5. Những điểm mới của luận án
3.1.4. Một số tính chất lý hóa của tinh bột khoai lang Việt Nam
(1) Khả năng hút nước của tinh bột các giống khoai lang
Khả năng hút nước của tinh bột khoai lang là thông số thể hiện mức độ hút nước của hạt tinh bột ở nhiệt độ thường. Kết quả nghiên cứu mức độ hút nước của các loại tinh bột khoai lang trong nghiên cứu này được thể hiện trong Bảng 3.5.
64
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của giống đến khả năng hút nước của hạt tinh bột khoai lang
(HLC: Hoàng Long cũ; HLM: Hoàng Long mới; NGL: Nhật Gia Lai; NDL: Nhật Đà Lạt; NRT: Nhật ruột trắng; NRV: Nhật ruột vàng).
Từ dữ liệu trong Bảng 3.5, có thể thấy khả năng hút nước của 6 loại tinh bột khoai nghiên cứu có sự chênh lệch đáng kể và dao động từ 87,39 đến 115,74%w/w. Khả năng hút nước của tinh bột NGL có giá trị thấp nhất, đạt 87,39%w/w, trong khi tinh bột NRV có khả năng hút nước cao nhất, đạt 115,74%w/w. Tuy nhiên, kết quả cao hơn đáng kể được ghi nhận trong nghiên cứu của Mweta và cộng sự (2010) [221] 1,42 - 1,83 g H2O/g tinh bột khoai lang tương đương với khả năng hút nước đạt 142 đến 183%w/w ở 50°C. Sự khác biệt trong các kết quả về khả năng hút nước của các loại tinh bột khoai lang được giải thích là do bản chất phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình hấp thụ nước, cụ thể, tại nhiệt độ cao khả năng hấp thụ nước của tinh bột tăng. Bên cạnh đó, khả năng hấp thụ nước của mẫu tinh bột khoai lang Ấn Độ được nghiên cứu bởi A. Surendra Babu và cộng sự (2015) [228] cũng đạt 182% w/w. Ngoài ra, khả năng hút nước của tinh bột còn bị ảnh hưởng đáng kể bởi hàm lượng protein, mức độ liên kết giữa các phân tử, tỷ lệ giữa vùng tinh thể và vùng vô định hình trong hạt tinh bột do chúng chứa các phần ưa nước như chuỗi bên phân cực hoặc tích điện [229]. Hạt tinh bột có kích thước nhỏ được báo cáo có khả năng hòa tan và hấp thụ nước tốt hơn [47].
(2) Đặc tính hồ hóa của tinh bột các giống khoai lang
Đặc tính hồ hóa của các loại tinh bột khoai lang khác nhau được đo bằng máy phân tích nhớt nhanh (RVA) và kết quả được trình bày trong Bảng 3.6 và Hình 3.3.
65
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của giống đến độ nhớt tinh bột khoai lang Kí hiệu mẫu HLC HLM NDL NGL NRV NRT Kí hiệu mẫu HLC HLM NDL NGL NRV NRT
(HLC: Hoàng Long cũ; HLM: Hoàng Long mới; NGL: Nhật Gia Lai; NDL: Nhật Đà Lạt; NRT: Nhật ruột trắng; NRV: Nhật ruột vàng)
Hình 3.3. Đồ thị độ nhớt RVA của tinh bột sáu giống khoai lang Việt Nam
Nhiệt độ hồ hóa trong phân tích RVA được tính là điểm nhiệt độ tại đó độ nhớt của dịch hồ bắt đầu tăng [230]. Nhiệt độ hồ hóa của sáu loại tinh bột khoai lang nằm trong khoảng từ 70,3 đến 75,7°C, trong đó tinh bột khoai lang NRV và NRT có sự gia tăng độ nhớt tại khoảng nhiệt độ thấp hơn so với các tinh bột còn lại. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với kết quả được tìm thấy trong một số nghiên cứu được báo cáo trước đây như trong nghiên cứu của Moorthy và cộng sự, năm 2010 [63], nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang được báo cáo dao động từ 65,9°C đến 77,5°C. Kích thước hạt được xác định có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang, kích thước hạt càng lớn thì nhiệt độ hồ hóa càng cao [41]. Tuy nhiên, không có mối quan hệ rõ ràng giữa sự thay đổi của nhiệt độ hồ hóa và kích thước hạt trung bình của sáu loại tinh bột khoai lang trong nghiên cứu này.
Độ nhớt của huyền phù tinh bột tăng dần trong quá trình gia nhiệt và đạt đến độ nhớt cực đại tại điểm cân bằng giữa sự trương nở và sự phá vỡ của hạt tinh bột [231]. Trong nghiên cứu này, từ số liệu trong Bảng 3.6 và Hình 3.3, rõ ràng, có một sự chênh lệch đáng kể trong các giá trị độ nhớt cực đại của tinh bột giữa các giống. Cụ thể, NDL có giá trị độ nhớt cao nhất với 5730 cP, giá trị này cao hơn nhiều so với độ nhớt cực đại của tinh bột trong các giống còn lại. Độ nhớt đỉnh thấp nhất là 4845 cP ở tinh bột khoai HLM. Độ nhớt cực đại của tinh bột NDL cao cho thấy khả năng liên kết nước tối đa tốt của tinh bột trước khi bị phá vỡ tức là khả năng làm đặc tốt trong ứng dụng thực phẩm. Nguyên nhân là do lực liên kết giữa các phân tử của hạt tinh bột yếu hơn [70]. Ngoài ra, độ nhớt cực đại cũng liên quan đến hàm lượng amylose, sự hiện diện của các hợp chất lipid và phốt pho, chiều dài và mức độ phân nhánh của chuỗi amylopectin [217], [232]. Collado và Corke (1997) đã báo cáo có một mối tương quan nghịch rõ ràng giữa độ nhớt đỉnh và hàm lượng amylose
[232].
67
Độ nhớt breakdown là bước giảm độ nhớt có giá trị bằng hiệu giữa độ nhớt đỉnh và độ nhớt đáy, hình thành do sự phá vỡ cấu trúc hạt tinh bột hồ hóa dưới tác động của nhiệt nên được dùng để đánh giá sự ổn định của khối hồ tinh bột nóng. Trong nghiên cứu này, sáu loại tinh bột khoai lang cho thấy sự khác biệt đáng kể của độ nhớt breakdown. Giá trị này thấp nhất từ tinh bột khoai HLM đạt 816,7cP và cao nhất ở tinh bột NDL đạt 3078,0 cP. Kết quả đã chỉ ra hồ tinh bột HLM có độ ổn định tốt nhất và ngược lại, dịch hồ tinh bột NDL có xu hướng kém bền nhiệt nhất mặc dù khi trương nở, độ nhớt cực đại thu được cao nhất. Độ nhớt breakdown thấp hơn được ưu tiên trong các ứng dụng cho chế biến các sản phẩm thực phẩm yêu cầu độ đặc dịch hồ hóa cao với thời gian cho quá trình chế biến kéo dài.
Độ nhớt setback dao động giữa 721 cP và 1121 cP được định nghĩa là sự chênh lệch giữa độ nhớt khi hoàn thành làm mát (độ nhớt cuối – final viscosity) và độ nhớt khi bắt đầu làm mát (độ nhớt đáy – trough viscosity), thường được sử dụng để xác định xu hướng thoái hóa của tinh bột [233]. Trong số 6 loại tinh bột, tinh bột NDL và NGL cho thấy xu hướng thoái hóa thấp nhất do độ nhớt setback thấp nhất. Ngược lại, độ nhớt setback của tinh bột HLM và NRV cao nhất được dự đoán có xu hướng thoái hóa cao nhất; hai giống còn lại HLC và NRT có xu hướng thoái hóa trung bình.
Tóm lại, tinh bột khoai HLC có độ nhớt đáy cao nhất và độ nhớt setback tương đối thấp, do đó có khả năng chống lại thoái hóa tốt. Độ nhớt cực đại và độ nhớt breakdown thấp nhất, độ nhớt setback cao nhất của tinh bột khoai HLM cho thấy độ đặc gel thấp, gel nóng ổn định tốt, tuy nhiên gel tinh bột sau làm lạnh có xu hướng thoái hóa cao. NDL có độ nhớt cực đại và độ nhớt breakdown cao nhất, độ nhớt setback thấp nhất cho thấy gel tinh bột có độ đặc lớn, khả năng chống thoái hóa tốt nhưng hồ nóng kém ổn định.
(3) Khả năng hòa tan của tinh bột các giống khoai lang
Khả năng hòa tan của tinh bột phụ thuộc vào loại tinh bột khoai lang được thể hiện qua dữ liệu Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Khả năng hòa tan và mức độ thoái hóa gel của tinh bột sáu giống khoai lang
Tên mẫu HLC HLM NGL NDL NRT NRV
(HLC: Hoàng Long cũ; HLM: Hoàng Long mới; NGL: Nhật Gia Lai; NDL: Nhật Đà Lạt; NRT: Nhật ruột trắng; NRV: Nhật ruột vàng).
