CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Các sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột khoai lang và tiềm năng
1.3.1. Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS): thu nhận và tiềm năng ứng dụng trong
(1) Khái niệm, vai trò và thị trường của SDS
Khả năng tiêu hóa tinh bột có thểđược 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 vịng 20 phút, gây ra sựgia 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 từ20 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 khơng bị tiêu hóa sau 120 phút, chúng khơng 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, sựtrao đổi carbohydrate hay hấp thu glucose sau bữa ăn nhận được nhiều sự quan tâm từngười 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].
19
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 độđường 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 sựđiều 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 thểảnh hưởng tới độ
nhớt trong đường ruột. Tuy nhiên, cảm giác đói cịn bị ảnh hưởng bởi các cơ chế khác như độ trống của đường tiêu hóa, các hooc-mơn đường ruột và các thành phần trong bữa ăn.
Không giống hầu hết các thành phần tinh bột, SDS không bị phá vỡ trong khoang miệng bởi enzyme α-amylase của nước bọt, trong niêm mạc dạ dày bởi axit dịch vị hoặc hoạt động nghiền mạnh do nhu động dạ dày. Q trình tiêu hóa được bắt đầu sau khi dịch sữa có tính axit di chuyển vào ruột non thơng qua q trình làm trống dạ dày, và hầu hết q trình tiêu hóa SDS xảy ra ở tá tràng. SDS được thủy phân bởi các enzym tiết ra từ tuyến tụy và chuyển đổi thành các oligomer tuyến tính phân tử nhỏ và các α-dextrin giới hạn [6]. Các sản phẩm phân giải từ SDS chủ yêu
20
trình tiêu hóa cuối cùng thành glucose xảy ra thơng qua hoạt động của các phức hợp enzym niêm mạc có chứa sucrase-isomaltase và maltase -glucoamylase.
Trên thị trường thế giới, SDS được ứng dụng như một thành phần chức năng,
bổ sung đa dạng trong các sản phẩm thực phẩm chế biến dạng lỏng hoặc rắn, sản phẩm dinh dưỡng và thuốc (viên nén, nhũ tương và huyền phù). Nó thường được sử
dụng dưới dạng bột nhằm điều chỉnh tốc độ giải phóng glucose nhanh của các loại thực phẩm giàu tinh bột đã chế biến như bánh ngọt, bánh mì, bánh quy, mì sợi, bánh
pizza, ngũ cốc, khoai tây chiên, kẹo, nước xốt, chất làm đầy, xi-rô, súp, bánh pudding, kem sữa trứng, pho mát, sữa chua, kem, đồ uống và sản phẩm dành cho bệnh nhân tiểu đường [6]. Miến là loại thực phẩm được sử dụng thường ngày đối với người dân Việt Nam. Việc ứng dụng bổ sung SDS vào miến sẽ cung cấp thêm lựa chọn dinh dưỡng cho người tiêu dùng quan tâm đến sức khỏe, đặc biệt là bệnh nhân tiểu đường. Tinh bột gạo tiêu hóa chậm Ricemic phát triển tại Trung tâm nghiên cứu khu vực phía Nam (Bộ Nơng Nghiệp Hoa Kì) có tác dụng duy trì mức
đường huyết ổn định ở bệnh nhân tiểu đường, là nguồn cung cấp năng lượng ổn
định cho các vận động viên nhằm duy trì sức bền và thay thế chất béo trong các sản phẩm sữa khơng đơng lạnh [96]. Thêm vào đó, SDS cịn được ứng dụng trong sản phẩm bánh ăn kiêng dành cho người bị tiểu đường chứa bột ngô chưa nấu chín nhằm ngăn ngừa hạ đường huyết và hạn chế tăng đường huyết sau ăn như Ensure
Glucerna (Phịng thí nghiệm Abbott), Choice DM (cơng ty Mead Johnson Nutritionals) [97]. Do các đặc tính của q trình tiêu hóa, SDS cịn được sử dụng
như một chất mang có thể phân hủy sinh học nhằm phân phối thuốc tới đến ruột non của người bệnh [98].
Một mơ hình cấu trúc SDS cụ thể đến nay vẫn chưa được đề xuất. Tuy nhiên, tính chất tiêu hóa chậm bị ảnh hưởng nhiều bởi loại tinh bột (phân tích theo nhiễu xạ tia X), độ dài mạch, các điểm gắn nhánh, hình thái và nguồn gốc của tinh bột [99]. Sự kết hợp giữa cấu trúc vơ định hình và bán tinh thể hoặc tinh thể yếu tạo nên cấu trúc của SDS [100]. Trong hầu hết các trường hợp, cấu trúc tinh bột loại A phù hợp với sự hình thành của tinh bột tiêu hóa chậm hơn cấu trúc loại B [101]. Hàm
lượng amylopectin cao và mật độ nhánh lớn cũng làm chậm khảnăng tiêu hóa của tinh bột, trong đó các phần tử amylopectin chứa mạch nhánh dài cho thấy hàm
lượng SDS cao hơn so với amylopectin với có mạch nhánh ngắn [100]. Trong nghiên cứu của Kim và cộng sự (2017) [102], việc giảm tỷ lệ các mạch nhánh ngắn
(DP = 6 đến 12) và gia tăng các mạch nhánh dài DP = 25 đến 36 và DP ≥ 37 đã tạo thành sản phẩm chứa hàm lượng SDS và RS cao. Quy trình sản xuất SDS nhận
được sự quan tâm nhiều từ giới nghiên cứu. Tuy nhiên, hầu hết các sản phẩm SDS
được báo cáo cho thấy độ bền nhiệt thấp khi được sử dụng trong chế biến thực phẩm. Do đó, một thách thức đối với ngành công nghiệp thực phẩm hiện nay là phát triển các công nghệ mới để tạo ra các loại thực phẩm chứa carbohydrate được chế
biến theo yêu cầu với GI thấp và lượng SDS ổn định nhiệt thích hợp [6].
(2) Sản xuất SDS bằng enzyme
Các nghiên cứu gần đây về quy trình sản xuất SDS bằng phương pháp vật lý, hóa học và enzyme đã được báo cáo [103]–[105]. Trong đó, phương pháp xử lí tinh bột bằng enzyme có nhiều ưu điểm hơn do tính an tồn với mơi trường, người tiêu
21
dùng và có nhiều phản ứng đặc hiệu với ít sản phẩm phụ hơn. Xử lý tinh bột bằng
enzyme pullulanase, isoamylase, α-amylase, β-amylase, hoặc transglucosidase làm
thay đổi độ dài mạch và cấu trúc phân tử tinh bột, từđó mang lại khảnăng tiêu hóa
và chỉ sốđường huyết theo mong đợi [6].
Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) được biến tính từ tinh bột khoai lang Daeyumi thơng qua xử lí kép bằng enzyme tạo nhánh glycogen (branching enzyme hay BE) từ Streptococcus mutans và amylosucrase từ Neisseria polysaccharea [106]. Phân
tích sản phẩm cho thấy sựthay đổi trong phân bố chiều dài nhánh của tinh bột biến tính, tỷ lệ chuỗi bên ngắn (độ trùng hợp (DP) ≤12) giảm, tỷ lệ chuỗi bên dài (DP ≥
25) và khối lượng phân tửtăng. Nó cũng dẫn đến việc hình thành mẫu nhiễu xạ tia X loại B và tăng độ kết tinh tương đối.
Trong nghiên cứu của Miao và cộng sự (2014), [107] quá trình phân giải tinh bột bằng α- amylolysis được sử dụng để điều chỉnh cấu trúc của tinh bột. Tinh bột
ngô được xử lý bằng maltogenic α- amylase cho thấy sự gia tăng của tinh bột tiêu hóa chậm từ 11,1% lên 19,6%, phân tích liên kết iodine cho thấy bước sóng hấp thụ
cực đại và độ hấp thụ giảm đáng kể. Sự phân giải bởi α-amylolysis cũng làm giảm trọng lượng phân tử từ 32,5 × 107 xuống 9,0 × 104 g/mol, tăng số lượng các chuỗi ngắn hơn (DP <13) từ 25,5% lên 44,8% và giảm các chuỗi dài (DP> 13). Sự gia
tăng sốlượng các chuỗi ngắn là do đặc tính tiêu hóa chậm của tinh bột.
Quá trình xử lý tinh bột bằng enzyme 4-α-glucanotransferase cũng được chứng minh mang lại hiệu quả trong việc biến đổi cấu trúc tinh bột hình thành cụm amylopectin mới có đặc tính chậm và kháng tiêu hóa [108]. Tinh bột ngơ biến tính chứa hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm tăng từ 9,40% lên 20,92% và tinh bột kháng
tiêu hóa tăng từ 10,52 lên 17,63%. Hoạt động của enzyme dẫn tới việc giảm hàm
lượng amylose và trọng lượng phân tử. Quá trình phân cắt và tổ chức lại các phân tử
tinh bột đã diễn ra làm giảm lượng lớn các chuỗi mạch ngắn (DP<13) và dài (DP>30).
Theo bằng sáng chế của Shi và cộng sự (2002) [109], một loại tinh bột tiêu hóa chậm có thể được hình thành bằng cách sử dụng pullulanase hoặc isoamylase cắt nhánh tinh bột. Trong trường hợp tinh bột nếp, nồng độ enzyme cắt nhánh cao hơn
và thời gian ngắn hơn sẽ thích hợp để xử lí tinh bột tạo SDS [110]. Ngoài ra, Ao và cộng sự (2007) đã sử dụng các enzyme amylase khác nhau và transglucosidase để
kiểm soát mật độ và chiều dài nhánh nhằm tạo ra SDS bằng cách thủy phân một phần tinh bột ngô thông thường [99]. Một nghiên cứu khác của Miao và cộng sự
(2014) [103], cũng đã tiến hành xử lý bằng enzyme kép với β-amylase và transglucosidase thu được tinh bột ngơ có đặc tính tiêu hóa chậm tăng.
Có thể thấy, con đường sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm dưới tác nhân enzyme rất đa dạng về phương pháp cũng như hiệu suất hình thành SDS. 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, enzyme cắt nhánh pullulanase. Enzyme α- amylase và β-amylase thường được sử dụng trong giai đoạn tiền xử lý để dịch hóa và tăng hiệu quả khử nhánh cho giai đoạn sử dụng pullulanase. Tuy nhiên, việc kiểm sốt giải phóng các oligosaccharide mạch ngắn bởi α-amylase và β-amylase
22
cịn gặp nhiều khó khăn. Bên cạnh đó, enzyme gắn nhánh α-glucosidase thường
được sử dụng trong phản ứng transglycosyl, chuyển maltose thành isomaltose, isomaltose tiếp tục được glycosyl hóa tạo ra isomaltotriose. Nhóm enzyme được sử
dụng nhiều trong sản xuất isomaltooligosaccharides (IMO) [111]. Isoamylase và pullulanse đều là những enzyme có khả năng khử nhánh tại liên kết α-1,6 glycosidic. Pullulanase thủy phân các liên kết α-1,6 glycosidic trong phân tử
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. Pullulanase được dùng khá phổ biến 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 (2015), hàm lượng SDS tăng từ 13,2% lên 27,6% [112]. Chính vì những
lý do trên, pullulanase là enzyme được lựa chọn cho công nghệ sản xuất SDS trong nghiên cứu này.
(3) Nâng cao hiệu quả sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm
Nhiều phương pháp được trong quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm để
nâng cao hiệu suất như sử dụng enzyme thủy phân pullulanase kết hợp xử lý nhiệt
ẩm hoặc thối hóa, thối hóa kết hợp điện trường.
Thối hóa tinh bột là hiện tượng không thể tránh khỏi khi tinh bột hồ hóa chuyển từ trạng thái vơ định hình sang trạng thái kết tinh [113]. Sự xuất hiện của thối hóa làm giảm khả năng tiêu hóa của tinh bột và phù hợp để điều chế tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột kháng tiêu hóa (RS) [114], [115]. Trong thực tế thương mại, các sản phẩm tinh bột kháng enzyme (RS loại III) được sản xuất từ tinh bột ngơ có hàm lượng amylose cao (khoảng 70%) bằng cách lặp lại các chu kỳ thối hóa [116]. Thối hóa có tác động đáng kể đến sự hình thành SDS đã được báo cáo
trước đây như ảnh hưởng quy trình thối hóa đơn lẻ hoặc lặp lại nhiều lần đến hiệu suất SDS [115], [117]. Bên cạnh đó, nó cịn bị ảnh hưởng bởi nhiều tác động đồng thời khác như hàm lượng amylose, chiều dài chuỗi phân tử, nhiệt độ hồ hóa, nhiệt
độ và thời gian bảo quản gel tinh bột (khi q trình thối hóa đang diễn ra) [118]. Trong q trình cắt nhánh bằng pullulanase và thối hóa dịch tinh bột ngơ nếp
đã nấu chín, thối hóa ngắn hạn xảy ra do sự gel hóa và kết tinh amylose, dẫn đến sự hình thành SDS tối đa; ngược lại, q trình thối hóa dài hạn do amylopectin xảy ra trong quá trình bảo quản gel tinh bột. Chung và cộng sự (2006) [119], cho thấy
q trình thối hóa làm thay đổi tính chất tiêu hóa bởi enzyme của các mẫu tinh bột gạo nếp, dẫn đến những thay đổi đáng kểtrong giai đoạn đầu của q trình tiêu hóa.
Zhang và cộng sự (2011) [115], đã điều chế thành công các sản phẩm SDS với
năng suất cao từ tinh bột gạo nếp bằng phương pháp thối hóa theo chu kỳ nhiệt độ.
Cơ chế tạo sản phẩm giàu SDS được giải thích do các tinh thể khơng hồn hảo hơn được hình thành trong quá trình thối hóa tinh bột.
Tian và cộng sự (2013) [120], cũng đề xuất phương pháp thối hóa kép (lặp lại chu kì thối hóa hai lần) được sử dụng để tăng năng suất tạo SDS từ tinh bột gạo. Kết quả cho thấy sản lượng SDS tối đa trong các mẫu thử nghiệm đã tăng từ 39,3% lên 56,7% bằng cách thối hóa kép trong thời gian là 36 giờ. Sự gia tăng này chỉ ra
23
rằng nhiều tinh thể khơng hồn hảo hơn đã được hình thành trong q trình thối hóa kép. Hơn nữa, so với q trình thối hóa đơn lẻ, q trình thối hóa kép tạo ra các khoảng lớn hơn và các phần kết nối chắc chắn hơn trong các sản phẩm SDS. Cấu trúc vi mơ bên trong này có thểlàm tăng tỷ lệ tiêu hóa chậm.
Như vậy, quy trình sản xuất SDS từ tinh bột bằng enzyme kết hợp thối hóa