pH và hàm lượng acid tự do (FA)

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.2. pH và hàm lượng acid tự do (FA)

Bảng 3. 2. pH và hàm lượng acid tự do của tinh bột khoai mỡ ở các độ ẩm khác nhau, có và khơng có xử lý Gamma

Mẫu pH Hàm lượng acid tự do (FA)

WY0 8,07 ± 0,015d 3,00 ± 0,000a WY8.86 7,63 ± 0,038a 3,33 ± 0,289ab WY13.75 7,74 ± 0,005b 3,67 ± 0,289bc WY18.40 7,79 ± 0,012c 4,00 ± 0,000c WY23.83 7,74 ± 0,012b 3,67 ± 0,289bc WY28.66 7,76 ± 0,010b 4,50 ± 0,000d

**Các giá trị trong bảng biểu thị giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn. Các giá trị in thường trong cùng một cột khác nhau biểu thị sự khác biệt có nghĩa về mặt thống kê (p<0.05).

Từ Bảng 3.2 có thể nhận thấy rằng, mẫu đối chứng khơng xử lý Gamma (WY0) có pH

cao hơn và hàm lượng acid tự do thấp hơn so với các mẫu xử lý chiếu xạ. Đối với các mẫu sau

xử lý chiếu xạ thì hàm lượng acid tự do (FA) tăng, pH giảm. Kết quả từ Hình 3.1 cho thấy, mức

độ thay đổi của pH và FA ở các mẫu khi đã chiếu xạ thì có xu hướng giảm rõ rệt khi tăng độ ẩm. Tuy nhiên, ở độ ẩm 23,75% thì ΔpH và ΔFA của mẫu có xu hương tăng lên và sau đó giảm

xuống.

Các mẫu tinh bột 8; 13; 18; 23 và 28 tương ứng đại diện cho các mẫu WY8.86; WY13.75; WY18.40; WY23.83 và WY28.86

Hình 3. 1. Mức độ thay đổi pH và hàm lượng acid tự do (FA) của các mẫu tinh bột sau khi chiếu xạ

Các nghiên cứu trước đây, cũng chứng minh rằng sau khi chiếu xạ thì pH giảm và acid tự

do tăng lên. (Pimpa, Benchamaporn, et al., 2007) (Gani, Adil, et al., 2013) (Wani, Idrees Ahmed,

et al., 2014) (Sofi, Bashir Ahmad, et al., 2013). Việc tăng hàm lượng trong các mẫu tinh bột sau khi chiếu xạ có liên quan trực tiếp đến việc hình thành các gốc có tính acid như carboxyl, carbonyl hoặc peroxide. Trong nghiên cứu của Sokhey và Chinnaswamy (1993) đã báo cáo rằng sự tăng hàm lượng acid tự do trong các mẫu tinh bột được chiếu xạ có thể là do sự bẻ gãy phân tử tinh bột và có thể gây ra sự hình thành gốc COOH. Khi có sự xuất hiện của các gốc COOH này thì pH sẽ giảm. Theo nghiên cứu của (Gani, Adil, et al., 2013) thì việc tăng các gốc carboxyl trong tinh bột có thể do sự bẻ gãy phân tử tinh bột bởi hoạt động của các gốc tự do. Sự phân rã của bức xạ của tinh bột ban đầu bởi sự hình thành và sự biến đổi của các gốc tự do kéo theo việc 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 8 13 18 23 28 M ức độ th ay đổ i pH Mẫu tinh bột ΔpH -2 -1.5 -1 -0.5 0 8 13 18 23 28 M ức độ th ay đổ i F A Mẫu tinh bột ΔFA

tạo thành các sản phẩm có phân tử nhỏ với số acid carboxylic và aldehyde. Ghali và cộng sự

(1979) cũng đã báo cáo rằng, acid formic, acetic, pyruvic và glucuronic được hình thành trong

suốt quá trình chiếu xạ tinh bột. Do đó, các sản phẩm chính được hình thành trong suốt q trình chiếu xạ tinh bột là các gốc có tính acid, làm giảm giá trị pH và tăng hàm lượng acid tự do của tinh bột.

Sự khác nhau về mức độ thay đổi pH và acid tự do cho thấy sự ảnh hưởng của hàm lượng

nước đến sự tác động của các tia xạ trên mẫu tinh bột. Và để làm rõ vấn đề này hơn thì chúng

tơi sẽ thực hiện các thí nghiệm về độ nhớt nội tại, phổ hồng ngoại FTIR và phản ứng màu với

iodine để kiểm chứng.

