CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Các sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột khoai lang và tiềm năng
1.3.2. Isomaltooligosaccharide (IMO): thu nhận và khả năng ứng dụng trong
xuất thực phẩm
(1) Khái niệm, vai trò và thị trường của IMO
Từ quan điểm hóa học nghiêm ngặt, isomaltooligosaccharides (IMO) là các phân tử ngắn tuyến tính của các đơn vị D-glucose được liên kết bởi α-1,6 glycosidic. Tuy nhiên, trong định nghĩa rộng hơn, chúng được chấp nhận là các glucooligosaccharide phân nhánh và tạo vòng với các đơn vị glucose được liên kết với nhau bằng liên kết α-1,6 glycosidic, α-1,3 glycosidic, α-1,2 glycosidic, hoặc ngay cả khi kết hợp với liên kết α-1,4 glycosidic. Cấu trúc và tính chất của IMO phụ thuộc vào mức độ trùng hợp (DP) của chúng (thường là từ 2 đến 10 đơn vị glucose), các loại liên kết (α-1,2; 3, 4 hoặc 6 glycosidic), tỷ lệ và vị trí của từng loại liên kết [7], [9], [128]. Thành phần các saccharide của một sản phẩm IMO thương mại được phân tích và tổng hợp trong Bảng 1.2 [129].
Bảng 1.2. Tên gọi, công thức phân tử và tên hóa học của các maltooligosaccharides (MO) và isomaltooligosacchrides (IMO) có DP=2-9
Tên thông thường Công thức phân tử Tên hóa học Monosaccharides (DP1) Glucose C6H12O6 D-Glucose Disaccharides (DP2) Maltose C12H22O11 4-O-D-glucopyranosyl-D-glucose Isomaltose (IMO2) C12H22O11 6-O-D-glucopyranosyl-D-glucose
Oligosaccharides (>=DP3)
Maltotriose (G3) C18H32O16 O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-D-glucose Panose C18H32O16 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-
glucopyranosyl-(1,4)-D-glucose Isomaltotriose (IMO3) C18H32O16 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-
glucopyranosyl-(1,6)-D- glucose Maltotetraose (G4) C24H42O21 O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-D-glucose Isomaltotetraose (IMO4) C24H42O21 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-D-glucose Maltopentaose (G5) C30H52O26 O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-D-glucose
25
Tên thông thường Công thức phân tử Tên hóa học Isomaltopentaose (IMO5) C30H52O26 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-D-glucose Maltohexaose (G6) C30H52O26 O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-D-glucose Isomaltohexaose (IMO6) C30H52O26 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-D-glucose Maltoheptaose (G7) C42H72O36 O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-D-glucose Isomaltoheptaose (IMO7) C42H72O36 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-D-glucose Maltooctaose (G8) C48H82O41 O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O- α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-D-glucose Isomaltooctaose (IMO8) C48H82O41 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-D-glucose Maltononaose (G9) C54H92O46 O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,4)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,4)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,4)-D-glucose Isomaltononaose C54H92O46 O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-
26
Tên thông thường Công thức phân tử Tên hóa học (IMO9) glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D-glucopyranosyl- (1,6)-O-α-D-glucopyranosyl-(1,6)-O-α-D- glucopyranosyl-(1,6)-D-glucose
Trong hỗn hợp IMO, các thành phần phổ biến nhất bao gồm isomaltose, isomaltotriose, isomaltotetraose, panose, isopanose, glucose-maltotriose, nigerose, nigerotriose, kojibose, centose. Một nhóm quan trọng khác là các isomaltooligosaccharide mạch vòng (CIs), những nhóm này được hình thành bởi các đơn vị glucose chỉ liên kết bởi các liên kết α-1,6 glycosidic, còn được gọi là cyclodextrans. DP của cyclodextrans nằm trong khoảng từ 7 đến 12 [130]–[132]. Biểu diễn sơ đồ của các loại IMO khác nhau được hiển thị trong Hình 1.11.
Hỗn hợp IMO có chỉ số đường huyết thấp và được phân loại là prebiotics. Ngoài liên kết α-1,4 glycosidic trong phân tử, các liên kết còn lại của IMO không dễ bị thủy phân bởi hệ enzyme đường ruột. Đây cũng là cơ chất thích hợp cho hoạt động của các vi sinh vật có lợi trong đường ruột như Lactobacilli và Bifidobacteria. Mức độ trùng hợp và tỷ lệ giữa α-1,4 glycosidic và các liên kết khác là yếu tố quan trọng quyết định khả năng tiêu hóa và chuyển hóa của IMO bởi hệ vi sinh vật đường ruột [133], [134].
