Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất các loại tinh bột khoai lang tím (Đồng Tháp), khoai lang vàng (Đắk Nông) và khoai lang trắng (Vĩnh Long) và khả năng tạo tinh bột trơ bằng phương pháp ẩm nhiệt

Ngoài ra, đề tài cũng thực hiện khảo sát về cấu trúc và tính chất của các loại tinh bột từ các giống khoai lang phát triển ở các vùng địa lý khác nhau, để thấy được kết quả đặc trưng của

GIỚI THIỆU

Khoai lang là cây lương thực có sản lượng cao thứ 6 trên thế giới và đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề lương thực, năng lượng và tài nguyên thiên nhiên toàn cầu Nhờ vào sự phát triển không ngừng của các nghiên cứu về chức năng dinh dưỡng và những ứng dụng của cây khoai lang trong nhiều lĩnh vực đời sống mà giá trị kinh tế của cây khoai lang ngày càng được nâng cao và mở rộng Được xem là thực phẩm dinh dưỡng hoàn hảo với các thành phần dinh dưỡng chính như caroten, acid ascorbic, calo, protein, enzyme, vitamin… [1] cây khoai lang đóng vai trò quan trọng trong ngành lương thực Đặc biệt ở các nước châu Á và châu Phi có dân số phát triển mạnh Tuy nhiên trong việc phát triển trồng trọt khoai lang cũng có một số yếu điểm về bảo quản sau thu hoạch cũng như sản phẩm đầu ra chưa phù hợp với thị hiếu tiêu dùng dẫn đến việc giảm việc sản xuất và tiêu thụ khoai lang Từ đó đặt ra các thách thức nghiên cứu và phát triển về các sản phẩm đầu ra cũng như quá trình bảo quản để sử dụng nguồn nguyên liệu khoai lang hợp lý và hiệu quả hơn Với ưu thế về hàm lượng tinh bột của củ khoai lang kết hợp với các vùng nguyên liệu sẵn có ở nước ta có thể cung cấp khoai lang lâu dài thì sản xuất tinh bột từ khoai trở thành giải pháp để phát triển công nghệ và ứng dụng từ sản phẩm từ khoai lang

Theo sự phát triển của ngành công nghiệp tinh bột, các sản phẩm tinh bột biến tính đang được chú tro ̣ng phát triển, nghiên cứu biến tính các nguồn tinh bột, tăng hàm lượng tinh bột trơ đang được quan tâm do những lợi ích mà tinh bột trơ mang lại đối với sức khỏe con người như kiểm soát hàm lượng đường trong máu, tăng cường hấp thu khoáng chất, ngăn ngừa và điều trị các bệnh đường ruột và ung thư đường ruột, cũng như tiềm năng về tính chất chức năng công nghệ và dinh dưỡng Việc nghiên cứu về tiềm năng của tinh bột trơ đối với con người đang được tìm hiểu chuyên sâu hơn, đi đôi là việc mở rộng khả năng ứng dụng của tinh bột trơ trong các lĩnh vực liên quan Việc tìm ra phương pháp biến tính tinh bột để tạo hàm lượng tinh bột trơ có hiệu suất cao và tìm ra nguồn nguyên liệu có tiềm năng trong các nghiên cứu về tinh bột trơ là những vấn đề hàng đầu trong các nghiên cứu về tinh bột hiện nay Kết hợp những yếu tố tiềm năng và xu hướng như đã nêu bên trên, việc nghiên cứu tạo thành tinh bột trơ từ tinh bột các loại khoai lang là một định hướng đúng đắn trong việc tăng giá trị kinh tế của khoai lang, từ đó thúc đẩy các nghiên cứu về tinh bột trơ cũng như ứng dụng của chúng Các giống khoai lang từ những vùng địa lý khác nhau tách được các loại tinh bột có những đặc trưng khác nhau về hình dáng, kích thước, cấu trúc, tính chất

Từ các ưu điểm về khả năng tạo tinh bột trơ của hai phương pháp ẩm nhiệt, trong đề tài này thực hiện nghiên cứu trên 3 loại khoai lang: Khoai lang tím (Đồng Tháp), Khoai lang vàng (Đắk Nông) và khoai lang trắng (Vĩnh Long) Nghiên cứu về sự khác nhau của các loại tinh bột khoai lang tự nhiên với các đặc điểm: hình dạng, kích thước, cấu trúc kết tinh, độ nhớt, nhiệt độ hồ hóa, sự trương nở, độ hòa tan, sự phân bố cấu trúc nhánh cũng như khả năng tạo thành tinh bột trơ từ các loại tinh bột khoai lang này khi biến tính bằng hai phương pháp ẩm nhiệt Từ đó so sánh và tìm hiểu về khả năng tạo tinh bột trơ của các giống khoai lang ở các vùng địa lý khác nhau.

TỔNG QUAN

Tinh bột

liệu mà tinh bột có các dạng và kích thước khác nhau Như tinh bột khoai tây có kích thước lớn nhất, tinh bột lúa mì và lúa mạch có cấu tạo đơn giản hơn so với tinh bột ngô

Tinh bột được cấu tạo từ 2 cấu tử polysaccharides là amylose dạng mạch thẳng và amylopectin dạng phân nhánh liên kết bởi α-1,4 glucoside và α-1,6 glucoside Tỷ lệ giữa 2 cấu tử này thay đổi tùy theo loại tinh bột

 Amylose là một chuỗi các phân tử glucoside sắp xếp xong xong nhau

Amylose khi ở dạng tinh thể có cấu trúc xoán ốc, mỗi vòng gồm 6 phân tử glucose… Khi ở trong hạt tinh bột, trong dung dịch hoặc khi bị thoái hóa, amylose thường có cấu trúc mạch giãn, khi có tác nhân kết tủa Amylose sẽ chuyển thành dạng xoắn ốc; ở trạng thái này amylose tác dụng với Iodine sẽ cho màu xanh Phân tử amylose có một đầu khử và một đầu không khử, trong đó đầu khử chứa nhóm -OH glucoside Các gốc của amylose nối nhau nhờ liên kết 1-4 glucoside tạo nên một chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose, phân tử lượng trung bình 10000-300000 Amylose mạch thẳng có thể tạo màng và sợi với độ bền và độ mềm dẻo cao

