(A) Cấu trúc chung của amylopectin; (B) vùng vô định hình và kết tinh của cấu trúc amylopectin; (C) định hướng của các phân tử amylopectin trong mặt cắt ngang của một
hạt lý tưởng hóa; (D) cấu trúc xoắn kép tạo vùng kết tinh trong hạt tinh bột.
1.2.3. Tính chất của tinh bột khoai lang
(1) Tính hòa tan
Tinh bột ở điều kiện thường không tan trong nước, do vậy, nó tồn tại lượng lớn trong tế bào mà không ảnh hưởng tới áp suất thẩm thẩu. Amylose khi mới tách ra
khỏi hạt tinh bột có khả năng hòa tan tốt trong nước. Amylopectin có thể tan trong nước ấm. Khi phân tán trong môi trường cồn, tinh bột bị kết tủa [61].
Khả năng hòa tan trong nước của tinh bột khoai lang nằm trong khoảng từ 1,5% đến 13,65% với nhiệt độ 85°C [55], [62], [63]. Khả năng hòa tan của một số tinh bột khoai lang thương mại được sản xuất ở Peru đạt 28% [64]. Nhìn chung, tinh bột khoai lang có khả năng hòa tan thấp hơn tinh bột khoai tây và sắn khi cùng điều kiện nhiệt độ từ 60 đến 90oC [65] [43]. Khả năng hòa tan thấp hơn được giải thích do kích thước các hạt tinh bột khoai lang nhỏ hơn, liên kết trong hạt mạnh và phân tử chứa ít nhóm photphat hơn. Hàm lượng photpho nhỏ (0,02%) và chủ yếu ở dạng monoester photphat (0,02%) trong tinh bột khoai lang cũng ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và chức năng khác của tinh bột khoai lang [66].
Khi nhiệt độ tăng, khả năng hòa tan của tinh bột cũng tăng. Ở các khoảng nhiệt độ nằm dưới 60oC, độ hòa tan của tinh bột từ khoai lang từ các giống khác nhau là khác nhau nhưng không có sự khác biệt đáng kể. Tuy nhiên, khi nhiệt độ cao hơn 60oC, độ hòa tan có sự khác biệt rõ rệt [67].
(2) Khả năng trương nở
Một tính chất quan trọng của tinh bột quyết định đến chức năng của nó là khả năng hút nước, dẫn tới quá trình hồ hóa và phá vỡ cấu trúc hạt. Hiện tượng này gọi là sự trương nở của hạt tinh bột. Khả năng trương nở càng lớn thì khả năng hòa tan của tinh bột càng lớn.
Khả năng trương nở của tinh bột khoai lang kém hơn so với tinh bột khoai tây và sắn, khoảng 32,5 đến 50 ml/g, cho thấy lực nội phân tử khá mạnh [68]. Độ trương nở là khác nhau đối với tinh bột từ các giống khoai lang khác nhau và đối với tinh bột có cùng giống nhưng ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau [62].
Độ trương nở của tinh bột khoai lang bị ảnh hưởng bởi khối lượng phân tử và hình dạng phân tử của amylopectin. Càng nhiều amylopectin có chuỗi nhánh từ 6 đến 9 gốc glucose thì khả năng trương nở của hạt tinh bột càng lớn, trong khi càng nhiều amylopectin có chuối nhánh từ 12 đến 22 gốc glucose thì khả năng trương nở càng nhỏ [67]. Ngược lại, phân tử amylose và lipid lại có xu hướng làm chậm quá trình trương nở này [69].
(3) Sự hồ hóa
Khi đun nóng trong điều kiện có nước, tinh bột hấp thụ nước và trương nở. Ở điều kiện nhiệt độ dưới nhiệt độ hồ hóa, quá trình này là thuận nghịch nhờ cấu trúc bán tinh thể ổn định, độ hút nước thường nhỏ hơn 40%. Tiếp tục đun nóng, quá trình hấp thụ nước tiếp tục diễn ra, dẫn đến phá vỡ cấu trúc hạt và làm rối loạn tổ chức các chuỗi. Sự thay đổi này là bất thuận nghịch và được gọi là “hồ hóa” [41].
Hàm lượng nước, tỷ lệ giữa amylose và amylopectin, cấu trúc của amylose và amylopectin, sự có mặt của thành phần phụ (ví dụ: photpho và chất béo), môi trường (ví dụ: áp suất, tốc độ gia nhiệt) cũng ảnh hưởng lớn đến những thay đổi vật lý của tinh bột trong quá trình gia nhiệt [54], [70]. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa (nhiệt độ môi trường càng cao, nhiệt độ hồ
hóa càng cao) [71], [72]. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang trong khoảng 58 đến 84°C [57].
Enthalpy hồ hóa của tinh bột khoai lang có liên quan đến thành phần amylopectin, liên kết nội phân tử, gen di truyền và các yếu tố môi trường. Giá trị enthalpy của tinh bột khoai lang nằm trong khoảng từ 7,8 đến 15,5 J/g. Amylopectin của khoai lang là thành phần chính trong vùng kết tinh của tinh bột, hàm lượng amylopectin càng cao thì enthalpy càng lớn [59]. Enthalpy hồ hóa cũng bị ảnh hưởng đáng kể bởi các giống khác nhau và các điều kiện trồng khác nhau [73]. Ngoài ra, enthalpy hồ hóa của tinh bột từ khoai lang trong thời kỳ đầu sinh trưởng thấp, từ 11,8 đến 13,4 J/g [42], trong khi hoãn ngày thu hoạch lại làm tăng enthalpy hồ hóa của tinh bột khoai lang.
(4) Độ trong của hồ tinh bột
Tinh bột hồ hóa thường có một độ trong nhất định, làm tăng giá trị cảm quan của thực phẩm. Sau quá trình hồ hóa cho thấy tinh bột nếp các loại cho độ trong cao hơn so với các giống tẻ. Độ trong của hồ tinh bột được thể hiện thông qua tỷ lệ ánh sáng ở bước sóng 650 nm truyền qua dịch hồ tinh bột 1%, phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của chúng [74].
(5) Khả năng tạo gel
Sau khi hồ hóa tinh bột và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp xếp một cách có trật tự, tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3 chiều. Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ nhất định, chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan bằng hồ hóa và sau đó để nguội ở trạng thái tĩnh. Gel tinh bột chứa các liên kết hydro nối trực tiếp các mạch polyglucoside hoặc gián tiếp qua phân tử nước. Khác biệt trong cấu trúc phân tử tinh bột như độ trùng hợp trung bình (DP) của amylose, chiều dài mạch nhánh (CL) trung bình của amylopectin là những yếu tố chính dẫn đến sự khác nhau trong kết cấu và các đặc tính cơ học của gel. Tinh bột khoai lang nhìn chung có gel cứng hơn và độ dính cao hơn tinh bột dền nhưng mềm hơn tinh bột khoai tây [55].
(6) Sự thoái hóa gel
Sự thoái hóa gel là quá trình liên kết và sắp xếp lại trật tự của AM và AP trong tinh bột hồ hóa thông qua liên kết hydro [70]. Trong thời gian bảo quản, quá trình thoái hóa trước tiên xảy ra do sự định hướng lại các phân tử amylose thành các đường thẳng song song. Nếu tiếp tục kéo dài thời gian bảo quản, các nhánh ngoài của amylopectin cũng dần chuyển sang trạng thái tái kết tinh. Amylopectin tái kết tinh trong gel có thể được hồ hóa lại ở 55°C, trong khi đối với amylose sau thoái hóa, nhiệt độ hồ hóa lại lên tới 130°C [75].
Tính chất thoái hóa của tinh bột bị tác động chính bởi nồng độ amylose và amylopectin trong tinh bột. Hàm lượng amylose và lipid trong tinh bột khoai lang tương đối thấp, do đó tinh bột khoai lang cho thấy tỷ lệ thoái hóa từ thấp đến trung bình [76]. Tốc độ thoái hóa và mức độ thoái hóa của tinh bột khoai lang tăng khi hàm lượng amylose tăng lên. Sự gia tăng chuỗi nhánh amylopectin chứa 12-14 đơn
vị glucose làm tốc độ thoái hóa tăng, trong khi sự gia tăng chuỗi nhánh ngắn (9-11 đơn vị glucose/chuỗi) làm tốc độ thoái hóa lại giảm đáng kể [59].
Hình 1.8: Giản đồ biểu diễn những thay đổi xảy ra trong hỗn hợp tinh bột và nước trong quá trình đun nóng, làm lạnh và bảo quản.
(I) Hạt tinh bột tự nhiên; (II) Hồ hóa, bao gồm sự trương nở [a] và rửa trôi amylose và phá vỡ một phần hạt [b], dẫn đến sự hình thành hồ tinh bột; (III) Thoái hóa: hình thành mạng lưới amylose (tạo gel) trong quá trình làm nguội hồ tinh bột [a] và hình thành các phân tử amylopectin có trật tự hoặc tinh thể (thoái hóa amylopectin) trong quá trình bảo
quản [b].
Bên cạnh đó, amylose trong tinh bột khoai lang được cho rằng chứa nhiều nhánh hơn so với sắn, khoai tây, lúa mì, ngô và có trọng lượng phân tử cao hơn ngô, lúa mì, sắn nhưng nhỏ hơn khoai tây. Đây là lý do dẫn đến sự thoái hóa chậm hơn của amylose tinh bột khoai lang [57]. Takeda và cộng sự (1987) [77] cũng phát hiện 70% amylose tinh bột khoai lang có phân nhánh so với 42% trong tinh bột sắn và 27% trong tinh bột lúa mì. Thoái hóa gel thường được kích thích bởi nồng độ tinh bột cao, nhiệt độ bảo quản thấp và giá trị pH từ 5 đến 7. Các muối của anion và cation hóa trị một có thể làm chậm quá trình thoái hóa [78].
(7) Phản ứng thủy phân
Tinh bột có thể bị thủy phân bởi tác nhân hóa học hoặc enzyme hoặc đồng thời cả hai. Quá trình thủy phân hóa học thường diễn ra khi đun nóng tinh bột với sự có mặt của nước hoặc axit clohydric loãng. Quá trình thủy phân bằng enzyme thường sử dụng α-amylase, β- amylase, ngoài ra còn có γ- amylase và các enzyme khử nhánh. Đây cũng là quá trình thường xảy ra trong đường tiêu hóa khi tiêu hóa tinh bột [79].
Sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột bao gồm dextrin hoặc maltodextrin, maltose và glucose. Khả năng thủy phân của tinh bột bị ảnh hưởng bởi sự tương tác của nhiều yếu tố như nguồn tinh bột, kích thước hạt, tỷ lệ amylose và amylopectin,
độ kết tinh, loại tinh thể (A, B, C), phức chất amylose-lipid, loại enzyme và điều kiện thủy phân (nồng độ, pH, nhiệt độ và thời gian) [82].
Bouwkamp (1985) [82] đã báo cáo mối tương quan nghịch giữa kích thước hạt của các giống khoai lang và khả năng thủy phân với α-amylase và axit. Khoai lang và ngô đều chứa lượng lớn tinh bột kháng axit, tuy nhiên, trong tinh bột khoai lang, nó được thủy phân với tốc độ nhanh hơn so với các tinh bột khác.
Các loại tinh bột có bề mặt xốp, như tinh bột ngô, dễ bị thủy phân hơn so với các loại có bề mặt nhẵn như tinh bột sắn [83]. Các hạt có đường kính nhỏ dễ bị ảnh hưởng bởi các enzym hơn các hạt có đường kính cao hơn do diện tích bề mặt của chúng cao hơn [81]. Trong nghiên cứu khác của Rocha và cộng sự (2010) [84], tinh bột khoai lang có khả năng bị tác động trong phản ứng với enzyme dễ dàng hơn nhiều so với tinh bột khoai tây nhưng kém hơn tinh bột sắn.
(8) Phản ứng tạo phức
Thành phần mạch thẳng của tinh bột bao gồm amylose và phần nhỏ mạch thẳng chuỗi bên amylopectin có thể tạo phức với một số thành phần khác trong thực phẩm như iốt, rượu, axit béo và este của chúng, chất nhũ hóa và các hợp chất hương [85], [86]. Amylose có khả năng tạo phức xoắn với nhiều chất hữu cơ và vô cơ, trong khi amylopectin chỉ tạo phức ở mức độ yếu hoặc không. Khi hình thành, các thành phần tạo phức được cuốn vào trong trục rỗng của cuộn xoắn amylose [87] (Hình 1.9).
Hình 1.9. Mô hình đề xuất tạo phức của amylose và (A) iốt, (B) axit béo
1.3. Các sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột khoai lang và tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm
Tinh bột khoai lang là nguồn nguyên liệu được sử dụng phổ biến trong sản xuất mì sợi và miến nhờ khả năng kết dính tốt và dễ dàng kết hợp với các thành phần khác. Ngoài ra, trong các nghiên cứu và ứng dụng hiện nay, tinh bột khoai lang được biến tính nhờ xúc tác enzyme để thu được các đặc tính mong muốn, điển hình là các quy trình sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa (RS).
Tinh bột vi xốp (Sweet Potato Microporous Starch) là một loại tinh bột biến tính có đặc tính kháng tiêu hóa. Tinh bột khoai lang được xử lý bằng phương pháp thủy phân bởi axit hoặc enzyme, gây ra sự phân cắt các liên kết phân tử và hình thành lỗ nhỏ trên bề mặt hạt tinh bột, từ đó làm thay đổi tính chất hấp phụ sẵn có. So với tinh bột tự nhiên, khả năng hấp thụ nước và hấp thụ dầu, mức độ thoái hóa gel, độ bền liên kết, tính kháng axit và độ ổn định khi làm lạnh- rã đông của tinh bột biến tính được cải thiện đáng kể [67].
1.3.1. Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS): thu nhận và tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm
(1) Khái niệm, vai trò và thị trường của SDS
Khả năng tiêu hóa tinh bột có thể được đánh giá giả lập bằng cách định lượng các phần tinh bột quan trọng theo phương pháp của Englyst và cộng sự (1992) [88]. Dựa trên mục đích dinh dưỡng, tinh bột trong thực phẩm được phân loại thành tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột kháng tiêu hóa (RS), đặc điểm cụ thể của các loại tinh bột này là:
Tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS): phần tinh bột được tiêu hóa trong vòng 20 phút, gây ra sự gia tăng nhanh chóng lượng đường trong máu, giải phóng insulin với hàm lượng cao, do đó nó gây ra các biến chứng có hại cho sức khỏe như bệnh tiểu đường, bệnh tim mạch…
Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS): phần tinh bột được tiêu hóa trong khoảng thời gian từ 20 phút đến 120 phút, do được tiêu hóa chậm rãi, duy trì giải phóng lượng đường vào máu thấp và ổn định, có thể ngăn ngừa các bệnh đường huyết, tim mạch…
Tinh bột kháng tiêu hóa (RS): phần tinh bột không bị tiêu hóa sau 120 phút, chúng không bị tiêu hóa ở ruột non, lên men ở ruột già và được chứng minh là có ảnh hưởng tốt đối với sức khỏe con người.
Hiện nay, sự trao đổi carbohydrate hay hấp thu glucose sau bữa ăn nhận được nhiều sự quan tâm từ người tiêu dùng do liên quan trực tiếp tới các vấn đề sức khỏe con người. Một thông số phổ biến được dùng để đo lường những ảnh hưởng này là chỉ số đường huyết Glycemic Index (GI), nó được định nghĩa là phần diện tích gia tăng dưới đường cong hàm lượng glucose trong máu sau khi ăn [89]. Theo Jenkins và các cộng sự (2002) [90], bữa ăn có chỉ số GI thấp có mối liên hệ với việc giảm nguy cơ của bệnh tiểu đường và bệnh tim mạch. Mối liên hệ có tính tích cực này cũng được tìm thấy trong mối liên hệ giữa GI và nguy cơ mắc ung thư vú hay ung thư đường ruột. Tinh bột SDS được tiêu hóa chậm qua ruột non và giải phóng một lượng glucose vào máu với tốc độ thấp, do đó, tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) cho chỉ số đường huyết (GI) từ thấp đến trung bình (Hình 1.10). Thực phẩm có chứa tinh bột tiêu hóa chậm có chỉ số GI giảm so với thực phẩm thông thường chứa tinh bột tiêu hóa nhanh [91]. Chính vì lí do đó, SDS đã được chứng minh giúp duy trì insullin trong máu thấp, giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường tuýp 2, thừa cân và béo phì [90].
Hình 1.10. Đặc tính sinh học của các loại tinh bột.
(a) Thí nghiệm trên hệ tiêu hóa giả lập và (b) Thí nghiệm trên hệ tiêu hóa thực đối với phản ứng đường huyết của RDS, SDS và RS [6]
Trong quá trình điều trị bệnh tiểu đường, một trong những mục tiêu quan trọng là giảm tốc độ gia tăng đường huyết sau bữa ăn. Các nghiên cứu dịch tễ học gợi ý rằng việc giảm tốc độ gia tăng đường huyết sau bữa ăn, cải thiện phản ứng chuyển hóa lipid, giảm nồng độ đường liên kết với hemoglobin, tăng độ nhạy của insulin là việc có lợi cho việc quản lý bệnh tiểu đường [94]. Do đó, việc sử dụng tinh bột tiêu hóa chậm trong bữa ăn của các bệnh nhân tiểu đường giúp tạo điều kiện tốt để có được những lợi ích kể trên. Bên cạnh đó, bữa sáng đi kèm với thực phẩm có chứa SDS giúp cải thiện trao đổi carbohydrate và giảm được lượng insulin cần thiết theo phương pháp điều trị cho các bệnh nhân tiểu đường tuýp 2.
Theo lý thuyết về sự điều tiết lượng thức ăn vào cơ thể của Mayer (1953) [94], hàm lượng đường glucose trong máu sinh ra từ carbohydrate được tiêu thụ là yếu tố chính quyết định đến cảm giác no của cơ thể. Do vậy, giả thuyết về lợi ích của tinh bột tiêu hóa chậm đối với sự điều tiết cảm giác no của cơ thể đã được đưa ra. Leathwood và Pollet (1988) [95] đã báo cáo về tình trạng cảm giác đói quay trở lại một cách chậm rãi khi ăn 25 - 40 gam carbohydrate chậm tiêu hóa từ đậu so với carbohydrate tiêu hóa nhanh từ khoai tây. Có thể kết luận rằng, tinh bột tiêu hóa chậm có thể có tác động đến các yếu tố ảnh hưởng tới cảm giác đói như đường huyết, insulin, và phản ứng chuyển hóa của cơ thể. Nó cũng có thể ảnh hưởng tới độ nhớt trong đường ruột. Tuy nhiên, cảm giác đói còn bị ảnh hưởng bởi các cơ chế