27
Hình 1.11: Cấu trúc của các loại IMO [135]
Đã có nhiều nghiên cứu về khả năng tác động đến lượng vi sinh vật có lợi trong cơ thể khi bổ sung IMO đều đặn hàng ngày (theo dõi trong một đến hai tuần). Phân tích vi khuẩn trong phân cho thấy sự gia tăng đáng kể về số lượng Bifidobacteria
[136]–[140], Lactobacilli [137], [138], Eubacteria [138], đồng thời ức chế vi khuẩn không có lợi như Clostridum perfriengenes [137]. Mặt khác, E. coli và các vi khuẩn khác không thể sử dụng IMO [136]. Tiêu thụ IMO còn giúp cải thiện hiệu quả nhu động ruột và vi khuẩn lên men trong đại tràng mà không có bất kỳ tác dụng phụ nào được quan sát trong nghiên cứu của Chen và cộng sự (2001) [141]. Ngoài ra, Wang và cộng sự (2001) cho thấy IMO còn giúp làm giảm cholesterol tổng thể, gia tăng đáng kể số lần đi tiểu và cải thiện bệnh táo bón của bệnh nhân trong suốt bốn tuần điều trị [142].
Ở châu Á, IMO được sử dụng như một thành phần thực phẩm có lợi cho sức khỏe cũng như ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, phổ biến ở một số nước như Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc. Theo Teruo, ở Nhật Bản, IMO được sử dụng phổ biến hơn bất kỳ loại oligosaccharide khó tiêu hóa nào khác [143]. Năm 2003, Nhật Bản ước tính tiêu thụ khoảng 11.000 tấn IMO và đóng vai trò như một chất tạo ngọt trong nhiều năm. Xi-rô IMO cũng được sử dụng hiệu quả cho thực phẩm lên men truyền thống ở Nhật Bản [143]. Tại đây, IMO cũng được sử dụng thương mại như một chất tạo ngọt với độ ngọt tùy thuộc vào thành phần của chúng, đặc biệt là hàm lượng các oligosaccharide có trọng lượng phân tử thấp. Các chế phẩm IMO
28
thương mại thông thường có vị ngọt khoảng 60% đường saccarose (Bộ Y tế Canada). Tại Nhật Bản, Trung Quốc, Hồng Kông, Hàn Quốc và Đài Loan, IMO đã được các cơ quan quản lý công nhận và có mặt trên thị trường trong nhiều thập kỷ. Hiện tại, IMO vẫn nhận được nhiều sự quan tâm và được sử dụng ở các quốc gia bằng cách được bổ sung vào một số thực phẩm nhằm nâng cao lợi ích sức khỏe, như chức năng prebiotic và cải thiện tiêu hóa nói chung. Một số thực phẩm được bổ sung IMO điển hình như đồ uống và các sản phẩm từ sữa với vai trò như một thành phần thay thế đường, giải phóng năng lượng chậm và mang lại các chức năng cảm quan thích hợp [144]. Ngoài ra, các sản phẩm từ ngũ cốc và bánh mì được bổ sung IMO để tăng hàm lượng chất xơ hòa tan và mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe đường ruột. Hàm lượng IMO tối đa được bổ sung vào các nhóm thực phẩm được quy định bởi Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), Cơ quan Tiêu chuẩn Thực phẩm EU (EFSA), Tiêu chuẩn Thực phẩm Úc New Zealand (FSANZ),… để tranh mang lại cảm giác khó chịu cho đường tiêu hóa, đặc biệt là đầy hơi [9].
(2) Quy trình sản xuất isomaltooligosaccharide
Một lượng nhỏ IMO có mặt trong các sản phẩm tự nhiên như mật ong, bia và thực phẩm lên men bao gồm tương miso, nước tương và rượu sake [145]. Việc thu nhận IMO quy mô lớn từ những loại thực phẩm này không khả thi về mặt kinh tế. Do đó, các IMO thương mại được sản xuất bằng cách biến tính tinh bột, sử dụng enzyme gắn nhánh làm công cụ xúc tác. Các loại enzyme chính được sử dụng nằm trong nhóm glucanotransferase, hydrolase và transglucosidase [9]. Theo quy trình thông thường, sản xuất IMO từ tinh bột sử dụng các bước bao gồm dịch hóa, đường hóa, gắn nhánh và tinh chế. Các bước trong quy trình sản xuất IMO thông thường từ tinh bột sử dụng enzyme được mô tả cụ thể như sau:
Giai đoạn dịch hóa:
Tinh bột được hòa với nước tạo dịch huyền phù tinh bột có nồng độ từ 20% đến 30% (w/w). Tiếp đó, enzyme α-amylase chịu nhiệt được bổ sung vào hỗn hợp có sử dụng một số thông số do Chockchaisawasdee và cộng sự nghiên cứu [146]. Trong quá trình dịch hóa, α-amylase, xúc tác thủy phân ngẫu nhiên các liên kết α-1,4 glycosidic của amylose và amylopectin, dẫn đến tinh bột bị thủy phân thành các dextrin có độ dài mạch phân tử khác nhau. Kết thúc quá trình dịch hóa, tiến hành diệt enzyme α-amylase bằng axit đến pH = 3,0 [146], [147].
Giai đoạn đường hóa:
Dịch thủy phân tiếp tục đi vào giai đoạn đường hóa với hoạt động của enzyme β-amylase. Sản phẩm thu được gồm hỗn hợp các oligosaccharide mạch ngắn. Enzyme β-amylase phân cắt các liên kết α-1,4 glycosidic có quy tắc từ các đầu không khử của amylose và amylopectin dẫn đến hàm lượng maltose tăng dần theo thời gian. Sau 24 giờ đường hóa với β-amylase đại mạch, maltose chiếm khoảng 45% hàm lượng tổng số đường trong hỗn hợp phản ứng [146]. Kết thúc quá trình đường hóa, bất hoạt enzyme ở nhiệt độ 95 oC trong 10 phút [146].
29
Giai đoạn gắn nhánh:
Dịch sau quá trình đường hóa tiếp tục được thêm enzyme transglucosidase ở nhiệt độ khoảng 50 – 60 oC, thời gian phản ứng khoảng 12 – 48 giờ. Transglucosidase là enzyme có khả năng thủy phân cả hai liên kết α-1,4 và α-1,6 glycosidic, đồng thời, nó cũng có khả năng tạo liên kết α-1,6 glycosidic trên oligosaccharide [148]. IMO được hình thành bằng cách chuyển các đơn vị glucosyl từ vị trí liên kết α-1,4 glycosidic sang vị trí α-1,6 glycosidic của cơ chất oligosaccharide. Trong hỗn hợp sản phẩm thu được các sản phẩm IMO chính là isomaltose (IMO2), isomaltotriose (IMO3), isomaltotetraose (IMO4) và một lượng đáng kể glucose tự do do các đơn vị glucosyl được chuyển vào nước và giải phóng glucose [149].
(3) Nâng cao hiệu quả sản xuất isomaltooligosaccharide
Thị trường IMO hiện tại ngày càng phát triển, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện rộng rãi ở các cấp học thuật, thử nghiệm và công nghiệp để tìm kiếm quy trình mới hiệu quả hơn để sản xuất IMO. Các nhà nghiên cứu hướng tới khả năng hoạt động của các loại enzyme mới và công nghệ sản xuất tiên tiến và hiệu quả hơn. Kết hợp quá trình đường hóa và gắn nhánh được sử dụng để sản xuất IMO từ tinh bột sau dịch hóa cho hiệu quả cao hơn so với quy trình ba bước thông thường, nâng cao hiệu suất tạo thành IMO [147], [150], [151].
Giai đoạn dịch hóa:
Giai đoạn dịch hóa trong sản xuất IMO bằng đường hóa – gắn nhánh đồng thời được thực hiện bằng cách sử dụng enzyme alpha amylase chịu nhiệt. Chẳng hạn, trong một nghiên cứu từ nhóm nghiên cứu của Niu và cộng sự [151], các enzyme dịch hóa được sử dụng có nguồn gốc từ Bacillus amyloliquefaciens và Bacillus licheniformis. Kết thúc quá trình thủy phân có thể dựa trên các chỉ số đơn giản như DE, DP trung bình của dịch thủy phân. Diệt enzyme alpha amylase bằng axit đến pH =3,0.
Giai đoạn đường hóa – gắn nhánh đồng thời:
Khác với quá trình sản xuất IMO thông thường qua ba giai đoạn dịch hóa, đường hóa và gắn nhánh riêng biệt. Việc kết hợp hai giai đoạn đường hóa và gắn nhánh với nhau giúp tiết kiệm thời gian và chi phí năng lượng đáng kể. Hệ enzyme thường được sử dụng bao gồm: β-amylase từ đại mạch, pullulanase từ B. licheniformis và transglucosidase từ A. niger.
(4) Các công trình nghiên cứu về sản xuất IMO
Cho đến nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu sản xuất IMO từ các loại tinh bột khác nhau theo các quy trình và hiệu suất đa dạng. Tiêu biểu như tác giả Niu và cộng sự (2017) [151] thực hiện trên tinh bột ngô. Trên tinh bột sắn có nghiên cứu của Sorndech và cộng sự (2017) [150], Premsuda Saman và cộng sự (2019) [152]. Tác giả Pan và Lee (2005) [153] trên tinh bột gạo, Chockchaisawasdee và Poosaran (2013) [146] trên tinh bột chuối và Jie Cui và cộng sự (2017) [154] trên tinh bột hạt dẻ. Tuy nhiên, sản xuất IMO từ tinh bột khoai lang có rất ít nghiên cứu nào được thực hiện.
