Đề tài Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột

Mục lục Danh mục hình Hình 1: SEM của tinh bột từ các nguồn khác nhau. 7 Hình 2: Liên kết Hydro loại I (trái) và loại II (phải) 8 Hình 3: Cấu tạo của tinh bột ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) 9 Hình 4: Cấu trúc của chuỗi amylose ( John F. Robyt, 2008) 10 Hình 5: Cấu trúc của chuỗi amylopectin ( John F. Robyt, 2008) 11 Hình 6: Cấu trúc phân nhánh của amylopectin (Martin và Smith, 1995) 12 Hình 7: Cấu trúc phân lớp của hạt tinh bột ( John F. Robyt, 2008) 13 Hình 8: Cấu trúc hạt tinh bột (vùng kết tinh và vùng vô định hình) ( John F. Robyt, 2008) 13 Hình 9: Mô hình phức chất giữa amylose và hai phân tử monopalmitin (Les Copeland, 2009) 17 Hình 10: Sơ đồ phân loại các enzyme thủy phân tinh bột (Józef Synowiecki, 2007) 17 Hình 11: Mô hình mô phỏng hình thái hạt tinh bột trong quá trình thủy phân 20 Hình 12: Quy trình thực hiện thủy phân tinh bột 20 Hình 13: Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ 23 Hình 14: Các mức tần số của sóng âm 24 Hình 15: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bọt khí 27 Hình 16: Hình ảnh SEM của tinh bột bắp (a) mẫu đối chứng (b) mẫu xử lí bằng bể siêu âm (c) mẫu được xử lí bằng thanh siêu âm (Ivana Ljubić Herceg, 2010) 32 Hình 17: Hình ảnh SEM với cường độ chiếu (a) 34 W.cm-2 (b) 55 W.cm-2 (c) 73 W.cm-2 33 Hình 18: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 34 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút 33 Hình 19: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 73 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút 34 Hình 20: SEM của hạt tương ứng mức độ thủy phân 0 , 3.1, 18.4% (Qiang Huang, 2007) 37 Hình 21: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ nhớt biểu kiến với sự thay đổi nồng độ dịch tinh bột (Wenjian Cheng, 2010) 37 Hình 22: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ hòa tan 38 Hình 23 : Hình ảnh SEM của hồ tinh bột khoai mì (a) mẫu kiểm chứng, (b) năng lượng thấp (20s), (c) năng lượng thấp (40s), (d) năng lượng cao (20s), € năng lượng cao (40s) (Nitayavardhana, 2008) 38 Hình 24 : Lượng đường khử và nhiệt độ gia tăng ở những điều kiện siêu âm khác nhau (Nitayavardhana, 2008) 39 Hình 25: Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột lên sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ 41 Hình 26 : Lượng đường khử của các mẫu siêu âm ở mức năng lượng cao trong vòng 30s ở các nồng độ chất khô khác nhau.( Saoharit Nitayavardhana, 2008) 41 Hình 27 : Hiệu quả chiếu sóng siêu âm cường lực cao với nồng độ chất khô khác nhau 42 Hình 28: Hàm lượng đường khử sau 3h đường hóa với các chế độ xử lí bằng sóng siêu âm khác nhau trong trường hợp xử lí liên tục so sánh với mẫu đối chứng là đường chấm gạch ngang. (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 42 Hình 29: Sơ đồ hệ thống thiết bị chiếu siêu âm liên tục (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 43 Hình 30: Ảnh hưởng của mật độ năng lượng của sóng siêu âm đên kích thước phân tử (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 44 Hình 31: Hàm lượng đường khử và mật độ năng lượng đấu vào của phương pháp liên tục và gián đoạn (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) 44 Hình 32: Ảnh hưởng của chế độ bổ sung enzyme đối với hàm lượng đường khử 45 Hình 33: Biểu đồ mô tả quá trình xử hạt tinh bột có sử dụng sóng siêu âm (Yasuo Iida, 2007) 45 Danh mục bảng Bảng 1: Đặc điểm hạt tinh bột của một số hệ thống tinh bột (Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo quản và chế biến lương thực, 2007) 7 Bảng 2: Thành phần hóa học của một số loại hạt tinh bột ( John F. Robyt, 2008) 9 Bảng 3: % mạch nhánh của amylopectin từ các loại tinh bột khác nhau ( John F. Robyt , 2008) 11 Bảng 4: Khả năng hòa tan trong nước với 220mg tinh bột trong 10 ml nước 14 Bảng 5: Các tính chất của a-amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) 18 Bảng 6: Các tính chất của β - amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) 19 Bảng 7: Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Patist, Bates, 2008) 29 Bảng 8:Độ nhớt và chỉ số hòa tan hạt tinh bột với sự thay đổi các thông số về thiết bị khi hạt trương nở và bị phá vỡ (Ivana Ljubić Herceg, 2010) 35 Bảng 9: Nhiệt độ huyền phù tinh bột sau quá trình xử lí bằng sóng siêu âm 36 Bảng 10: Sự thay đổi mức độ thủy phân theo thời gian (Qiang Huang, 2007) 36 Bảng 11: Sự thay đổi độ hòa tan của các loại hạt tinh bột khác nhau theo thời gian 40 Bảng 12: Sự thay đổi độ nhớt của một số loại tinh bột bởi sóng siêu âm trong 30s 40 MỞ ĐẦU Thực phẩm chúng ta sử dụng hằng ngày đa phần do nhiều hợp chất cấu tạo nên. Nó là một hệ gồm nhiều pha chứa hỗn hợp phức tạp giữa nước, polysaccharide, protein, lipid và một số thành phần vi lượng khác như khoáng, vitamin… Tinh bột thường hiện diện trong thực phẩm với một tỉ lệ tương đối lớn, nó cung cấp 50 - 70% năng lượng cho hoạt động hằng ngày của con người và là nguồn cung cấp glucose cho não và các tế bào khác trong quá trình trao đổi chất. Do đó có thể nói tinh bột như là một nguồn nguyên liệu quan trọng được sử dụng trong công nghiệp. Hàng năm trên thế giới có 60 tấn tinh bột thu được từ các loại hạt ngũ cốc, rễ, củ, thân và bẹ lá của các loại cây thực vật khác…, trong đó 60% lượng tinh bột này được đưa vào sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm như trong quá trình sản xuất bánh kẹo, kem, snack, thực phẩm cho trẻ em, công nghệ sản xuất các sản phẩm lên men như cồn, bia, rượu…, còn lại 40% được sử dụng trong ngành dược và các ngành công nghiệp khác như sản xuất giấy, nguyên liệu bao gói, chất kết dính, dệt, sợi, vật liệu xây dựng… Trong nhiều thập kỉ qua, tinh bột đã trở thành một đối tượng nghiên cứu lớn của ngành công nghiệp thực phẩm. Đã có rất nhiều ngiên cứu về phương pháp phân tích, cấu trúc phân tử, tính chất vật lí, hóa học, hóa sinh, tính chất chức năng cũng như các phương thức sử dụng tinh bột trong từng sản phẩm thích hợp. Thông qua các phương thức xử lí tinh bột khác nhau chúng ta sẽ thu được những tính chất riêng cho sản phẩm thực phẩm tương ứng. Biện pháp kĩ thuật thường sử dụng nhất để chế biến tinh bột là tiến hành quá trình thủy phân. Quá trình này được thực hiện dưới tác dụng xúc tác của acid hay sử dụng enzyme. Và để hỗ trợ cho quá trình thủy phân này sóng siêu âm đã được đưa vào trong quy trình xử lí. Phần trình bày sau sẽ giải thích rõ hơn về cơ chế cũng như ảnh hưởng của sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột. Tinh bột Giới thiệu Tinh bột là nguồn carbonhydrate dự trữ trong rễ, hạt của cây và đặc biệt chứa nhiều trong nội nhũ hạt ngũ cốc. Nó cung cấp năng lượng cho các quá trình hoạt động của con người (4 kcal/g). Bên cạnh đó tinh bột còn được thủy phân tạo thành đường glucose là nguồn cơ chất cho các loài vi sinh vật để thực hiện quá trình lên men tạo sản phẩm. Tinh bột là một đại phân tử sinh học được hình thành từ các tiểu phần là glucose. Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh do đó tạo thành huyền phù giữa tinh bột và nước. Khi đó hạt tinh bột cũng hấp thu một lượng nước nhỏ và trương nở nhẹ. Sau đó khi tiến hành gia nhiệt hạt sẽ hút nước mạnh hơn cho đến lúc trương nở cực đại dẫn đến độ nhớt đạt cực đại. Chính nhờ đặc tính này mà tinh bột được sử dụng như chất tạo đặc trong thực phẩm. Đặc tính của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nguồn tinh bột, nồng độ tinh bột, nhiệt độ quá trình gia nhiệt, tốc độ gia nhiệt, hóa chất sử dụng (acid, đường, muối,…). Với các đặc tính hữu ích của tinh bột, chúng được sử dụng khá nhiều trong quá trình sản xuất thực phẩm để làm tăng độ nhớt, ngăn cản quá trình đông tụ, ổn định tính chất các sản phẩm lạnh đông,…Bên cạnh nguồn tinh bột thường, ngày nay con người còn sử dụng nguồn tinh bột biến tính với các đặc tính ưu việt hơn góp phần tạo ra các sản phẩm với chất lượng ngày một cao hơn. Nguồn tinh bột Tinh bột là polysaccaride chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Tinh bột có nhiều trong các loại cây lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột. Nguồn tinh bột rất đa dạng, trong đó phổ biến nhất là từ các hạt ngũ cốc như lúa mì, bắp, gạo, khoai tây,… hay từ các loại củ như khoai tây, khoai lang, khoai mì… Ngoài ra một lượng đáng kể tinh bột cũng có trong các nhóm cây họ đậu như đậu nành, đậu xanh… và trong một số loại trái cây như chuối,…. Tinh bột từ các loài thực vật khác nhau, hay cùng một giống cây trồng nhưng phát triển dưới các điều kiện khác nhau thì đều khác nhau cả về hình thái, tính chất công nghệ và các tính chất chức năng tương ứng. Do đó cần đặc chú ý đến những tính chất này để đảm bảo chất lượng ổn định và đồng nhất cho sản phẩm. Hình 1: SEM của tinh bột từ các nguồn khác nhau. gạo ; (b) lúa mì ; (c) khoai tây ; (d) bắp (Narpinder Singh, 2002) Cấu trúc hạt tinh bột Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng hạt không hoà tan trong nước lạnh gồm nhiều sợi liên kết với nhau. Các carbonhydrate 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.. Tùy thuộc vào nguồn gốc mà tinh bột có kích thước thay đổi, trong đó dao động từ 2 ¸ 150mm. Hạt tinh bột có thể 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. Có thể chia tinh bột thực phẩm thành ba hệ thống: Hệ thống tinh bột của các hạt ngũ cốc. Hệ thống tinh bột của các hạt họ đậu. Hệ thống tinh bột của các củ. Bảng 1: Đặc điểm hạt tinh bột của một số hệ thống tinh bột (Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo quản và chế biến lương thực, 2007) Loại Hình dạng Kích thước (mm) Nhiệt độ hồ hóa (0C) Lúa mì Cầu, elip 2 – 50 53 – 65 Mạch đen Elip 12 – 40 57 – 70 Đại mạch Elip 2 – 5 56 – 62 Ngô Cầu, đa diện 5 – 25 62 – 70 Ngô đường Cầu, đa diện 67 – 87 Ngô nếp Cầu, đa diện - 63 – 72 Yến mạch Đa diện 5 – 15 56 – 62 Gạo Đa diện 3 – 8 61 – 78 Nếp Đa diện 55 – 65 Kê Cầu, đa diện 4 – 12 69 – 75 Cao lương Cầu, đa diện 4 – 24 69 – 75 Maurice (1986) mô tả hạt tinh bột gồm nhiều vùng vô định hình và vùng kết tinh xen kẽ nhau. Quan sát dưới ánh sáng của quang phổ hồng ngoại, người ta nhận thấy có sự tồn tại liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột, các liên kết hydro này đóng vai trò quan trọng, quyết định một số tính chất của hạt tinh bột. Bên trong hạt có các rãnh vô định hình kéo dài từ bề mặt tới tâm tạo thành các lỗ xốp. Chính các lỗ xốp này giúp nước thâm nhập làm trương nở hạt tinh bột, phá vỡ các liên kết hydro giữa các phân tử bên trong hạt trong quá trình thủy phân. Khi không có mặt các phân tử nước, tinh bột sẽ liên kết với nhau theo loại I. Loại liên kết này làm giảm khả năng hoạt động của nhóm -OH. Theo kiểu liên kết này, các nhóm -OH bị khóa chặt làm cho hoạt tính của chúng giảm rõ rệt. Thông thường tinh bột tồn tại ở dạng này khi bị sấy khô quá mức hoặc bị thoái hóa, trong cả hai trường hợp, nước bị tách ra ngoài. Khi trong tinh bột có sự hiện diện của nước, các phân tử tinh bột liên kết nhau theo loại II. Đây là dạng liên kết thông thường của tinh bột trong tự nhiên, ở dạng này các nhóm -OH chủ yếu ở carbon thứ 6 nằm cạnh nhau sẽ liên kết nhau thông qua phân tử nước. Bằng phương pháp sấy khô thông thường, ta không thể tách hoàn toàn ẩm ra khỏi tinh bột, mà thường còn lại khoảng 8 -12% ẩm, được giữ khá bền trong cấu trúc phân tử tinh bột, nước này gọi là nước liên kết, tương đương với lượng nước tạo thành dạng monohydrate (C6H10O5.H2O)n, với n có thể từ vài trăm đến vài triệu. Hình 2: Liên kết Hydro loại I (trái) và loại II (phải) Thành phần cấu tạo Tinh bột không phải là một chất riêng biệt mà là một polymer sinh học bao gồm hai thành phần chính là amylose và amylopectin được tạo thành từ các đơn vị là glucopyranose liên kết với nhau bằng liên kết a-D-1,4 glycoside và a-D-1,6 glycoside. 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. Hầu hết tinh bột chứa khoảng 60 – 90% amylopectin nên tỉ lệ amylose / amylopectin trong hạt thường thấy xuất hiện tỉ lệ xấp xỉ ¼. Trong khi đó cũng có tinh bột có amylose với hàm lượng cao (hơn 50% khối lượng tinh bột) như tinh bột đậu xanh, dong riềng...và hàm lượng amylopectin xấp xỉ 100% khối lượng tinh bột như tinh bột bắp nếp, gạo nếp...Tỉ lệ này thay đổi phụ thuộc giống loài, thời tiết, mùa vụ và cách chăm bón. Amylose và amylopectin có cấu tạo chứa nhiều nhóm hydroxyl do đó có thể kết hợp với nhau (liên kết hydtro loại 1) và với các phân tử khác (liên kết hydro loại 2) để tạo nên mạng lưới không gian 3 chiều từ đó tạo nên những tính chất đặc trưng cho các sản phẩm. Hình 3: Cấu tạo của tinh bột ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) Ngoài hai thành phần chính là amylose và amylopectin thì trong hạt tinh bột còn chứa một hàm lượng nhỏ các chất khác như: lipit từ 0.1 ¸ 0.8% khối lượng, protein từ 0.1 ¸ 0.4% khối lượng, phosphate 0.09 ¸ 0.63% khối lượng. Bảng 2: Thành phần hóa học của một số loại hạt tinh bột ( John F. Robyt, 2008) Tinh bột Amylose (%) Amylopectin (%) Lipid (%) Protein (%) Phosphate (%) Bắp 25 75 0.8 0.35 0.09 Bắp nếp 0 100 0.2 0.25 0.024 Amylomaize-5 53 47 0.7 0.3 0.09 Amylomaize-7 70 30 0.75 0.3 0.06 Khoai tây 22 78 0.01 0.1 0.21 Lúa mì 23 77 0.9 0.4 0.18 Gạo 19 81 0.59 0.3 0.09 Khoai mì 17 83 0.02 0.1 0.009 Chuối 20 80 0.48 0.32 0.06 Cấu tạo bên trong của hạt tinh bột khá phức tạp. Hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp đều có lẫn lộn các amylose và amylopectin 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 polyglucoside của amylose và amylopectin tạo thành xoắn ốc với sáu gốc glucose một vòng. Trong tinh bột của các hạt ngũ cốc, các phân tử có chiều dài từ 0,35-0,7 µm, 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 glucoside của các polysaccaride có dạng gấp khúc nhiều lần. Các mạch polysaccharide sắp xếp hướng tâm tạo ra vùng tinh thể: các mạch bên của một phân tử amylopectin 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 đã chứng tỏ rằng vỏ hạt tinh bột khác với tinh bột bên trong ở chỗ là 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. Amylose Hình 4: Cấu trúc của chuỗi amylose ( John F. Robyt, 2008) Amylose có khối lượng phân tử xấp xỉ 105 ¸ 106 g, chuỗi dài từ 500 - 2000 đơn vị glucose. Amylose “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn. Có hai loại amylose: Amylose 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-amylase. Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, chiều dài mạch dài hơn và cấu trúc xoắn phức tạp hơn do đó khó tiếp xúc với trung tâm hoạt động của β-amylase nên chỉ bị phân hủy khoảng 60%. Phân tử amylose có cấu tạo mạch thẳng, gồm những đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên kết a-1,4 glycoside trong đó có khoảng 0.5% số phân tử glucose liên kết với nhau bằng liên kết a-1,6 glycoside. Amylose thường có dạng cuộn xoắn ốc, đường kính của xoắn ốc là 12.97A0, chiều cao của vòng xoắn là 7.91A0, mỗi vòng xoắn có 6 đơn vị glucose. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. Khi tương tác với iod, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng. Khi đó phân tử iod được sắp xếp bên trong cấu trúc xoắn ốc của phân tử amylose. Amylose dễ hòa tan trong nước ấm tạo thành dung dịch có độ nhớt không cao. Khi nhiệt độ dung dịch hạ thấp, amylose dễ bị thoái hóa và tạo ra các kết tủa không thuận nghịch. Amylopectin Hình 5: Cấu trúc của chuỗi amylopectin ( John F. Robyt, 2008) Cấu tạo của amylopectin lớn và có tỉ lệ phân nhánh khá lớn. Khối lượng amylopectin khoảng 108 đvC và DP lớn hơn 1 triệu.Amylopectin là polyme mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α-1,4 glycoside còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glycoside. Amylosepectin có khoảng 5% số lượng phân tử glucose liên kết bằng liên kết bằng α-1,6 glycoside. Bảng 3: % mạch nhánh của amylopectin từ các loại tinh bột khác nhau ( John F. Robyt , 2008) Amylopectin % mạch nhánh Ngô 4.2 Khoai tây 4.5 Lúa mì 4.8 Đại mạch 5 Yến mạch 5.2 Ngô nếp 5.9 Mạch nhánh của amylopectin có thể được chia làm 3 phần: Loại A: không có nhánh, một đầu của mạch A liên kết với các mạch khác bằng liên kết a - 1,6 Loại B: dạng mạch nhánh do một hay nhiều mạch A nối vào. Loại C: mạch duy nhất trong phân tử amylopectin có mang gốc glucose có nhóm khử. Hình 6: Cấu trúc phân nhánh của amylopectin (Martin và Smith, 1995) Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuỗi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucose. Phản ứng giữa amylopectin và iod cho phức màu nâu tím. Amylopectin chỉ hòa tan trong nước nóng và tạo dung dịch có độ nhớt cao. Do cấu trúc cồng kềnh lập thể nên các phân tử amylopectin trong dung dịch không có khuynh hướng kết tinh lại nên thường không bị hiện tượng thoái hóa. Sự khác biệt giữa amylose và amylopectin không phải luôn luôn rõ nét bởi lẽ ở các phân tử amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh do đó cũng có những tính chất gần giống như amylopectin. Sự khác nhau này được giải thích là do sự khác nhau trong quá trình sinh tổng hợp tinh bột dưới tác dụng của nhiều loại enzyme khác nhau. Những tính chất của tinh bột Đặc tính cấu trúc của hạt tinh bột Tỉ lệ vùng kết tinh của hạt tinh bột là 15% đối với hạt giàu amylose và khoảng 45¸50% đối với hạt tinh bột nếp. Hạt tinh bột có cấu trúc được sắp xếp theo một trật tự xác định tùy loại hạt. Cấu trúc bên trong của hạt gồm những lớp với các vòng tròn đồng tâm được sắp xếp theo thứ tự kích thước tăng dần từ tâm đến bề mặt hạt, có độ dày tăng từ 120 ¸ 400 nm lần lượt chứa các vùng kết tinh và vô định hình với mức độ tăng dần vùng kết tinh và giảm dần vùng vô định hình tương ứng. Hình 7: Cấu trúc phân lớp của hạt tinh bột ( John F. Robyt, 2008) Vùng tinh thể được hình thành chính bởi mạch amylopectin gốc còn vùng vô định hình được hình thành từ các nhánh của phân tử amylopectin, amylose và cấu trúc amylopectin sắp xếp không trật tự. Hình 8: Cấu trúc hạt tinh bột (vùng kết tinh và vùng vô định hình) ( John F. Robyt, 2008) Đối với hạt có hàm lượng amylose cao, mạch xoắn ốc của amylose cũng có thể góp phần vào quá trình kết tinh của hạt tạo nên cấu trúc bán tinh thể với tính chất lưỡng chiết (khúc xạ kép) khi được quan sát dưới kính hiển vi ánh sáng phân cực. Các tinh thể tạo bởi mạch amylopectin được phân thành 2 loại: loại A với cấu trúc chặt chẽ hơn loại B. Việc sinh tổng hợp tinh thể loại A và loại B khác nhau trong suốt quá trình hình thành hạt từ đó dẫn đến sự khác nhau về cấu trúc phân tử amylopectin và tỉ lệ amylose/amylopectin trong hạt. Tinh thể loại B có cấu trúc mạch amylopectin ngắn hơn. Các hạt tinh bột ngũ cốc có khuynh hướng có nhiều tinch thể loại A trong khi đó tinh bột từ các cây thân củ và các hạt tinh bột giàu amylose chứa nhiều cấu trúc loại B hơn. Bên cạnh đó còn xuất hiện một dạng trung gian giữa loại A và loại B đó là tinh thể loại C. Loại tinh thể thể này xuất hiện nhiều ở một vài loại trái, thân cây. Thường trong hạt xuất hiện cả hai loại tinh thể trên nhưng với tỉ lệ khác nhau tùy nguồn gốc cũng như điều kiện trồng trọt. Ví dụ đối với hạt tinh bột lúa mì tinh thể loại A chiếm tỉ lệ cao hơn nhưng có số lượng ít hơn hạt loại B. Do đó dẫn đến sự khác nhau trong cấu trúc và tính chất chức năng của sản phẩm sau này. Amylose có khả năng tạo phức với iod để tạo thành phức amylose – iod, do đó chúng ta thường sử dụng phương pháp này để xác định amylose trong hạt. Mặc dù phương pháp này nhanh và thuận tiện nhưng nó không cho kết quả chính xác bởi vì bước sóng hấp thu cực đại của phức amylose – iod khác nhau phụ thuộc vào DP. Bên cạnh đó amylopectin cũng có thể tạo thành phức với iod tạo thành phức amylopectin – iod và cũng có thể bị hấp thu ở bước sóng này. Phương pháp quang phổ cũng là một phương pháp hiệu quả để thay thế cho phương pháp này nhưng bị hạn chế ở chỗ không thể sử dụng với số lượng lớn. Do đó, việc kết hợp các kĩ thuật phân tích để xác định sự sắp xếp, tổ chức các phân tử trong hạt, ước lượng độ dày vùng tinh thể và sự ảnh hưởng của amylose đối với amylopectin trong hạt tinh bột nguyên thủy. Hiện nay có rất nhiều phương pháp phân tích để xác định cấu trúc tinh bột như là kĩ thuật nhiễu xạ ( xác định sự kết tinh của nguyên liệu), phương pháp đo góc phân tán ( xác định sự phân bố mật độ electron), phương pháp đo nhiệt lượng ( DSC) để xác định khả năng hòa tan, kết tinh và nhiệt chuyển đổi tinh thể. Các kĩ thuật hình ảnh như kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi nguyên tử, phương pháp quang phổ cũng được sử dụng rộng rãi để nhận biết hình dạng và cấu trúc hạt tinh bột. Tính trương nở và hồ hóa của hạt tinh bột Phần lớn hạt 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. Ở nhiệt độ bình thường, tinh bột không hòa tan trong nước, tinh bột cũng không hòa tan trong ether, ancohol, sunfua carbon… Khi ngâm hạt tinh bột trong nước ở nhiệt độ thường, ta nhận thấy có sự tăng thể tích của tinh bột là do nước được hấp thụ vào trong, làm hạt tinh bột trương phồng lên, đây chính là hiện tượng trương nở của hạt tinh bột. Khả năng trương nở của hạt trong nước tăng khi nhiệt độ tăng và đến một lúc nào đó tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột. Khi tinh bột được gia nhiệt với sự tham gia của nước hay sử dụng phương pháp hấp sử dụng autoclave hay trộn tinh bột với nước có nhiệt độ 1000C, cấu trúc hạt bị phá vỡ và lúc này nhóm –OH của nước tạo liên kết hydro với với nhóm –OH của phân tử amylose và amylopectin. Điều này làm tăng khả năng hòa tan và trương nở của hạt. Trong các loại hạt, tinh bột khoai tây là có độ trương nở và khả năng hòa tan lớn nhất và giá trị nhỏ nhất ở tinh bột lúa mì. Bảng 4: Khả năng hòa tan trong nước với 220mg tinh bột trong 10 ml nước bằng biện pháp hấp bằng autoclave ở nhiệt độ 1210C trong 20 phút ( John F. Robyt, 2008) Tinh bột Độ hòa tan (mg/ml) Ngô nếp 18.7 Khoai mì 17.4 Khoai tây 12.4 Ngô 12.4 Gạo 7.9 Amylomize-7 5.5 Lúa mì 5.2 Lực trương nở cao ở bắp nếp, khoai mì, khoai tây được giải thích là do có chứa hàm lượng cao các nhóm phosphate thường gắn ở cuối mạch phân tử amylose (bao gồm monoeste phosphate và phospholipid), lực đẩy giữa các nhóm phosphate ở các mạch liền kề sẽ làm tăng sự kết hợp nước do làm yếu mức độ liên kết trong vùng kết tinh. Ngoài thành phần các hợp chất phospho ảnh hưởng đến độ trương nở của tinh bột thì sự hiện diện của lipid trong hạt cũng ảnh hưởng đến khả năng trương nở. Kết quả nó làm giảm khả năng trương nở của hạt. Nguyên nhân là do lipid tham gia tạo phức với amylose làm cấu trúc tinh thể càng chặt chẽ hơn nên làm giảm sự xâm nhập của nước vào trong hạt. Ở trạng thái tự nhiên, tinh bột không bị hòa tan trong nước lạnh là do năng lượng tương tác phân tử trong điều kiện đó vượt xa năng lượng hydrat hóa. Khi hấp thụ nước, tinh bột trương nở dần, 25 – 50% hạt tinh bột vẫn chưa bị trương, khi tăng nhiệt độ đến một giới hạn nào đó, các hạt trương nở một cách nhanh chóng, hình dáng hạt sẽ thay đổi đột ngột đến thời điểm bị phá vỡ hoàn toàn tạo thành dạng keo dính. Khả năng trương nở của các hạt tinh bột từ các nguồn khác nhau sẽ khác nhau tùy vào thành phần hóa học (tỉ lệ amylose/amylopectin, hàm lượng nhóm phosphate…), kích thước hạt, chiều dài nhánh, sự sắp xếp trật tự các hạt... Ví dụ bắp và lúa mì có thể trương nở đến thể tích lớn gấp 30 lần thể tích hạt ban đầu mà không bị rã ra. Việc tăng khả năng trương nở hay tính tan của hạt dẫn đến việc làm tăng độ trong của huyền phù tinh bột – nước. Hiện tượng trương nở này xảy ra trước tiên ở các khe lõm của hạt tinh bột, sau đó lan rộng cả bề mặt, làm cho thể tích của chúng tăng lên nhiều lần cho đến khi hạt bị rách và trở thành cái túi không định hình, hoặc ngừng tăng thể tích, lúc đó tinh bột bắt đầu hồ hóa, nhiệt độ tương ứng lúc này để tinh bột trương nở và giải phóng các sợi amylose và amylopectin được gọi là nhiệt độ hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độ nhất định. Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một cách đáng kể. Dựa vào thuyết của Jenkins và Donald, nước đầu tiên vào vùng vô định hình trước, khi đó nó sẽ trương nở ở một mức độ nhất định, dưới tác dụng của áp lực phá vỡ, nước sẽ di chuyển từ vùng vô định hình đến vùng kết tinh. Nhiệt độ hồ hóa của hầu hết tinh bột nằm trong khoảng 60 – 800C. Thông qua độ nhớt của hồ tinh bột chúng ta có thể đánh giá được mức độ hồ hóa của hạt. Độ nhớt của hồ tinh bột Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột, 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 các phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn, khiến 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 cấu trúc phân tử tinh bột như kích thước, thể tích, và sự bất đối xứng. Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxi hóa, các hóa chất 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. Độ nhớt thay đổi liên tục trong suốt quá trình thủy phân tinh bột: giá trị sẽ tăng đến cực đại sau đó giảm dần ở giai đoạn dịch hóa và đường hóa do sự gãy của các phân tử amylose và amylopectin. Sự thay đổi này phụ thuộc vào quá trình xử lí hạt. Để xác định độ nhớt người ta thường sử dụng thiết bị phân tích độ nhớt Rapid Visco Analyser ( RVA), thông qua đó giúp cho việc điều chỉnh lực xé, nén cũng như dừng quá trình khi đã đạt độ nhớt xác định. RVA là một thiết bị thuận tiện để nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia tạo nên tính chất lưu biến của sản phẩm. Các thông số do RVA đưa ra có thể giúp dự đoán kết cấu và chất lượng sản phẩm. Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel Tinh bột sau khi hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng không gian 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 giữa các mạch amylose và amylopectin hoặc được nối gián tiếp qua phân tử nước. Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại, các phân tử amylose có thể bị tách nước và liên kết lại với nhau thông qua liên kết hydro, quá trình này gọi là quá trình thoái hóa. Trong suốt quá trình thoái hóa, các mạch xoắn amylose liên kết lại với nhau giữa 40 – 70 đơn vị glucose. Kết quả amylose sẽ tách lớp lắng xuống. Quá trình thoái hóa diễn ra mạnh trong hồ tinh bột tự nhiên giàu amylose. Hàm lượng amylose được xem là một trong những nhân tố ảnh hưởng lớn đến quá trình thoái hóa. Amylose có chiều dài mạch càng lớn thì mức độ thoái hóa càng tăng. Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó cho rã đông. Đối với tinh bột giàu amylopectin thì thường không xảy ra hiện tượng thoái hóa do cấu trúc cồng kềnh khó lại gần để kết lại với nhau. Các loại hạt khác nhau thì có mức độ thoái hóa khác nhau ví dụ như tinh bột khoai tây có mức độ thoái hoá cao hơn so với gạo, bắp, lúa mì. Do đó cần có chế độ xử lí phù hợp cho từng loại sản phẩm tinh bột cụ thể để tránh xảy ra hiện tượng thoái hóa làm ảnh hưởng đến tính chất công nghệ sản phẩm. Quá trình tạo phức giữa tinh bột và lipid Trong hạt tinh bột ngoài các thành phần chính là amylose và amylopectin còn tồn tại một lượng nhỏ khoảng 1% các chất béo như acid béo, lisophospholipids và monoacylglycerides có thể làm thay đổi đặc tính và tính chất chức năng của tinh bột. Sự tạo phức giữa tinh bột và lipid mà chủ yếu là amylose với hàm lượng khoảng 15 ¸ 45% khối lượng amylose trong hạt làm giảm khả năng hòa tan của tinh bột trong nước, thay đổi tính chất lưu biến của hồ tinh bột, giảm khả năng trương nở, tăng nhiệt độ hồ hóa, giảm độ bền vững của gel đồng thời làm giảm quá trình thoái hóa của hạt tinh bột. Phức này được ứng dụng khá phổ biến trong thực phẩm: làm giảm độ nhớt thực phẩm từ tinh bột, tăng sự ổn định khi rã đông thực phẩm lạnh đông, chất ổn định bột nhào và làm mềm trong bánh mì, thay thế chất béo và là chất tạo đặc trong thực phẩm...Các acid béo có khuynh hướng liên kết mạch xoắn của amylose và thường nằm ở cuối mạch phân tử amylose. Hình 9: Mô hình phức chất giữa amylose và hai phân tử monopalmitin (Les Copeland, 2009) Quá trình thủy phân tinh bột Giới thiệu Quá trình thủy phân là quá trình xảy ra dưới tác dụng của các phân tử nước tham gia phản ứng cắt đứt mạch các phân tử có kích thước lớn. Trước đây quá trình thủy phân tinh bột sử dụng xúc tác acid. Xúc tác này đòi hỏi nhiều năng lượng hơn cho quá trình gia nhiệt và khó khăn trong kiểm soát. Hiện nay thường sử dụng xúc tác là enzyme bởi yêu cầu giữ lại màu sắc và các thành phần trong nguyên liệu do chế độ xử lý nhẹ nhàng hơn quá trình thủy phân bằng acid. Trong hạt tinh bột, do có các vùng kết tinh nên gây khó khăn cho enzyme trong quá trình thủy phân bởi vì cấu trúc liên kết chặt chẽ nên enzyme khó xâm nhập. Hầu hết các enzyme đều đặc hiệu cho liên kết α-1,4 glycoside, nhưng để thủy phân hoàn toàn tinh bột cần phải cắt hết các liên kết α-1,6 glycoside này. Do đó có thể bổ sung các enzyme cắt đặc hiệu cho liên kết α-1,6 glycoside. Enzyme thủy phân tinh bột Enzyme chỉ thủy phân hiệu quả tinh bột khi tiếp xúc trực tiếp với phân tử tinh bột hay nói cách khác là tinh bột đã được hòa tan một phần. Một số enzym thường dùng là α-amylase, β- amylase, glucoamylase… Đa phần các enzyme đều thủy phân đặc hiệu các phân tử tinh bột. Đặc trưng của phản ứng thủy phân là sự giảm nhanh độ nhớt dung dịch và sinh ra các dextrin phân tử lượng nhỏ. Sự xâm nhập của nước, enzyme vào hạt tinh bột đầu tiên xảy ra ở vùng vô định hình. Đầu tiên emzyme tấn công vào bề mặt hạt hình thành những lỗ nhỏ, các lỗ này to dần và hình thành kênh dẫn, kênh này dẫn đến tâm hạt dẫn đến sự phá vỡ toàn bộ hạt. Các enzyme thủy phân được chia thành hai nhóm lớn là exo- và endo- enzyme. Exo- enzyme thường tác dụng vào phân tử ở vị trí đầu mạch của đầu không khử. Endo- enzyme tác động vào vị trí giữa mạch của các phân tử nên làm cho độ nhớt dung dịch gảm nhanh hơn. Hình 10: Sơ đồ phân loại các enzyme thủy phân tinh bột (Józef Synowiecki, 2007) Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết a - 1,4 glycoside Enzyme a - amylase (EC.3.2.1.1) Enzym α - amylase là protein phân tử lượng thấp, thường nằm trong khoảng 50000 đến 60000đvC. Các nhà nghiên cứu cho thấy hầu hết các chuỗi mạch axit amin của enzym α - amylase đều có cấu trúc bậc 3 tương tự nhau. Enzyme a - amylase có thể có nguồn gốc từ thực vật (mầm hạt nảy mầm), động vật (tuyến tụy của heo, bò…) hay từ vi sinh vật (vi khuẩn và nấm mốc). Trong đó nguồn cung cấp a - amylase thường sử dụng là từ vi sinh vật do có khả năng chịu nhiệt cao. Hiệu quả thủy phân cao nhất là a - amylase thu được ở tuyến tụy heo, kế đến là a - amylase từ mầm hạt nảy mầm và cuối cùng là từ vi khuẩn và nấm mốc. Enzyme a - amylase tác động chủ yếu lên liên kết a-1,4 glycoside ở vị trí giữa mạch nên làm giảm nhanh độ nhớt do đó còn được gọi là enzyme dịch hóa. Khi a - amylase tiếp xúc hạt tinh bột và tiến hành thủy phân hạt tinh bột sẽ tạo ra các sản phẩm chính là dextrin thường có từ 2 – 7 đơn vị glucose. Cách thức tác dụng của α - amylase phụ thuộc nguồn gốc enzym và bản chất của cơ chất. Một điều hay nhầm lẫn là a - amylase cắt ngẫu nhiên vào mạch tinh bột nhưng thực chất nó có tính chất cắt đặc hiệu. Tính chất cắt này phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme mà sẽ có tính đặc trưng riêng cho từng loài. pH tối ưu của α - amylase phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme. Nói chung, pH tối ưu nằm trong khoảng axit yếu 4,8 - 6,9. Tuy nhiên có một số α - amylase chịu axit cao như α - amylase từ Bacillus acidocaldarious (pH tối ưu 3,5) và chịu kiềm mạnh như α - amylase từ Bacillus licheniformis ( pH tối ưu 9,0). Sự có mặt của ion canxi cho phép cải thiện độ ổn định của enzyme đối với sự thay đổi của pH. Nhiệt độ hoạt động tối ưu của α - amylase cũng phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme. Nói chung nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 40-500C, nhưng có thể đạt tới giá trị gần 70-800C đối với α-amylase từ vi khuẩn như B. sterothermophilus, B. subtilis, B. licheniformis. Bảng 5: Các tính chất của a-amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) Enzyme b - amylase (EC.3.2.1.2) Những hiểu biết về β - amylase còn rất hạn chế. Chỉ có các enzyme có nguồn gốc thực vật được biết đến nhiều nhất. Các enzyme này được sinh tổng hợp ở trong các hạt dưới dạng tiềm ẩn, sau đó được hoạt hóa trong quá trình nảy mầm nhờ enzyme protease. Gần đây người ta tách chiết được β - amylase từ vi khuẩn như Bacillus pseudomonas, B. streptomices. Enzyme β -amylase được tạo ra từ một chuỗi mạch polypeptide duy nhất, có khối lượng phân tử 60000 đvC. Các enzym β - amylase có pH tối ưu nằm trong khoảng 5 - 6 và nhiệt độ tối ưu khoảng 500C. Tuy nhiên các β - amylase vi khuẩn thường có tính bền nhiệt hơn so với β - amylase có nguồn gốc thực vật. Bảng 6: Các tính chất của β - amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) Cơ chế tác động của β – amylase chủ yếu vào các liên kết a - 1,4 glycoside từ đầu không khử của mạch giải phóng ra chủ yếu các phân tử maltose. Tác động của enzyme sẽ ngừng lại ở chỗ sát với liên kết α - 1,6 glycoside. Amylose gần như bị thủy phân hoàn toàn trong khi đó, trong cùng điều kiện thì chỉ có 55% amylopectin được chuyển thành β - maltose. Phần còn lại của sự thủy phân amylopectin là dextrin có phân tử lượng nhỏ hơn và có chứa tất cả các liên kết α- 1,6 glycoside của phân tử ban đầu. Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết a - 1,6 glycoside Pullulanase (EC.3.2.1.41) Enzyme này có thể thủy phân các liên kết α- 1,6 glycoside của tinh bột, glycogen, pullulan và các dextrin. Điều đáng chú ý là sự định vị của liên kết α- 1,6 glycoside có ảnh hưởng lớn đến tác động của enzym. Đặc biệt sự có mặt của hai liên kết α - 1,4 glycoside nằm kề bên liên kết α- 1,6 glycoside là điều kiện cần thiết cho enzyme phân cắt liên kết này. Isoamylase (EC.3.2.1.68) Enzyme này không có khả năng thủy phân pullulan và không thể cắt đứt liên kết α- 1,6 glycoside của các phân tử chứa ít hơn ba liên kết α- 1,4 glycoside. Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết α - 1,4 glycoside và α- 1,6 glycoside Amyloglucosidase (EC.3.2.1.3) Amyloglucosidase từ nấm mốc là các protein có khối lượng phân tử dao động lớn từ 27000 đến 112000 đvC tùy thuộc vào nguồn gốc của enzym. Tính chất của amyloglucosidase phụ thuộc vào nguồn gốc của enzyme. Hoạt động tối ưu của enzyme nằm trong khoảng pH 4,5-5,5 và nhiệt độ 40-600C. Sự có mặt của các oligosaccharide trong môi trường có tác dụng ổn định enzyme. Ngược lại sự có mặt của ion canxi kìm hãm và làm biến tính enzyme. Enzyme này được xem là enzyme duy nhất có khă năng chuyển hóa hoàn toàn tinh bột thành glucose. Quá trình thủy phân tinh bột Có 3 giai đoạn trong quá trình thủy phân tinh bột: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa. Quá trình hồ hóa là quá trình các hạt trương nở kèm theo sự giải phóng các các sợi amylose và amylopectin dưới tác dụng xúc tác của a-amylase. Trong quá trình hồ hóa, độ nhớt dịch tăng dần và khi quá trình kết thúc độ nhớt dịch sẽ đạt giá trị cực đại. Sau đó các sợi amylose và amylopectin tiếp tục được giải phóng trong quá trình dịch hóa và sau đó sẽ bị cắt ngắn tạo thành các dextrin phân tử lượng nhỏ. Kết quả độ nhớt của dịch giảm xuống. Quá trình đường hóa là quá trình cắt ngắn các phân tử dextrin phân tử lượng nhỏ để tạo ra sản phẩm là các loại đường đơn giản như glucose, maltose…dưới tác dụng xúc tác của enzyme glucoamylase. Độ nhớt của dịch khi này được xem là có giá trị thấp nhất. Hình 11: Mô hình mô phỏng hình thái hạt tinh bột trong quá trình thủy phân và sự biến đổi độ nhớt. Những công ty khác nhau có phương pháp hồ hóa tinh bột khác nhau nhưng trên nguyên tắc là giống nhau. Sau đây là một ví dụ cụ thể về quy trình xử lí của một số công ty hiện nay. Hình 12: Quy trình thực hiện thủy phân tinh bột Đầu tiên tinh bột sẽ được trộn với nước theo tỉ lệ 30-40% (w/w) ở pH 6.0-6.5, 20-80 ppm Ca2+ (ổn định và hoạt hóa hoạt tính của enzyme a-amylase). Tỉ lệ này có thể thay đổi tùy loại tinh bột sử dụng (phụ thuộc vào quy trình xử lí của từng sản phẩm tinh bột). Sau đó α -amylase được bổ sung vào để thực hiện quá trình hồ hóa. Khi đó môi trường phải ở điều kiện thích hợp cho enzyme xúc tác. Thời gian lưu trong jet cooker rất ngắn, một phần tinh bột đã hồ hóa sẽ được đưa qua hệ thống ống duy trì nhiệt độ 100-1050C trong khoảng 5 phút để quá trình hồ hóa xảy ra hoàn toàn. Sau đó quá trình thủy phân tiếp tục với quá trình dịch hóa trong thùng chứa ở nhiệt độ 90-1000C và kết thúc sau 1 – 2 giờ. Cuối cùng nhiệt độ sẽ được hạ về 550C để thực hiện tiếp quá trình đường hóa, quá trình này sẽ kéo dài cho đến lúc dịch thủy phân đạt đến DE cuối theo yêu cầu. Tinh bột sau quá trình dịch hóa thường được đưa qua quá trình đường hóa nhưng một phần nhỏ có thể được sấy phun để tạo thành maltodextrin. Trong trường hợp này thì chúng ta phải ức chế enzyme bằng cách giảm pH (xuống giá trị thấp hơn giá trị tối thích của enzyme) khi kết thúc quá trình xử lý nhiệt. Sự hồ hóa tinh bột Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh nhưng có xu hướng trương nở trong nước phụ thuộc vào kiểu và thành phần cấu tạo trong hạt tinh bột. Tại nhiệt độ thường và pH trong khoảng 4 – 10, hạt tinh bột tự nhiên không tan mà chỉ hấp thụ nước khoảng 30% khối lượng của nó. Hỗn hợp thu được gọi là huyền phù tinh bột. Thật ra, ở nhiệt độ này, một số phân tử nước đã chui được vào bên trong cấu trúc của hạt tinh bột nhưng với số lượng không nhiều. Nước hấp thụ vào và làm hạt trương nở khoảng 5% thể tích. Dưới nhiệt độ hồ hóa, xảy ra quá trình hút nước và trương nở thuận nghịch. Khi được đun nóng, nhiệt năng cung cấp sẽ phá vỡ hàng loạt liên kết hydro ràng buộc các phân tử nước, giúp các phân tử nước này trở nên linh động hơn, dễ dàng tấn công vào cấu trúc micelle của hạt tinh bột, dẫn đến xảy ra quá trình hydrat hóa. Khi đó các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn và có nhiều phân tử khuếch tán vào bên trong của hạt tinh bột. Do đó, hạt tinh bột sẽ trương nở đáng kể, tăng thể tích và kích thước. Dưới tác dụng của nhiệt, một số phân tử amylose và và amylopectin phân tử lượng nhỏ sẽ khuếch tán vào môi trường xung quanh. Các phân tử tinh bột này sẽ bị hydrate hóa tạo thành các micelle nhỏ. Các micelle này và các hạt tinh bột đã trương nở sẽ kết hợp lại với nhau bằng liên kết hydro, hình thành các liên kết ba chiều mới, làm độ nhớt tăng lên. Khi nhiệt độ tăng, đường kính hạt tăng đến khi lớp ngoài của hạt bị phá vỡ, lúc này hỗn hợp đạt đỉnh nhớt. Sự gia tăng độ nhớt cuối của mẫu hồ hóa đã gia nhiệt được cho là giải phóng các sợi (chủ yếu là amylose) và đoạn nhánh (sự biến dạng) của hạt tinh bột đã trương nở. Do đó, hồ tinh bột là một dung dịch bao gồm các hạt đã trương nở lơ lửng trong nước nóng, các phân tử amylose cũng bị phân tán trong này. Những tác động qua lại trong dung dịch khi này liên quan đến liên kết hydro nội phân tử giữa các hạt tinh bột với nhau và giữa các hạt tinh bột với nước(Tako và Hizukuri, 1999). Tóm lại quá trình hồ hóa được định nghĩa là sự đứt gãy không thuận nghịch trong cấu trúc các phân tử hạt tinh bột khi được gia nhiệt với lượng nước lấy dư (Sivak và Preiss, 1998). Do đó xảy ra các hiện tượng là chuyển từ huyền phù sang dạng dung dịch keo, và từ dạng dung dịch keo chuyển sang dạng gel (Gomi và cộng sự, 1998; Chatakanonda và cộng sự, 2000) cũng như sự phá hủy cấu trúc liên kết trong mạng (Hsu và cộng sự, 2000). Vùng được hồ hóa đầu tiên là các vùng vô định hình, tại đó liên kết hydro yếu hơn những vùng có cấu trúc tinh thể, do vậy liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột ở vùng đó dễ bị phân hủy, giúp cho hiện tượng hydrat hóa dễ dàng hơn. Mặt khác, nhiệt độ cao cũng phá hủy các liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột, giúp các phân tử nước dễ dàng hydrat hóa. Trong quá trình hồ hóa, một số phân tử tinh bột bị hydrat hóa mạnh mẽ sẽ tách khỏi mạng lưới micelle, khuếch tán vào môi trường nước gây nên hiện tượng hòa tan tinh bột vào nước nóng. Thông thường, cấu trúc mạng lưới micelle không ổn định, ngoài ra kích thước của hạt cũng không ổn định, nên quá trình hồ hóa không xảy ra ở một nhiệt độ nhất định, mà dao động trong một khoảng nhiệt độ tùy vào việc cung cấp thêm năng lượng cho sự phá vỡ liên kết ở những vùng có cấu trúc chặt chẽ trong mạng lưới micelle tạo nên liên kết mới giữa tinh bột và nước. Quá trình hồ hóa các loại tinh bột thường xảy ra ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ sôi của nước. Nếu sau khi hồ hóa xong mà quá trình gia nhiệt vẫn kéo dài cho đến nhiệt độ sôi, thì năng lượng được cung cấp thừa do gia nhiệt lại tiếp tục phá hủy liên kết hydro vừa mới tạo ra giữa phân tử nước và các nhóm -OH của tinh bột, làm cho kết cấu của tinh bột đã hồ hóa trở nên lỏng lẻo, giảm độ nhớt và độ dẻo của hồ tinh bột. Nhiệt độ hồ hóa của các nguồn tinh bột khác nhau thì khác nhau. Tinh bột khoai mì có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng 58.5 – 700C, so với 56 – 660C ở khoai tây và 62 – 720C ở tinh bột bắp. Các dẫn xuất của tinh bột được tạo ra nhờ các liên kết ngang hay khi thêm các chất có hoạt tính bề mặt có thể làm thay đổi nhiệt độ hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa cũng ảnh hưởng đến chất lượng nấu của tinh bột, nhiệt độ hồ hóa thấp thường có chất lượng nấu thấp do tinh bột dễ bị phá vỡ. Nồng độ huyền phù tinh bột, tốc độ đun nóng, độ ẩm ban đầu của tinh bột đều có ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa. Khi tăng nồng độ huyền phù tinh bột thì nhiệt độ hồ hóa giảm. Nhiệt độ hồ hóa phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt tinh bột, kích thước hạt nhỏ thì có nhiệt độ hồ hóa cao hơn so với tinh bột chứa hạt có kích thước lớn. Như vậy nhiệt độ hồ hóa và khả năng hồ hóa của một loại tinh bột nào đó sẽ phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của mạng lưới micelle trong hạt tinh bột, cấu trúc này được đặc trưng bởi hình dáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ giữa amylose và amylopectin, mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh amylopectin. Ngoài ra nhiệt độ hồ hóa còn phụ thuộc vào tính chất lý hóa của chất khuếch tán và môi trường khuếch tán. Biliaderis và Tonogai (1991) nghiên cứu những ảnh hưởng khi các hạt tinh bột liên kết với lipid vào những đặc tính nhiệt, nhớt, dẻo của gel tinh bột và nhận thấy việc thêm các lysophospholipid làm giảm enthalpy hồ hóa của tinh bột cùng với sự gia tăng về nhiệt độ tại điểm chuyển đổi amylose – lipid xảy ra. Nguyên nhân là do các lipid tạo phức với amylose trên bề mặt hạt do đó ngăn cản sự xâm nhập các phân tử nước và hạt tinh bột làm hạn chế quá trình trương nở của hạt. Garcia, V. và cộng sự (1997) đã nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc của hạt tinh bột sau khi gia nhiệt trong nước với hàm lượng nước khác nhau. Hình ảnh hiển vi quang học cho thấy hạt khi bị gia nhiệt dưới nhiệt độ bắt đầu hấp thu nhiệt (To) không làm ảnh hưởng đến hạt. Sau khi gia nhiệt đến các nhiệt độ khác nhau, hình ảnh hiển vi quang học cho thấy, tương ứng với hàm lượng nước khác nhau trong suốt quá trình, có 4 hình thái riêng biệt trong tập hợp hạt: hạt nguyên, hạt bị mất một phần tính lưỡng chiết, hạt không có tính lưỡng chiết nhưng còn dạng hình cầu và hạt không còn nguyên vẹn. Sự thay đổi càng rõ ràng khi thực hiện quá trình gia nhiệt với hàm lượng nước và nhiệt độ cao hơn. Hình 13: Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ Ở đây chúng ta cần phân biệt sự hồ hóa và quá trình hydrat hóa của hạt tinh bột. Quá trình hydrat hóa là quá trình hạt tinh bột hút nước làm hạt trương nở dẫn đến tăng độ nhớt của hỗn hợp, còn sự hồ hóa chỉ mức độ hấp thu nước tối đa làm hạt trương nở cực đại dẫn đến độ nhớt đạt cực đại. Mức độ trương nở sẽ phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của hạt. Cấu trúc phân tử bên trong càng cứng, nhiệt độ cho quá trình hồ hóa càng cao. Trong quá trình hồ hóa chúng ta cần quan tâm tới hiện tượng hồ tinh bột sau khi gia nhiệt và được làm nguội, các phân tử amylose sẽ tách ra, tái kết hợp và hợp nhất với các hạt tinh bột đã trương nở theo một cấu trúc có thứ tự làm cho độ nhớt tăng lên (Lai và cộng sự, 2000). Hiện tượng này được xem như là quá trình kết tinh hoặc tái kết tinh (nghĩa là sự hình thành và sự kết hợp của hai đoạn xoắn ốc) của amylose (Seow và cộng sự, 1996). Dịch hóa và đường hóa Sau giai đoạn hồ hóa hạt tinh bột trương nở nhưng vẫn còn nguyên vẹn. Khi ta tiếp tục gia nhiệt hỗn hợp, sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử tinh bột trong hỗn hợp dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ làm cho liên kết giữa các phân tử tinh bột với nhau, giữa tinh bột với nước trở nên lỏng lẻo. Kết quả là các phân tử amylose và amylopectin được giải phóng từ dạng “liên kết” trong cấu trúc hạt tinh bột sang dạng “tự do”. Quá trình này được gọi là quá trình dịch hóa. Sản phẩm tạo thành của quá đường hóa là maltodextrin, các oligosacarit, đường glucose, maltose và maltotriose. Lúc này tinh bột trở nên “hòa tan” trong nước, độ nhớt của hỗn hợp giảm đi đáng kể. Quá trình này được thực hiện dưới sự có mặt của enzyme α-amylase và b-amylase hình thành các phân tử có chiều dài mạch ngắn hơn. Enzyme này có thể có trong bản thân hạt tinh bột hay được bổ sung từ ngoài vào. Tiếp theo enzyme glucose-amylase sẽ được bổ sung vào để tiến hành thủy phân hoàn toàn các phân tử mạch ngắn để hình thành đường glucose. Tùy theo loại sản phẩm mong muốn quá trình chuyển hóa này có thể được xúc tác bởi một hay kết hợp nhiều enzyme. Khi sử dụng enzym amiloglucosidase sẽ cho ra các sản phẩm giàu glucose. Còn thủy phân bằng một hỗn hợp các enzym β - amylase và pululanase thì cho sản phẩm giàu maltose (90%). Để tách riêng hai quá trình dịch hóa và đường hóa thì cần sử dụng những điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu để tăng hoạt độ của enzym cũng như để cơ chất có trạng thái hòa tan tốt. Sóng siêu âm Định nghĩa Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số lớn hơn tần số giới hạn trên ngưỡng nghe của người bình thường, tức là có tần số lớn hơn 20 kHz. Sóng siêu âm có những đặc tính của sóng âm như phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa và có thể lan truyền trong môi trường khí, rắn, lỏng. Phân loại Dựa vào tần số, sóng siêu âm được chia làm 3 loại: Siêu âm tần số thấp (siêu âm năng lượng cao) (20 – 100 kHz): khi đó có sự hình thành và vỡ ra của các bong bóng khí có kích thước lớn sẽ làm cho nhiệt độ và áp suất tăng cao. Do đó có khả năng làm thay đổi tính chất hóa lý của nguyên liệu. Vì vậy được sử dụng để phá vỡ tế bào hay làm bền hệ nhũ tương. Ngày nay siêu âm tần số thấp được ứng dụng trong điều khiển quá trình kết tinh, loại khí khỏi thực phẩm dạng lỏng, vô hoạt enzyme, tăng hiệu quả quá trình trích ly cũng như tăng tốc độ các phản ứng hóa học (Knorr và cộng sự 2004, McClements 1995, Roberts 1993, Zheng và Sun 2006). Siêu âm tần số cao (siêu âm năng lượng thấp) (100kHz-2MHz): khi tần số cao, kích thước các bong bóng khí khá nhỏ nên quá trình sủi bọt diễn ra nhẹ nhàng hơn. Do đó không làm thay đổi những tính chất hóa lý của nguyên liệu nên được thường được dùng trong phân tích, đặc biệt trong phân tích thực phẩm nhằm xác định tính chất hóa lý của thực phẩm cũng như thành phần cấu trúc và trạng thái vật lý của thực phẩm (Fellows 2000, Jayasooriya và cộng sự 2004, Knorr và cộng sự 2004, McClements 1995). So với các phương pháp phân tích truyền thống với tác dụng tương tự thì việc áp dụng sóng siêu âm đem lại hiệu quả nhanh và chính xác hơn. Siêu âm chẩn đoán (5-10MHz): lúc này không còn hiện tượng sủi bong bóng và cơ chế chính của siêu âm trong khoảng tần số này là dòng âm thanh, dùng để đo hệ số tốc độ và hấp thụ của sóng trong môi trường, dùng trong y học, phân tích hóa học. Phần lớn, những nghiên cứu về sóng siêu âm trong thực phẩm thường giới hạn trong khoảng 20 -40kHz (thuộc vùng tần số thấp, năng lượng cao). Hình 14: Các mức tần số của sóng âm Các thông số cần xác định trong quá trình xử lí bằng sóng siêu âm Ba thông số thường được xác định trong các thí nghiệm siêu âm là vận tốc siêu âm, hệ số suy giảm và âm trở. Những thông số này liên quan tới tính chất vật lý của thực phẩm như thành phần, cấu trúc và trạng thái vật lý (McClements, D.J., 1995) Vận tốc siêu âm Vận tốc (c) sóng siêu âm di chuyển qua nguyên liệu phụ thuộc vào module đàn hồi (E) và tỷ trọng (r) của nó: Module sử dụng ở phép toán trên phụ thuộc vào loại nguyên liệu là khí, lỏng hay rắn, và có sóng nén hay sóng cắt tác động (Hình 1.13). Module đàn hồi và tỷ trọng của nguyên liệu phụ thuộc cấu trúc, thành phần và trạng thái vật lý của nó, do đó vận tốc siêu âm có thể sử dụng để cung cấp thông tin cho các tính chất này. Vận tốc siêu âm của một nguyên liệu có thể được xác định bằng một trong hai cách: hoặc đo chiều dài bước sóng của sóng siêu âm tại một tần số f đã biết c = lf, hay đo thời gian t cần để sóng di chuyển qua một khoảng cách xác định d từ đó tính được c = d/t. Hệ số suy giảm Hệ số suy giảm (α) là phép đo độ giảm biên độ của sóng siêu âm khi nó di chuyển qua nguyên liệu. Những nguyên nhân chính của sự suy giảm là sự hấp phụ và sự phân tán. Sự hấp phụ được tạo nên do cơ chế vật lý biến đổi năng lượng tích trữ được khi siêu âm thành nhiệt, ví dụ như độ nhớt lỏng, sự dẫn nhiệt và giảm khối lượng phân tử. Sự phân tán xuất hiện trong nguyên liệu không đồng nhất, như nhũ tương, huyền phù và bọt, khi sóng siêu âm tác động gián đoạn và được phân tán có hướng khác với sóng tới. Khác với trường hợp hấp phụ, năng lượng vẫn được tích trữ khi siêu âm, nhưng không nhận ra được do sự lan truyền có hướng và pha của nó thay đổi. Phép đo sự hấp phụ và phân tán của sóng siêu âm cung cấp thông tin về tính chất hóa lý của nguyên liệu thực phẩm, bao gồm nồng độ, độ nhớt, độ giảm khối lượng phân tử và cấu trúc vi mô. Hệ số suy giảm của nguyên liệu được biểu thị bằng neper trên mét (Npm-1) và được định nghĩa bằng phép toán sau: Trong đó Ao là biên độ ban đầu của sóng, và x là khoảng cách di chuyển. Hệ số suy giảm được xác định bằng cách đo sự phụ thuộc của biên độ sóng siêu âm vào khoảng cách và “điều chỉnh” phép đo vào công thức trên. Hệ số suy giảm thường được biểu thị bằng decibel trên mét (dBm-1), với 1Np = 8.686 dB Âm trở Khi sóng siêu âm tới bề mặt chung giữa hai nguyên liệu khác nhau, nó bị phản xạ một phần và truyền qua một phần. Tỷ lệ của biên độ của sóng phản xạ (Ar) với sóng tới (Ai) được gọi là hệ số phản xạ (R). Với sóng phẳng thường đến biên phẳng: Trong đó, Z là âm trở (tương đương với rc), và ký hiệu “1” và “2” chỉ hai nguyên liệu khác nhau. Rất ít sóng siêu âm phản xạ từ bề mặt của nguyên liệu có âm trở giống xung quanh. Ngược lại, tỷ lệ phần trăm lớn sóng siêu âm bị phản xạ khi hai nguyên liệu có âm trở rất khác nhau. Giống với vận tốc siêu âm và hệ số suy giảm, âm trở là một chỉ tiêu vật lý cơ bản, phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc vi mô của nguyên liệu. Do đó âm trở có thể được sử dụng để cung cấp các giá trị này của thực phẩm. Cơ chế tác động của sóng siêu âm Cơ chế xâm thực khí Tác động cơ sở của sóng siêu âm lên một môi trường lỏng liên tục là do tác động của một áp suất âm thanh (Pa) và một áp suất thủy tĩnh sẵn có trong môi trường. Áp suất âm thanh là sóng dạng sin, phụ thuộc vào thời gian (t), tần số (f) và biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) (Muthukumaran và cộng sự, 2006): Biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) tỷ lệ thuận với năng lượng đầu vào của nguồn phát siêu âm (transducer). Ở cường độ (biên độ) thấp, sóng áp suất tạo ra sự chuyển động và trộn lẫn bên trong chất lỏng, được gọi là dòng âm thanh (acoustic streaming). Ở cường độ cao hơn, áp suất cục bộ trong pha giãn nở của chu kỳ rơi xuống dưới áp suất hơi của dung dịch, hình thành nên những bong bóng nhỏ (là sự hình thành những bong bóng khí bên trong chất lỏng). Tới một khoảng kích thước tới hạn, sự dao động của các bong bóng sẽ tương ứng với một khoảng tần số sử dụng của sóng âm do đó sẽ làm cho bong bóng nổ. Mô tả hiện tượng Sóng siêu âm, giống như các sóng âm khác, bao gồm các chu kỳ nén và giãn. Các chu kỳ nén tác động một áp suất dương lên chất lỏng, đẩy các phân tử chất lỏng lại gần nhau, các chu kỳ giãn tác động một áp suất âm, kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau. Trong suốt chu kỳ giãn, sóng siêu âm có cường độ đủ lớn có thể tạo ra các bong bóng. Các phân tử chất lỏng được liên kết với nhau nhờ lực hấp dẫn, do đó để một bong bóng hình thành, sóng âm phải tạo ra một áp suất âm trong chu kỳ giãn lớn hơn các lực hấp dẫn của chất lỏng. Lượng áp suất âm tạo ra còn phụ thuộc vào: Loại chất lỏng: lực liên kết giữa các phân tử càng chặt chẽ thì áp suất âm cần tạo ra càng lớn và ngược lại khi lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng lỏng lẽo thì áp suất âm chỉ cần đạt một giá trị nhỏ. Độ tinh khiết của chất lỏng: đối với các chất lỏng tinh khiết, sức mạnh liên kết của chất lỏng quá lớn đến nỗi sóng siêu âm không tạo ra được áp suất âm đủ lớn để hình thành bong bóng. Đối với chất lỏng không tinh khiết, sức mạnh liên kết của chất lỏng bị giảm do các khí được bẫy vào trong các rãnh của các phần tử rắn nhỏ. Khi một rãnh đầy khí bị tác động bởi một áp suất âm, lúc này áp suất trong rãnh khí giảm, làm cho khí trong rãnh được kéo giãn ra cho đến khi một bong bóng nhỏ được hình thành trong dung dịch. Hầu hết các chất lỏng đều chứa đủ các phần tử nhỏ để tạo điều kiện cho sự sủi bong bóng. Khi bong bóng được hình thành nó sẽ tiếp tục hấp thụ năng lượng từ các chu kỳ nén và giãn dưới tác động của sóng siêu âm. Điều này làm cho các bong bóng tiếp tục lớn lên. Khi các bong bóng phát triển đạt đến một kích thước tới hạn, nó không có khả năng hấp thụ năng lượng từ sóng siêu âm nữa. Do đó khi không có năng lượng vào, các bong bóng không chịu được áp suất bên trong và cuối cùng bong bóng nổ tung tạo ra sự cân bằng động giữa áp suất bên trong và bên ngoài chất lỏng (Suslick, 1989). Hiện tượng này gọi là hiện tượng sủi bong bóng (hay còn gọi là hiện tượng xâm thực khí – cavitation). Đây cũng là tác động quan trọng nhất của sóng siêu âm năng lượng cao. Thông qua hiện tượng này, năng lượng cơ học của sóng siêu âm được biến đổi và truyền qua dung dịch lỏng. (Suslick, 1988; Laborde, 1998). Hình 15: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bọt khí trong môi trường lỏng (Mason, 1998) Phân loại quá trình sủi bong bóng Sủi bọt khí ổn định(stable cavitation): đó là sự sủi bọt khí từ sóng siêu âm có mức năng lượng thấp tạo ra những bọt khí có kích thước nhỏ và ít thay đổi trong suốt các chu trình nén và giãn nở. Sủi bọt khí nhất thời(transient cavitation): đối với sóng siêu âm có mức năng lượng cao, kích thước của những bọt khí thay đổi rất lớn. Diện tích bề mặt của bọt khí tăng trong suốt chu trình giãn nở. Vì vậy sự thoát khi cũng tăng theo. Kết quả là kích thước của bọt khí tăng lên sau mỗi chu trình. Sau nhiều chu trình nén và giãn nỡ, bọt khí sẽ đạt kích thước giới hạn mà năng lượng âm không còn khả năng giữ pha hơi ở bên trong. Đến chu trình nén tiếp theo, hơi bất chợt ngưng tụ và những bọt khí sẽ vỡ. Những phân tử xung quanh bọt khí va chạm nhau một cách mãnh liệt, tạo ra những vùng có nhiệt độ và áp suất cao lên đến 5500oC và 50MPa. Trong suốt quá trình siêu âm, sự sủi bọt khí ổn định có thể trở thành sự sủi bọt khí nhất thời hay chúng cũng có thể đồng thời xảy ra (Atchley và Crum,1988). Các yếu tố ảnh hưởng Tần số: tần số tỷ lệ nghịch với kích thước bong bóng. Do đó, siêu âm có tần số nhỏ sẽ tạo ra các bong bóng lớn, khi đó hiện tượng sủi bong bóng diễn ra mạnh mẽ. Ngược lại khi tần số gia tăng, khu vực sủi bọt bong bóng trở nên ít dữ dội hơn và khi tần số nằm trong giá trị MHz thì không còn quan sát được hiện tượng sủi bọt bong bóng nữa và cơ chế chính là dòng âm thanh (acoustic streaming). Cường độ: siêu âm cường độ cao có thể làm giãn bong bóng quá nhanh trong suốt chu kỳ áp suất âm do đó làm cho bong bóng không có cơ hội co rút trong chu kỳ áp suất dương. Ngược lại khi cường độ siêu âm nhỏ hơn thì số lần bong bóng giãn ra và nén lại sẽ tăng lên. Do đó thời gian xử lí sẽ dài hơn. Biên độ dao động: khi biên độ dao động tăng thì số lượng bong bóng khí cũng tăng lên do đó cũng góp phần làm tăng cường hiện tượng sủi bọt khí. Áp suất: áp suất thủy tĩnh cao có thể chống lại sự khuếch tán khí ra khỏi bọt khí, làm giảm sự sủi bọt khí. Do đó sự gia tăng áp suất ngoài (được điều khiển bằng áp suất đối) sẽ làm tăng ngưỡng của sự vỡ bọt khí và giảm lượng bọt khí tạo thành. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất ngoài lại làm tăng áp suất bên trong những bọt khí khi chúng vỡ ra, kết quả là sự vỡ bọt khí sẽ diễn ra nhanh hơn và mạnh mẽ hơn. Do đó sự gia tăng áp suất đối là một phương pháp làm gia tăng hiệu quả của quá trình xử lý với sóng siêu âm thay vì thay đổi biên độ dao động. Nhiệt độ: nhiệt độ tăng sẽ làm gia tăng số lượng bọt khí tạo thành, tuy nhiên cường độ sự vỡ bọt khí sẽ bị giảm do ảnh hưởng của áp suất hơi tăng lên và đóng vai trò như lớp đệm, ngăn cản sự va chạm của các phân tử xung quanh khi bọt khí vỡ. Ngược lại, sự vỡ bọt khí sẽ khó khăn khi nhiệt độ giảm, vì độ nhớt môi trường tăng cao. Sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm giảm độ nhớt, quá trình vỡ bọt khí diễn ra mạnh mẽ hơn. Do đó, nhiệt độ phải được điều chỉnh sao cho độ nhớt đủ thấp để làm gia tăng độ mạnh của sự vỡ bọt khí, tuy nhiên nhiệt độ cũng không quá cao để không làm giảm độ mạnh của sự vỡ bọt khí bởi áp suất hơi cao. Khuếch tán chỉnh lưu Trong nhiều trường hợp, sự phân phối kích thước các bong bóng là thông số chủ chốt để kiểm tra tác động âm học. Quá trình khuếch tán chỉnh lưu biểu hiện bằng sự không ổn định của khí hòa tan trong dung dịch và khí vào bong bóng để làm tăng bán kính của nó trong trường siêu âm. Do đó, nếu không có sóng siêu âm hay bất kỳ một cơ chế ổn định nào, các bong bóng sẽ hòa tan dần dần (Gupta và Kumar, 1983). Vì vậy cơ chế ổn định thích hợp là: khi cân bằng, thành bong bóng bị lõm, do đó áp suất phụ thuộc sức căng bề mặt giúp cho việc ổn định các bong bóng khí và chống lại sự hòa tan của chúng. Sự khuếch tán chỉnh lưu trực tiếp từ bên trong xoay chuyển thông qua việc bơm khí hòa tan ban đầu trong chất lỏng vào trong bong bóng, sử dụng năng lượng siêu âm. Có hai yếu tố đóng góp vào quá trình này: tác động diện tích và tác động vỏ. Tác động diện tích: là do sự tương ứng giữa phương dòng chảy và diện tích thành bong bóng. Khi bán kính bong bóng nhỏ hơn bán kinh cân bằng, khí bên trong có áp suất cao hơn giá trị cân bằng, do đó khuếch tán ra ngoài chất lỏng. Ngược lại, khi bán kính bong bóng cao hơn nhiều so với bán kính cân bằng, áp suất khí bên trong thấp hơn giá trị cân bằng nên khí khuếch tán từ chất lỏng vào bong bóng. Tuy nhiên, tốc độ dòng chảy thực của khí không cân bằng trong suốt pha nén và pha giãn của sự dịch chuyển bong bóng do diện tích thành bong bóng (bề mặt tương tác trao đổi) của trường hợp sau cao hơn trường hợp đầu. Do đó, theo thời gian sẽ có sự tràn khí vào trong chất lỏng. Tác động vỏ: xuất hiện do tốc độ khuếch tán khí trong chất lỏng tỉ lệ với gradient nồng độ khí hòa tan. Khi bong bóng dao động, vỏ hình cầu của chất lỏng bao quanh bong bóng sẽ thay đổi thể tích nên gradient nồng độ sẽ thay đổi theo. Xét bong bóng ở điều kiện cân bằng với hai lớp vỏ bao quanh nó. Khi bong bóng giãn ra, mỗi lớp vỏ chất lỏng sẽ co lại. Nồng độ khí hòa tan trong chất lỏng sát bong bóng nhỏ hơn giá trị cân bằng (Định luật Henry) nhưng vỏ mỏng hơn so với bong bóng ở bán kính cân bằng dẫn đến gradient giữa hai bên vỏ sẽ cao hơn. Do đó tốc độ khuếch tán khí đi vào và đi ra khỏi bong bóng cao. Khi bong bóng co lại, lớp vỏ chất lỏng xung quanh bong bóng sẽ giãn ra mặc dù nồng độ của khí gần thành bong bóng cao hơn so với khi bong bóng giãn (theo định luật Henry) nhưng độ dày gia tăng của thành bong bóng có nghĩa là gradient nồng độ thấp hơn so với khi bong bóng giãn ra. Hai yếu tố này (nồng độ khí ở thành bong bóng và độ dày vỏ) kết hợp với nhau khi bong bóng giãn ra, nhưng chống lại nhau khi bong bóng co lại. Kết quả là cả diện tích bề mặt thành bong bóng và tốc độ khuếch tán khí hòa tan đều bất đối xứng về phương diện giãn ra và co lại: tác động diện tích và tác động vỏ tăng cường lẫn nhau. Tác động kết hợp có nghĩa là trong suốt quá trình sủi bong bóng phi tuyến trong trường siêu âm vừa cường độ vừa đủ, bán kính cân bằng mà ở đó bong bóng dao động sẽ có khuynh hướng tăng lên (Eller và Flynn, 1965; Eller, 1972; Crum, 1984; Church, 1988a,b). Sự khuếch tán chỉnh lưu của nhiệt có thể xảy ra, trong đó sự dao động của bong bóng gây nên sự hình thành vi phân nhiệt dựa vào gradient tồn tại trong môi trường không có siêu âm (Wang, 1974). Áp suất âm học ngưỡng của sự lớn lên phụ thuộc vào kích thước bong bóng và tần số âm học. Ngưỡng áp suất âm học đạt mức tối thiểu cục bộ ở cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng điều hòa dưới nước (Church, 1988a). Tốc độ lớn lên tại thời điểm ngưỡng bị vượt quá do ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự hiện diện của tác nhân hoạt động bề mặt và vi dòng, tác động lên việc vận chuyển khí ra khỏi thành bong bóng (Church, 1988b). Tác động của vi dòng đơn giản về mặt định tính. Khi bong bóng lớn lên nhờ khuếch tán chỉnh lưu, khí hòa tan được lấy từ chất lỏng gần bong bóng. Nếu không có dòng chảy, tốc độ thiếu hụt phụ thuộc vào tốc độ ở đó khí hòa tan có thể khuếch tán từ những vùng xa bong bóng. Do đây là một quá trình chậm, chất lỏng bên ngoài thành bong bóng sẽ bị tháo kiệt khí hòa tan. Sự thay đổi về gradient nồng độ làm giảm tốc độ lớn lên nhiều hơn. Tuy nhiên, các dòng chảy vi dòng có khuynh hướng đem chất lỏng từ xa đến gần thành bong bóng. Sự đối lưu của khí hòa tan làm giảm sự tháo kiệt khí và làm tăng tốc độ lớn lên. Vi dòng sẽ nạp liên tục chất lỏng ở thành bong bóng, cung cấp cho nó một nồng độ khí hòa tan gần với những vùng xa bong bóng. Hiện tượng đối lưu thích hợp: nếu một bong bóng đang hòa tan, vi dòng sẽ có khuynh hướng dịch chuyển từ những vùng bên ngoài thành bong bóng. Do đó, nồng độ khí hòa tan dư làm tăng tốc độ hòa tan. Ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm Bảng 7: Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Patist, Bates, 2008) Ứng dụng Cơ chế Lợi ích Trích ly Tăng quá trình truyền khối, giải phóng các thành phần có trong tế bào Làm tăng năng suất và hiệu quả trích ly Nhũ hóa Sự vỡ những bọt khí sẽ giúp cho 2 pha không tan lẫn vào nhau được trộn lẫn vào nhau hiệu quả hơn Sự hình thành hệ nhũ hiệu quả hơn Kết tinh Tạo mầm và điểu chỉnh sự hình thành tinh thể Hình thành những tinh thể nhỏ Lọc Làm nhiễu loạn lớp biên Gia tăng tốc độ dòng chảy, giảm tắc nghẽn Thay đổi độ nhớt Thay đổi cấu trúc thuận nghịch hoặc không thuận nghịch, dẫn đến sự hình thành liên kết ngang hoặc tái cấu trúc lại Làm gia tăng bản chất của các quá trình, giảm phụ gia Phá bọt Áp suất âm sẽ làm vỡ những bọt khí Tăng năng suất, làm giảm hoặc loại bỏ những chất hóa học chống tạo bọt Ép đùn Dao động cơ học, giảm ma sát Tăng năng suất Vô hoạt enzyme và VSV Tăng quá trình truyền nhiệt cũng như lực trượt. Sự vỡ những bọt khí sẽ ảnh hưởng lên thành tế bào VSV Vô hoạt enzyme ở nhiệt độ thấp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm Lên men Tăng quá trình truyền cơ chất, kích thích các quá trình sống Tăng sản lượng của chất chuyển hóa, tăng tốc độ quá trình lên men Truyền nhiệt Tăng quá trình truyền nhiệt do sự vỡ bọt khí Tăng tốc quá trình truyền nhiệt, làm lạnh, sấy ở nhiệt độ thấp. Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình thủy phân tinh bột Dưới tác động của sóng siêu âm các hạt tinh bột sẽ trương nở, phá vỡ hạt, giải phóng ra các sợi amylose và amylopectin, sau đó các sợi này tiếp tục bị cắt ngắn mạch để giải phóng ra các dextrin và cuối cùng là các đường đơn giản như maltose và glucose... Các phản ứng này phụ thuộc vào nguyên liệu, thiết bị sử dụng cũng như điều kiện phản ứng (liên tục hay gián đoạn). Đối với nguyên liệu ngoài yếu tố quan trọng nhất là tỉ lệ amylose / amylopectin hay nói cách khác là tỉ lệ vùng kết tinh / vùng vô định hình thì nồng độ mẫu cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí của sóng siêu âm. Loại máy phát siêu âm ( bể siêu âm hay thanh siêu âm), cường độ và thời gian siêu âm là những yếu tố liên quan đến thiết bị. Thông qua việc khảo sát các thông số này chúng ta có thể xác định được hiệu suất cũng như giúp cho việc điều chỉnh quá trình tối ưu hơn để đưa vào ứng dụng trong thực tiễn. Các thông số tác động đến quá trình Yếu tố thiết bị Hiện nay có hai loại thiết bị được sử dụng để phát siêu âm là bể siêu âm và thanh siêu âm. Bể siêu âm thường được sử dụng với cường độ chiếu nhỏ hơn do diện tích phát siêu âm lớn hơn thông qua thành thiết bị so với thanh siêu âm. Mặc dù vậy thanh siêu lại cho tác dụng cao hơn do việc lan truyền của sóng cao nên dễ dàng va chạm và tác động vào hạt hơn. Từ đó làm hạt trương nở và bị phá hủy nhiều hơn. Đối với các thiết bị giống nhau thông quá việc điều chỉnh cường độ chiếu hay thời gian chiếu cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lí nếu sự thay đổi này được xem là đáng kể. Khuynh hướng chung hiện nay với cường độ siêu âm càng lớn, thời gian chiếu càng dài, mức độ thủy phân sẽ càng nhiều. Đối với các thí nghiệm chỉ yêu cầu hạt trương nở thì việc tăng cường độ cũng như thời gian chiếu sẽ không cho hiệu suất tối đa, còn với yêu cầu phá vỡ hạt mức độ phá vỡ sẽ tăng tỉ lệ với cường độ và thời gian chiếu sóng siêu âm. Nhưng để đạt được hiệu quả năng lượng cao thì chúng ta cần khảo sát thông qua thực nghiệm để tìm được thông số tối ưu nhất để hiệu suất phản ứng cao nhất đồng thời năng lượng sử dụng là thấp nhất. Bởi vì trong quá trình phá vỡ sẽ làm cho độ nhớt dịch tăng lên đến một lúc nào đó khi độ nhớt quá cao sóng siêu âm không thể gây ra được các rung động cho các sợi để tiếp tục phá vỡ nó nữa thì hiệu suất phản ứng sẽ tăng chậm lại hay gần như là không tăng. Nhiệt độ quá trình xử lí cũng có thể được điều chỉnh. Nhiệt độ càng cao gây ra các chuyển động nhiệt hỗn loạn cùng với tác động gây rung động của sóng siêu âm càng làm hạt dễ dàng bị phá vỡ hơn. Chúng ta sẽ cùng khảo sát sự thay đổi các thông số này đối với từng quá trình cụ thể khi tinh bột bị thủy phân. Đầu tiên dưới tác động của cơ chế khuyết tán chỉnh lưu các phân tử nước chuyển động và xâm nhập vào bên trong hạt. Khi đó chúng sẽ liên kết với các sợi trong hạt thông qua các liên kết hydro làm hạt tăng thể tích hay nói cách khác hạt bị trương nở. Đồng thời lúc đó nước cũng lôi kéo các sợi amylose và amylopectin ra bên ngoài làm cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ. Kết quả làm giảm kích thước hạt nếu thời gian xử lí dài, cường độ chiếu lớn thì hạt không còn nguyên vẹn nữa mà sẽ bị rã ra. Khi đó độ nhớt của dịch tăng lên và việc giải phóng ra các sợi này sẽ làm tăng khả năng hòa tan so với dạng nguyên hạt ban đầu. Ivana Ljubić Herceg (2010) đã tiến hành thí nghiệm với tinh bột bắp nồng độ 10% với sự thay đổi thiết bị chiếu là thanh siêu âm với cường độ 2 W.cm-2 và bể siêu âm với cường độ 34 W.cm-2 trong cùng khoảng thời gian là 15 phút. Kết quả cho thấy hình thái hạt sẽ thay đổi tùy thuộc vào thiết bị sử dụng. Cụ thể khi sử dụng bể siêu âm các hạt có khuynh hướng kết lại nên không có sự thay đổi đáng kể kích thước hạt và chỉ chủ yếu giảm ở một lượng nhỏ những hạt chưa bị kết lại còn khi sử dụng thanh siêu âm kích thước hạt giảm tương đối nhiều hơn. Bên cạnh đó Ivana Ljubić Herceg cũng tiến hành khảo sát sự thay đổi cường độ chiếu trong trường hợp sử dụng thanh siêu âm với cường độ thay đổi 34, 55 và 73 W.cm-2 trong cùng thời gian là 15 phút. Theo lý thuyết cường độ xử lí càng lớn kích thước hạt càng giảm nhiều hơn. Nhưng thực chất dưới tác động của sóng siêu âm bên cạnh việc phá vỡ hạt nó cũng tác động vào các phân tử nước tạo ra các gốc tự do là H+ và OH-. Các gốc tự do sau đó sẽ thoát ra ngoài và có khuynh hướng kết hợp với các phân tử hòa tan khác. Do đó khi cường độ cao hơn mức độ giới hạn các gốc tự do càng nhiều nên các hạt dễ dàng liên kết với nhau thông qua các gốc tự do này dẫn đến kích thước hạt tăng lên và các hạt sẽ kết lại với nhau nhiều hơn. Hình 17: Hình ảnh SEM với cường độ chiếu (a) 34 W.cm-2 (b) 55 W.cm-2 (c) 73 W.cm-2 (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Tương tự khi thay đổi thời gian chiếu kích thước hạt cũng sẽ thay đổi. Đối với cường độ chiếu vừa phải thì khi thời gian chiếu tăng kích thước hạt sẽ giảm theo thời gian. Nhưng trong trường hợp cường độ chiếu cao tương tự như phần giải thích trên kích thước hạt có khuynh hướng ngược lại là tăng lên và kết lại với nhau. Chúng ta có thể quan sát trong các hình ảnh được chụp bằng SEM. Hình 18: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 34 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Hình 19: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 73 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Wenjian Cheng (2010) cũng tiến hành thí nghiệm và cho kết quả tương tự. Điều kiện thí nghiệm được điều chỉnh với các bước thời gian khác nhau và cường độ chiếu là 74 W.cm-2. Hình: Hình thái hạt tinh bột sau quá trình chiếu sóng siêu âm trong thời gian (a) 0 phút, (b) 2.5 phút, (c) 5 phút, (d) 10 phút, (e) 15 phút dưới kính hiển vi quang học có độ phóng đại là 100. (Wenjian Cheng, 2010) Nhận xét: trước khi xử lí sóng siêu âm hạt gần như còn nguyên vẹn. Sau 15 phút xử lí tất cả các hạt biến mất. Dưới tác động của sóng siêu âm (tác động cơ học và nhiệt độ) là phá vỡ liên kết ngang giữa các polymer (chủ yếu là amylose và