5. Những điểm mới của luận án
3.2.2.Nghiên cứu chế độ thoái hóa tinh bột sau thủy phân pullulanase làm tăng
hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm
Nghiên cứu công đoạn thoái hóa lần 1:
(1) Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 1 đến khả năng hình thành tinh bột tiêu hóa chậm
Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 1 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm được tiến hành ở các nhiệt độ -20℃, -10℃, 4℃ và 25℃ trong thời gian 48 giờ. Kết quả thu được được trình bày trong Bảng 3.8.
Dữ liệu trên cho thấy hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm đạt cao nhất là 44,50% với mẫu tinh bột được thoái hóa ở 4oC và hàm lượng thu được ở ba điều kiện thoái hóa còn lại không cho thấy sự khác biệt có nghĩa. Việc hạ nhiệt độ của gel tinh bột sau khi hồ hóa và thủy phân enzyme dẫn tới quá trình kết tinh lại (thoái hóa), các cấu trúc bị phá hủy sau thủy phân được sắp xếp lại tạo thành các tinh thể không hoàn thiện, từ đó dẫn tới sự tiêu hóa chậm tinh bột [24]. Theo Morris, sự hình thành tinh thể trải qua 3 bước: (1) Tạo mầm: hình thành các mầm tinh thể; (2) Phát triển: phát triển các tinh thể từ các mầm được hình thành; (3) Trưởng thành: hoàn thiện của tinh thể hoặc sự phát triển chậm của tinh thể [243].
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 1 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (thời gian thoái hóa 48 giờ)
Nhiệt độ thoái hóa lần 1 (℃) Hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (%)
Không thoái hóa 28,59 ± 0,72
-20℃ 36,85 ± 1,54a
-10℃ 37,18 ± 0,57a
4℃ 44,50 ± 0,49b
Quá trình tạo hạt nhân tinh thể xảy ra ở nhiệt độ lạnh thường (4℃), khi đó tinh thể tạo thành chưa hoàn chỉnh nên sự tấn công của enzyme vẫn có thể diễn ra nhưng ở tốc độ chậm, điều này lý giải cho hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm cao. Quá trình hình thành tinh thể trưởng thành xảy ra khi thoái hóa tinh bột diễn ra ở nhiệt độ phòng (25oC), một tinh thể hoàn chỉnh rất khó có thể bị phân giải nên hàm lượng tinh bột kháng tiêu hóa (RS) là cao hơn cả [243]. Nghiên cứu của Guraya (2001) trên tinh bột gạo chỉ ra rằng giữ tinh bột sau khi thủy phân bằng pullulase ở nhiệt độ 1oC tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo tinh bột tiêu hóa chậm, trong khi nhiệt độ 15℃ tạo nên lượng tinh bột kháng tiêu hóa nhiều hơn [110]. Shin và cộng sự nghiên cứu trên tinh bột cao lương nếp và đưa ra kết luận nhiệt độ tạo ra lượng tinh bột tiêu hóa chậm cao nhất đối với loại tinh bột này là 1℃ [244]. Đối với tinh bột ngô nếp, nhóm nghiên cứu của Miao (2009) đã báo cáo thoái hóa ở 4℃ ảnh hưởng đến tỷ lệ SDS so với RS và RDS do sự tăng mầm trong quá trình kết tinh lại, trái ngược với các bước nhân giống và trưởng thành. Thoái hóa ở nhiệt độ này làm tăng hàm lượng SDS lên tới 45,1% [121].
Từ các dữ kiện trên, điều kiện 4℃ là nhiệt độ tối thích nhất cho giai đoạn thoái hóa lần 1.
(2) Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 1 đến hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 1 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm được tiến hành ở 4℃ trong thời gian từ 12 giờ đến 60 giờ. Kết quả được trình bày trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 1 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (nhiệt độ 4℃)
Thời gian thoái hóa lần 1 (giờ) Hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (%)
0 28,59 ± 0,72 12 34,00 ± 1,20a 24 38,53 ± 0,48b 36 40,75 ± 0,43c 48 44,76 ± 0,37d 60 41,13 ± 0,46c
Từ dữ liệu thu được nhận thấy, hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm không có quan hệ tuyến tính với thời gian thoái hóa, do đó cần lựa chọn thời gian thoái hóa tối ưu để gia tăng hàm lượng SDS [115]. Kết quả này có thể giải thích do ở giai đoạn bắt đầu thoái hóa, cấu trúc tinh thể rối loạn sau quá trình thủy phân bởi enzyme pullulase trở nên trật tự hơn và dần hình thành các tinh thể không hoàn thiện, dẫn đến hàm lượng SDS thu được tăng và hàm lượng RDS giảm, trong khi hàm lượng RS gần như không thay đổi (do RDS chuyển đổi thành SDS). Giai đoạn thoái hóa sau 48 giờ, hàm lượng RS bắt đầu tăng lên do cấu trúc tinh thể ngày càng
Zhang và cộng sự (2011) [115] đã nghiên cứu trên nguyên liệu tinh bột gạo nếp và thu được kết quả tương tự với thời gian thoái hóa để đạt hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm cao nhất là 7 ngày (51,62%). Đối với tinh bột gạo, Tian và cộng sự (2013) [120] cũng kết luận việc thoái hóa với thời gian thích hợp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sản xuất SDS và thời gian thoái hóa 36 giờ được lựa chọn cho quy trình. Ming Miao và cộng sự (2009) [121] đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thoái hóa của tinh bột ngô nếp sau thủy phân bằng enzyme pullulanase đối với hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm được tạo thành, kết quả cho thấy hàm lượng SDS thu được tăng đến giá trị lớn nhất sau thời gian thoái hóa 48 giờ.
Phân tích thống kê cho thấy sự khác biệt giữa hàm lượng SDS thu được sau 48 giờ thoái hóa với các khoảng thời gian còn lại trong nghiên cứu này. Như vậy, lựa chọn thời gian cho giai đoạn thoái hóa lần 1 là 48 giờ.
Theo nghiên cứu của Xiao-Pei Hu và cộng sự (2014) [117], quá trình phá vỡ tinh thể, sắp xếp lại và hình thành các liên kết mới giữa các phân tử tinh bột tiếp tục diễn ra khi xử lý thoái hóa kép (thoái hóa hai lần), dẫn đến sự hình thành thêm các tinh thể không hoàn thiện và tăng hàm lượng SDS. Do đó, tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của thoái hóa lần 2 đến sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm.
Nghiên cứu công đoạn thoái hóa lần 2
(1) Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 2 đến hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm
Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 2 đến hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm, tiếp tục tiến hành thí nghiệm ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau: -20℃, - 10℃, 4℃ và 25℃ trong thời gian 48 giờ. Kết quả hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm được trình bày trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 2 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (thời gian 48 giờ)
Nhiệt độ thoái hóa lần 2 (℃) Hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (%)
Thoái hóa lần 1 44,76 ± 0,37c
-20℃ 46,09 ± 0,70a
-10℃ 46,79 ± 0,16a
4℃ 59,06 ± 0,46b (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
25℃ 46,63 ± 1,41a
Nhận thấy, kết quả nhận được tương đồng với thí nghiệm khảo sát chế độ thoái hóa lần 1, nhiệt độ thoái hóa 4℃ cho hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm cao nhất (59,06%), trong khi tại các điều kiện -20℃, -10℃ và 25℃, hàm lượng SDS trong sản phẩm có giá trị tương đồng và thấp hơn đáng kể so với 4℃.
Một cách tương tự, quá trình tạo hạt nhân tinh thể xảy ra ở nhiệt độ lạnh thường (4℃) dẫn đến việc hình thành tinh thể không hoàn chỉnh, chúng vẫn bị tấn công bởi các enzyme tiêu hóa nhưng ở tốc độ chậm hơn. Quá trình thoái hóa ở 4℃ thúc đẩy sự tạo thành mầm tinh thể nhưng không thúc đẩy sự phát triển và trưởng thành do
phát triển là hiện tượng được kiểm soát khuếch tán, nó sẽ gần bằng 0 ở nhiệt độ lạnh [110].
Slade và cộng sự (1987) [245] đã báo cáo rằng tốc độ tạo mầm tinh thể tiến tới 0 ở Tm (nhiệt độ nóng chảy) và cực đại ở Tg (nhiệt độ chuyển thủy tinh) trong khi tốc độ phát triển tinh thể tiến tới 0 ở nhiệt độ chuyển thủy tinh nhưng cực đại ở nhiệt độ nóng chảy. Tốc độ kết tinh thực (tạo mầm và phát triển) sẽ đạt cực đại ở nhiệt độ T = 1/2 (Tg + Tm), thường gần bằng nhiệt độ phòng. Quá trình hình thành tinh thể trưởng thành xảy ra khi ta thoái hóa tinh bột ở nhiệt độ phòng (25℃), một tinh thể hoàn chỉnh rất khó có thể bị phân giải nên ở nhiệt độ đó hàm lượng tinh bột kháng tiêu hóa (RS) là cao hơn [110], [243], [245]. Đó có thể là lý do ở 25℃ hàm lượng SDS thấp hơn ở 4℃ bởi một phần tinh thể không hoàn hảo (SDS) đã trưởng thành tạo các tinh thể hoàn hảo hay nói cách khác một phần SDS đã chuyển thành tinh bột kháng RS.
So với thoái hóa lần 1, thoái hóa lần 2 ở cùng điều kiện nhiệt độ cho hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm cao hơn đáng kể, ở 4℃ hàm lượng tăng từ 44,50% ở thoái hóa lần 1 lên 59,06% ở thoái hóa lần 2. Tương tự hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm ở -20℃, -10% tại 25℃. Năng suất SDS cao hơn có lẽ là do sự hình thành của các tinh thể không hoàn hảo hơn, bao gồm các chuỗi tinh thể ngắn và các cụm vô định hình vì cấu trúc SDS chủ yếu bao gồm các tinh thể không hoàn hảo [115]. Tian và cộng sự (2013) [120] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thoái hóa hai lần đối với tinh bột gạo và đưa ra kết luận rằng hàm lượng SDS trong tinh bột gạo được xử lý bằng phương pháp xử lý thoái hóa hai lần (56,7%) cao hơn so với xử lý thoái hóa một lần ở cùng điều kiện (39,3%).
Từ các lập luận trên, nhiệt độ thích hợp được lựa chọn cho quá trình thoái hóa lần 2 là 4℃. Điều này có lẽ là do sự phá vỡ các tinh thể và sự sắp xếp lại hoặc hình thành các liên kết mới giữa các phân tử tinh bột, tiếp theo là sự hình thành các tinh thể không hoàn hảo hơn tạo nên cấu trúc cơ bản của SDS.
(2) Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 2 đến hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm
Tiến hành thoái hóa các mẫu nghiên cứu ở nhiệt độ 4℃ với các khoảng thời gian khác nhau: 12 giờ, 24 giờ, 36 giờ, 48 giờ và 60 giờ. Qua khảo sát thu được kết quả trình bày trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 2 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (nhiệt độ 4℃)
Thời gian thoái hóa lần 2 (giờ) Hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (%)
Thoái hóa lần 1 44,76 ± 0,37c
12 45,76 ± 0,50a
24 50,39 ± 0,56b
36 54,14 ± 0,28c
Nhận thấy, hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm thu được vẫn tiếp tục thay đổi theo thời gian thoái hóa. Cụ thể, hàm lượng SDS tăng từ 45,76% lên 59,72% trong thời gian từ 12 giờ đến 48 giờ thoái hóa, sau đó có xu hướng giảm nhẹ ở 60 giờ và đạt 55,51%. Do đó, xu hướng thay đổi của hàm lượng SDS theo thời gian ở lần thoái hóa thứ hai tương tự kết quả thu được ở lần thoái hóa thứ nhất. Bên cạnh đó, so sánh giá trị thu được với mẫu thoái hóa lần 1 ở cùng điều kiện cho thấy quy trình thoái hóa hai lần đã cải thiện đang kể hàm lượng SDS từ 44,76% lên 59,72% (thoái hóa 48 giờ). Điều này đã một lần nữa khẳng định quy trình thoái hóa 2 lần đem lại hiệu quả cao hơn so với thoái hóa 1 lần trong sản xuất SDS [117].
Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của quy trình thoái hóa đơn (1 lần) và thoái hóa kép (thoái hóa hai lần) đối với sản xuất SDS từ tinh bột lúa mì nếp, Xiao Pei Hu và các cộng sự đã báo cáo kết quả cho thấy quy trình xử lý bằng thoái hóa kép 36 giờ cho hiệu quả cao hơn (44,41%) hẳn so với quy trình thoái hóa đơn cùng điều kiện (38,19%) [117]. Điều này có thể giải thích do sự phá vỡ các tinh thể và sắp xếp lại hoặc hình thành các liên kết mới giữa các phân tử tinh bột thông qua xử lý thoái hóa kép, dẫn đến sự hình thành các tinh thể không hoàn thiện hơn tạo nên cấu trúc cơ bản của SDS [117].
Như vậy, thời gian thích hợp được lựa chọn cho công đoạn thoái hóa lần 2 là 48 giờ, tương tự điều kiện tiến hành với thoái hóa lần 1.
Nghiên cứu công đoạn thoái hóa lần 3
Nghiên cứu ảnh hưởng của công đoạn thoái hóa lần 3 tới hàm lượng SDS được thực hiện ở nhiệt độ 4℃ trong các khoảng thời gian từ 12 giờ đến 60 giờ. Kết quả thu được sau thí nghiệm được trình bày ở Bảng 3.12.
Bảng 3.12. Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 3 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (nhiệt độ 4℃)
Thời gian thoái hóa lần 3 (giờ) Hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (%)
Thoái hóa lần 2 59,72 ± 0,97e 12 28,05 ± 0,49a 24 30,65 ± 0,49b 36 32,30 ± 0,72c 48 34,21 ± 0,37d 60 32,48 ± 0,24c
Nhận thấy, hàm lượng SDS thu được so với lần thoái hóa 2 ở cùng điều kiện đã giảm đáng kể. Cụ thể, sau thời gian thoái hóa 48 giờ, hàm lượng SDS thu được giảm từ 59,72% ở lần thoái hóa 2 xuống còn 34,21% sau lần thoái hóa 3. Xu hướng giảm của hàm lượng SDS khi thoái hóa ba lần có thể được giải thích do sự phá vỡ của các xoắn kép hình thành tinh thể tinh bột ở bề mặt hạt hoặc định hướng lại tinh thể [246]. Sự gia tăng RS và giảm SDS trong sản phẩm cho thấy sự chuyển đổi thành phần SDS sang RS [247]. Ảnh hưởng của số lần thoái hóa đến hàm lượng SDS của tinh bột được biểu diễn trong Hình 3.9.
Hình 3.9. Ảnh hưởng của số lần thoái hóa tới hàm lượng SDS (nhiệt độ 4℃)
Dữ liệu thu được sau lần thoái hóa 3 phù hợp với kết quả từ một số nghiên cứu trước đây. K. Jagannadham và cộng sự (2017) [247] đã thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của thoái hóa 3 lần đến hàm lượng SDS tổng hợp từ tinh bột đậu gà, kết quả chỉ ra hàm lượng SDS giảm một lượng lớn từ 52,05% xuống 26,31% đối với mẫu thoái hóa 48 giờ. Bên cạnh đó, quy trình thoái hóa 1 lần, 2 lần và 3 lần ảnh hưởng đến hàm lượng SDS thu được từ tinh bột lúa mì nếp cũng được báo cáo bởi Xiao Pei Hu (2014) [117]. Cụ thể, sau cùng thời gian thoái hóa 48 giờ, lượng SDS thu được từ quy trình thoái hóa 3 lần thấp hơn so với mẫu cùng thời gian từ quy trình thoái hóa 2 lần (từ 44,41% xuống còn 38,04%). Như vậy, có thể đi đến kết luận quy trình thoái hoá 3 lần hỗn hợp sau khi thủy phân bằng enzyme pullulanase không phải là phương pháp thuận lợi cho quá trình sản xuất SDS.
Nói tóm lại, thông qua khảo sát về nhiệt độ, thời gian và số lần thoái hóa hỗn hợp tinh bột khoai lang sau thủy phân bởi enzyme pullulanase, lựa chọn phương pháp thoái hóa 2 lần hướng tới tổng hợp tinh bột tiêu hóa chậm. Trong đó, điều kiện tiến hành thoái hóa lần 1 và lần 2 đều diễn ra tại 4°C trong thời gian 48 giờ thu được hàm lượng SDS 59,72%.
3.2.3. Đánh giá chất lượng sản phẩm và đưa ra quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh bột khoai lang
(1) Đánh giá hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm
Từ các thông số đã chọn trong khảo sát nhiệt độ và thời gian thoái hóa lần 1 và lần 2, thực hiện sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm và phân tích hàm lượng SDS thu được. Kết quả được trình bày trong Bảng 3.13. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Hàm lượ ng SDS (% ) Số lần thoái hóa 12h 24h 36h 48h 60h
Bảng 3.13. Đánh giá chất lượng sản phẩm
Tinh bột tự nhiên Tinh bột sau biến tính (SDS) Thành phần (%) RS 65,82 ± 1,52a 11,29 ± 1.39b SDS 15,41 ± 2,03a 57,81 ± 1.21b RDS 18,77 ± 0,88a 30,91 ± 1.32b Tính chất vật lý Khả năng trương nở (%) 27,68 ± 1,14a 15,04 ± 0,45b Khả năng hòa tan (%) 12,50 ± 0,23c 46,15 ± 0,25d Khả năng hút nước (%) 81,99 ± 0,30a 136,44 ± 1,07b Khả nănghút dầu (%) 119,74 ± 0,34a 110,38 ± 0,10b Màu sắc L 83,09 ± 0,64a 80,89 ± 0,16b a* 2,27 ± 0,17a 2,85 ± 0,01b b* 13,48 ± 0,74a 14,34 ± 0,45a
Có thể thấy, phương pháp thủy phân tinh bột bằng enzyme pullulase kết hợp thoái hóa 2 lần đã mang lại hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm tăng từ 15,41% trong tinh bột khoai lang tự nhiên lên 57,81% sau biến tính. Kết quả này tương tự với nghiên cứu của Tian và cộng sự trên tinh bột gạo, phương pháp thoái hóa hai lần cho hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm tăng cao [120].
(2) Tính chất vật lý của tinh bột tiêu hóa chậm
Tinh bột sau khi biến tính được tiến hành phân tích khả năng trương nở và hòa tan. Kết quả thu được được trình bày trong Bảng 3.13.