Hình 2.1: Cấu tạo phân tử amylose

Amylose tinh bột có độ hòa tan cao, dễ bị thoái hóa khi có tác dụng nhiệt độ

Trong dung dịch amylose có khuynh hướng liên kết tạo tinh thể Khi tương tác với iodine ở dạng ion, amylose tạo thành phức có màu xanh đặc trưng

 Amylopectin có cấu trúc nhánh bao gồm cả hai liên kết 1-4 glucoside và 1-6 glucoside , và chỉ có 1 đầu khử duy nhất Gồm nhánh chính chỉ chứa liên kết 1-4 glucoside phân thành các nhánh phụ có chiều dài khoảng vài chục gốc glucose bởi liên kết 1-6 glucoside Phân tử lượng của amylopectin khoảng 5.10 5 -10 6

Amylopectin có độ hòa tan kém hơn và độ nhớt trong dung dịch cao hơn so với amylose Khi gia nhiệt amylopectin bị biến đổi không thuận nghịch đáng kể gây ra sự hồ hóa tinh bột

Tinh bột có cấu trúc bán tinh thể gồm vùng vô định hình xen kẽ vùng kết tinh với độ kết tinh nằm trong khoảng 15-45% [2] Theo kết quả nghiên cứu của

Jay-lin [3] thì amylose nằm trong cấu trúc vô định hình của tinh bột, trong khi amylopectin đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành vùng kết tinh

Amylopectin có mặt trong cả vùng vô định hình, nơi các chuỗi phân tử phân nhánh và gấp khúc ngăn chặn sự hình thành cấu trúc polyme [4] Các nghiên cứu chỉ ra rằng sự kết tinh của các hạt chủ yếu do cấu trúc xoắn kép các nhánh amylopectin Sự kết tinh hay sự hình thành cấu trúc xoắn kép xảy ra giữa các nhánh liền kề trên cùng một cụm các nhánh amylopectin hoặc giữa các cụm trên không gian ba chiều Các nhánh liên kết với nhau và ổn định

Hình 2.2: Cấu trúc phân nhánh của amylopectin bởi liên kết van der Waal và liên kết hydro, cho cả 2 cấu trúc tinh thể A và B [5]

Hình 2.3: Cấu trúc bán tinh thể của hạt tinh bột

Tỷ lệ amylose và amylopectin phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật của tinh bột Hàm lượng amylose của tinh bột thường khoảng 10-35%, trong tinh bột giàu amylose, nó có thể đạt được thậm chí 70%, so tinh bột giàu amylopectin hàm lượng amylose chỉ từ 0-4% [6]

2.1.2 Một số tính chất của huyền phù tinh bột trong nước:

 Tính hấp thụ: trong hạt tinh bột có các cấu trúc lỗ xốp tạo điều kiện cho sự tương tác của hạt tinh bột với các chất hấp thụ khi tiếp xúc với nhau Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột

Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng hấp thụ các chất điện li hữu cơ có ion lớn như xanh metylen của tinh bột rất tốt

 Độ hòa tan của tinh bột: do tinh bột gồm 2 thành phần là amylose và amylopectin nên tính hòa tan của tinh bột cũng được thể hiện qua tính hòa tan của amylose và amylopectin Amylose có độ hòa tan cao nhưng không bền, dễ bị thoái hóa trở lại trạng thái ban đầu Amylopectin không hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hòa tan ở nhiệt độ cao Trong môi trường acid tinh bột bị thủy phân và hòa tan, sản phẩm cuối cùng là glucose Trong môi trường kiềm, tinh bột hydrate hóa và bị ion hóa từng phần Tinh bột kết tủa trong cồn

 Tính nhớt-dẻo của hồ tinh bột:

Trong đó các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột là: đường kính của phân tử hay các hạt phân tán tùy vào đặc tính bên trong của phân tử như khối lượng, thể tích, cấu trúc và sự bất đối xứng của phân tử; sự tương tác của tinh bột với dung môi (nước) gây ảnh hưởng đến sự trương nở, hòa tan và lớp hydrate hóa bao quanh phân tử và sự tương tác giữa các phân tử tinh bột với nhau quyết định kích thước mạng lưới phân tử tinh bột cũng như khả năng giữ nước

 Sự trương nở và hiện tượng hồ hóa: Khi hòa tan tinh bột vào nước sẽ xảy ra sự tăng thể tích hạt do sự hấp thụ nước của cấu trúc tinh bột gọi là hiện tượng trương nở Độ trương nở của tinh bột có liên quan đến nguồn gốc tinh bột, ảnh hưởng của quá trinh sấy, sự thoái hóa tinh bột, cũng như phương thức biến tính tinh bột…

Trên 55-70% các hạt tinh bột sẽ trương phồng do hấp thụ nước vào các nhóm hydroxyl phân cực và độ nhớt của dung dịch tăng nhanh Nếu thời gian xử lý kéo dài có thể làm vỡ các hạt tinh bột, thủy phân từng phần và hòa tan vào các thành phần của tinh bột từ đó độ nhớt của dung dịch giảm dần Tại điểm hạt tinh bột bị phá vỡ là giới hạn giữa hai trạng thái khác nhau của tinh bột huyền phù tinh bột và dung dịch keo của tinh bột, do đó nhiệt độ các hạt tinh bột trương nở tối đa và vỡ hạt, chuyển thành trạng thái dung dịch keo gọi là nhiệt hồ hóa

Các hạt tinh bột có kích thước khác nhau, nguồn gốc khác nhau sẽ khác nhau về nhiệt độ hồ hóa Các hạt có kích thước lớn sẽ trương nở và chuyển sang trạng thái hồ hóa nhanh hơn so với các hạt có kích thước bé hơn Do đó nhiệt độ hồ hóa là khoảng nhiệt nhiệt độ Quá trình hồ hóa xảy ra ở hầu hết các loại tinh bột đều như nhau: độ nhớt của hồ tinh bột tăng dần đến cực đại rồi giảm xuống