amylopectin). Khi đó các hạt rã ra hoàn toàn. Khi hạt bị phá vỡ và giải phóng các sợi độ nhớt hạt và độ hòa tan tăng dần do sự tăng hàm lượng các chất hòa tan. Thời gian chiếu càng dài, cường độ càng lớn, hạt bị phá hủy càng nhiều thì độ nhớt và độ hòa tan càng tăng. Các số liệu cụ thể về độ nhớt và chỉ số hòa tan cho trong bảng sau: Bảng 8:Độ nhớt và chỉ số hòa tan hạt tinh bột với sự thay đổi các thông số về thiết bị khi hạt trương nở và bị phá vỡ (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Thiết bị chiếu Cường độ chiếu (W.cm-2) Thời gian chiếu (phút) Độ nhớt (BU) Chỉ số hòa tan (%) - - 15 30 657 658 0.04 0.03 Bể siêu âm 2 2 15 30 679 851 3.01 3.29 Thanh siêu âm 34 34 15 30 1129 1158 3.86 4.02 Thanh siêu âm 55 55 15 30 1452 1187 5.07 5.28 Thanh siêu âm 73 73 15 30 1080 1346 5.85 6.45 Nhận xét: chỉ số hòa tan tăng tương ứng với sực tăng cường độ và thời gian chiếu. Độ nhớt cũng tăng khi cường độ và thời gian chiếu tăng nhưng khi cường độ đạt đên một giá trị nào đó các sợi sẽ bị cắt ngắn mạch do đó làm độ nhớt giảm và nhưng khi số lượng các phân tử mạch ngắn nhiều hơn thì độ nhớt cũng tăng lên theo. Cũng tương tự với các kết quả trên thanh siêu âm đem lại hiệu quả cao hơn so với bể siêu âm. Hệ quả đi kèm với việc chiếu sóng siêu âm là sự tăng nhiệt độ mẫu. Cường độ chiếu càng lớn, thời gian càng dài nhiệt độ mẫu càng cao. Do đó đây cũng là một tác nhân góp phần tăng hiệu suất quá trình thủy phân. Số liệu cụ thể được trình bày trong bảng sau: Bảng 9: Nhiệt độ huyền phù tinh bột sau quá trình xử lí bằng sóng siêu âm (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Thiết bị chiếu Cường độ chiếu (W.cm-2) Thời gian chiếu (phút) Nhiệt độ mẫu sau chiếu siêu âm (0C) - - 15 30 18.1 18.1 Bể siêu âm 2 2 15 30 20.3 21.4 Thanh siêu âm 34 34 15 30 40.2 50 Thanh siêu âm 55 55 15 30 37.2 42.2 Thanh siêu âm 73 73 15 30 49.4 56.4 Tương tự Qiang Huang (2007) cũng tiến hành thí nghiệm khảo sát thời gian xử lí tác động như thế nào đến mức độ thủy phân với nguyên liệu tinh bột bắp độ ẩm 13.5%. Kết quả cho được cũng tương tự như Ivana Ljubić Herceg khi thời gian xử lí tăng mức độ thủy phân hay phá vỡ các hạt cũng tăng. Trong thí nghiệp thời gian sẽ được điều khiển trong khoảng từ 0 – 15 phút với khoảng thời gian thay đổi ngắn hơn thí nghiệm trên. Do đó sẽ giúp chúng ta dự đoán kết quả chính xác hơn. Bảng 10: Sự thay đổi mức độ thủy phân theo thời gian (Qiang Huang, 2007) Thời gian (phút) Mức độ thủy phân (%) 0 0 3 3.1 6 7.8 9 15.7 12 17.6 15 18.4 Nhận xét: mức độ thủy phân tăng nhanh khi thời gian xử lí bằng sóng siêu âm tăng từ 3 – 9 phút. Sóng siêu âm có thể ảnh hưởng đến vùng vô định hình trong thời gian 3 – 9 phút trong khi đó vùng kết tinh không dễ dàng bị ảnh hưởng. Từ 9 – 15 phút quá trình thủy phân các vùng kết tinh xảy ra chủ yếu. Do có các vùng này có cấu trúc khá chặt chẽ nên mức độ thủy phân trong khoảng thời gian này tăng khá chậm. Khi hạt chưa bị thủy phân, bề mặt hạt trơn láng nhưng khi hạt bị thủy phân trên bề mặt hạt bắt đầu xuất hiện các lỗ nhỏ trên bề mặt. Các lỗ to và nhiều hơn khi mức độ thủy phân tăng lên. Các lỗ này phân phối đều nhau và có hình dạng như tổ ong. Hình 20: SEM của hạt tương ứng mức độ thủy phân 0 , 3.1, 18.4% (Qiang Huang, 2007) Wenjian Cheng (2010) cũng tiến hành thí nghiệm với mục đích tương tự. Tinh bột bắp với thành phần hóa học carbonhydrate 99.05%, proteins 0.24%, chất béo 0.45%, tro 0.12% và tỉ lệ amylose là 28%. Huyền phù tinh bột với nồng độ 3%, 5%, 7%, 10% đầu tiên sẽ hồ hóa trước ở 900C trong 30 phút và tốc độ khuấy là 100 rpm. Sau đó được làm nguội xuống 600C và tiến hành chiếu sóng siêu âm trong các khoảng thời gian khác nhau 0, 2.5, 5, 10, 15 và 30 phút ở nhiệt độ là 60 ± 30C với máy phát siêu âm có tần số 20kHz và đầu phát ra âm thanh có đường kính cuối là 0.6 cm, năng lượng được cài đặt ở 74 W/cm2. Mẫu đem chiếu sóng siêu âm được đặt trong bể điều nhiệt để tránh sự tăng nhiệt. Hình 21: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ nhớt biểu kiến với sự thay đổi nồng độ dịch tinh bột (Wenjian Cheng, 2010) Nhận xét: kết quả cho thấy độ nhớt biểu kiến giảm nhanh đối với các nồng độ khác nhau của hồ tinh bột sau 15 phút. Sau đó độ nhớt giảm chậm và nếu thời gian kéo dài thì độ nhớt không giảm nữa. Và sau 30 phút xử lí độ nhớt của dịch ở các nồng độ khác nhau gần như xấp xỉ nhau và đạt giá trị khá thấp dao động trong khoảng lân cận 10 mPa.s. Hình 22: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ hòa tan (Wenjian Cheng, 2010) Nhận xét: với quá trình xử lí sóng siêu âm kéo dài, độ hòa tan của dịch tăng nhanh là do sự gãy vỡ các liên kết của các hạt làm tăng độ linh động của các mạch polymer. Sau 30 phút xử lí độ hòa tan gần như đạt 100% đối với các dịch có nồng độ khác nhau.. Khi hạt đã bị phá vỡ và cắt mạch tạo thành các dextrin phân tử lượng nhỏ hơn, nếu chúng ta tiếp tục quá trình xử lí thì trong hạt sẽ xảy ra tiếp quá trình đường hóa tạo thành các sản phẩm đường đơn giản. Quá trình này được điều khiển qua sự khảo sát hàm lượng đường khử được giải phóng. Nghiên cứu khác tiến hành với nguyên liệu là tinh bột khoai mì với các chế độ xử lí khác. Các mẫu tinh bột thu được trước và sau khi nấu được xử lý siêu âm trong 20 – 40s ở biên độ dao động từ 180 to 299μmpp, sau đó đem xử lý enzyme (α-amylase và glucoamylase). Kết quả SEM cho thấy các mẫu siêu âm có tốc độ tạo ra đường khử tăng 3 lần so với các mẫu kiểm chứng. (Nitayavardhana, 2008) Hình 23: Hình ảnh SEM của hồ tinh bột khoai mì (a) mẫu kiểm chứng, (b) năng lượng thấp (20s), (c) năng lượng thấp (40s), (d) năng lượng cao (20s), (e) năng lượng cao (40s) (Nitayavardhana, 2008) Lượng đường khử tăng tỉ lệ thuận với năng lượng và thời gian siêu âm (có thể tăng đến 180% so với mẫu không siêu âm). Các mẫu hồ tinh bột được bổ sung enzyme trong suốt quá trình siêu âm cho lượng đường khử cao hơn các mẫu cho enzyme vào sau siêu âm. Nhiệt tỏa ra trong suốt quá trình siêu âm nếu thấp hơn nhiệt độ hồ hóa tinh bột sẽ không làm tăng lượng đường khử (Nitayavardhana). Hình 24: Lượng đường khử và nhiệt độ gia tăng ở những điều kiện siêu âm khác nhau (Nitayavardhana, 2008) Nhận xét : kết quả cho thấy hàm lượng đường khử tăng nhờ siêu âm tỉ lệ thuận với năng lượng và thời gian siêu âm. Hàm lượng đường khử cao nhất là 51 và 46g/100g mẫu thu được khi enzyme cho vào sau siêu âm 40s và enzyme cho vào trước siêu âm 40s, tương ứng, ở mức năng lượng cao. Yếu tố nguyên liệu Các loại nguyên liệu khác nhau thì có tỉ lệ vùng kết tinh / vùng vô định hình khác nhau. Vùng kết tinh liên quan đến hàm lượng amylose được liên kết lại với nhau tạo thành một mạng lưới chặt chẽ còn vùng vô định hình liên quan đến hàm lượng amylopectin ở dạng sợi tự do có cấu trúc mạch dài, cồng kềnh khó tiến gần với nhau để tạo liên kết nên các vùng vô định hình này sẽ bị sóng siêu âm tác động dễ dàng hơn. Nồng độ tinh bột cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí của sóng siêu âm. Tinh bột có nồng độ càng cao thì độ nhớt càng lớn giải thích tương tự như trên kết quả làm giảm hiệu suất phản ứng. Do đó khi xử lí chúng ta cũng cần khảo sát để tìm ra nồng độ tối ưu nhất để hiệu suất phản ứng là cực đại. Trước hết chúng ta sẽ đi vào xem xét đối với các loại hạt khác nhau thì độ hòa tan của hạt sẽ biến đổi như thế nào theo thời gian xử lí. Những nghiên cứu tinh bột khác như khoai tây, khoai mì, khoai lang, tinh bột bắp của Yasuo Iida (2007) cũng cho kết quả tương tự như tinh bột bắp hay khoai mì được khảo sát ở phần trên. Kết quả được tóm tắt trong các bảng kết quả sau với nồng độ tinh bột là 5%. Bảng 11: Sự thay đổi độ hòa tan của các loại hạt tinh bột khác nhau theo thời gian (Yasuo Iida, 2007) Mẫu Thời gian chiếu (phút) Mức độ hòa tan (%) Bắp nếp % amylopectin » 100% 0 1 5 0.004 0.115 0.161 Khoai tây % amylopectin » 78% 0 1 5 0.084 0.63 0.71 Khoai mì % amylopectin » 83% Đường kính hạt 0 1 5 0.13 0.806 0.843 Khoai lang % amylopectin » 90% 0 1 5 0.01 0.021 0.037 Bảng 12: Sự thay đổi độ nhớt của một số loại tinh bột bởi sóng siêu âm trong 30s (Yasuo Iida, 2007) Mẫu Độ nhớt (mPa.s) 60 °C 50 °C 40 °C 30 °C 20 °C Bắp nếp 254 300 372 440 586 Khoai tây 528 782 2100 3110 5410 Khoai mì 574 900 1420 2110 3200 Khoai lang 656 760 912 1140 1310 Nhận xét: khi chiếu sóng siêu âm độ nhớt của các dịch từ các nguồn khác nhau đều có khuynh hướng giảm. Nhiệt độ chiếu càng cao độ nhớt của dịch càng giảm. Mặt khác nồng độ cũng là một yếu tố tác động khác lớn đến hiệu suất phản ứng. Ở nồng độ tinh bột cao (20-33.3% chất khô), hồ tinh bột có thể hóa lỏng nhờ siêu âm. Độ nhớt tinh bột ở nồng độ vừa phải (5-10%) có thể giảm thấp hơn 100 mPas nhờ siêu âm trong 30s. (Yasuo Iida, 2008) Hình 25: Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột lên sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ (Yasuo Iida, 2008) Nhận xét: độ nhớt dịch giảm đáng kể khi siêu âm 30 phút dung dịch tinh bột bắp nếp 5% và 10% trong khoảng nhiệt độ 20 – 600C. Sau 30 phút xử lí siêu âm độ nhớt của mẫu ở hai nồng độ gần như xấp xỉ nhau. Hình 26: Lượng đường khử của các mẫu siêu âm ở mức năng lượng cao trong vòng 30s ở các nồng độ chất khô khác nhau.( Saoharit Nitayavardhana, 2008) Nhận xét : hàm lượng đường khử là 9.7, 14.4 và 22g/100g mẫu ứng với nồng độ 5%, 15% và 25%. Ở nồng độ cao hơn, nhiều hạt được xử lý siêu âm hơn, mở cấu trúc thành tế bào và giải phóng ra nhiều hạt tinh bột hơn cho enzyme thủy phân tạo thành đường sau này. Xét về khía cạnh cân bằng năng lượng, hiệu suất cao nhất thu được ở mức nồng độ 25%. Hiệu suất -64.0%, 59.0%, và 323.0% đạt được ở 5%, 15% và 25%TS, tương ứng. Kết quả này tương ứng với lượng đường khử tạo ra. Khi một nhà máy có quy mô lớn vận hành ở 25-33.3% chất khô, sự kết hợp sóng siêu âm có thể làm tăng đáng kể hiệu quả kinh tế. Hình 27 : Hiệu quả chiếu sóng siêu âm cường lực cao với nồng độ chất khô khác nhau ( Saoharit Nitayavardhana, 2008) Melissa Montalbo-Lomboy (2010) cũng thu được kết quả tương tự qua đồ thị sau : Hình 28: Hàm lượng đường khử sau 3h đường hóa với các chế độ xử lí bằng sóng siêu âm khác nhau trong trường hợp xử lí liên tục so sánh với mẫu đối chứng là đường chấm gạch ngang. (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Nhận xét: quá trình xử lí bằng sóng siêu âm làm tăng cường quá trình đường hóa hồ tinh bột. Hiệu suất xử lí bằng sóng siêu âm tăng từ 40 – 330% so vớ mẫu đối chứng. Hàm lượng đường khử cũng tăng theo năng lượng và thời gian chiếu sóng siêu âm. Thời gian xử lí càng dài, năng lượng sóng càng lớn thì hàm lượng đường giải phóng ra càng nhiều. Trong trường hợp thời gian xử lí 40s hàm lượng đường khử giải phóng ra trong trường hợp năng lượng trung bình và cao gần như xấp xỉ nhau. Do đó tại điểm xử lí năng lượng trung bình, thời gian 40s được xem như là điều kiện tối ưu nên khi tăng năng lượng hay thời gian xử lí thì hàm lượng đường khử không tăng nữa. Và điểm này cũng xem là điểm mà tại đó quá trình đường hóa xảy ra với hiệu suất cao nhất. Hiện tượng này có thể lí giải là do với năng lượng tác động cao sẽ làm vô hoạt gây ức chế hoạt động của enzyme do đó làm giảm hiệu suất phản ứng. Yếu tố điều kiện phản ứng Chúng ta có thể tiến hành phản ứng trong điều kiện liên tục hay gián đoạn. Trong công nghiệp phương pháp liên tục được sử dụng khác phổ biến do đem lại hiệu quả năng lượng cao hơn phương pháp gián đoạn. Ngoài ra trình tự xử lí mẫu bằng sóng siêu âm và bổ sung enzyme cũng tác động đến hiệu suất phản ứng thủy phân. Thông thường sóng siêu âm tác động vào enzyme theo hai hướng: thứ nhất đối với các enzyme trong nguyên liệu sóng siêu âm có tác dụng phá vỡ hạt giải phóng enzyme ra bên ngoài nên làm tăng hoạt lực của enzyme điều này cũng tương tự như enzyme cố định. Thứ hai đối với enzyme bổ sung ở dạng tự do do chúng có bản chất là protein nên các mạch polypeptide của chúng sẽ bị sóng siêu âm tác động gây phá vỡ mạch làm biến tính enzyme dẫn đến hoạt tính enzyme giảm. Vì vậy tùy thuộc nguồn enzyme sử dụng mà chúng ta có chế độ bổ sung khác nhau chẳng hạn với enzyme tự do thường được bổ sung sau khi đã chiếu sóng siêu âm để tránh làm giảm hoạt tính enzyme. Hình 29: Sơ đồ hệ thống thiết bị chiếu siêu âm liên tục (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Melissa Montalbo-Lomboy đã khảo sát sự thay đổi điều kiện thí nghiệm đối với kích thước hạt. Kết quả cho thấy kích thước hạt cũng tăng khi được chiếu sóng siêu âm trong đó phương pháp liên tục là có hiệu quả cao hơn. Tương tự đối với hàm lượng đường khử. Mật độ năng lượng của phương pháp liên tục chỉ dao động trong khoảng nhỏ từ 4 – 14 kJ/L trong khi phương pháp gián đoạn thay đổi từ 87 – 260 kJ/L. Khi mật độ năng lượng tăng sẽ dẫn đến sự tăng hàm lượng đường khử giải phóng ra. Hiệu suất cao nhất của hàm lượng đường khử trong phương pháp liên tục 30.2g/L tương ứng với mật độ năng lượng là 12.6 kJ/L và phương pháp gián đoạn là 61.6 g/L tương ứng với mât độ là 227.4 kJ/L. Phương pháp gián đoạn cho hiệu suất cao hơn gấp 2 lần so với phương pháp liên tục nhưng lại tiêu tốn năng lượng gấp 18 lần. Hiệu suất thu đường khử thấp nhất ở phương pháp liên tục là 18.1 g/L với năng lượng sử dụng là 4.9 kJ/L trong khi đó phương pháp gián đoạn phải tiêu tốn một lượng năng lượng 87.7 kJ để thu hàm lượng đường khử tương đương ( 20.8 g/L). Do đó phương pháp liên tục được xem là có hiệu quả năng lượng cao hơn so với phương pháp gián đoạn và đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Hình 30: Ảnh hưởng của mật độ năng lượng của sóng siêu âm đên kích thước phân tử (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Hình 31: Hàm lượng đường khử và mật độ năng lượng đấu vào của phương pháp liên tục và gián đoạn (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Trong quá trình đường hóa việc bổ sung enzyme có thể thực hiện theo 2 chế độ sau: bổ sung trước khi chiếu sóng siêu âm (SD) hay bổ sung sau khi chiếu (SA). Qua tiến hành các thí nghiệm, Saoharit Nitayavardhana thấy rằng mẫu trong trường hợp năng lượng sóng siêu âm ở mức trung bình, hiệu suất giải phóng đường khử khi bổ sung enzyme trước sẽ cao hơn nhưng khi năng lượng tăng hàm lượng đường khử giải phóng ra giảm xuống do tác động mạnh của sóng siêu âm sẽ làm vô hoạt một phần enzyme. Do đó tùy thuộc và nguồn enzyme, loại tinh bột,… mà có chế độ xử lí cho phù hợp tránh làm vô hoạt hoạt tính enzyme. Hình 32: Ảnh hưởng của chế độ bổ sung enzyme đối với hàm lượng đường khử (Saoharit Nitayavardhana) Thông thường quá trình xử lí bằng sóng siêu âm tiến hành sau khi hạt đã hồ hóa vì khi đó mẫu ở trạng thái dịch nên sóng siêu âm tác động dễ dàng và đồng đều hơn. Bên cạnh đó sau khi hạt đã được hồ hóa trước thì quá trình xử lí bằng sóng siêu âm sẽ nhẹ nhàng hơn cụ thể cường độ chiếu sẽ thấp hơn và thời gian chiếu có thể ngắn đi. Hệ quả sẽ hạn chế được sự vô hoạt enzyme sử dụng trong quá trình thủy phân. Hình 33: Biểu đồ mô tả quá trình xử hạt tinh bột có sử dụng sóng siêu âm (Yasuo Iida, 2007) Ứng dụng của sóng siêu âm trong quá trình đường hóa Do sóng siêu âm làm tăng hiệu suất thu đường khử do đó được ứng dụng trong các quá trình lên men sản xuất cồn, rượu, bia… với cơ chất là glucose từ các nguồn thực vật khác nhau. Việc sử dụng sóng siêu âm còn có tác dụng tăng cường diện tích tiếp xúc giữa cơ chất và enzyme do đó làm tăng cường hiệu suất phản ứng đem lại giá trị kinh tế cao. Và hiện nay phương pháp này đã được ứng dụng trong việc sản xuất cồn sinh học với mục đích thay thế cho các loại nhiên liệu hóa thạch. Ngoài mục đích giảm giá thành do các nhiên liệu hóa thành có giá thành ngày càng tăng thì cồn sinh học còn có ưu điểm là thân thiện môi trường do giảm đi hiện tượng khí nhà kính do việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch sinh ra. Hiện nay các loại bao bì sinh học ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để thay thế các loại bao bì nhựa truyền thống trước đây. Tinh bột được xem là một trong những nguyên liệu thay thế đầy triển vọng để sản xuất các loại bao bì sinh học này do các đặc tính sau: giá thành nguyên liệu rẻ, thân thiện môi trường do có khả năng tự phân hủy, tính chắn sáng cao so với màng bao nhựa và có nguồn cung cấp khá dồi dào . Để chuyển từ tinh bột thành các lớp màng bao bì có nhiều phương pháp thực hiện như là nguyên liệu được đùn ra từ máy ép đùn và được thổi tạo hình hay nguyên liệu được hồ hóa trước và tiến hành tạo khuôn sau đó được nhúng vào nước hay phun nước lên bề mặt và tiếp tục quá trình sấy khô. Đối với màng thực hiện bằng quy trình ép đùn có tính dẻo thấp và kém bền với nhiệt hơn so với phương pháp tạo khuôn. Do đó phương pháp tạo khuôn hiện nay vẫn còn là phương pháp chủ yếu được sử dụng sản xuất bao bì không độc và có thể ăn được với nồng độ tinh bột không quá cao hoặc quá thấp, thường lấy 6%. Vấn đề được đặt ra đối với màng bao đó là lớp màng này phải đồng nhất, bề mặt trơn nhẵn, và phải có cấu trúc chặt chẽ do đó tinh bột sử dụng phải hoàn toàn tan trong nước hay trong dung môi đem sử dụng. Mặc dù tinh bột tự nhiên có tính ưa nước cao nhưng rất khó để nó hòa tan hoàn tan trong nước do kích thước các phân tử khá lớn và liên kết chặt chẽ giữa các phân tử gây ức chế sự xâm nhập của phân tử nước. Do đó để tinh bột hòa tan hoàn toàn trong nước thì chỉ sử dụng nồng độ thấp và phải cung cấp một lượng nhiệt lớn (trên 1000C) nên sẽ không mang tính kinh tế cao. Vì vậy kĩ thuật siêu âm đã được sử dụng trong quá trình sản xuất này. Kết quả độ nhớt của dịch hồ tinh bột tăng, tăng khả năng hòa tan và độ trong. Nguyên nhân là do sóng siêu âm làm tăng sự linh động của các phân tử tinh bột do đó làm hạt dễ dàng bị phá vỡ và hình thành nên dung dịch đồng nhất. So sánh với phương pháp hòa tan tinh bột truyền thống thì phương pháp này có chi phí thấp hơn và hiệu quả tác động cao hơn. Quá trình xử lí sóng siêu âm thích hợp hơn cho phương pháp tạo khuôn và có thể thực hiện được ngay cả trong điều kiện nồng độ tinh bột cao. Việc xử lí này làm cho màng bao đạt được những tính chất tốt hơn như cải thiện độ trong, tăng khả năng chống thấm và tăng độ bền của màng bao. Bên cạnh đó còn tồn tại một nhược điểm là sự gãy vỡ của màng khi chiếu sóng siêu âm nhưng nó có thể được khắc phục bằng cách thêm vào chất dẻo hóa như glycerol để tăng cường liên kết do đó làm tăng độ bền của màng bao. Kết luận Việc ứng dụng sóng siêu âm để hỗ trợ quá trình thủy phân tinh bột tuy còn khá mới mẻ nhưng ứng dụng này vẫn nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và bước đầu đạt được một số thành tựu đáng lưu ý. Nếu kết hợp siêu âm - enzyme được đem vào thực tế sản xuất sẽ làm tăng tính kinh tế cho các nhà máy sản xuất do tác dụng làm giảm thời gian dịch hóa, đường hóa, lên men, giảm lượng enzyme sử dụng, tăng đáng kể hàm lượng glucose giải phóng ra và giảm bớt một vài quá trình sản xuất dẫn đến làm giảm chi phí sản xuất, tăng lợi nhuận. Như vậy, những điểm nổi bật trong quá trình xử lý siêu âm hiện nay là: Không sử dụng hóa chất hay phụ gia. Đơn giản, nhanh chóng và có ý nghĩa về mặt kinh tế. Không có biến đổi lớn về cấu trúc hóa học, đặc biệt về đặc tính của tinh bột. Nước ta là một nước nông nghiệp do đó có nguồn tinh bột khá dồi dào nhưng nền công nghiệp sản xuất thực phẩm vẫn còn thực hiện bằng thủ công là chủ yếu. Vì vậy việc áp dụng các biện pháp kĩ thuật hiện đại như siêu âm chẳng hạn sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm nói riêng và ngành công nghiệp nói chung. Từ đó sẽ làm thay đổi nền kinh tế nước ta từ xuấ khẩu các sản phẩm thô là chính sang xuất khẩu các sả phẩm góp phần đem lại lợi nhuận kinh tế cao và nâng cao đời sống nhân dân. Tài liệu tham khảo Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Xương, Nguyễn Xích Liên, Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn, NXB Khoa học và kĩ thuật, 2005 Lê Ngọc Tú (chủ biên), Hóa sinh công nghiệp, NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội, 2000. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Bùi Đức Hợi, Hóa học thực phẩm, NXB Khoa học và kĩ thuật, 1994. Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo quản và chế biến lương thực, NXB Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, 2007. Anet Rez ˇek Jambrak , Zoran Herceg , Drago Šubaric ´, Jurislav Babic ´, Mladen Brnc ˇic ´, Suzana Rimac Brnc ˇic ´, Tomislav Bosiljkov, Domagoj, Branko Tripalo, Jurica Gelo, Ultrasound effect on physical properties of corn starch, Carbohydrate Polymers 79 (2010) 91–100 C. Aparicio, P. Resa, L. Elvira, A.D. Molina-García, M. Martino, P.D. Sanz, Assessment of starch gelatinization by ultrasonic and calorimetric techniques, Journal of Food Engineering 94 (2009) 295–299 Farid Chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan, Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction, Ultrasonics Sonochemistry 18 (2011) 813–835 J. García-Álvarez, J. Salazar, C.M. Rosell, Ultrasonic study of wheat flour properties, Ultrasonics 51 (2011) 223–228 John F. Robyt, Starch: Structure,Properties, Chemistry and Enzymology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2008) 1438 – 1468 Jozef Synowiecki, The use of starch processing enzymes in the food industry, J. Polaina and A.P. MacCabe (eds.), Industrial Enzymes, 19–34, 2007 Springer. Les Copeland, Jaroslav Blazek, Hayfa Salman, Mary Chiming Tang, Form and functionality of starch, Food Hydrocolloids 23 (2009) 1527–1534. Melissa Montalbo-Lomboy,Samir Kumar Khanal, J. (Hans) van Leeuwen, D. Raj Raman, Larson Dunn Jr, David Grewell, Ultrasonic pretreatment of corn slurry for saccharification: A comparison of batch and continuous systems, Ultrasonics Sonochemistry 17 (2010) 939–946 Narpinder Singh*, Jaspreet Singh, Lovedeep Kaur, Navdeep Singh Sodhi, Balmeet Singh Gill, Morphological, Thermal and rheological properties of starches from different botanical sources, Food Chemistry 81 (2003) 219–231 Qiang Huang, Lin Li, Xiong Fu, Ultrasound Effects on the Structure and Chemical Reactivity of Cornstarch Granules, Starch/Stärke 59 (2007) 371–378 Samir Kumar Khanal, Melissa Montalbo, J. (Hans) van Leeuwen, Gowrishankar Srinivasan, David Grewell , Ultrasound Enhanced Glucose Release From Corn in Ethanol Plants, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 98, No. 5, December 1, 2007 Saoharit Nitayavardhana, Sudip Kumar Rakshit, David Grewell, J. (Hans) van Leeuwen, Samir Kumar Khanal, Ultrasound Pretreatment of Cassava Chip Slurry to Enhance Sugar Release for Subsequent Ethanol Production, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 101, No. 3, October 15, 2008 Wenjian Chenga, Jianchu Chena, Donghong Liua, Xingqian Yea,∗, Fansheng Keb, Impact of ultrasonic treatment on properties of starch film-forming dispersion and the resulting films, Carbohydrate Polymers 81 (2010) 707–711 Wenxia Gao, Xiaoqing Lin, Xiepeng Lin, Jinchang Ding, Xiaobo Huang, HuayueWu, Preparation of nano-sized flake carboxymethyl cassava starch under ultrasonic irradiation, Carbohydrate Polymers 84 (2011) 1413–1418 Yasuo Iida , Toru Tuziuti, Kyuichi Yasui, Atsuya Towata, Teruyuki Kozuka, Control of viscosity in starch and polysaccharide solutions with ultrasound after gelatinization, Innovative Food Science and Emerging Technologies 9 (2008) 140–146