1.3. CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT VÀ TINH BỘT SẮN
1.3.4. Các tính chất của tinh bột và tinh bột sắn
Tính chất hồ hóa của tinh bột
Khi hòa tinh bột vào nước do kích thước phân tử của tinh bột lớn nên đầu tiên các phân tử nước sẽ xâm nhập vào giữa các phân tử tinh bột. Tại đây chúng sẽ tương tác với nhóm hoạt động của tinh bột, tạo ra lớp vỏ nước làm cho lực liên kết ở mắt xích nào đó của phân tử tinh bột yếu đi, do đó phân tử tinh bột bị xê dịch rồi
“rão” ra và trương lên [2], [32], [37]. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trương nở của hạt tinh bột. Khi đun nóng huyền phù tinh bột thì các hạt tinh bột tiếp tục bị giãn nở, sẽ hút nước nhiều hơn, trở nên trong hơn, thể tích tăng đáng kể, độ nhớt tăng lên và thu được hồ tinh bột. Nếu tiếp tục kéo dài xử lý nhiệt, hạt tinh bột bị vỡ, bị thủy phân từng phần, làm hòa tan một phần các phân tử cấu thành nên tinh bột và kéo theo làm giảm độ nhớt của dịch hồ [2].
20
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. Nhiệt độ hồ hóa không những phụ thuộc vào nguồn gốc tinh bột mà còn phụ thuộc vào kích thước, hàm lượng amylose và amylopectin của từng loại tinh bột. Amylose sắp xếp thành chùm song song xếp chặt chẽ hơn amylopectin vốn cuốn lại thành hình cầu, có cấu trúc khó cho nước đi qua. Các ion liên kết với tinh bột có ảnh hưởng đến độ bền của các liên kết hydro bên trong của hạt. Trong quá trình hồ hóa thì các hạt lớn bị hồ hóa đầu tiên, các hạt bé nhất sẽ bị hồ hóa sau cùng. Vì vậy nhiệt độ hồ hóa không phải 1 điểm mà là một khoảng nhiệt độ [2], [54]. Tinh bột sắn có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng 58.5-70oC. Tinh bột sắn hồ hóa có độ trong cao. Chính vì độ trong này và tính không vị của tinh bột sắn được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để làm nhân bánh, nước xốt trong các món salad, tráng miệng… [1].
Tính chất nhớt dẻo của hồ tinh bột
Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm thực phẩm đó là độ nhớt và độ dẻo. Phân tử tinh bột chứa nhiều hydroxyl có khả năng liên kết vối nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại đồ sộ hơn, giữ nhiều phân tử nước khiến cho dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn, do đó các phân tử di chuyển khó khăn hơn. Tính chất này càng thể hiện mạnh mẽ ở hơn ở những tinh bột loại nếp (tinh bột giàu amylopectin) [2], [32]. 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, ion Ca2+, tác nhân oxi hoá, các thuốc thử phá huỷ cầu hydro đều làm cho tương tác của các phân tử tinh bột thay đổi, do đó làm cho độ nhớt thay đổi theo [2], [32], [55]. Độ nhớt của tinh bột sắn tối thiểu khoảng 700BU (Barbender unit) [1].
Tính chất hấp thụ
21
Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất hấp thụ thì bề mặt bên trong và bên ngoài của tinh bột đều tham dự. Vì vậy trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thuỷ nhiệt cần phải hết sức quan tâm tới vấn đề này.
Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột. Khi nghiên cứu khả năng hấp thụ các chất điện li hữu cơ có ion lớn như xanh metylen (tích điện dương) của tinh bột, người ta nhận thấy rằng tinh bột hấp thụ xanh metylen rất tốt. Đường đẳng nhiệt hấp thụ của các loại tinh bột không giống nhau. Đường đẳng nhiệt hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc cấu tạo bên trong của hạt và khả năng trương nở của chúng [35].
Sự trương nở và hòa tan
Khi hòa trộn tinh bột vào nước, ở nhiệt độ thấp thì hạt tinh bột không bị hydrat hóa nên không bị trương nở. Khi tăng dần nhiệt độ lên, hạt tinh bột sẽ hút nước và tăng nhanh thể tích do phân tử tinh bột được cấu tạo từ các đơn phân glucose có chứa nhiều nhóm –OH, có khả năng liên kết với nước. Nước kết hợp với các hạt tinh bột tạo nên một khối có kích thước lớn đó là sự trương nở của hạt tinh bột [2].
Hơn nữa, khi gia nhiệt thì cấu trúc tinh thể của các hạt tinh bột sẽ bị phá vỡ do các phân tử nước xen kẽ vào khoảng trống giữa các hạt tinh bột và tạo liên kết với chúng. Các vùng vô định hình có cấu tạo không bền vừng, dễ bị nhiệt độ phá vỡ để giải phóng ra các phân tử amylose hòa tan vào trong nước. Vì vậy độ hòa tan được đánh giá bằng lượng amylose thoát ra và hòa tan vào dung dịch và dùng để xác định khả năng phá vỡ hạt khi hồ hóa tinh bột [52].
Tính chất lưu biến
Trong dung dịch các phân tử amylose có khuynh hướng liên kết lại với nhau để tạo ra các tinh thể. Khi sự liên kết xảy ra với tốc độ chậm thì amylose sẽ tạo ra khối không tan của các hạt đã bị thoái hoá. Khi tốc độ đạt nhanh thì dung dịch chuyển thành thể keo.
