểm
phân nhánh với liên kết α(1→6). Điều này được chứng minh do sự phân cắt không hoàn
toàn amylose bởi enzyme β-amylase thành maltose và các dextrin. Amylose từ các tinh
bột ngũ cốc như gạo, ngô, lúa mì, đại mạch cho mức độ phân cắt >80%. Đã có rất nhiều

3

Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

các công trình nghiên cứu về cấu trúc đa nhánh tự nhiên của amylose. Hizukuri và cộng
sự đã phát hiện và chỉ ra rằng phân tử amylose của tinh bột khoai tây có (DP: 4850-6340)
có từ 9 tới 12 điểm phân nhánh, amylose của tinh bột sắn (DP: 2660-3390) có từ 7-20
điểm phân nhánh…mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh phụ thuộc vào nguồn gốc
của amylose [34].

Hình 1. 2. Giả thiết về cấu trúc của amylose của Jay-lin Jane [8]
Một trong các giả thiết về cấu trúc của amylose được Jay-lin Jane đưa ra cho thấy
rõ cấu trúc của amylose bao gồm cả các cụm chưa trưởng thành và có các điểm phân
nhánh, trên đó có các nhánh rất dài (EL), dài (L), và ngắn (S).
Một đề xuất khác về hình dáng của chuỗi amylose là sự tạo thành các vòng xoắn.
Các liên kết α (1→4) tạo nên cấu trúc xoắn ốc, có hai dạng xoắn là xoắn đơn và xoắn
kép. Ở dạng vòng xoắn đơn, mỗi vòng xoắn ốc chứa sáu monome glucose. Khi phản ứng
với iodine, các phân tử iodine chiếm gọn các vòng xoắn ốc trong cấu trúc amylose, do
đó làm thay đổi sự hấp thụ màu của tinh bột.

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

4


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

b. Cấu tạo của amylopectin
Amylopectin là polyme có mức độ phân nhánh cao, thành phần cơ bản cấu tạo nên
là mono- glucose liên kết theo 2 kiểu α – D – 1,4 – glucozit và α – D – 1,6 – glucozit.
Amylopectin có kích thước phân tử và số lượng mạch nhánh lớn hơn amylose rất nhiều,
do đó nó có cấu trúc không gian phức tạp hơn.

Hình 1. 4. Liên kết α – D – 1,4 – glucozit và α – D – 1,6 – glucozit [34]
Phân tử amylopectin là một phân tử phân nhánh bao gồm 3 loại chuỗi mạch: A, B
và C (Hình 1.6). Chúng đều có dạng mạch thẳng, chỉ chứa liên kết α – D – 1,4 – glucozit,
nhưng có chiều dài mạch và vị trí phân bố khác nhau. Chuỗi mạch A ngắn nhất, được
liên kết với các chuỗi khác bằng đầu khử thông qua liên kết α -D-(1 → 6) và nó không
tự phân nhánh. Chuỗi B được liên kết với một chuỗi B khác hay chuỗi C thông qua liên
kết α -D-(1 → 6) tại đầu khử, nhưng chuỗi B lại có thể tự phân nhánh cho ra một chuỗi
A hay một chuỗi B thông qua vị trí liên kết O-6 của một đơn vị glucose. Mỗi phân tử
amylopectin chỉ có duy nhất một chuỗi mạch C là chuỗi mạch có đầu khử duy nhất của
phân tử. Chiều dài trung bình của các chuỗi A, B, C theo DP vào khoảng 19-28, 29-31,
25-27 tương ứng [8].

5


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

Hình 1. 5. Các giả thuyết về cấu trúc của amylopectin [8].
 Sơ đồ cấu tạo lớp của Haworth (1937): phân tử amylopectin không có phần lõi mà do
các đoạn mạch riêng biệt vốn đã được liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 glucozit
sẽ được nối lại với nhau nhờ các liên kết α-1,6 glucozit tại các điểm phân nhánh.
 Sơ đồ đuôi én của Staudinger (1937): phân tử amylopectin có một mạch chính tương