Nhiệt độ hồ hóa cũng phụ thuộc vào thành phần amylose và amylopectin

Cấu trúc amylose là các chuỗi song song được định hướng chặt chẽ hơn trong khi cấu trúc amylopectin có xu hướng cuộn lại thành hình cầu khó cho các phân tử nước đi qua

Tinh bột trơ

Tinh bột trơ (resistant starch- RS) được định nghĩa là lượng tinh bột hay sản phẩm của sự thoái hóa tinh bột không được hấp thụ trong ruột non [13]

Tinh bột trơ có thể được chia làm 4 loại RS1, RS2, RS3, và RS4 như bảng 2.1

Bảng 2.1: Phân loại tinh bột trơ (RS), nguồn nguyên liệu, yếu tố ảnh hưởng đên khả năng tiêu hóa trong ruột [14]

Mô tả Nguồn nguyên liệu

Khả năng kháng đối với tác nhân

RS1 Khả năng bảo vệ vật lý Hạt ngũ cốc, bột ngũ cốc, các loại hạt, cây họ đậu

RS2 Khả năng kháng sự không hồ hóa của tinh thể loại B, thủy phân chậm bởi α- amylase

Khoai tây, chuối xanh, một số cây họ đậu, ngô giàu amylose

Chế biến và nấu thực phẩm

RS3 Tinh bột thoái hóa Khoai tây đã chế biến

(nấu, hay đông lạnh), thực phẩm xử lý ẩm nhiệt Điều kiện chế biến

RS4 Tinh bột biến tính bởi liên kết chéo với thuốc thử hóa học

Thực phẩm sử dụng tinh bột biến tính (bánh mỳ, bánh các loại…) Ít bị tiêu hóa trong ống nghiệm

Tinh bột trơ loại 1 - Resistant starch 1 (RS1)

Bao gồm sự có mặt của các tế bào thực vật có lớp vỏ bảo vệ không bị phá hủy bởi các tác nhân vật lý RS1 bền nhiệt trong hầu hết các quá trình chế biến và cá thể được sử dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm

Tinh bột trơ loại 2 - Resistant starch 2 (RS2)

Bao gồm các hạt tinh bột thô của các loài thực vật như khoai tây, chuối… khả năng trơ của tinh bột khoai tây đối với ảnh hưởng của các enzyme phân giải tinh bột RS2 là loại tinh bột trơ với các enzyme tiêu hóa Đối với hạt tinh bột thô, tinh bột được bao gói bởi mạng lưới hình tròn lồng vào nhau và mất nước tương đối Cấu trúc này hạn chế khả năng tiếp cận của các enzyme tiêu hóa

Tinh bột trơ loại 3 - Resistant starch 3 (RS3)

Là sản phẩm của sự thoái hóa tinh bột RS3 hình thành khi tinh bột hoàn toàn ngậm nước Các phân tử amylose duỗi ra di chuyển từ hạt tinh bột vào dung dịch một cách ngẫu nhiên Sau khi nguội, các chuỗi amylose liên kết lại với nhau bởi liên kết hydro tạo nên các xoắn đôi

Tinh bột trơ loại 4 - Resistant starch 4 (RS4)

Cấu trúc RS4 bao gồm các tinh bột biến tính được tạo ra bởi các phương pháp hóa học hay vật lý (chủ yếu là phương pháp ẩm nhiệt), hay bao gồm cả hai phương pháp

Khả năng trơ của tinh bột biến tính theo phương pháp hóa học với hoạt động của các enzyme phân giải amylose thay đổi tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc của tinh bột

Tính chất của tinh bột trơ: kích thước phân tử nhỏ, màu trắng, vị ngọt dịu Tinh bột trơ có khả năng giữ nước kém nhưng có tính chất hóa lý mong muốn như độ trương nở, độ nhớt tăng, khả năng hình thành gel, và khả năng giữ nước phù hợp với nhiều loại thực phẩm khác nhau Từ những tính chất này tinh bột trơ có khả năng thay thế bột mà không có ảnh hưởng đáng kể đến sự nhào bột hay tính lưu biến Tinh bột trơ không chỉ tăng cường chất xơ mà còn bổ sung thêm các đặc tính mà các loại thực phẩm có nhiều chất xơ không có RS2 và RS3 còn có nhiệt độ hồ hóa cao, chịu ép đùn tốt, khả năng tạo màng chất lượng, tính chất giữ nước thấp hơn so với sản phẩm chất xơ Tinh bột trơ 2 loại này có thể tạo nên các sản phẩm có khối lượng thấp với hàm lượng xơ cao với những cải thiện về cấu trúc, màu sắc và mùi vị so với sản phẩm giàu chất xơ thông thường

RS có những ảnh hưởng tích cực đến sức khỏe như giảm đường huyết hiệu quả, sản xuất các acid béo mạch ngắn (short chain fatty acids: SCFA) có các tác dụng: giảm pH trong thành ruột có tác dụng ngăn ngừa ung thư [15] và giảm hình thành sỏi túi mật, giảm hàm lượng cholesterol trong máu, ngăn ngừa tích tụ mỡ, cũng như tăng sự hấp thu chất khoáng [16] Từ những tiềm năng của RS, những nghiên cứu gần đây tập trung vào việc nghiên cứu biến đổi các loại tinh bột từ các nguồn nguyên liệu khác nhau để đạt được hàm lượng RS cao hơn và các ứng dụng của RS trong sản xuất thực phẩm.

Phương pháp biến tính tinh bột

công nghệ và phạm vi ứng dụng của tinh bột trong sản xuất, cũng như tạo sự chủ động trong việc sử dụng nguồn tinh bột So với tinh bột tự nhiên còn nhiều hạn chế về khả năng hydrate hóa, sự trương nở, độ nhớt… Tinh bột biến tính được tạo ra mang nhiều tính chất đáp ứng nhu cầu sử dụng ví dụ như hàm lượng amylose, amylopectin, khả năng hòa tan, khả năng ổn định hệ nhũ, v.v… Với những ưu thế về tính công nghệ, có nguồn nguyên liệu dồi dào và giá trị kinh tế cao, ngành công nghiệp sản xuất tinh bột biến tính ngày càng phát triển và mở rộng

Biến tính tinh bột là các phương pháp làm thay đổi cấu trúc của tinh bột, cắt ngắn các phân tử polysaccharide, hoặc liên kết thêm các nhóm khác vào phân tử tinh bột bằng các tác nhân nhiệt độ, acid, enzyme… để thay đổi tính chất của tinh bột

Các phương pháp biến tính tinh bột được phân loại như sau:

2.3.1 Phương pháp biến tính vật lý:

Sự biến tính vật lý của tinh bột có thể xảy ra dựa trên tính tan trong nước của tinh bột, hoặc sự thay đổi kích thước của các hạt tinh bột Phương pháp vật lý để biến tính tinh bột gồm: các sự kết hợp khác nhau giữa nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,và bức xạ… Các phương pháp biến tính vật lý tương đối đơn giản, rẻ tiền và an toàn và không yêu cầu hóa chất hay các tác nhân sinh học nên được sử dụng phổ biến hơn [17]

Bảng 2.2: Một số nghiên cứu biến tính tinh bột bằng các phương pháp vật lý [18]

Nguồn tinh bột Điều kiện thực hiện Kết quả ghi nhận

Bột gạo Tinh bột gạo

Nhiệt độ 100 0 C Thời gian 20 phút Tỉ lệ huyền phù 35% (w/v) Làm khô lạnh

Quá trình thoái hóa bị trì hoãn, bột gạo dễ bị biến tính hơn

Bột mì Nhiệt độ 158 0 C Áp suất 5 bar Tỉ lệ huyền phù 10% (w/v) Làm khô bằng máy sấy trống

Làm tăng khả năng hòa tan và trương nở, độ nhớt ở 25 0 C

Xử lý ẩm nhiệt Annealing Tinh bột hạt dẻ nước Nhiệt độ 65 0 C

Tỉ lệ huyền phù 35% (w/v) Thời gian 24 giờ

Làm giảm khả năng hòa tan và trương nở, độ nhớt

Tinh bột khoai mỡ Nhiệt độ 50 0 C

Tỉ lệ huyền phù 33% (w/v) Thời gian 24 giờ

Làm giảm mật độ hạt và khả năng trương nở

Tinh bột hạt dẻ nước Nhiệt độ 110 0 C

Tỉ lệ huyền phù 70, 75 và 80%

Giảm độ bền, độ tan và độ nhớt của tinh bột dạng bột nhão

Tinh bột sắn dây, tinh bột khoai lang, tinh bột dong

Nhiệt độ 80, 100 và 120 0 C Tỉ lệ huyền phù 50, 70 và 85%

Làm giảm độ trong của bột nhão tinh bột và khả năng trương nở

Tăng độ hòa tan và độ bền

Biến tính không xử lý nhiệt

Tinh bột khoai tây, tinh bột mỳ, tinh bột ngô, tinh bột gạo

Sử dụng siêu âm Medium: nước và alcohol

Cho thấy sự khử trùng hợp của các hạt tinh bột Nước được sử dụng làm medium tốt hơn trong biến tính tinh bột

Tinh bột được hồ hóa trong nước tạo thành thể huyền phù sau đó sấy khô Hồ hóa có tác dụng phá vỡ các liên kết trong phân tử dẫn đến cấu trúc hạt bị phá vỡ Sau khi hồ hóa tinh bột có những tính chất đặc trưng: trương nhanh trong nước, các tính chất ít biến đổi khi bảo quản, đồ bền cao ở nhiệt độ thấp, khả năng giữ nước tốt

 Phương pháp ẩm nhiệt Phương pháp xử lý ẩm nhiệt làm thay đổi tính chất vật lý và hóa học của tinh bột mà không làm thay đổi cấu trúc hạt mà chỉ cải thiện trật tự sắp xếp của các phần tinh thể, và tạo sự ổn định giữa các thành phần tinh bột Sự biến đổi vật lý xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha, và thấp hơn nhiệt độ hồ hóa

Sự biến tính xảy ra xảy ra khi các phân tử polyme của vùng vô định hình trong hạt tinh bột ở trạng thái dai và di động Cấu trúc của vùng vô định hình bị thay đổi, khi các chuỗi polymer chuyển từ trạng thái vô định hình sang trạng thái bán kết tinh Hai phương pháp ẩm nhiệt thường được sử dụng để biến tính tinh bột là annealing (ANN) và heat-moisture treatment (HMT) Cả hai phương pháp đều xử lý tinh bột ở độ ẩm nhất định, nhiệt độ đặc trưng trong một khoảng thời gian nhất định

HMT sử dụng nhiệt độ trong môi trường nước để biến tính tinh bột Ở độ ẩm thấp (hàm lượng ẩm 60% w/w) hoặc trung bình (40-55% w/w) trong khoảng nhiệt độ trên nhiệt chuyển pha và thấp hơn nhiệt hồ hóa [19] Mục đích của phương pháp là làm tăng khả năng di động của các phân tử để tái tổ chức cấu trúc bên trong các hạt phân tử khi có các phân tử nước Các hạt tinh bột sau khi hấp thụ nước sẽ chuyển trạng thái, tăng độ linh động của vùng vô định hình vào trạng thái tinh thể Liên kết hydro bị phá vỡ các phân tử nước thế vào giải phóng nhóm hydroxyl Những thay đổi này tạo ra chuyển động tiếp tuyến và xuyên tâm trong vùng kết tinh và vô định hình, và những thay đổi hóa lý làm tăng tương tác chuỗi trong khu vực kết tinh

Và ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt hồ hóa nên phương pháp này không phá vỡ các hạt tinh bột tuy nhiên cũng làm thay đổi một số tinh chất của tinh bột Phương pháp ANN với các tinh bột có nguồn gốc khác nhau làm tăng khả năng kết tinh, tăng cường lực liên kết trong mạng tinh thể Những thay đổi trong cấu trúc tinh bột làm tăng nhiệt hồ hóa của tinh bột Phương pháp biến tính ẩm nhiệt annealing có nhiều đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng công nghiệp, với khả năng tạo nên các đặc tính khác nhau trên tinh bột, làm gia tăng kích thước hạt tinh bột, ổn định nhiệt, nhiệt độ hồ hóa và mức độ tiêu hóa tinh bột của các enzyme như α-amylase

Các phương pháp ẩm nhiệt được thực hiện trên các nguồn tinh bột khác nhau như tinh bột ngũ cốc, tinh bột đậu, tinh bột thân, củ Kết quả được ghi nhận về sự thay đổi biểu đồ tia X, cấu trúc tinh thể, độ nhớt, độ trương nở của hạt tinh bột, độ hồ hóa, sự thoái hóa tinh bột, sự chắt lọc amylose (AML), sự thủy phân bởi enzyme và acid của các loại tinh bột trên [20] Phương pháp ẩm nhiệt có thể làm tăng hàm lượng SDS và RS trong tinh bột bằng khả năng tạo thay đổi cấu trúc tinh bột mà không phá hủy các hạt tinh bột ảnh hưởng đến tính chất cảm quan

 Thoái hóa tinh bột Trong quá trình làm nguội, thể phân tán của hạt tinh bột hồ hóa trong nước tạo nên sự nhất quán của gel Trên một nồng độ đặc trưng các hạt tinh bột trương nở tạo điều kiện cho các chuỗi amylose đã phân tán ra khỏi các hạt tinh bột

Quá trình thoái hóa là kết quả của sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử amylose có chứa gốc hydroxyl và cả gốc tiếp nhận hydro tạo nên các liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột Hiện tượng thoái hóa tinh bột chủ yếu xảy ra với các phân tử amylose vì amylose là có cấu trúc mạch thẳng tự do, dễ định hướng liên kết với nhau Do đó hiện tượng thoái hóa bị ảnh hưởng bởi nồng độ amylose và amylopectin, sự hiện diện của các phân tử khác như đường, muối và các chất nhũ hoá, kích thước phân tử, nhiệt độ, pH và các thành phần phi tinh bột khác [21]

2.3.2 Phương pháp biến tính hóa học Biến tính hóa học là phương pháp liên quan đến các nhóm chức năng trong cấu tạo của phân tử tinh bột dẫn đến sự thay đổi tính chất hóa lý của tinh bột

 Biến tính bằng acid Dựa vào tác dụng của acid làm vỡ các liên kết giữa các phân tử và trong phân tinh bột Từ đó giảm kích thước của các phân tử tinh bột Có hai phương pháp biến tính bằng acid là sử dụng môi trường alcohol hoặc môi trường nước Tuy nhiên môi trường nước có những lợi thế về giá thành, thời gian và giảm số thiết bị sử dụng nên được sử dụng nhiều hơn

Thường trong công nghiệp phương pháp biến tính bằng acid được thực hiện với acid vô cơ có nồng độ từ 1-3% gia nhiệt đến 50-55 0 C có khuấy trộn trong 12-14 giờ Sau đó mang trung hòa, lọc rửa rồi sấy khô

Khoai lang

Khoai lang, Ipomea batatas (L.) Lam, có nguồn gốc từ khu vực nhiệt đới Âu Mỹ, được trồng và phát triển từ hơn 5000 năm trước và phổ biến đến các châu lục bằng đường hàng hải qua các thời kỳ xâm chiếm thuộc địa Ngày nay khoai lang được trồng rộng khắp các khu vực nhiệt đới và ôn đới ấm các vùng đất có đủ lượng nước để khoai lang phát triển

Bảng 2.3: Các quốc gia trồng khoai lang có sản lượng cao nhất năm 2015 [25]

STT Quốc gia Sản lượng (tấn)

10 Mozambique 1,313,380 Ở Việt Nam khoai lang được trồng từ thế kỷ 18, hiện nay có khoảng 6 giống khoai lang được trồng phổ biến

Hình 2.7: Năng suất khoai lang từ năm 2008-2013 tại Việt Nam (tấn/ha) [25]

Hình 2.8: Sản lượng khoai lang từ năm 2008-2013 ở Việt Nam (tấn) [25]

2.4.1 Thành phần dinh dưỡng củ khoai lang Củ khoai lang là sản phẩm chính của cây khoai lang, do rễ hình thành, củ tròn dài, kích thước và màu sắc đặc trưng tùy vào giống cây

Củ khoai lang chứa nhiều giá trị dinh dưỡng cung cấp cho nhu cầu hàng ngày của cơ thể

Bảng 2.4: Thành phần dinh dưỡng của 100g củ khoai lang [26]

Beta-carotene 8.509 mg (79%) Thiamine (vit B 1 ) 0,078 mg (7%) Riboflavin (vit B 2 ) 0,061 mg (5%) Niacin (vit B 3 ) 0,557 mg (4%) Pantothenic acid(B5) 0,8 mg (16%)

Khoai lang chứa khoảng 25% chất khô phụ thuộc vào giống cây, lượng nước cân bằng khi thu hoạch, điều kiện, thời gian bảo quản, và một số yếu tố sinh lý khác

Hàm lượng chất khô của khoai lang từ 17.9 - 49.3% tùy vào độ ẩm của đất trong quá trình phát triển của củ khoai lang, độ ẩm trong đất trên 25% làm giảm hàm lượng chất khô [27] Trong hàm lượng chất khô đó có 90% là carbohydrate và thành phần chính của carbohydrate trong khoai lang là tinh bột, trong đó khoảng 60-70% amylopectin, 30-40% amylose [28] Trong củ khoai lang sống ngoài sucrose là thành phần carbohydrate chính vẫn có fructose và glucose; trong khi khoai lang đã chế biến tinh bột chuyển hóa thành maltose là chính

Hàm lượng chất xơ có trong khoai lang cũng thay đổi tùy theo từng giống khoai cũng như điều kiện nuôi trồng, thu hoạch Hàm lượng chất xơ tăng tỉ lệ với độ tuổi thu hoạch khoai Hàm lượng chất xơ trong các sản phẩm từ khoai lang cũng khác nhau tùy theo công nghệ sản xuất Như bột khoai lang có hàm lượng xơ từ 2-3% trong khi tinh bột khoai lang có hàm lượng xơ từ 0.1-0.15% [29] Chất xơ đóng vai trò dinh dưỡng trong khẩu phần ăn của con người, chất xơ hỗ trợ giảm thời gian vận chuyển qua ruột, giảm nguy cơ ung thư trực tràng, hạ thấp hàm lượng cholesterol trong máu, giảm hàm lượng glucose và tạo thuận lợi cho sự phát triển của hệ vi sinh vật có lợi ở ruột

Ngoài tinh bột, khoai lang có hàm lượng protein trong khoai lang tương đối thấp từ 1-8.5%, tuy nhiên lại chứa nhiều amino acid thiết yếu; 100g khoai lang tươi có khoảng 0.2g chất béo, 0.9g muối vô cơ, và một số thành phần khác như trong bảng (4) Tùy vào giống cây trồng, khí hậu, đất đai, điều kiện canh tác mà các thành phần dinh dưỡng trong khoai lang có thể thay đổi Từ lợi thế về thành phần dinh dưỡng khoai lang được sử dụng để khai thác tinh bột như nguồn nguyên liệu chủ chốt

2.4.2 Tinh bột khoai lang: Ở các nước đang phát triển, khoai lang là một sản phẩm nông nghiệp quan trọng, các sản phẩm từ khoai lang chủ yếu là tinh bột, mì, kẹo, bột khoai lang và các thực phẩm tráng miệng Có hơn 2000 giống khoai lang được chia thành các loại: thông thường, giàu tinh bột, và thực phẩm tiêu thụ [21] Với thành phần chất khô chủ yếu là tinh bột từ củ khoai lang, sản xuất tinh bột khoai lang đang đi đầu trong ngành công nghiệp sản xuất sản phẩm từ khoai lang Chất lượng của tinh bột khoai lang được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu: hình dạng, kích thước, hàm lượng amylose, cấu trúc phân tử, tính chất bột nhão, xu hướng thoái hóa,v.v…

Hàm lượng tinh bột trong tinh bột chiết xuất khoảng 95% phụ thuộc vào độ tuổi thu hoạch của khoai lang Độ ẩm cho phép của tinh bột là 13%

Bảng 2.5: Ước lượng thành phần của chiết xuất tinh bột [21]

 Hình dạng và kích thước hạt:

Tinh bột khoai lang cú kớch thước hạt khỏc nhau từ dưới 1àm đến trờn 100 àm, cú dạng hạt trũn, oval hay đa giỏc với kớch cỡ từ 3-28 àm đặc trưng tựy vào loại khoai lang khác nhau Tinh bột khoai lang có kích thước tương tự với bột sắn và ngô nhưng nhỏ hơn khoai tây [21] Kích thước hạt tinh bột ảnh hưởng đến các tính chất chức năng như độ trương nở, độ hòa tan và khả năng tiêu hóa Các hạt tinh bột nhỏ hơn có khả năng hòa tan và độ hấp thụ nước tốt hơn

 Cấu trúc tinh thể: Được xác định dựa theo phương pháp nhiễu xạ tia X Tinh bột khoai lang mang cả 2 đặc tính của tinh bột loại A và C trong khi tinh bột của các ngũ cốc như lúa mì và ngô có loại A, và khoai tây thuộc loại B Tinh bột loại B thường có mức độ kết tinh thấp hơn 15-18% và nhiệt độ hồ hóa thấp hơn

 Tính chất hóa lý của tinh bột khoai lang

- Hàm lượng amylose của tinh bột khoai lang cao hơn so với tinh bột sắn nhưng lại ít hơn so với tinh bột mỳ, tinh bột ngô hay khoai tây Hàm lượng amylose của khoai lang từ 8.5- 38% [8]

- Sự trương nở và sự hòa tan của tinh bột khoai lang thấp hơn so với tinh bột khoai tây và tinh bột sắn nhưng lớn hơn so với tinh bột ngô có thể giải thích do sự kết hợp của các phân tử trong tinh bột khoai lang cao hơn tinh bột khoai tây và tinh bột sắn

- Độ nhớt nội tại của huyền phù tinh bột liên quan trực tiếp đến kích thước phân tử và tăng cường mức độ polyme hóa Những nghiên cứu đã thực hiện chỉ ra rằng amylose khoai lang có giới hạn độ nhớt cao hơn so với amylose lúa mì nhưng thấp hơn amylose sắn và khoai tây Khi nghiên cứu trên 6 loại tinh bột khoai lang và có được độ nhớt của tinh bột khoai lang trong khoảng từ 120- 155ml/g, người ta kết luận rằng tinh bột khoai lang có độ polymer hóa thấp hơn so với tinh bột khoai tây Từ độ nhớt cao nhất của tinh bột khoai lang đo được là 590 BU qua nghiên cứu của Rasper [30] chỉ ra rằng tinh bột khoai lang có độ nhớt thấp hơn so với tinh bột sắn dây nhưng cao hơn tinh bột bắp

- Khả năng hấp thụ nước của tinh bột khoai tây cao khoảng 66.3-211.6% cao hơn tinh bột khoai tây (93%) và tinh bột sắn (72-92%) Sự thoái hóa của tinh bột khoai lang chậm hơn so với tinh bột lúa mì, ngô, sắn

Bảng 2.6: Một số tính chất hóa lý của tinh bột khoai lang

Tính chất Chỉ số Tài liệu tham khảo

Hàm lượng amylose (%) 8.5-38 S.N Moorthy và S Shanavas,

Khả năng hấp thu nước (%) 66.3-211.6 Seog và cộng sự, 1987 [31]