Amylose đã thoái hoá không hoà tan trong nước lạnh nhưng có khả năng liên kết với một lượng nước lớn gần 4 lần trọng lượng của chúng. Nếu để amylose một lượng nước ít hơn 4 lần thì toàn bộ nước sẽ bị hấp thụ còn amylose sẽ tạo ra keo.
22
Keo amylose ở nhiệt độ thường là một khối trắng đục, không thuận nghịch, không có hiện tượng co. Nghiên cứu keo amylose dưới kính hiển vi điện tử, người ta thấy chúng có cấu tạo hạt rõ rệt, chứng tỏ tính không tan của kiểu tinh thể [2].
Khả năng tạo gel của tinh bột
Tinh bột sau khi hồ hoá và để nguội các phân tử sẽ tương tác và sắp xếp lại với nhau 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 vừa phải, phải được hồ hoá để chuyển tinh bột thành trạng thái hoà tan và sau đó được làm 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 thông qua cầu phân tử nước [2], [55]. Trong tinh bột chứa cả amylose và amylopectin nên trong gel tinh bột tồn tại cả hai vùng kết tinh và vùng vô định hình. Tham gia vào vùng kết tinh có các phân tử amylose và các đoản mạch amylopectin kết dính với nhau. Cấu trúc nhiều nhánh mà chủ yếu là nhánh bên của phân tử amylopectin sẽ cản trở sự dàn phẳng và kết tinh. Vùng kết tinh vừa nằm trong các hạt đã trương vừa nằm trong dung dịch nước giữa các hạt sẽ tạo ra độ bền và độ đàn hồi cho gel. Các tinh bột vừa chứa amylose và amylopectin có khuynh hướng tạo gel như nhau khi ở nồng độ tương đối thấp. Gel từ tinh bột giàu amylose thường có độ cứng và độ dàn hồi kém [2], [55]. Cấu trúc gel của tinh bột sắn có độ bền cao hơn so với nhiều loại tinh bột ngũ cốc khác nên có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt đối với các sản phẩm phải bảo quản trong thời gian dài [1].
Sự thoái hóa
Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài thì chúng sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ tách ra, gọi là sự thoái hoá. Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó cho tan giá. Có hiện tượng thoái hóa là do hình thành nhiều cầu hydro giữa các phân tử tinh bột, các phân tử amylose có mạch thẳng nên định hướng với nhau dẽ dàng và tự do hơn các phân tử amylopectin. Vì thế mà hiện tượng thoái hóa gần như chỉ liên quan tới các phân tử amylose là chủ yếu Sự thoái hoá thường kèm theo tách nước và đặc lại của các sản phẩm dạng nửa lỏng cũng như gây cứng lại các sản phẩm bánh mì [2].
23
Khả năng tạo hình của tinh bột
Khả năng tạo màng:
Cũng như các hợp chất cao phân tử khác, tinh bột có khả năng tạo màng rất tốt. Để tạo màng, phân tử tinh bột sẽ dàn phẳng ra, sắp xếp lại và tương tác trực tiếp với nhau bằng liên kết hydro và gián tiếp qua phân tử nước. Màng thu được từ dung dịch có nồng độ thấp tốc độ bay hơi lớn thường có độ bền cao nhưng ứng suất nội lớn. Khi làm khô chậm, màng kém bền hơn tuy nhiên lại không có ứng suất nội. Vì vậy tốc độ bốc hơi nước phải được điều chỉnh hợp lý bằng cách thay đổi nhiệt độ, thay đổi tốc độ chuyển dịch và trao đổi không khí, thay đổi độ nhớt và nồng độ tinh bột trong dung dịch. Khi thay đổi các thông số này ta sẽ thu được màng có cấu trúc và tính chất khác nhau. Để thu được màng gel có tính đàn hồi cao người ta thêm vào các chất hoá dẻo. Chất hóa dẻo thường có cùng bản chất hóa học nhưng có trọng lượng phân tử bé hơn. Với màng tinh bột thực phẩm người ta hay dùng glixerin làm chất hóa dẻo để làm tăng khoảng cách giữa các phân tử, làm giảm lực Van der Waals, do đó làm yếu đi lực cố kết nội và làm tăng động năng của các phân tử [2], [56], [57].
Khả năng phồng nở của tinh bột:
Khi tương tác với chất béo và có sự tán trợ của nhiệt độ thì khối tinh bột sẽ tăng thể tích lên rất lớn và trở nên rỗng xốp. Ta biết rằng, chất béo là chất không có cực, có khả năng xuyên thấm qua các vật liệu gluxit như tinh bột, xenlluloza. Khi nhiệt độ tăng thì các tương tác kỵ nước giữa các chất béo phát triển rất mạnh nên chúng có khuynh hướng tụ lại với nhau, do đó có khả năng xuyên qua các ‘cửa ải’
tinh bột. Đồng thời nhiệt làm cho tinh bột bị hồ hoá và chín, nhưng không khí cũng như các khí có trong khối bột không thấm qua màng tinh bột đã tẩm béo, do đó sẽ làm tinh bột giãn nở và làm tinh bột phồng nở. Các tinh bột amylopectin (tinh bột gạo nếp) có cấu trúc chặt và khả năng không thấm khí lớn do đó khả năng phồng nở lớn hơn. Với các tinh bột oxy hoá thì khả năng này càng mạnh vì các phân tử tích điện cùng dấu sẽ đẩy nhau, nhất là khi sản phẩm chứa tinh bột có kết cấu chặt. Đó là cơ sở để sản xuất ra các sản phẩm như bánh phồng tôm, phồng nấm và snack [2].
24