Nghiên cứu sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa từ tinh bột đậu xanh và ứng dụng trong chế biến thực phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT TINH BỘT KHÁNG TIÊU HÓA TỪ TINH BỘT ĐẬU XANH VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP H.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT TINH BỘT KHÁNG TIÊU HÓA TỪ TINH BỘT ĐẬU XANH VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT TINH BỘT KHÁNG TIÊU HÓA TỪ TINH BỘT ĐẬU XANH VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số chuyên ngành: 62540101 Phản biện độc lập 1: PGS TS Trần Thanh Trúc Phản biện độc lập 2: PGS TS Hoàng Kim Anh Phản biện 1: PGS TS Lê Trung Thiên Phản biện 2: PGS TS Lê Nguyễn Đoan Duy Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Thúy Hương NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS Phạm Văn Hùng PGS.TS Phan Ngọc Hòa LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Thị Mai Hương i TÓM TẮT LUẬN ÁN Đậu xanh loại nguyên liệu giàu tinh bột với hàm lượng amylose (AM) cao Đặc điểm đậu xanh xác định nguồn nguyên liệu phù hợp để làm giàu tinh bột kháng Tinh bột kháng (RS) loại tinh bột khỏi q trình tiêu hóa ruột non thể khỏe mạnh lên men ruột già hệ vi sinh vật đường ruột tạo thành acid béo mạch ngắn Lợi ích tinh bột kháng khơng nằm tác dụng có lợi cho sức khỏe người tiêu dùng mà thể tính chất chức ưu việt chế biến sản phẩm thực phẩm Mục tiêu luận án tìm kiếm loại đậu xanh phù hợp cho hoạt động làm giàu RS, khảo sát điều kiện xử lý tinh bột enzyme pullulanase kết hợp với gia nhiệt ẩm vi sóng để tạo RS, đồng thời ứng dụng loại tinh bột giàu RS sau biến đổi chế biến bánh quy không gluten, sinh đường thấp Theo đó, giống đậu xanh phổ biến Việt Nam xác định thành phần hóa học, hình thái, thành phần cấu trúc phân tử để chọn loại phù hợp Giống đậu xanh lựa chọn tách tinh bột phương pháp ướt có hỗ trợ làm Na2CO3 0,2%, NaOH 0,1%, NaHSO3 0,15% nước cất Kết rõ, giống đậu xanh DX044 loại lựa chọn cho nghiên cứu có hàm lượng tinh bột lớn (43,1%), % amylose (%AM) cao (32,9%), hàm lượng RS sẵn có lớn (13,0%), cấu trúc phân tử tinh bột thể phù hợp mức độ polyme hóa trung bình toàn hạt thấp (̅̅̅̅̅ DPn = 1001) chiều dài nhánh trung bình amylopectin (AP) lớn (̅̅̅̅̅ CLn = 40) với mức độ phân nhánh nhiều đoạn DP13-36 Dùng NaHSO3 0,15% chất hỗ trợ cho trình tách tinh bột cho kết mức độ tinh cao mà khơng ảnh hưởng đến hình thái, thành phần cấu trúc phân tử hạt tinh bột Tinh bột thu nhận làm giàu RS cách xử lý kết hợp enzyme-vi sóng thơng số tốt thu từ việc khảo sát yếu tố ảnh hưởng biện pháp đơn lẻ Kết cho hàm lượng RS (49%) phương pháp kết hợp lớn so với việc xử lý cắt mạch AM vi sóng (22,3%) hay cắt nhánh amylopectin (%AP) enzyme (39,8%) Điều kiện xử lý tinh bột phương pháp kết hợp 30 upun/g, tỷ lệ tinh bột/ đệm 1/20, 16 giai đoạn đầu enzyme, sau sấy tinh bột đến độ ẩm 20% xử lý vi sóng 35W/g phút Tiếp tục làm giàu RS việc khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thối hóa hồ tinh bột nhiệt độ khác (+28oC, +4oC -18oC) Kết thể nhiệt độ thối hóa thấp cho hàm lượng RS cao so với nhiệt độ phòng Thối hóa +4oC giúp mẫu tinh bột đậu xanh tăng hàm lượng RS lên 26,4%, 46,1% ii 52,8% tương ứng với phương pháp vi sóng, enzyme kết hợp enzyme-vi sóng Sự gia tăng RS cắt nhánh AP enzyme cắt mạch AM gia nhiệt ẩm vi sóng tạo nhiều chuỗi mạch thẳng đủ dài (DP 13-36) xếp lại phân tử cách có trật tự, hình thành xoắn kép tăng % tinh thể, thay đổi dạng tinh thể Tinh bột đậu xanh giàu RS tạo từ phương pháp kết hợp enzyme-vi sóng có khả thay 30% bột gạo theo khối lượng công thức bánh quy không gluten, không đường Bánh quy thay tinh bột đậu xanh giàu RS cho tỷ lệ đường kính/ bề dầy (D/H) bánh, thể tích, độ cứng, màu sắc, cảm quan trạng thái bên ngoài, cấu trúc, mùi, vị mức độ chấp nhận tương đương với bánh sử dụng bột mỳ đường saccharose Việc thay tinh bột làm giảm số đường huyết (GI) xuống 51,7% thử nghiệm chuột Có thể kết luận giống đậu xanh DX044 thu nhận tinh bột phương pháp ướt có sử dụng chất hỗ trợ làm NaHSO3 0,15% phù hợp để sản xuất RS Phương pháp làm giàu tốt kết hợp enzyme-vi sóng theo thơng số xác định thối hóa +4oC Tinh bột đậu xanh giàu RS (52,8%) tạo sản xuất dịng bánh quy khơng đường, khơng gluten với số đường huyết thấp iii ABSTRACT Mung bean, a kind of food material containing a high amount of high-amylose starch, has been considered a suitable source for producing resistant starch (RS) The RS is a fraction of starch that is resistant to digestive enzymes in the small intestine and delivered intact to the colon to be fermented by microflora in the large intestine The benefits of resistant starch are not only physiological effects but also functional properties in food processing The objective of this study was to find suitable mungbean for RS enrichment, treatment conditions of the combination of debranching and microwave to generate RS, and applied RS-rich mungbean starch after modification for non-gluten and low-carb cookie processing In this study, eight popular mungbean varieties in Vietnam were used and find out the most suitable one for producing RS following chemical composition, morphology, composition, and molecular structure The starch is isolated using different cleaning compounds that include Na2CO3 0.2%, NaOH 0.1%, NaHSO3 0.15%, and distilled water added in the soaking stage The result showed that the mungbean variety DX044 was rich in starch (43.1%), and was used to create RS because of its highest AM content (32.6%), the low average degree of polymerization (̅̅̅̅̅ DPn = 1001), and average chain-length distribution of amylopectin (̅̅̅̅̅ CLn = 40; DP 13-36) The suitable cleaning agent for starch isolation was 0.15% NaHSO3, which did not affect the morphology and molecular structure of the starch granules The starch was then RS-enriched by a combined enzyme-microwave treatment at the combined conditions obtained from investigating the influencing factors in each of the individual methods The results %RS of the combination of the debranching and microwave treatment was 49%, higher than using only microwaves treatment (22.3%) or enzymes treatment (39.8%) The starch treatment condition was the activity of 30 upun/g, a starch-buffer solution ratio of 1/20 for 16 h in enzyme treatment, starch was dried to 20% moisture content and microwave treatment at 35 W/g of the mung bean starch for The treated starch retrograded at +28oC, +4oC, and -18oC significantly increased RS content compared with the control without retrogradation The RS contents of mung bean starch after treatment by microwave, debranching, or a combination of debranching and microwave and then retrograded at +4oC were 26.4%, 46.1%, and 52.8%, respectively In these treatment methods, the treatment conditions significantly were created many linear chains long iv enough (DP 13-36) to enable molecular rearrangement, double helix formation, and an increase in crystallinity The A-type crystalline structure of the native mung bean starch remained unchanged under microwave treatment, whereas the crystalline structure changed to B+V type after debranching treatment or combination treatment RS-rich mung bean starch created by the enzyme-microwave combination method has the potential to replace 30% of rice flour by weight in a gluten-free, sugar-free cookie recipe RS-rich mung bean starch cookie can give the spread ratio, volume, hardness, color, appearance, texture, odor, taste, and acceptability comparable to the sugary and flourbased one Replacing the modified starch reduced the glycemic index (GI) by 51.7% In conclusion, the starch from mung bean variety DX044, isolated using the method with soaking in NaHSO3 0.15%, was the most suitable for RS production were using the combination of debranching and microwave treatment followed by retrogradation at 4oC The RS-rich mung bean starch was good substituted material for rice flour to produce the gluten-free, and low glycemic index cookies v LỜI CÁM ƠN Với lịng biết ơn sâu sắc tơi xin bày tỏ lời cám ơn đến PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Phan Ngọc Hòa định hướng, dẫn dắt, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình nghiên cứu Đồng thời, tơi xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô Ban giám hiệu, Q Thầy Cơ Khoa Kỹ thuật Hóa