đối ngắn, các mạch phụ chứa khoảng 20 gốc glucose được kết hợp vào mạch chính
bằng các liên kết α-1,6 glucozit và α-1,3 glucozit.
 Sơ đồ hình cây của Meyer (1940) và sơ đồ chùm của Whelan (1970): các ông cho rằng
các gốc glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 và phân tử không gian phức tạp
sẽ được tạo thành nhờ các liên kết α-1,6. Như vậy trong phân tử amylopectin có rất
nhiều các mạch phụ nối vào mạch chính bằng các nhóm khử. Khi thủy phân bằng αamylase, amylopectin bị phân giải đến 50-60% có nghĩa là liên kết α-1,6 không thuận

6


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

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

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

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

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

7


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

1.1.4 Các dạng cấu trúc trong hạt tinh bột
Lớp vỏ ngoài: bên ngoài hạt tinh bột tồn tại một lớp vỏ cứng, lớp vỏ này có tác
dụng bảo vệ cho các phân tử bên trong. Trung tâm của hạt tinh bột có chứa amylose, và
tỷ lệ hàm lượng amylopectin tăng dần theo chiều hướng ra ngoài lớp vỏ của hạt. Lớp vỏ
ngoi đặc trưng cho qu trnh kết hợp, và quá trình mở rộng phân tử amylopectin trong tất
cả các loại hạt (hình 1.7) .

Hình 1. 7. Sự phân lớp của hạt và cấu tạo vỏ hạt[25].
Các vết nứt trên bè mặt hạt là do quá trình phóng xạ đặc biệt từ hạt, là nét đặc trưng
riêng của rất nhiều hạt tinh bột. Chúng được tạo thành do sức ép khi có sự khác biệt về
khả năng phát triển tại các vùng khác nhau bên trong hạt tinh bột. Những vết nứt như
vậy có thể có lợi trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme xâm nhập vào, và những
hạt tinh bột do đó sẽ bị thủy phân nhanh hơn so với các hạt không có vết nứt và lỗ hổng
trong hạt tinh bột [25][52].

8


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

Hình 1. 8. Hình ảnh tổng quan về cấu trúc hạt tinh bột [25].
Ở bên trong hạt tinh bột (phía trên bên trái), các vùng tinh thể có cấu trúc chặt chẽ
(cứng) xen kẽ với các vùng bán tinh thể có cấu trúc mềm được thể hiện hai màu tối và
sáng tương ứng. Trên bề mặt hạt tinh bột có các lỗ mao quản dẫn tới các rãnh, nơi mà
cấu trúc vô định hình là chủ yếu. Ở mức độ chi tiết hơn, cấu trúc khối có chứa một số
lớp mỏng, lớp vô định hình và lớp tinh thể nằm xếp chồng xen kẽ nhau. Trong hình tiếp
theo, cấu trúc phân nhánh của amylopectin trong tinh bột và các liên kết amylose-lipid.
Hình ảnh tiếp theo (Blanshard, 1987) cho thấy mối liên kết amylose-lipid có tính năng
xắp xếp và định hướng các chuỗi amylopectin. Ở mức cao nhất của sự sắp xếp trật tự

9


Luận văn thạc sĩ khoa học

Vũ Văn Du

cho thấy cấu trúc tinh thể của các polyme tinh bột. (Theo Gallant và cộng sự, 1992;
Imberty và Perez, 1988) [8][25][52].
Cấu trúc dạng sợi: hạt tinh bột bao gồm những tinh thể xốp, mọc dài ra, gồm nhiều
hay ít sự sắp xếp xuyên tâm và được kết nối với nhau bởi các đơn vị tinh thể. Sự sắp xếp
đó tạo thành các sợi nhỏ song song và có thể tạo thành dạng hình xoắn ốc đơn hay kép
gọi là các sợi tinh bột.

Hình 1. 9. Cấu trúc dạng sợi của tinh bột [34]
Cấu trúc tinh thể: Trong hạt tinh bột tồn tại một mạng lưới tinh thể, có 4 loại cấu
trúc tinh thể: A, B, C, V, bằng phương pháp nhiễu xạ X-ray có thể xác định được từng
loại cấu trúc và đặc điểm của chúng.

Hình 1. 10. Ảnh X-ray của 3 kiểu cấu trúc của tinh bột. A (gạo nếp), B (khoai tây), C
(hạt sen) [25]

10