Ảnh hưởng của liều chiếu xạ chùm tia điện tử (eb) lên sự thay đổi cấu trúc, các tính chất hóa lý và độ tiêu hóa của tinh bột bắp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA LIỀU CHIẾU XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ (EB) LÊN SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC, CÁC TÍNH CHẤT HĨA LÝ VÀ ĐỘ TIÊU HÓA CỦA TINH BỘT BẮP MÃ SỐ: T2019-35TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 Mẫu 1TĐ Trang bìa báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường trọng điểm BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ẢNH HƯỞNG CỦA LIỀU CHIẾU XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ (EB) LÊN SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC, CÁC TÍNH CHẤT HĨA LÝ VÀ ĐỘ TIÊU HÓA CỦA TINH BỘT BẮP Mã số: T2019-35TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Trịnh Khánh Sơn TP HCM, 4/2020 Mẫu 2TĐ Trang bìa phụ báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường trọng điểm TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ẢNH HƯỞNG CỦA LIỀU CHIẾU XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ (EB) LÊN SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC, CÁC TÍNH CHẤT HĨA LÝ VÀ ĐỘ TIÊU HÓA CỦA TINH BỘT BẮP Mã số: T2019-35TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Trịnh Khánh Sơn Thành viên đề tài: TS Vũ Trần Khánh Linh TS Phạm Thị Hồn KS Đặng Thanh Bình TP HCM, 4/2020 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TÓM TẮT MỞ ĐẦU 1.1 Tinh bột 1.2 Phổ FTIR tinh bột 12 1.3 Các phân đoạn tiêu hóa tinh bột 13 1.4 Mức liều xạ an toàn ứng dụng xử lý thực phẩm 14 1.5 Biến tính tinh bột chiếu xạ 14 1.6 Các nghiên cứu trước 16 1.7 Mục tiêu nghiên cứu 18 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 19 2.2 Tinh bột chiếu xạ EB 19 2.3 Hàm lượng acid tự 20 2.4 Màu sắc 20 2.5 Độ hòa tan độ trương nở 21 2.6 Độ nhớt khối lượng phân tử trung bình 22 2.7 Khả tạo phức với iodine hàm lượng amylose biểu kiến 22 2.8 Sự có mặt nhóm chức hóa học phổ FTIR 23 2.9 Kiểu hình tinh thể nhiễu xạ tia X mức độ tinh thể tương đối 23 2.10 Độ tiêu hóa in vitro 24 2.11 Phương pháp thống kê 25 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 26 3.2 Hàm lượng acid tự amylose biểu kiến 26 3.3 Độ nhớt khối lượng phân tử trung bình 27 3.4 Sự có mặt nhóm chức hóa học phổ FTIR 28 3.5 Kiểu hình tinh thể nhiễu xạ tia X mức độ tinh thể tương đối 30 3.6 Màu sắc 32 3.7 Độ hòa tan độ trương nở 33 3.8 Độ tiêu hóa in vitro 34 KẾT LUẬN 35 ĐỀ XUẤT 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Cấu tạo amylose amylopectin Hình Cấu trúc phức tinh bột với iodine 10 Hình Cấu trúc tinh thể loại A loại B 11 Hình Ảnh hưởng chiếu xạ lên tinh bột 16 Hình 3.1 Độ nhớt reduced mẫu tinh bột liều chiếu xạ EB khác 27 Hình 3.2 Phổ FTIR mẫu tinh bột 28 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X 31 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Phổ FTIR tinh bột 13 Bảng 2.1 Các tiêu chất lượng tinh bột bắp nguyên liệu* 19 Bảng 2.2 Các thơng số thiết bị chiếu xạ 20 Bảng Giá trị pH, hàm lượng acid tự (FA, ml) hàm lượng amylose biểu kiến (AM, %) 26 Bảng Độ nhớt nội khối lượng phân tử trung bình 27 Bảng 3 Mức độ tinh thể tương đối (DRC, %) 30 Bảng Các thông số màu sắc 32 Bảng Độ hòa tan trương nở 33 Bảng Độ tiêu hóa in vitro 34 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AM: hàm lượng amylose DRC: mức độ tinh thể tương đối EB: Electron beam EB7, EB5, EB2.7, EB1, EB0 mẫu chiếu xạ EB liều chiếu 7, 5, 2.7, 1.0 kGy FA: hàm lượng acid tự FTIR: Fourier-transform infrared spectroscopy, phổ hồng ngoại Fourier i: độ nhớt nội SDS: Slowly digestible starch SB: độ hòa tan SP: độ trương nở RDS: Rapidly digestible starch Mw: khối lượng phân tử trung bình RS: Resistant starch XRD: X-ray diffraction, nhiễu xạ tia X TÓM TẮT Chiếu xạ electron beam (EB) dùng để xử lý tinh bột bắp liều từ đến kGy Chiếu xạ EB làm (a) depolymer hóa phân tử tinh bột, (b) hình thành liên kết ngang từ làm tăng mức độ tinh thể (c) làm tinh thể to bị vỡ thành tinh thể nhỏ Khi tăng liều xạ làm giảm pH, giảm độ nhớt, giảm khối lượng phân tử làm tăng độ acid tinh bột bắp Sau chiếu xạ, màu sắc mẫu bị sậm Phổ FTIR, kiểu hình tinh thể loại A, tỉ lệ vùng có trật tự/vùng vơ định hình khơng thay đổi sau chiếu xạ Các thay đổi nói khơng làm thay đổi hàm lượng amylose mà làm giảm độ trương nở làm tăng độ hòa tan tinh bột Ngoài ra, tương tác thay đổi giúp giải thích chuyển đổi từ phân đoạn tinh bột trơ thành tinh bột tiêu hóa chậm MỞ ĐẦU Tinh bột nguồn dinh dưỡng dự trữ thực vật nguồn cung cấp dinh dưỡng cho người, xanh quang hợp tổng hợp nên, chúng chứa nhiều loại lương thực hạt, củ, quả, Hình dáng kích thước, mức độ tinh thể hóa hạt tinh bột, thành phần hóa học tính chất tinh bột phụ thuộc nhiều vào giống cây, điều kiện trồng trọt, trình sinh trưởng cây,…(Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) Tinh bột sử dụng để tạo nên kết cấu, hấp dẫn nhiều thực phẩm Tinh bột dùng làm chất làm dày kết dính, sử dụng rộng rãi sản xuất bánh tráng miệng, súp, nước sốt, trộn salad, chế phẩm thực phẩm dành cho trẻ sơ sinh, bánh điền, mayonnaise,…Một lớp amylose sử dụng màng bảo vệ vỏ trái cây, tránh kẹo trái khơ bị dính vào Đồng thời amylose bảo vệ khoai tây chiên tránh bị nhạy cảm với q trình oxy hóa Việc sử dụng amylopectin đa dạng Nó sử dụng với lượng lớn chất làm đặc, chất ổn định chất kết dính (AnnCharlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) Dù ứng dụng rộng rãi thực phẩm cịn dùng ngành cơng nghiệp khác, nhiên, tính chất tinh bột tự nhiên khơng đáp ứng đủ yêu cầu mặt kỹ thuật sản xuất cơng nghiệp Vì vậy, tinh bột thường biến tính để có tính chất khác đáp ứng nhu cầu ngày tăng người tiêu dùng Các phương pháp biến tính hóa học sử dụng rộng rãi, cung cấp đa dạng loại tinh bột biến tính Mặc dù chúng lại có số nhược điểm chi phí biến tính, chi phí xử lý mơi trường sau biến tính cao quan trọng e ngại người tiêu dùng tồn dư chất hóa học thực phẩm Hiện phương pháp biến tính đại hơn, nhanh an tồn nghiên cứu, song song với phương pháp biến tính hóa sinh (như dùng enzyme) phương pháp biến tính vật lý lại ưu chuộng Các phương pháp vật lý thường dùng dùng lực học, ép đùn, hồ hóa trước,… phương pháp nghiên cứu gần xử lý nhiệt ẩm, xử lý plasma phương pháp chiếu xạ ion hóa (gamma, EB,…) (AnnCharlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) Trong nghiên cứu này, bước đầu đánh giá ảnh hưởng xử lý EB lên thay đổi cấu trúc, tính chất hóa lý độ tiêu hóa tinh bột bắp, làm tiền đề cho việc xác định thơng số xử lý EB để đạt tính chất mong muốn tinh bột sản xuất công nghiệp sau Tinh bột bắp loại tinh bột tách từ hạt bắp Quá trình bắt đầu hạt bắp ngâm nước, mầm tách khỏi nội nhũ, sau nghiền nhỏ rửa nhiều lần cuối đem sấy khô để thu thành phần tinh bột Bắp loại lương thực sử dụng rộng rãi có sản lượng dẫn đầu giới lương thực, trồng nhiều Mỹ (chiếm gần nữa), Trung Quốc, Brasil, México, Argentina, Ấn Độ, Pháp, Indonesia, Nam Phi Italia (Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) Chính lương thực có sản lượng lớn nên lựa chọn tinh bột bắp nguyên liệu đem xử lý nghiên cứu 1.1 Tinh bột Tinh