học, Viện Công nghệ Sinh học Thực phẩm, Bộ môn Công nghệ Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa, Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ tài chính, trang thiết bị, địa điểm đóng góp ý kiến cho nghiên cứu q trình thực thí nghiệm viết luận văn Nhân đây, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh chị đơn vị đo lường, thực nghiệm tạo điều kiện cho trực tiếp thí nghiệm thiết bị đơn vị có Trung tâm Phân tích Chuyển giao Cơng nghệ thuộc Trường Đại học Nguyễn Tất Thành, Viện Hóa, Trường Đại học Quốc tế, Trung tâm Công nghệ Nano, Khu Cơng nghệ cao, Cơng ty Sài Gịn Sourdough Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, chia sẻ khó khăn thời gian thực luận án Một lần xin trân trọng cảm ơn! vi MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH…………………………………………………………… x DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU……………………………………………………………… ……4 Đậu xanh tinh bột đậu xanh 1.1.1 Đậu xanh .4 1.1.2 Tinh bột đậu xanh Giới thiệu tinh bột kháng 22 1.2.1 Khái niệm, phân loại cấu trúc tinh bột kháng 22 1.2.2 Tính chất chức tinh bột kháng .24 1.2.3 Tác dụng sinh lý tinh bột kháng thể người 26 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành tinh bột kháng (RS) 28 Các phương pháp tạo tinh bột kháng 31 1.3.1 Giới thiệu chung phương pháp .31 1.3.2 Phương pháp xử lý ẩm nhiệt vi sóng 34 1.3.3 Phương pháp cắt nhánh pullulanase 41 1.3.4 Giới thiệu phương pháp kết hợp 45 1.3.5 Q trình thối hóa hồ tinh bột mối liên hệ với hàm lượng RS .49 Sử dụng tinh bột kháng vào sản phẩm thực phẩm .51 1.4.1 Giới thiệu chung ứng dụng tinh bột kháng vào thực phẩm .51 1.4.2 Khả ứng dụng tinh bột kháng từ đậu đỗ 53 1.5 Nhận định từ tổng quan, mục tiêu nhiệm vụ đề tài ………………… 54 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 56 Vật liệu .56 2.1.1 Nguyên liệu 56 2.1.2 Hóa chất .57 2.1.3 Dụng cụ, thiết bị 58 Phương pháp nghiên cứu 59 vii 2.2.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu 59 2.2.2 Phương pháp thu nhận tinh bột đậu xanh 62 2.2.3 Phương pháp tách tinh bột đậu xanh có sử dụng chất hỗ trợ làm sạch.63 2.2.4 Phương pháp làm giàu tinh bột kháng từ đậu xanh vi sóng .64 2.2.5 Phương pháp làm giàu tinh bột kháng từ đậu xanh enzyme 66 2.2.6 Phương pháp làm giàu tinh bột kháng từ đậu xanh kết hợp enzyme vi sóng .69 2.2.7 Phương pháp xác định ảnh hưởng q trình thối hóa đến khả làm giàu tinh bột kháng 70 2.2.8 Phương pháp sản xuất bánh quy 70 2.2.9 Các phương pháp phân tích 72 Xử lý số liệu .80 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 81 Đặc tính tinh bột giống đậu xanh khác .81 3.1.1 Thành phần hóa học hạt tinh bột thu nhận từ giống đậu xanh .81 3.1.2 Hình thái kích thước tinh bột thu nhận từ giống đậu xanh……… 84 3.1.3 Thành phần cấu trúc phân tử tinh bột thu nhận từ giống đậu xanh 85 3.1.4 Đặc tính lý-hóa loại tinh bột thu nhận .87 3.1.5 Hàm lượng tinh bột kháng loại tinh bột thu nhận 89 Tách tinh bột đậu xanh phương pháp sử dụng chất hỗ trợ làm .90 3.2.1 Hiệu suất thu nhận thành phần hóa học mẫu tinh bột đậu xanh tách với chất hỗ trợ làm khác 91 3.2.2 Hình thái tinh bột đậu xanh thu nhận từ việc sử dụng loại chất hỗ trợ làm 93 3.2.3 Thành phần, cấu trúc phân tử mẫu tinh bột đậu xanh 95 Xử lý tinh bột đậu xanh phương pháp vi sóng: ảnh hưởng số điều kiện xử lý đến hàm lượng RS cấu trúc tinh bột .99 3.3.1 Ảnh hưởng mức lượng vi sóng đến hàm lượng RS thay đổi cấu trúc phân tử tinh bột 99 3.3.2 Ảnh hưởng độ ẩm tinh bột vi sóng đến hàm lượng RS thay đổi cấu trúc phân tử tinh bột 102 3.3.3 Ảnh hưởng thời gian vi sóng đến hàm lượng RS thay đổi cấu trúc phân tử tinh bột 105 viii 2.2.5 Phương pháp làm giàu tinh bột kháng từ đậu xanh xử lý enzyme Phương pháp khử nhánh enzyme pullulanase sau gọi tắt “phương pháp enzyme” thực theo quy trình mơ tả Hình 2.5 10g mẫu tinh bột Duy trì mẫu 55oC, thời gian thủy phân theo khảo sát bể lắc Đổ vào erlen cổ nhám 500ml Vô hoạt enzyme thể tích cồn 99o Thêm dung dịch đệm acetate 0.1M, pH 5.3 với tỷ lệ tinh bột/đệm theo bố trí khảo sát Ly tâm thu cặn 3000×g, 15 phút Gia nhiệt bể ổn nhiệt 100oC 10 phút, lắc phút Thêm nước rửa ly tâm tương tự, thu cặn Làm nguội đến 55oC Sấy 45oC, 24 (độ ẩm