68
Trong quá trình đun nóng hạt tinh bột với sự có mặt của lượng nước dư, cấu trúc hạt dần bị phá vỡ và hình thành liên kết hydro giữa các phân tử nước và nhóm hydroxyl của chuỗi amylose và amylopectin, khi đó sự hòa tan xảy ra. Khả năng hòa tan của 6 loại tinh bột khoai lang ở điều kiện 95oC dao động trong khoảng từ 9,53 đến 14,63%. Tinh bột của giống NGL cho thấy độ hòa tan thấp nhất trong khi tinh bột của HLM và NRV có độ hòa tan cao nhất. Kết quả tương tự cũng được quan sát bởi Mu & Zhang (2019) [33] về khả năng hòa tan của tinh bột ở 90 °C, với giá trị độ hòa tan đạt 8,56% đến 19,97%. Bên cạnh đó, Aina và cộng sự (2009) [62], đã báo cáo các giá trị thấp hơn đáng kể về khả năng hòa tan của tinh bột khoai lang được trồng ở Caribe ở 60oC (khoảng 1,5 - 9,6%) so với các giá trị đạt được trong nghiên cứu này, nguyên nhân được cho là do nhiệt độ khảo sát thấp hơn. Như vậy, rõ ràng, khả năng hòa tan của tất cả các loại tinh bột được khảo sát đều thấp tại điều kiện nhiệt độ dưới nhiệt độ hồ hóa. Bên cạnh đó, kết quả tương tự về độ hòa tan (8.81 - 13.65%) trên 14 giống khoai được báo cáo bởi Moorthy và cộng sự, năm 2010 [63]. Một số các yếu tố, bao gồm hàm lượng amylose, các hợp chất phốt pho, lực liên kết nội phân tử cũng như tương tác giữa các chuỗi mạch thuộc vùng kết tinh và vùng vô định hình bên trong hạt tinh bột đã được chứng minh là nguyên nhân tác động đến khả năng hòa tan của tinh bột [234].
(4) Mức độ thoái hóa gel của tinh bột các giống khoai lang
Quá trình thoái hóa gel diễn ra do sự tương tác (chủ yếu bởi liên kết hydro) và sự sắp xếp lại giữa các chuỗi tinh bột xảy ra khi bảo quản [70]. Các phân tử amylose được sắp xếp lại thành các đường thẳng song song trong quá trình thoái hóa ngắn hạn, tiếp đó, các nhánh amylopectin cũng từ từ kết tinh lại trong quá trình thoái hóa dài hạn. Quá trình này thường đi kèm với sự rò rỉ và tách nước từ gel tinh bột.
Dữ liệu Bảng 3.7 cho thấy xu hướng thoái hóa gel của tinh bột HLM, NGL thấp hơn so với mức độ thoái hóa gel của tinh bột HLC và NRT. Trong khi đó, mức độ thoái hóa gel của hai loại tinh bột NDL và NRV cao hơn nhiều so với các loại tinh bột còn lại. Nguyên nhân dẫn đến tính chất thoái hóa khác nhau giữa 6 loại tinh bột khoai lang chủ yếu là do hàm lượng amylose chứa trong mỗi loại tinh bột, cụ thể, mức độ thoái hóa của tinh bột khoai lang tăng lên khi hàm lượng amylose tăng [41]. Bên cạnh đó, độ dài chuỗi nhánh trong amylopectin cũng ảnh hưởng đến quá trình thoái hóa của tinh bột [67]. Thêm vào đó, xu hướng thoái hóa gel đã được ghi nhận trong phân tích RVA thông qua độ nhớt setback (như được thảo luận tại Mục (1) Phần 1.1.4). Trong nghiên cứu này, rõ ràng kết quả về mức độ thoái hóa giữa các giống khoai lang được nghiên cứu có sự khác biệt đáng kể. Nguyên nhân được cho là do độ nhớt setback thường được sử dụng để dự đoán xu hướng thoái hóa của tinh bột trong thời gian tương đối ngắn (khoảng 6 phút để làm lạnh và giữ nhiệt) ở nhiệt độ cao hơn (50°C), điều kiện quan sát khác nhau dẫn đến đánh giá có sự khác biệt. Mức độ thoái hoá gel tinh bột ảnh hưởng tới chất lượng bảo quản của sản phẩm. Đặc biệt là khi bổ sung một lượng tinh bột vào trong các sản phẩm cần sự ổn định cao như bánh dạng dẻo, đồ uống có độ nhớt cao thì thoái hoá gel tinh bột dẫn đến tách nước, thay đổi cấu trúc sản phẩm. Nhìn chung, các loại tinh bột khoai lang có khả năng thoái hóa gel thấp sẽ giúp đảm bảo cấu trúc cho các sản phẩm dạng này.