Thể tích trương nở (ml/g) 46

Seog và cộng sự, 1987 [31] Độ hòa tan (%) 18

Khả năng bị tiêu hóa (%) 14.9- 43.3

Từ các tài liê ̣u đã tham khảo, có thể nhâ ̣n thấy tinh bô ̣t trơ mang la ̣i nhiều lợi ích cho sức khỏe con người như kiểm soát hàm lượng đường trong máu, tăng cường hấp thu khoáng chất, ngăn ngừa và điều trị các bệnh đường ruột và ung thư đường ruột, cũng như tiềm năng về tính chất chức năng công nghệ và dinh dưỡng như đã nói trên Việc nghiên cứu về tiềm năng của tinh bột trơ đối với con người đang được tìm hiểu chuyên sâu hơn, theo đó, sản xuất tinh bô ̣t trơ đang trở thành mô ̣t hướng phát triển đầy tiềm năng của ngành công nghiê ̣p chế biến sản phẩm bô ̣t Việc tìm ra phương pháp biến tính tinh bột để tạo hàm lượng tinh bột trơ có hiệu suất cao và tìm ra nguồn nguyên liệu có tiềm năng trong các nghiên cứu về tinh bột trơ là những vấn đề hàng đầu trong các nghiên cứu về tinh bột hiện nay

Các nhà khoa học trong và ngoài nước cũng có những quan tâm trong nghiên cứu về biến tính tinh bột các loại để tạo tăng hàm lượng tinh bột trơ Trong nghiên cứu biến tính 4 loại tinh bột khoai lang (Sukuh, Cangkuang, Jago and Papua Salosa) bằng phương pháp ẩm nhiệt tại 110 0 C trong 3, 4 và 5 giờ Pranoto [36] đã chỉ ra rằng phương pháp ẩm nhiệt làm giảm sự trương nở và khả năng hòa tan, làm tăng độ cứng của gel đối với tinh bột khoai lang Trong cấu trúc amylose của tinh bột, HMT làm tăng nhiệt độ gel hóa, hạ thấp các đỉnh của độ nhớt- chỉ tiêu thể hiện sự hấp thu nước và làm cho các hạt tinh bột dễ liên kết lại với nhau, giảm sự cắt mạch, tăng sự thoái hóa và độ nhớt sau cùng Nghiên cứu cũng cho thấy HMT đã chuyển SPS từ dạng A sang dạng C của cấu trúc amylose, trong khi các hạt tinh bột không bị ảnh hưởng

Mục tiêu nghiên cứu

• Xác định cấu trúc và tính chất của tinh bột tách được từ ba loại khoai lang tím (Đồng tháp), khoai lang vàng (Đăk Nông) và khoai lang trắng (Vĩnh Long)

• Nghiên cứu khả năng tạo tinh bột trơ từ các loại tinh bột tách được từ ba loại khoai lang trên khi xử lý bằng hai phương pháp ẩm nhiệt

• Tìm hiểu và so sánh các loại tinh bột khoai lang khác nhau được trồng ở các vùng địa lý khác nhau nhằm xác định được loại khoai lang có tiềm năng ứng dụng sản xuất tinh bột và tạo tinh bột trơ.

NGUYÊN LIÊ ̣U VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu, thiết bị và hóa chất

Khoai lang trắng Vĩnh Long: giống khoai lang có dạng củ thuôn dài, có vỏ vàng nhạt, ruột trắng Thu mua tại chợ địa phương thuộc xã Bình Minh- Vĩnh Long, thời gian thu hoạch tháng 6/2016, tuổi sinh trưởng khoảng 3-4 tháng

Khoai lang vàng Đắk Nông: giống khoai có thân to tròn, vỏ màu tím ruột màu vàng Được thu mua ở vựa tại Tuy Đức- Đắk Nông, thời gian thu hoạch tháng 6/2016, tuổi sinh trưởng khoảng 4 tháng

Khoai lang tím Đồng Tháp: giống khoai có dạng củ thuôn dài, vỏ màu tím và ruột màu tím đậm, được trồng ở Đồng Tháp, thời gian thu hoạch tháng 7/2016, có tuổi sinh trưởng khoảng 3-4 tháng

Các loại khoai lang sau khi mua được đóng gói trong túi lưới thông thoáng đảm bảo hạn chế ảnh hưởng đến chất lượng củ khoai và vận chuyển đến phòng thí nghiệm

Enzyme α-amylase: là enzyme thủy phân liên kết α-1,4 trên nhiều mạch và tồn tại ở nhiều vị trí của cùng một mạch phân tử tinh bột từ đó giải phóng phân tử glucose và các oligosaccharide có từ 2-7 đơn vị glucose, trong đó có một phân tử glucose khử có dạng α ở cuối cùng Enzyme α- amylase làm giảm độ nhớt của tinh bột

Enzyme amyglucosidase: là enzyme cắt đứt các liên kết glucoside do tạo thành các oxycarbonium trung gian, từ đó nghịch đảo các dạng hình thể của carbon C1 trong phân tử glucose vừa giải phóng Enzyme amyglucosidase có thể giải phóng β-D glucose từ các phản ứng thủy phân các liên kết α-1,4 của mạch α-glucan từ đầu không khử và được lặp lại nhiều lần Ngoài ra enzyme amyglucosidase cũng có khả năng thủy phân các liên kết α-1,6 và α-1,3 nhưng ở mức độ rất chậm (chậm hơn 1-30 lần so với thủy phân liên kết α-1,4)

Là enzyme duy nhất có khả năng chuyển hóa hoàn toàn tinh bột thành glucose

Sử dụng enzyme Alpha-amylase từ A oryzae (~ 30 U/mg) và enzyme amyloglucosidase từ A niger (≥ 300 U/ml) được cung cấp bởi Sigma-Aldrich Co (St Louis, MO, Mỹ)

Bảng 3.1: Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu Hóa chất Nguồn gốc Độ tinh khiết Mục đích sử dụng

Dùng trong thí nghiệm xác định hàm lượng protein trong tinh bột và xác định hàm lượng RDS, SDS, RS

Sử dụng trong các thí nghiệm xác định hàm lượng protein, điều chỉnh pH

KOH Trung Quốc 85% Sử dụng trong thí nghiệm xác định hàm lượng RDS, SDS, RS

Phenol Trung Quốc 99.9% Sử dụng trong thí nghiệm xác định hàm lượng RDS, SDS, RS

Natri acetat CH3COONa Trung Quốc >99%

Chất đệm Sử dụng trong thí nghiệm xác định hàm lượng RDS, SDS, RS

Sử dụng trong thí nghiệm xác định hàm lượng lipid

3.1.2 Phương pháp tách tinh bột

Tinh bột khoai lang được tách theo phương pháp của Lawel có xử dụng 0,4%

NaOH để hòa tan protein Đầu tiên khoai lang được rửa với nước để loại tạp chất, gọt vỏ và cắt lát Sau đó được nghiền với một ít nước cất bằng máy xay Waring Sau đó lọc qua rây với kích thước lỗ 0.232mm và lặp lại 3 lần Huyền phù tinh bột thu được tiếp tục được mang đi lọc qua rây có kích thước lần lượt 0.232mm và 0.105mm; sau đó ly tâm ở 1500g trong 20 phút Thu lấy phần cặn tinh bột và rửa lại 3 lần với nước cất Mang lượng tinh bột thu được sấy khô ở 40 0 C đến khi độ ẩm còn 10-11%

3.1.3 Phương pháp biến tính tinh bột - Xử lý ẩm nhiệt – HMT : xác định lượng tinh bột và thêm nước cất vào điều chỉnh đến độ ẩm 35%, gia nhiệt tinh bột có độ ẩm 35% ở 100 0 C trong 6 giờ

Sau đó để nguội ở nhiệt độ phòng, sấy khô ở 40 0 C đến khi độ ẩm còn 9-10%

- Xử lý ủ ẩm nhiệt - ANN : huyền phù tinh bột khoai lang (1:2, w/w) gia nhiệt trong 24 giờ trong bình kín đặt trong bể nước với nhiệt độ không đổi 45 0 C Sau thời gian ủ, tinh bột được sấy khô ở 40 0 C đến khi độ ẩm còn 9-10%

3.1.4 Phương pháp phân tích và thiết bị 3.1.4.1 Hàm lượng protein được xác định bằng phương pháp Kjeldahl theo tiêu chuẩn AACC Approved Methods 46-10 [16]

3.1.4.2 Hàm lượng lipid được xác định bằng cách chiết với hexane trong 6h với bình chiết Soxhlet theo AACC Approved Methods 46-10 [16]

3.1.4.3 Hàm lượng tro được xác định bằng phương pháp đốt trong bình kín ở 550 0 C trong 3 giờ Hàm lượng tinh bột được xác định bởi công thức:

Hàm lượng tinh bột (%) = 100% -% Protein- % Lipid- % tro

3.1.4.4 Hàm lượng amylose và hàm lượng amylopectin: hàm lượng amylose của mẫu được xác định theo phương pháp trong báo cáo của Hung và Morita [41] 10mg tinh bột hòa tan trong 0.2ml ethanol 99% và 1ml nước cất, gia nhiệt

100 0 C trong 5 phút Sau đó để nguội ở nhiệt độ phòng, thêm 0.5ml NaOH 1M và đặt trong bể gia nhiệt 10 phút có khuấy để hòa tan hoàn toàn Sau đó điều chỉnh huyền phù thu được đến pH 6.5 bằng HCl 1M, và pha loãng với 10ml nước cất Lấy 0.4ml dung dịch thu được thêm vào 5ml nước cất và 0.4 ml iodine 0.2%

Sau đó pha loãng với 10ml nước cất Hỗn hợp thu được giữ ở nhiệt độ phòng khoảng 20 phút Đo độ hấp thụ với blue value tại 680nm và bước sóng 450-800nm

3.1.4.5 Xác định cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình của tinh bột bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (Rigaku Co., Ltd, Rint-2000, Tokyo, Nhật Bản): chiếu xạ tia X 40kV và 80mA Biểu đồ được ghi nhận từ 2 0 20 đến 35 0 20 với tốc độ quét 8 0 /phút và bước quét ở 0.02 0 Thiết bi ̣ tia X Bruker D8 Advance- Đức

3.1.4.6 Xác định hình dáng và kích thước hạt sử dụng vi ảnh quét SEM: mẫu được gửi phân tích tại đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội

Nguyên tắc thực hiện: huyền phù tinh bột được gia nhiệt kết hợp khuấy trộn với tốc độ tăng hoặc giảm dần Nhiệt độ trong bát quay với một tốc độ đặc trưng không đổi Trong quá trình gia nhiệt và làm mát, độ nhớt của mẫu được ghi nhận liên tục Quá trình thực hiện được thiết kế để hiển thị và mô tả độ nhớt của mẫu bởi sự tăng giảm nhiệt độ và tác dụng cơ học khi khuấy trộn mẫu trong các giai đoạn khác nhau

Sơ đồ nghiên cứu

Các yếu tố khảo sát gồm: hình dạng, kích thước, độ kết tinh, hàm lượng amylose, độ nhớt, độ trương nở, độ hòa tan, hàm lượng RDS, SDS, RS

Khảo sát tính chất và cấu trúc của tinh bột ba loại khoai lang: khoai lang vàng Đắc Nông, Khoai lang trắng Vĩnh Long và khoai lang tím Đồng Tháp

Khảo sát khả năng tạo tinh bột trơ từ ba loại khoai lang bằng phương pháp Heat moisture treatment

Khảo sát khả năng tạo tinh bột trơ từ ba loại khoai lang bằng phương pháp Annealing treatment

So sánh khả năng tạo tinh bột trơ từ ba loại khoai lang ở các vùng địa lý khác nhau

So sánh khả năng tạo tinh bột trơ giữa hai phương pháp HMT và

Kết luận về tính chất tinh bột từ ba loại khoai lang, khả năng tạo thành tinh bột trơ từ ba loại tinh bột bởi hai phương pháp ẩm nhiệt HMT và

Hình 3.3: Sơ đồ nghiên cứu