30
Năm 2013, Chockchaisawasdee và Poosaran [146] cũng thử nghiệm việc sản xuất isomaltooligosaccharides (IMO) từ bột chuối để tìm ra hướng ứng dụng mới cho nguyên lệu này. Dung dịch bột chuối được dịch hóa bằng chế phẩm Termamyl SC, tiếp đó đường hóa bằng Fungamyl 800 L hoặc β-amylase lúa mạch. Quá trình tổng hợp IMO sử dụng enzyme Transglucosidase L. Sau 12 giờ chuyển hóa, sản lượng IMO cao nhất đạt 76,67 ± 2,71 và 70,74 ± 4,09 g/l tương ứng với quy trình sử dụng Fungamyl 800 L và β-amylase lúa mạch. Hỗn hợp IMO sản phẩm được định lượng bằng tổng các thành phần isomaltotriose, isomaltotetraose, maltooligoheptaose và các oligome lớn hơn. Tác giả đã chỉ ra tổng hợp IMO là một hướng ứng dụng mới hoàn toàn có thể được áp dụng cho nguyên liệu bột chuối.
Trong một báo cáo gần đây, Cui và cộng sự (2017) [154] đã nghiên cứu về quy trình ba bước sản xuất IMO và chứng minh lợi ích sức khỏe của sản phẩm. Tinh bột được dịch hóa với α-amylase bền nhiệt và CaCl2 trong thời gian 120 phút trong bước đầu tiên. Giá trị đương lượng dextrose của hỗn hợp hóa lỏng là 13,8. Tiếp đó, quá trình đường hóa được thực hiện ở 60 °C trong 2 giờ bằng cách sử dụng đồng thời hỗn hợp enzyme α-amylase từ nấm, β-amylase và pullulanase. Dịch thủy phân sau bước hai được chuyển hóa tạo IMO bằng enzyme α-transglucosidase trong 20 giờ. Hỗn hợp sản phẩm sau quá trình tổng hợp được tinh chế và quan sát tác động tăng sinh trong ống nghiệm. Kết quả cho thấy IMO là nguồn cacbon hiệu quả cho sự phát triển của Lactobacillus với liều lượng tối ưu 2,0%. Do đó, IMO sản xuất từ tinh bột hạt dẻ được nhận định là một prebiotic mới mang lại hiệu quả chăm sóc sức khỏe cho đường tiêu hóa của con người.
Bên cạnh đó, Premsuda Saman và cộng sự (2019) [152] tiếp tục thực hiện đánh giá việc sử dụng công nghệ enzyme để sản xuất isomaltooligosaccharides chức năng từ bột gạo và tinh bột sắn. Ba nguyên liệu bao gồm bột gạo tẻ, bột gạo nếp và tinh bột sắn được so sánh để sản xuất xi-rô IMO thông qua quá trình thủy phân bằng enzyme. Bước đầu tiên là dịch hóa tinh bột bằng cách sử dụng α-amylase. Bước thứ hai là đường hóa bằng cách sử dụng β-amylase và pullulanase để tạo maltose. Bước cuối cùng là transglycosyl hóa bằng cách sử dụng enzyme transglucosidase chuyển maltose thành IMO. Kết quả thu được cho thấy khả năng hoạt động và chuyển hóa tốt trên cả ba loại nguyên liệu.
Trong nghiên cứu của Niu và cộng sự (2017) [151], các enzyme được sử dụng bao gồm Bacillus amyloliquefaciens α-amylase, α-amylase chịu nhiệt từ Bacillus licheniformis, β-amylase từ cám đại mạch, pullulanase từ Bacillus licheniformis và
A. niger α-transglucosidase. Tối ưu hóa từng bước sản xuất IMO bao gồm dịch hóa tinh bột, đường hóa và gắn nhánh đồng thời đã được nghiên cứu để phát triển quy trình mới sản xuất IMO hiệu quả. Hiệu suất IMO được tính bằng tổng hàm lượng IMO2, IMO3 và panose chia cho khối lượng chất khô (% w/w). Kết quả thu được cho thấy, sau 13 giờ đường hóa và gắn nhánh đồng thời, hiệu suất IMO thu được là 49,09%, một cải thiện đáng kể so với quy trình hiện đang được sử dụng cho sản xuất thương mại là 39– 41%.
31