69
Kết luận về đặc tính tính bột các giống khoai Việt Nam:
Như vậy, qua kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới đặc tính hóa lý của các loại tinh bột thu nhận từ 6 giống khoai lang Việt Nam khác nhau, có thể khẳng định sự khác biệt về giống và đặc điểm canh tác đã có những ảnh hưởng đáng kể và quyết định một số đặc tính hóa lý đặc trưng của tinh bột khoai lang. Việc nghiên cứu, đánh giá một cách đầy đủ các đặc tính hóa lý của các loại tinh bột này đã góp phần làm đa dạng các ứng dụng của chúng trong việc nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm đa dạng của ngành công nghiệp thực phẩm. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra, hàm lượng tinh bột của khoai lang HLC cao hơn nhiều so với các giống còn lại và hiệu suất thu hồi tinh bột tính trên khối lượng củ tươi cũng đạt giá trị lớn nhất, do đó có thể coi đây là nguyên liệu phù hợp hơn cả cho mục đích tách và thu nhận tinh bột. Tinh bột NGL đạt đỉnh độ nhớt cao với xu hướng thoái hóa thấp nhất cho thấy đặc tính phù hợp với quá trình bảo quản và chế biến thực phẩm. Bên cạnh đó, tỷ lệ amylose/ amylopectin và cấu trúc hạt khác nhau của mỗi loại tinh bột cũng dẫn đến sự chênh lệch về độ nhớt, độ hút nước, khả năng hòa tan và mức độ thoái hóa gel.
Tính chất tinh bột khoai lang mong muốn cho sản xuất SDS và IMO:
Dựa trên định hướng nghiên cứu của đề tài, cần lựa chọn một giống khoai lang có các đặc tính phù hợp nhất làm nguyên liệu cho quá trình thủy phân bằng enzyme để tạo các sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, cụ thể trong nghiên cứu này là sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và IMO trong các phần tiếp theo. Các đặc tính quan trọng quyết định việc lựa chọn tinh bột cho các ứng dụng này có thể kể đến là hiệu suất thu nhận tinh bột cao, kích thước hạt trung bình nhỏ, khả năng hấp thụ nước và hòa tan tốt. Như vậy, rõ ràng, từ các kết quả nghiên cứu ở trên, giống khoai có tiềm năng khai thác và thu nhận tinh bột tốt nhất đáp ứng được tất cả các đặc tính hóa lý nêu trên là giống khoai lang HLC. Do đó, tinh bột được chiết tách từ giống khoai HLC sẽ được lựa chọn cho các phản ứng thủy phân enzyme để tạo các sản phẩm SDS và IMO trong các thí nghiệm tiếp theo. Việc lựa chọn giống HLC cũng đóng góp quan trọng trong việc làm giảm giá thành nguyên liệu nghiên cứu do HLC là giống khoai truyền thống đã được trồng rất lâu đời và thích nghi tốt với điều kiện địa lý của Việt Nam. Bên cạnh đó, do giá thành rẻ, tính bột được chiết tách từ giống khoai này cũng mang lại tính khả thi trong ứng dụng tại quy mô công nghiệp với hiệu suất tách tinh bột cao và triệt để.
3.2. Điều kiện thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm và đặc tính của tinh bột tiêu hóa chậm thành phẩm
Các nghiên cứu biến tính tinh bột tạo SDS bằng các enzyme khác nhau với mục đích khác nhau như enzyme thủy phân α-amylase, β-amylase tạo thành các mạch oligosaccaride ngắn, pullulanase để cắt nhánh. Enzyme α-amylase, β-amylase thường được sử dụng trong giai đoạn tiền xử lý, các enzyme này dùng để dịch hóa tăng hiệu quả thủy phân mạch nhánh khi sử dụng pullulanase. Việc kiểm soát hoạt động của enzyme này còn nhiều khó khăn vì nếu không kiểm soát tốt lại tạo điều kiện thủy phân thành các mạch ngắn hơn dễ dàng tạo glucose. Bên cạnh đó, các enzyme gắn nhánh α-glucosidase thường được sử dụng trong phản ứng transglycosyl, α-glucosidase chuyển maltose thành isomaltose, isomaltose sẽ được
70
glycosyl hóa tạo ra isomaltotriose. Nhóm enzyme được sử dụng nhiều trong sản xuất isomalto-oligosaccharides (IMO) [1]. Isoamylase và Pullulanse đều là những enzyme có khả năng phân cắt mạch nhánh tại liên kết α-1,6- glucozit, tuy nhiên enzyme Pullulanase thủy phân các liên kết α - 1,6 trong pullulan và amylopectin, trong khi isoamylase thủy phân các liên kết này trong amylopectin và glycogen. Pullulanase phổ biến hơn do đây là loại enzyme chịu nhiệt, phù hợp với nhiều loại cơ chất. Pululanase được dùng khá phổ trong các nghiên cứu tạo tinh bột tiêu hóa chậm do tính đặc hiệu, khả năng chịu nhiệt, phù hợp với nhiều loại cơ chất. Cụ thể trong nghiên cứu trên tinh bột gạo nếp của Zeng và công sự, hàm lượng SDS tăng từ