bột hợp phần từ hai đại phân tử amylose amylopectin, mà hai polymer glucose Amylose chủ yếu polymer mạch thẳng, có đơn vị glucose gắn với thông qua liên kết α-1,4-glycosidic Trong nghiên cứu gần glucose có khoảng 0.1% điểm nhánh α-1,6 glycosidic Ngược lại, amylopectin chủ yếu liên kết α-1,4-glycosidic, có tỉ lệ cao liên kết α-1,6-glycosidic (4%) Amylopectin có phân tử lớn nhiều so với amylose, khối lượng phân tử khoảng 10 tới 108, amylose có khối lượng phân tử từ 5x105 đến 106 Hai loại phân tử phân biệt kích thước phân tử đặc tính hình dung cách liên kết khác chúng với dung dịch iodine (Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) Đơn vị α- D glucopyranose Hình 1 Cấu tạo amylose amylopectin (Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) Chuỗi dài amylose hoạt động cuộn linh hoạt nước có lực cao với iodine Chuỗi có chiều dài 200 đơn vị glucose thể tối đa liên kết với tinh bột (20%) 20oC Phức hợp có λmax (bước sóng có độ hấp thu cao nhất) 620nm, kết màu xanh tối Có mối quan hệ tuyến tính chiều dài chuỗi glucan lực liên kết với iodine Bởi chiều dài chuỗi giảm khả liên kết với iodine polysaccharide giảm λmax Ở 20oC, amylopectin có khả liên kết với iodine 0.2% (w/w) phức hợp polysaccharide/iodine có λmax =550nm Để phản ứng với iodine, phân tử amylose phải có dạng vịng xoắn ốc Các dextrin có gốc glucose khơng cho phản ứng với iodine khơng tạo vịng xoắn ốc hồn chỉnh (Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) 3000) Cấu trúc phức tinh bột với iodine Chuỗi amylose tạo đường xoắn ốc quanh đơn vị I6 (b) Góc nhìn từ xuống thấy iodine bên vịng helix Hình Cấu trúc phức tinh bột với iodine Tinh bột tự nhiên có cấu trúc bán tinh thể, mức độ kết tinh hạt tinh bột dao động từ 15-45% Vùng tinh thể có amylopectin amylose có vùng vơ định hình (Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) Lớp tinh thể hạt tinh bột tạo thành từ mạch xoắn kép amylopectin, xếp theo phương tiếp tuyến với bề mặt hạt, đầu không khử hướng vào bề mặt hạt Các lớp tinh thể vô định hình xếp với chiều dày theo chu kỳ 9-10nm Trong lớp tinh thể, đoạn mạch thẳng liên kết với thành sợi xoắn kép, xếp thành dãy tạo thành chùm phần mạch nhánh nằm lớp vơ định hình Amylose hịa tan khỏi hạt mà khơng làm ảnh hưởng đến tính chất tinh thể chí tinh bột khơng có amylose giống tinh bột nếp, dạng bán tinh thể Mức độ tinh thể phụ thuộc vào hàm lượng nước Mức độ tinh thể 24% tinh bột khoai tây sấy khơ khơng khí (19.8% ẩm), 29-35% sản phẩm 10 ướt (45-55% ẩm) có 17% tinh bột sấy khô P2O5 sau ngậm nước lại (Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) A B Hình Cấu trúc tinh thể loại A loại B (Cui, 2005) Các nghiên cứu tán xạ tia X cho thấy tinh bột có cấu trúc tinh thể dạng A, B, C (hỗn hợp A B) cấu trúc tinh thể dạng V (trong hạt trương nở) Tham gia vào thành phần cấu tạo cấu trúc tinh thể dạng B sợi amylose xoắn kép song song ngược chiều, xếp cạnh theo hình lục giác, vùng tâm hình lục giác chứa đầy nước (với 36 phân tử H2O/ đơn vị) Cấu trúc tinh thể dạng A tương tự cấu trúc dạng B, tâm hình lục giác thay H2O chuỗi xoắn kép khác, khiến tồn “bó sợi” có cấu trúc chặt chẽ trường hợp có phân tử nước nằm xen kẽ chuỗi xoắn kép Tinh bột loại C hỗn hợp tinh thể loại A loại B, thường có nhiều loại tinh bột lấy từ đậu Tinh thể loại V kết tạo thành phức amylose với chất không phân cực phân cực yếu acid béo, chất nhũ hóa, butanol iodine (Ann-Charlotte Eliasson, 2006; Whistler, 2009) 11 1.2 Phổ FTIR tinh bột Trong phân tích phổ, vùng phổ có ý nghĩa thực tiễn quan trọng 4000 400 cm-1 gồm bốn vùng nhỏ: