Tinh bột oxy hóa có ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều ngành thực phẩm và phi thực phẩm hiện nay. Trong báo cáo này, nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ Sodium chloride (0,5; 0,75; 1,0; 2,0; 3,0 và 5,0%) lên cấu trúc và tính chất hóa lý của tinh bột sắn biến tính bằng kĩ thuật điện phân. Đồng thời, mức độ oxy hóa (hàm lượng carbonyl/carboxyl), màu sắc tinh bột sau biến tính, độ trương nở, khả năng hòa tan, độ trong, độ nhớt và quan sát hình thái, cấu trúc hạt thông qua SEM, FTIR, X-ray được khảo sát.
Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ SODIUM CHLORIDE LÊN SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT HĨA LÝ CỦA TINH BỘT SẮN BIẾN TÍNH BẰNG KỸ THUẬT ĐIỆN PHÂN Mạch Ngọc Xuân Trà*, Hồng Ngọc Tân, Ngơ Thị Hồng Son Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: khanhson96@gmail.com TĨM TẮT Tinh bột oxy hóa có ứng dụng rộng rãi đa dạng nhiều ngành thực phẩm phi thực phẩm Trong báo cáo này, nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ Sodium chloride (0,5; 0,75; 1,0; 2,0; 3,0 5,0%) lên cấu trúc tính chất hóa lý tinh bột sắn biến tính kĩ thuật điện phân Đồng thời, mức độ oxy hóa (hàm lượng carbonyl/carboxyl), màu sắc tinh bột sau biến tính, độ trương nở, khả hịa tan, độ trong, độ nhớt quan sát hình thái, cấu trúc hạt thông qua SEM, FTIR, X-ray khảo sát Tại nồng độ NaCl 2,0; 3,0 5,0% giá trị hàm lượng carbonyl/carboxyl có xu hướng bão hòa Giá trị hệ số L dùng để mô tả độ trắng tinh bột với độ độ hòa tan mẫu tinh bột oxy hóa cao so với tinh bột sắn tự nhiên Trong độ trương nở, nhiệt độ hồ hóa, lại có xu hướng giảm so với tinh bột gốc tăng nồng độ NaCl xử lý Kết nghiên cứu cho thấy giá trị độ nhớt khối lượng phân tử trung bình giảm tinh bột bị oxy hóa Từ khóa: Tinh bột oxy hóa, hàm lượng carbonyl/carboxyl, SEM, FTIR, XRD INFLUENCE OF SODIUM CHLORIDE CONCENTRATIONS ON PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF CASSAVA STARCH OXIDIZED BY ELECTROLYSIS Mach Ngoc Xuan Tra*, Hoang Ngoc Tan, Ngo Thi Hong Son Ho Chi Minh City University of Technology and Education *Corresponding Author: khanhson96@gmail.com ABSTRACT Oxidized starches are widely and widely used in many food and nonfood industries today In this report, study on the effect of Sodium chloride concentrations (0.5, 0.75, 1.0, 2.0, 3.0 and 5.0%) on the structure and physicochemical properties of Cassava starch modified by electrolysis At the same time, oxidation levels (carbonyl/carboxyl content), starch color after denaturation, swelling, solubility, clarity, viscosity and morphological observation, FTIR, X-ray surveyed The carboxyl group and carbonyl content in the oxidation starch increased as the concentration of NaCl increased At a concentration of NaCl 2.0; 3.0 and 5.0%, the values for carbonyl/carboxyl content tend to be saturated The coefficient L is used to describe the whiteness of the starch together with the clarity and solubility of the oxidized starch sample compared to natural cassava starch While the swelling, the gelatinization temperature tends to decrease compared to the original starch when the treated NaCl concentration increases The results also showed that the viscosity value as well as the average molecular weight decreased when the starch was oxidized Keywords: Oxidized starch, carbonyl/carboxyl content, SEM, FTIR, XRD 210 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 TỔNG QUAN Tinh bột thành phần ngũ cốc, rễ củ chẳng hạn sắn, khoai tây… Trong ngành công nghệ thực phẩm, tinh bột sử dụng phổ biến đa dạng, ngun liệu bánh mì, loại mì ống, bổ sung vào nước sốt, súp sữa, bánh kẹo… Giấy, dệt may, dược phẩm, sinh học, vi sinh, vật liệu xây dựng ngành cơng nghiệp phi thực phẩm phổ biến có sử dụng tinh bột vào sản phẩm Dù ứng dụng rộng rãi thực phẩm ngành công nghiệp khác, tính chất tinh bột tự nhiên không đáp ứng đủ yêu cầu mặt kỹ thuật sản xuất cơng nghiệp Do đó, nhà khoa học thực phẩm không ngừng nỗ lực việc điều chỉnh thuộc tính tinh bột tự nhiên cho phù hợp với đặc tính kỹ thuật loại sản phẩm Trong tinh bột oxy hóa biết đến với tính chất quan trọng độ nhớt thấp, độ tính ổn định cao, tính chất tạo màng tính kết dính tốt Trước đây, có nhiều phương pháp tạo tinh bột oxy hóa sử dụng hypochlorite, hyderogen peroxide, permanganat, dicromat nhiên mức độ sử dụng hợp chất phản ứng thấp để thay đổi tính chất tinh bột (Cui, 2005) Do nghiên cứu này, phương pháp tạo tinh bột oxy hóa sử dụng kỹ thuật điện phân lựa chọn số ưu điểm rẻ tiền, độ ổn định q trình cao, dễ kiểm sóa t, sản xuất liên tục Trong nghiên cứu này, nước điện phân sử dụng để biến tính tinh bột Nguyên lý trình điện phân sử dụng dòng điện đầu điện cực để thúc đẩy phản ứng xảy Các ion tích điện âm clorua (Cl-) hydroxit (OH-) dung dịch muối chuyển Kỷ yếu khoa học sang cực dương electron trở thành khí oxy (O2), khí clo (Cl2), ion hypoclorit (OCl-), axit hypochlorous (HClO) axit clohydric (HCl), ion tích điện dương H+ Na+ di chuyển đến cực âm để lấy electron trở thành khí hydro (H2) natri hydroxit (NaOH) (Hsu, 2005) Có hai loại nước điện phân sử dụng, tùy theo yêu cầu: Nước điện phân có tính acid (AEW) nước điện phân trung tính (NEW) VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu Nguyên liệu: Tinh bột sắn công ty GOODPRICE VIET NAM sử dụng nghiên cứu Nguồn gốc nguyên liệu: Việt Nam, đảm bảo yêu cầu tiêu hóa lý theo TCVN 10546:2014 Hóa chất: Sodium hydroxide (NaOH, Trung Quốc); Hydrochloric acid (HCl, Trung Quốc); Potassium hydroxide (KOH, Trung Quốc); Hydroxylamine hydrochloride (HONH2.HCl, Trung Quốc); Sodium chloride (NaCl, Trung Quốc) Phương pháp nghiên cứu Oxy hóa tinh bột kỹ thuật điện phân Q trình oxy hóa tinh bột kĩ thuật điện phân thực bể nước hình trụ trịn với kích thước (d= 12cm) Hai điện cực chế tạo kim loại Titan (Ti) phủ lớp hợp chất trơ gồm số oxit RuO2, IrO2, TiO2 để chống ăn mịn điện hóa Tinh bột sắn thơ (400g, khối lượng khô) muối NaCl (0,5; 0,75; 1,0; 2,0; 3,0 5,0%) bổ sung vào bể với lít nước cất để tạo hệ huyền phù 10% (w/v) Điện cực Ti2O nhúng chìm huyền phù, 211 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 khoảng cách hai điện cực 10cm, nguồn điện cố định mức điện áp 10V cường độ dòng điện 3A Phản ứng thực nhiệt độ phòng (30oC) thời gian Trong trình phản ứng, huyền phù tinh bột đảo trộn liên tục khuấy từ Kết thúc phản ứng, điều chỉnh pH mức pH = 7,0 HCl 1M Sau mẫu tinh bột rửa lần với nước cất ly tâm 2300 × g 10 phút, thu lấy phần tinh bột lắng sấy khô tủ sấy 48h nhiệt độ 50oC Các mẫu tinh bột CN0, CN0.5, CN0.75, CN1, CN2, CN3, CN5 tinh bột tự nhiên mẫu tinh bột xử lý theo nồng độ muối NaCl (0,5; 0,75; 1,0; 2,0; 3.0 5,0%) Hàm lượng Carbonyl Carboxyl Hàm lượng Carbonyl có tinh bột xác định dựa theo phương pháp Smith (1967) hàm lượng Carboxyl hình thành q trình biến tính tinh bột xác định dựa theo mơ tả Chattopadhyay et al (1997) Độ hịa tan (SI) độ trương nở (SP) Độ hòa tan độ trương nở xác định theo phương pháp Leach, McCowen Schoch (1959) Độ Độ xác định phương pháp Singhal Kulkarni (1990) Đọ nhớt nội Dựa theo phương pháp đo Anastasiades (2002) Độ ổn định đông-rã đông Độ ổn định nhiệt tinh bột xác định theo phương pháp Singhal (1990) Quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) Các mẫu tinh bột oxy hóa đo phổ hồng ngoại FTIR thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR-8400S số sóng Kỷ yếu khoa học từ 400 cm-1 - 4500 cm-1 (Kizil R, 2002) Tán xạ tia X (XRD) Mẫu tinh bột trước sau oxy hóa đo tán xạ tia X (XRD) phương pháp bột, góc quét từ -300 theo Nara (1983) Kính hiển vi điện tử qt (SEM) Hình thái hạt tinh bột kiểm tra kính hiển vi điện tử Viện Cơng nghệ Hóa học (VAST) Thơng số tiến hành quét: Điện áp gia tốc 15Kv, độ phóng đại 1000×(10μm) 3000×(10μm) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hàm lượng nhóm carbonyl carboxyl Hàm lượng carbonyl carboxyl mẫu tinh bột tự nhiên tinh bột oxy hóa hiển thị hình 1a Nhìn chung hai hàm lượng carbonyl carboxyl mẫu tinh bơt biến tính tăng tăng mức độ xử lý nồng độ muối NaCl trình điện phân Tuy nhiên xử lý với nồng độ dung dịch muối NaCl ≥ 2% trình oxy hóa đạt mức tối đa Hàm lượng carbonyl tăng dần từ mẫu CN0.5 đến mẫu CN1, mẫu CN1, CN2, CN3 CN5 hàm lượng carbonyl có xu hướng đạt cân Đối với hàm lượng carboxyl mẫu tương tự với carbonyl, nhiên chúng có xu hướng tăng nhanh so với carbonyl Điều giải thích nhóm hydroxyl phân tử tinh bột ban đầu bị oxy hóa thành nhóm carbonyl chất trung gian sau đến nhóm carboxyl sản phẩm sau (Fengchao Zhou, 2016; Kunruedee Sangseethong, 2010) 212 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học Hình (a) Hàm lượng carbonyl carboxyl; (b) Độ mẫu tinh bột Trong nghiên cứu này, nồng độ muối NaCl xử lý (2, 5%) hàm lượng carbonyl carboxyl hình thành khơng có thay đổi lớn, trì mức carbonyl (0.098%) carboxyl (0.16%) Tại điều kiện oxy hóa (10V, 3A, thời gian 1giờ) cường độ dịng điện không đủ để tiếp tục điện phân dung dịch tạo chất điện ly oxy hóa, nồng độ muối tăng (định luật Faraday) Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Ảnh SEM hạt tinh bột tự nhiên tinh bột oxy hóa thể Hình Từ kết SEM cho thấy, hạt tinh bột sắn có nguồn gốc tự nhiên qua biến tính oxy hóa hình cầu, bao gồm hạt lớn nhỏ, đặc trưng tinh bột sắn Cấu trúc bề mặt hạt tinh bột sắn tự nhiên khơng có vết nứt tượng lõm bề mặt Tuy nhiên, q trình oxy hóa làm ảnh hưởng đến hình thái hạt tinh bột sắn, cấu trúc bề mặt hạt tinh bột CN khác biệt rõ ràng với hạt tinh bột tự nhiên Hình Ảnh quét kính hiển vi điện tử (SEM) mẫu tinh bột 213 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Độ Độ gel tinh bột oxy hóa CN đươc thể hiên hình 1b Từ kết trên, nhận thấy rằng, nồng độ NaCl sử dụng tăng lên khả truyền sáng qua dịch gel tinh bột oxy hóa tăng Giá trị độ truyền suốt mẫu tinh bột CN0.5, CN0.75 CN1 tăng không đáng kể so với mẫu tinh bột tự nhiên, nhiên mẫu CN2, CN3 CN5 độ tăng mạnh Điều giải thích rằng, gia tăng truyền suốt dịch tinh bột sau trình oxy hóa thay hóa học nhóm chức hydroxyl phân tử tinh bột nhóm carbonyl/carboxyl lực đẩy phân tử tinh bột lân cận gây nhóm carboxyl/carbonyl tích điện âm làm giảm liên kết phân tử tinh bột Các thay đổi hình dạng hạt cấu trúc phân tử tinh bột tạo điều kiện cho xâm nhập hấp thụ nước hạt tinh bột dẫn đến trương nở nhiều tinh bột kết khả truyền sáng nhiều tinh bột oxy hóa (Kawaljit Singh Sandhua, 2008; S LIM, 1992) Độ trương nở (SP), hòa tan ( SI) Độ trương nở (SP) thể khả hydrat hóa tinh bột điều kiện nhiệt độ cụ thể độ hòa tan (SI) cho biết tỷ lệ phần trăm hạt tinh bột thóa t sau trương nở (Fonseca, 2014) Kết độ trương nở hòa tan tinh bột oxy hóa trình bày hình Ở nhiệt độ thấp 30, 40, 50 60oC giá trị SP thu thay đổi khơng nhiều Từ nhiệt độ 60oC trở lên, hạt tinh bột bắt đầu trương nở kích thước hạt tinh bột tăng lên đáng kể Theo Chinachoti (1990), hạt tinh bột hấp thụ 40g nước/g tinh bột trương nở trước hạt bị vỡ Khi hạt tinh bột trương nở, polymer có cấu trúc đơn giản amylose, chủ yếu nằm vùng vô Kỷ yếu khoa học định hình thóa t ngồi mơi trường, dẫn đến nồng độ tinh bột hòa tan tăng Độ ổn định đông-rã đông Độ ổn định đông-rã đông số để đánh giá mức độ thóa i hóa gel tinh bột bảo quản nhiệt độ thấp Sau ngày lưu trữ, độ tách nước mẫu tinh bột tự nhiên mẫu tinh bột CN có xu hướng tăng theo ngày lưu trữ Có thể thấy, độ tách nước gel tinh bột tự nhiên thấp nhiều so với gel tinh bột oxy hóa mẫu CN với độ tách nước tăng dần theo nồng độ NaCl khảo sát Tuy nhiên, độ tách nước mẫu CN2, CN3 CN5 khơng có khác biệt mặt thống kê, điều tương tự với hàm lượng carbonyl/carboxyl hình thành q trình oxy hóa Tán xạ tia X (X-Ray diffraction, XRD) Kết nhiễu xạ cho thấy có tương đồng mẫu tinh bột oxy hóa tinh bột tự nhiên, khơng có đỉnh hình thành hay trình xử lý Đỉnh nhiễu xạ tinh thể xuất 15.1o, 17.44o, 18.12o 23.08o, nên mẫu tinh bột có cấu trúc tinh thể loại A, bao gồm phiến tinh thể pha vơ định hình Các mẫu tinh bột oxy hóa CN có độ kết tinh tương đối khác so với mẫu tinh bột gốc Vị trí đỉnh nhiễu xạ mẫu tinh bột CN phù hợp với vị trí đỉnh tinh bột tự nhiên Giá trị cường độ bốn đỉnh 15.1o, 17.44o, 18.12o 23.08o tinh bột CN thấp so với tinh bột chưa xử lý có xu hướng giảm tăng dần mức độ xử lý NaCl KẾT LUẬN Nghiên cứu cung cấp thông tin tính chất hóa lý, cấu trúc hình thái tinh bột sắn oxy hóa kĩ thuật điện phân dung dịch Sodium chloride Q trình oxy hóa kĩ thuật điện 214 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 phân dung dịch NaCl với nồng độ muối khác ảnh hưởng đến đặc điểm khác tinh bột sắn Sự gia tăng nồng độ NaCl sử dụng điện phân làm tăng cường mức độ oxy hóa trình biến tính tinh bột, hàm lượng carbonyl/carboxyl, độ hịa tan độ tinh bột sắn oxy hóa tăng lên độ trương nở, độ ổn định nhiệt đông-rã đông, độ nhớt khối lượng phân tử tương đối giảm Thông qua đánh giá cấu trúc tinh bột FTIR, X-ray kính hiển vi điện tử quét SEM, cho thấy q trình oxy hóa ưu tiên diễn pha vơ định hình amorphous Phiến tinh thể đóng vai trị quan trọng việc trì tính tồn vẹn cho hạt tinh bột Cả amylose amylopectin bị suy thóa i amylose dễ bị oxy hóa Tinh bột CN có độ trắng Kỷ yếu khoa học cao so với tinh bột tự nhiên Những thay đổi đặc tính góp phần làm cho tinh bột sắn oxy hóa ứng dụng tốt nhiều loại thực phẩm Nội dung nghiên cứu bước việc áp dụng kỹ thuật điện phân phương pháp biến tính tinh bột Vì vậy, để phương pháp ứng dụng rộng rãi hiểu cách toàn diện cần có nhiều cơng trình nghiên cứu chun sâu mở rộng Chúng tơi có số kiến nghị để hoàn thiện cho đề tài như: thực phân tích chuyên sâu ảnh hưởng pH, nhiệt độ, hàm lượng amylose/amylopectin trình xử lý mẫu, từ đưa phương pháp biến tính tinh bột kĩ thuật điện phân dung dịch sodium chloride cách toàn diện TÀI LIỆU THAM KHẢO ANASTASIADES A., T S (2002) Rheological and Physical Characterization of Pregelatinized Maize Starches In Journal of Food Engineering, 52 (pp 57-66) CHATTOPADHYAY, S S (1997) Optimisation of conditions of synthesis of oxidized starch from corn and amaranth for use in film-forming applications In Carbohydrate Polymers, 34 (pp 203–212) CUI, S W (2005) In Food Carbohydrates: Chemistry, Physical Properties and Applications 411 FENGCHAO ZHOU, Q L (2016) Potato starch oxidation induced by sodium hypochlorite and its effect In International Journal of Biological Macromolecules 84 (pp 410–417) HSU, S Y (2005) Effects of flow rate, temperature and salt concentration on chemical and physical properties of electrolyzed oxidizing water In Journal of Food Engineering (pp 66, 171–176.) 215 ... Nghiên cứu cung cấp thơng tin tính chất hóa lý, cấu trúc hình thái tinh bột sắn oxy hóa kĩ thuật điện phân dung dịch Sodium chloride Q trình oxy hóa kĩ thuật điện 214 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu... năm 2018 phân dung dịch NaCl với nồng độ muối khác ảnh hưởng đến đặc điểm khác tinh bột sắn Sự gia tăng nồng độ NaCl sử dụng điện phân làm tăng cường mức độ oxy hóa q trình biến tính tinh bột, hàm... hạt tinh bột tự nhiên tinh bột oxy hóa thể Hình Từ kết SEM cho thấy, hạt tinh bột sắn có nguồn gốc tự nhiên qua biến tính oxy hóa hình cầu, bao gồm hạt lớn nhỏ, đặc trưng tinh bột sắn Cấu trúc