3.3. Độ nhớt nội tại

Hình 3.2, cho thấy độ nhớt reduced (𝜂𝑟𝑒𝑑) của các mẫu tinh bột tăng theo đường tuyến tính khi tăng nồng độ dung dịch tinh bột trong KOH 1M từ 1,0 – 5,0 mg/ml. Độ nhớt của dung dịch tinh bột khoai mỡ phụ thuộc vào sự tương tác giữa tinh bột và dung môi KOH 1M. Các đặc tính bên trong của hạt tinh bột (kích thước, cấu trúc), nồng độ, pH, nhiệt độ đều làm cho tương tác của các phân tử tinh bột với KOH 1M thay đổi, do đó làm độ nhớt thay đổi theo.

Đặc tính ma sát của dung dịch tinh bột chịu ảnh hưởng bởi tính chất phân tử của nó và được thể hiện thông qua giá trị độ nhớt nội tại. Kết quả độ nhớt nột tại được biểu thị ở bảng 3.3,

kết quả này thể hiện rõ nhất về ảnh hưởng của việc chiếu xạ Gamma. Mẫu tinh bột tự nhiên có

độ nhớt rất cao, nhưng các mẫu khi xử lý chiếu xạ thì độ nhớt intrinsic và khối lượng phân tử

trung bình giảm rõ rệt ở mức liều xạ 5kGy. Điều này có nghĩa là amylose và amylopectin bị ion hoá bởi tia xạ theo nghiên cứu của (Pimpa, Benchamaporn, et al., 2007). Các nghiên cứu của (Wu, Dianxing, et al., 2002) cho rằng sự thay đổi độ nhớt là do sự phân rã của tinh bột khi chiếu xạ và thay đổi này cũng do sự đề polymer (depolymer) hoá của tinh bột trong quá trình chiếu xạ. Nghiên cứu của (Kamal, H., et al., 2007) cũng cho kết quả tương tự, nhưng thêm vào đó, tốc

độ giảm độ nhớt và khối lượng phân tử trung bình sẽ giảm mạnh cho tới liều xạ 15kGy và sau đó sẽ giảm chậm lại. Như vậy, khi liều xạ càng cao hoặc độ ẩm càng cao thì càng nhiều gốc tự

do gây ra sự phân huỷ tinh bột và làm giảm độ nhớt cũng như khối lượng phân tử trung bình. Các nghiên cứu trên lúa mì và tinh bột bắp và tinh bột gạo cũng cho kết quả tương tự.

Hình 3. 2. Độ nhớt reduce của các mẫu tinh bột khoai mỡ

Sự phân huỷ của tinh bột là giảm khối lượng phân tử trung bình được coi là nguyên nhân gây ra sự thay đổi độ nhớt trong quá trình chiếu xạ gamma. Khối lượng phân tử trung bình là một đặc tính của polysaccharide, nó ảnh hưởng đến hầu hết các tính chất hố lý của tinh bột.

Khối lượng phân tử trung bình và độ nhớt nội tại giảm khi độ ẩm tăng từ 8,86 đến 28,66%. Điều này có thể là do dưới tác động của tia gamma kết hợp với hàm lượng nước trong tinh bột cao đã làm cho cấu trúc của phân tử tinh bột tái sắp xếp lại. Do đó, dưới sự tác động của tia gamma mà cấu trúc, cấu hình và trọng lượng phân tử của hạt tinh bột bị thay đổi.

Mức độ polymer hóa được định nghĩa là số lượng đơn vị monometric trong một đại phân tử hoặc một phân tử polymer/oligomer (IUPAC). Theo Cowie (1961), độ nhớt và mức độ

polymer hố (DP) có mối quan hệ tuyến tính. Như vậy, khi độ nhớt giảm thì DP giảm. Tuy nhiên, việc xác định DP từ độ nhớt intrinsic trên thực tế chỉ mang tính ước lượng sơ bộ chung cho mức độ polymer hóa của tinh bột chứ khơng đưa ra được thơng tin gì về độ dài hay cho thấy

được sự thay đổi về độ dài của chuỗi amylose và amylopectin. (Pimpa, Benchamaporn, et al., 2007) y = 34.15x + 171.32 y = 11.799x + 118.83 y = 9.3889x + 111.66 y = 9.8696x + 92.505 y = 9.1706x + 88.563 y = 9.9928x + 81.982 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 1 2 3 4 5 Độ n hớ t re duc e (m g/l ) Nồng độ dung dịch (mg/ml)

Bảng 3. 3. Độ nhớt nội tại

Mẫu Độ nhớt Intrinsic

[𝜂𝑖] (ml/g)

Khối lượng phân tử

trung bình Mw(𝟏𝟎𝟓) (g.mol-1) Mức độ polymer hóa (DP) WY0 171,09f 6,30f 1266,07f WY8.86 118,89e 4,18e 879,79e WY13.75 111,33d 3,89d 823,84d WY18.40 92,40c 3,15c 683,76c WY23.83 88,35b 3,00b 653,79b WY28.66 81,59a 2,74a 603,77a

3.4. Quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR)

Phổ hồng ngoại FTIR được sử dụng như một công cụ để đánh giá và mô tả sự thay đổi sự tổ chức và cấu trúc hoá học của tinh bột trước và sau khi chiếu xạ. Những đặc tính của phổ FTIR chứa các thơng tin quan trọng để cung cấp cho việc phân loại và dự đốn những tính chất hố lý trong mẫu tinh bột. (Deeyai, P., Suphantharika, M., Wongsagonsup, R., & Dangtip, S., 2013).

Kết quả từ Hình 3.3 cho thấy hình dạng phổ FTIR của các mẫu tinh bột khoai mỡ trước và sau khi chiếu xạ Gamma có sự tương đồng với nghiên cứu của Deeyai (2013). Giữa các mẫu khơng có sự khác biệt, khơng có đỉnh mới xuất hiện hay đỉnh mất đi ở các mẫu. Điều này có

nghĩa là các mẫu sau khi chiếu xạ đều khơng xuất hiện nhóm chức mới và cũng khơng làm mất đi nhóm chức đặc trưng của tinh bột. Tuy nhiên, so với mẫu tinh bột thô (chưa xử lý chiếu xạ,

WY0) thì các mẫu chiếu xạ có cường độ hấp thu nhỏ hơn như mẫu WY8.86, WY18.40,

WY23.83 và WY28.66, trong khi mẫu WY13.75 thì phổ hấp thu tương đối giống với mẫu WY0.

Bên cạnh đó, khi so sánh với các nghiên cứu của các tác giả trước đây thì vị trí các đỉnh hấp thu của các nhóm chức chủ yếu trong tinh bột khoai mỡ có vài thay đổi nhỏ.

Hình 3. 3. Phổ FTIR của các mẫu tinh bột từ số sóng 4000 – 400 cm-1

Theo Kizil và cộng sự (2002), đồ thị phổ FTIR (4000 – 400 cm-1) có thể chia làm 4 vùng: vùng liên kết kéo dãn X – H (4000 – 2500 cm-1), vùng liên kết 3 (2500 – 2000 cm-1), vùng liên kết đôi (2000 – 1500 cm-1) và vùng đặc trưng của tinh bột khoai mỡ (1500 – 600 cm-1). Các đỉnh

trong 4 vùng phổ biểu thị sự hiện diện của các nhóm chức đặc trưng trong cấu trúc hoá học của tinh bột và được thể hiện ở Bảng 3.4.

Bảng 3. 4. Đỉnh hấp thu của các nhóm chức đặc trưng của tinh bột khoai mỡ (Deeyai, P., Suphantharika, M., Wongsagonsup, R., & Dangtip, S., 2013) (Kizil, R., Irudayaraj, J., &

Seetharaman, K., 2002) -0.004 0.046 0.096 0.146 0.196 0.246 0.296 0.346 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 Số sóng (cm-1) WY0 W8.86 W13.75 W18.4 W23.83 W28.86 994 1148 926 860 3268 2896 1633 1336

Đỉnh hấp thu Nhóm So sánh đỉnh/Trích dẫn

759 C – C kéo dãn 764/ Kizil (2002)

860 C(1) – H; CH2 biến dạng 860/ Kizil (2002)

926 Liên kết α – 1,4 – glucosidic, (C – O – C) 930/ Kizil (2002)

994 C – O – C uốn cong 993/ Deeyai (2013)

1016 C – O, C – C kéo dãn, C – O – H uốn cong 1016/ Deeyai (2013) 1043 C – O – H uốn cong (sự hình thành vịng

xoắn) 1043/ Deeyai (2013)

1077 C – O, C – C, và O – H kéo dãn 1078/ Deeyai (2013) 1148 Liên kết glucosidic C – O – C không đối

xứng kéo dãn 1149/ Deeyai (2013)

1242 CH2OH (mạch bên) 1240/ Deeyai (2013)

1336 C – O – H uốn cong, CH2 xoắn 1336/ Deeyai (2013) 1414 CH2 uốn cong, C-O-O kéo dãn 1415/ Kizil (2002)

1633 Nước liên kết chặt chẽ 1630/ Deeyai (2013)

2896 CH, CH2 kéo dãn 2885/ Deeyai (2013)

3268 O – H kéo dãn (liên kết Hydro) 3272/ Deeyai (2013)

2800 – 3000 CH2 biến dạng Kizil (2002)

3000 - 3600 O – H kéo dãn Kizil (2002)

Bảng 3.4 bao gồm những đỉnh mà chúng tôi tra được các đỉnh xuất hiện trên phổ FTIR của mẫu tinh bột khoai mỡ. Tuy nhiên, đây là tổng quát các đỉnh mà mẫu tinh bột tự nhiên đều có, do vậy chúng tơi sẽ đi phân tích các nhóm chữ có sự khác biệt xảy ra khi chiếu xạ để so sánh với mẫu thơ.

Trong nghiên cứu của chúng tơi, có những nhóm chức có đỉnh hấp thu khơng lệch so với các nghiên cứu trước đây, những cũng có những nhóm chức lệch về phía phải hoặc phía trái..

Đỉnh 924 cm-1 Deeyai và 930 cm-1 theo Kizil thì đây được cho là đỉnh hấp thu tia hồng ngoại của các liên kết glycosidic trong tinh bột. Tuy nhiên, nghiên cứu của chúng tơi đỉnh này nằm ở số sóng 926 cm-1. Tương tự đỉnh 1163 cm-1 thể hiện sự dao động có liên quan đến sự hiện diện của liên kết C – O, C – C kéo dãn và đỉnh 1630 cm-1 thể hiện sự dao động có liên quan đến sự hấp thụ nước trong vùng vơ định hình của tinh bột. Trong nghiên cứu của chúng tôi, hai đỉnh

này lần lượt bị lệch về đỉnh 1077 cm-1 và 1633 cm-1. Sự thay đổi này được giải thích là do hàm

lượng amylopectin trong hạt tinh bột phụ thuộc vào loại tinh bột. (Deeyai, P., Suphantharika,

M., Wongsagonsup, R., & Dangtip, S., 2013). Phổ hồng ngoại FTIR còn cho thấy độ kéo dãn của liên kết C – H ở vùng 2800 - 3000 cm-1. Độ kéo dãn của nhóm O – H trong tinh bột nằm ở

vùng 3000 – 3600 cm-1.

Quang phổ cho thấy FTIR cho thấy tính chất đặc trưng của các mẫu cũng liên quan đến mức độ liên kết ngang. Các phân tử nước bị hấp thụ vào cấu trúc của tinh bột theo hai cách, độ liên kết chặt chẽ và sự hấp thụ yếu của các phân tử nước được biểu thị ở hai số sóng 1633 cm-1

(theo nghiên cứu của Kizil (2002) là 1642 cm-1 và của Deeyai (2013) là 1630 cm-1) và 3268 cm-

1 (theo nghiên cứu của Deeyai (2013) là 3272 cm-1). Sự tăng cường độ của hai đỉnh này là do sự thuỷ phân của tinh bột bởi các gốc tự do. Mức độ liên kết ngang có thể được xác định thơng qua

cường độ tương đối của hai đỉnh này với nhóm C – O – C tại đỉnh 994 cm-1.

Sự phá vỡ liên kết glycosidic được coi là sự thay đổi quan trọng nhất gây ra trong phân tử polysaccharide bởi chiếu xạ. Chiếu xạ tinh bột bằng tia gamma liên quan đến hai phản ứng cơ bản diễn ra đồng thời: (a) oxy hố nhóm hydroxyl của tinh bột thành nhóm carbonyl, (b) tiếp tục oxy hố nhóm carbonyl thành nhóm carboxyl. Tuy nhiên, q trình đề carboxyl hố cũng có thể diễn ra đồng thời với các phản ứng (a) và (b). (Kamal, H., et al., 2007)

Tinh bột có cấu trúc bán tinh thể bao gồm vùng tinh thể và vùng vơ định hình. Vùng tinh thể là vùng có cấu trúc α – helix có cấu trúc xoắn kép. Capron và cộng sự đã sử dụng phổ FTIR

để nghiên cứu tinh bột ở trạng thái cao su (rubbery) và thuỷ tinh (glass). Họ đã cho thấy rằng

vùng 1022 cm-1 là vùng đặc trưng cho tinh bột ở trạng thái vơ định hình và vùng 1047 cm-1 biểu thị cho trạng thái tinh thể của tinh bột. Tuy nhiên, các đỉnh tương ứng trong nghiên cứu của

chúng tôi hơi dịch chuyển về các đỉnh có số sóng thấp hơn là 1016 và 1043 cm-1. Sự sai lệch này là do tỷ lệ amylose và amylopectin khác nhau trong mỗi loại tinh bột. Kết quả về tỷ lệ α –

helix/ vơ định hình được thể hiện ở bảng 3.5.

Bảng 3.5. Bảng tỉ lệ vùng α-helix (1043 cm-1)/vùng vơ định hình (1016cm-1) của các mẫu

Mẫu Tỷ lệ α – helix(1043 cm-1)/ vơ định hình(1016cm-1)

WY0 0,70a WY8.86 0,73b WY13.75 0,70a WY18.40 0,72b WY23.83 0,72b WY28.66 0,72b

Kết quả từ bảng 3.5 cho thấy mặc dù các mẫu có tỉ lệ α-helix/vơ định hình khác nhau

khơng đáng kể. