CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
6. Cơ chế của quá trình chiếu xạ lên tinh bột
Trong quá trình chiếu xạ, bức xạ năng lượng cao được tạo ra dưới tác động của quá trình ion hóa đã hình thành nên các gốc tự do. Các gốc tự do tách ra từ các phân tử nước trong q trình chiếu xạ mà chủ yếu là H• và •OH (Swallow, 1966). Trong đó, q trình tạo thành •OH cao hơn so với H• và electron hydrat hóa (e-aq) (JWT Spinks, 1976). Ngồi ra, gốc •OH có cường độ phản ứng cao gần như gấp đôi so với H• (Sokhey, A. S., & Hanna, M. A, 1993). Do đó •OH được xem là ngun nhân chính dẫn đến sự biến tính tinh bột dưới tác động của tia chiếu xạ. Các gốc H• và •OH có khả năng loại bỏ các phân tử H khỏi bất kỳ nguyên tử carbon nào trên phân tử carbohydrate.
Hình 1. 7. Phản ứng của gốc H• và •OH và carbohydrate (Sokhey, A. S., & Hanna, M. A, 1993)
Theo Sokhey và cộng sự (1993), các phản ứng dây chuyền bắt đầu từ một gốc tự do trên các vị trí khác nhau của D-glucose thì sẽ cho ra các sản phẩm khác nhau. Bên cạnh đó, cơ chế phản ứng xảy ra do bức xạ đã được trình bày ở hình 1.6.
19 1 RH 1-RH 2 R1 - CO R2 + H20 R3 RH 1– RH 2 R4 RH – R R5 2 D – Glucono – 1,5 - lactone 3 D - Arabinose 4 2-Deoxy-D-erythro-pentose R6 - H2O R8 RH – R RH – R R7 R9 RH 1-RH 2 R10 2-Deoxy-D-arabinose-hexono-1,5-lactone 5 5-Deoxy-D-xylo-hexanoic acid
Đại diện cho gốc tự do
20
Hình 1. 8. Phản ứng của gốc tự do D – glucose. Các số từ 1 – 6 dùng để xác định các sản phẩm. Các số R1 – R10 dùng để xác định phản ứng. (Sokhey, A. S., & Hanna, M. A, 1993)
a) Cơ chế 1 Đại diện cho gốc tự do
21
22
b) Cơ chế 2
Hình 1. 9. Cơ chế hình thành phản ứng do bức xạ gây ra. (Sokhey, A. S., & Hanna, M. A, 1993)
Hình 1.10 cho thấy q trình chiếu xạ có khả năng tạo liên kết ngang trong mạng tinh bột. Phát hiện này có một lợi thế rất quan trọng trong việc thay đổi phương pháp tạo liên kết ngang từ nguồn gốc hóa học (như natri photphate, natri tripolyphosphate, epichlorohydrin, phosphoryl chloride, vinyl chloride) (Wu, Y., & Seib, P. A., 1990)
Hình 1. 10. Ảnh hưởng của việc chiếu xạ đến mạch tinh bột (Bashir, K., & Aggarwal, M., 2019)
7. Các cơng trình nghiên cứu trước đây
Hiện nay, xu hướng nghiên cứu về tinh bột chiếu xạ ngày càng tăng, không chỉ dừng lại ở chiếu xạ Electron Beam mà còn mở rộng ra ở chiếu xạ Gamma bởi tính chất đâm xuyên vượt trội hơn, mức độ ion hoá cũng mạnh mẽ hơn.
Nhiều tác giả đã nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của chiếu xạ ion hóa Gamma lên tính chất ở nhiều loại tinh bột khác nhau. Nghiên cứu của (Kang, Il-Jun, et al, 1999) khi xử lý Gamma trên tinh bột bắp ở liều 0-50kGy đã cho độ nhớt giảm khi tăng liều xạ. Màu vàng (giá trị b*) tăng theo liều chiếu. (Liu, Tianyi, et al, 2012) xử lý gamma trên mẫu tinh bột bắp ở các
23
mức liều xạ 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 và 500kGy cho kết quả độ hoà tan tăng khi tăng liều xạ, mức dộ tinh thể tương đối giảm nhẹ. Trong khi đó, các tính chất về nhiệt và độ nhớt giảm khi tăng liều xạ. Với liều xạ thấp hơn từ 0 – 20kGy (Verma, K., K. Jan, and K. Bashir, 2019), khi tăng liều chiếu xạ trên tinh bột khoai tây và cowpea thì gây ra sự giảm nhẹ enthalpy, các tính chất về nhiệt và độ nhớt trong khi hàm lượng amylose, đường khử, hàm lượng acid tự do và độ hoà tan tăng.
Các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của chiếu xạ Gamma hoặc Electron Beam lên các tính chất của tinh bột sau chiếu xạ, chưa có nghiên cứu nào đánh giá sự ảnh hưởng của các tính chất ban đầu của vật liệu lên tác dụng của tia xạ trên tinh bột. Vì thế, trong nghiên cứu của chúng tơi bước đầu đánh giá sự ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu lên sự thay đổi về cấu trúc, các tính chất hóa lý và độ tiêu hóa của tinh bột khoai mỡ được chiếu xạ gamma, làm tiền đề cho việc xác định các thông số độ ẩm ban đầu của tinh bột để đạt những tính chất mong muốn của tinh bột trong sản xuất công nghiệp sau. Hơn nữa, mức liều xạ khảo sát của chúng tơi (5kGy) thấp hơn 10kGy, mức an tồn liều xạ cho tất cả thực phẩm.
8. Lý do hình thành đề tài
Không chỉ riêng ở Việt Nam mà tại một số nước Đông Nam Á, khoai mỡ được xem là một loại cây lương quan trọng và được trồng phổ biến ở các nơi, đặc biệt ở Trung Quốc. Tuy nhiên, tại Việt Nam thi nguồn tinh bột sắn (khoai mì) chiếm đa số vì sản lượng cao. Hiện nay có thể các nghiên cứu và sản xuất thêm nguồn tinh bột từ khoai lang, khoai tây,… và trong đó có khoai mỡ. Với xu hướng ngày nay là tập trung vào những loại tinh bột không liên quan đến an ninh lương thực, để chuyển sang sản xuất tinh bột cho các ngành công nghiệp khác.
Bên cạnh đó, củ khoai mỡ cũng có những đặc điểm đặc biệt như sản lượng, năng suất lớn; không thể sử dụng ăn tươi và chế biến tối thiểu được. Cùng với đó là việc đo các tính chất hố lý, lưu biến chưa phổ biến trong khu vực kèm theo rất ít nghiên cứu tại Việt Nam nghiên cứu về tinh bột khoai mỡ. Phương pháp chiếu xạ là một phương pháp biến tính vật lý, thân thiện với mơi trường, q trình thực hiện nhanh, tiện lợi. Vì lý do đó mà tơi chọn đề tài “Ảnh hưởng của độ ẩm lên các tính chất hố lý và độ tiêu hoá của tinh bột khoai mỡ được chiếu xạ Gamma” làm đề tài hoàn thành khố luận tốt nghiệp của tơi với mong muốn khảo sát được các tính chất của nguồn nguyên liệu tinh bột biến tính mới, đa dạng hố sản phẩm tinh bột biến tính.
24
9. Nội dung nghiên cứu
Củ khoai mỡ tươi được sử dụng để sản xuất ra tinh bột khoai mỡ. Sau đó tinh bột này sẽ được điều chỉnh độ ẩm từ 8,86% đến 28,66% và lưu trữ ở nhiệt độ phòng 18 – 24 giờ để ổn định độ ẩm và được mang đi chiếu xạ Gamma với liều xạ 5kGy. Các mẫu tinh bột sau khi chiếu xạ xong sẽ được khảo sát các tính chất hố lý, lưu biến và độ tiêu hoá. Cuối cùng, so sánh kết quả thu được ở các mẫu và tiến hành kết luận.
25
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Sơ đồ quy trình nghiên cứu
Khoai mỡ
Tinh bột khoai mỡ
Tinh bột được điều chỉnh ở 5 mức độ ẩm từ 8,86% đến 30%.
Xử lý Gamma ở liều xạ 5 kGy
Các tính chất hóa học, hố lý Độ tiêu hóa invitro
Đo FA, để xác định hàm lượng acid tự do Đo độ hoà tan và độ trương nở để xác định tính ứng dụng của tinh bột Đo phổ FTIR, xác đinh sự thay đổi các nhóm chức trong phân tử tinh bột Đo độ nhớt nội tại để xác định mức độ DP và khối lượng phân tử trung bình Đo khả năng tạo phức với Iodine, xác định hàm lượng amylose trong tinh bột Đo độ truyền suốt để xác định độ trong của tinh bột Đo XRD Nhằm xác định dạng tinh thể và mức độ tinh thể tương đối Lưu biến
26
2.2. Phương pháp thu hồi tinh bột khoai mỡ
Hình 2. 1. Quy trình sản xuất tinh bột khoai mỡ
Củ khoai mỡ sau khi được rửa sạch để loại bỏ lớp đất, cát, bụi bẩn bên ngoài sẽ được đem đi gọt vỏ. Gọt vỏ giúp loại bỏ phần vỏ và phần rễ trên bề mặt củ. Sau khi đã gọt vỏ thì củ
Khoai mỡ Gọt vỏ Cắt hạt lựu Ngâm NaOH (dd) Xay Rây thô Ngâm NaOH (dd) Thử Ninhydrin Mất màu
Xuất hiện màu xanh tím
Trung hịa
Rửa muối
Phơi, sấy Nghiền, rây tinh
Tinh bột khoai mỡ
27
khoai mỡ sẽ được rửa sạch với nước và tiến hành cắt hạt lựu. Phần hạt lựu này sẽ được ngâm trong dung dịch NaOH 0,2%.
Xay hạt lựu khoai mỡ cùng với dung dịch NaOH 0,2% bằng máy xay sinh tố, sau đó rây thơ hỗn hợp huyền phù thu được. Hỗn hợp này sẽ tiếp tục được ngâm trong dung dịch NaOH 0,2%. Mục đích của việc ngâm trong dung dịch NaOH là để loại bỏ các hợp chất màu cũng như hàm lượng protein có trong củ khoai mỡ giúp tinh bột thu được không bị sẫm màu. Tinh bột sẽ được tận thu tối đa bằng các rây nhiều lần hỗn hợp dịch khoai mỡ - NaOH(dd) qua rây có kích thước ϕ = 0,125mm. Trong quá trình ngâm NaOH, các hợp chất phenolic, protein, pectin,.v.v.. sẽ hòa tan vào trong dịch ngâm, phần xơ sẽ nổi lên trên bề mặt. Các thành phần này sẽ được loại bỏ và thêm dung dịch NaOH 0,2% mới vào để tiếp tục ngâm.
Để đánh giá q trình ngâm đã loại bỏ được hồn tồn protein có trong củ thì dịch ngâm sẽ được đem đi thử với thuốc thử Ninhydrin. Protein trong dịch ngâm khi có mặt của thuốc thử ninhydrin dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ chuyển thành phức màu xanh tím. Phản ứng hố học của q trình phản ứng giữa protein và ninhydrin:
Phản ứng được thực hiện bằng cách hút 1ml dịch ngâm cho vào ống nghiệm sạch, sau đó cho thêm 8 giọt thuốc thử Ninhydrin (0,2 g Ninhydrin + 10ml cồn tuyệt đối) và đậy nắp lại rồi đem đun cách thủy 10 phút. Nếu hỗn hợp dung dịch vẫn xuất hiện phức màu xanh tím thì tiếp tục thực hiện lại bước ngâm NaOH 0,2%. Nếu hỗn hợp này khơng màu thì tiến hành bước trung hòa.
+ + RCHO + NH3 + CO2
+ + H2NH
Ninhydrin dạng oxy hoá Ninhydrin dạng khử
28
Dịch ngâm tinh bột có pH ≈ 11,61, vì vậy để q trình trung hịa diễn ra thuận lợi thì cần sử dụng nước cất để ngâm tinh bột sau khi bỏ phần dịch ngâm NaOH cuối cùng. Sử dụng dung dịch HCl 0,1N để trung hòa dung dịch huyền phù tinh bột cho đến khi pH dung dịch về pH ≈ 7. Sau khi trung hòa xong sẽ tiến hành rửa muối bằng cách ngâm dung dịch huyền phù tinh bột khoai mỡ trong nước cất và thay nước thường xuyên. Để kiểm tra lượng muối đã được rửa trôi hết hay chưa thì hút 1ml dịch nước ngâm sau đó nhỏ vài giọt AgNO3 vào. Nếu dịch nước ngâm xuất hiện kết tủa trắng thì tiếp tục quá trình rửa muối. Nếu dịch nước ngâm không xuất hiện kết tủa thì tiến hành bước phơi, sấy tinh bột. Phản ứng diễn ra trong quá trình rửa muối:
NaOH + HCl → NaCl + H2O NaCl + AgNO3 → AgCl ↓ + NaNO3
Sau khi loại bỏ dịch nước ngâm cuối cùng, đem phầm tinh bột lắng ở đáy xô cho ra các mâm và đem phơi nắng. Tiến hành trở các mặt tinh bột liên tục để tinh bột mau khơ, sau đó sấy qua đêm các mâm tinh bột này ở nhiệt độ 45 ÷ 50°C bằng máy sấy đối lưu. Đến khi, bột khơ hồn tồn thì đem tinh bột đi nghiền và rây tinh qua rây có kích thước ϕ = 0,125mm. Tinh bột sau khi rây sẽ tiếp tục sấy đến độ ẩm dưới 12% để bảo quản.
2.3. Phương pháp chuẩn bị mẫu tinh bột trước khi chiếu xạ Gamma
Tinh bột khoai mỡ sau khi sấy đối lưu ở 45 ÷ 50°C và xác định lại độ ẩm sau cùng là 8,86% w/v được đem đi chỉnh độ ẩm. Các mẫu với khối lượng 920g lần lượt được cho vào âu trộn bột của máy trộn bột Kitchenaid tại Xưởng Công nghệ Thực phẩm 3. Dùng burette hút nước cất và nhỏ từng giọt vào âu trộn bột với cánh khuấy đang quay liên tục cho đến khi đạt được các độ ẩm mong muốn vào khoảng 8,86 – 30% w/v.
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho khối lượng tinh bột khan có trong mẫu tinh bột trước và sau khi thêm nước, ta có lượng nước thêm vào được tính tốn theo cơng thức sau:
mtbk1 = mtbk2 (2.1) m × (100 – W1) = (m + mn) × (100 – W2) (2.2) mn = m × W2−W1 100− W2 (2.3) Trong đó:
mtbk1: khối lượng tinh bột khan ban đầu (g)
29
m: khối lượng mẫu tinh bột ban đầu (g) W1: độ ẩm ban đầu của nguyên liệu (%) W2: độ ẩm mong muốn đạt được (%)
mn: khối lượng nước được thêm vào để đạt được độ ẩm mong muốn (g)
Tinh bột sau khi được được chỉnh độ ẩm sẽ được cho vào 2 lớp túi PE và bảo quản nơi thoáng mát trong 18 – 24 giờ ở nhiệt độ phòng để cân bằng ẩm. Các mẫu tinh bột sẽ được kiểm tra lại độ ẩm trước khi tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
Sau khi đã cân bằng ẩm, từ 5 mẫu tinh bột có các độ ẩm khảo sát khác nhau thu được 5 mẫu tinh bột có độ ẩm thực tế lần lượt là: mẫu tinh bột có độ ẩm 8.86% w/v (P8.86), mẫu tinh bột có độ ẩm 13.75% w/v (P13.75), mẫu tinh bột có độ ẩm 18.40% w/v (P.18.40), mẫu tinh bột có độ ẩm 23.83% w/v (P23.83), mẫu tinh bột có độ ẩm 28.66% w/v (P28.66).
Bảng 2. 1. Bảng mã hoá mẫu
Mã mẫu Chú thích
Mẫu chuẩn bị
P8.86 Mẫu tinh bột khoai mỡ điều chỉnh ẩm với 8,86% ẩm
P13.75 Mẫu tinh bột khoai mỡ điều chỉnh ẩm với 13,75% ẩm
P.18.40 Mẫu tinh bột khoai mỡ điều chỉnh ẩm với 18,40% ẩm
P23.83 Mẫu tinh bột khoai mỡ điều chỉnh ẩm với 23,83% ẩm
P28.66 Mẫu tinh bột khoai mỡ điều chỉnh ẩm với 28,66% ẩm
Mẫu xử lý chiếu xạ với liều xạ 5kGy
WY0 Mẫu đối chứng, khơng chiếu xạ hay có liều xạ 0kGy
WY8.86 Mẫu tinh bột khoai mỡ có độ ẩm 8,86% được chiếu xạ Gamma
WY13.75 Mẫu tinh bột khoai mỡ có độ ẩm 13,75% được chiếu xạ Gamma
WY18.40 Mẫu tinh bột khoai mỡ có độ ẩm 18,40% được chiếu xạ Gamma
WY23.83 Mẫu tinh bột khoai mỡ có độ ẩm 23,83% được chiếu xạ Gamma
30
2.3. Xử lý Gamma
Các mẫu tinh bột P8.86; P13.75; P18.40; P23.83; P28.66 được đem đi xử lý bằng thiết bị Gamma Chamber 5000 (GC – 5000) tại Trung tâm Công nghệ Sinh học Thành phố Hồ Chí Minh (Số 2374, Quốc lộ 1, khu phố 2, phường Trung Mỹ Tây, quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh). Thiết bị được cung cấp bởi Ban Cơng nghệ Phóng xạ và Đồng vị (Board of Radiation & Isotope Technology, BRIT) thuộc Bộ Năng lượng Nguyên tử (Department of Atomic Energy), Ấn Độ. Các thông số kĩ thuật của thiết bị này được trình bày ở bảng 2.1.
Các mẫu khảo sát WY8.86; WY13.75; WY18.40; WY23.83; WY28.66 là các mẫu tinh bột khoai mỡ có độ ẩm thực tế như trên được xử lý Gamma với liều chiếu là 5kGy. Một mẫu không chiếu xạ (liều 0KGy) sẽ được sử dụng làm mẫu đối chứng – mẫu WY0.
Bảng 2.2. Các thông số kỹ thuật của thiết bị GC – 5000
Công suất nguồn Co-60 cực đại Tốc độ liều chiếu tại công suất cực đại Độ đồng đều liều chiếu
Thể tích bức xạ
Kích thước hộp chứa mẫu
Nguyên liệu làm tấm chắn bảo vệ Đơn vị trọng lượng
Đơn vị kích thước Giới hạn thiết bị bấm giờ Điều kiện cần thiết của nguồn
518 TBq (14000 Curies)
~9 kGy/giờ tại tâm của hộp chứa mẫu ± 25%
Gần 5000cc
17.2 cm (đường kính) x 20.5 cm (chiều cao) Chì và thép khơng gỉ
Gần 5600kg
125cm (d) x 106.5cm (r) x 150cm (c) Tối thiểu 6 giây
220/230 V, 50 Hz, 10Amps, một pha.
2.4. Phân tích ẩm
Hàm lượng ẩm được xác định theo phương pháp AOAC 925.10 (AOAC, 1990) và được chỉnh sửa cho phù hợp theo (Rajkumar, G., Silva, R., Weerasena, J., & Fernando, K., 2014). Một đĩa petri trống được sấy khô trong tủ sấy ở 105°C trong 3 giờ, sau đó được chuyển vào bình hút ẩm cho đến khi nguội và ghi lại trọng lượng. Sau đó, cân khoảng 3g tinh bột và dùng muỗng giàn đều trên đĩa petri, đem đĩa petri chứa mẫu đi sấy khô ở nhiệt độ 105°C cho đến khi đạt khối lượng không đổi. Sau khi đã sấy khô các đĩa sẽ được chuyển sang bình hút ẩm để làm nguội và ghi lại trọng lượng đĩa như trên.
31
Hàm lượng ẩm của mẫu tinh bột sẽ được tính theo biểu thức sau: W (%) = ( m1−m2)
𝑚1 × 100 (2.4)
Trong đó:
W: độ ẩm của mẫu tinh bột (%)
m1: khối lượng mẫu tinh bột trước khi sấy (g) m2: khối lượng mẫu tinh bột sau khi sấy (g)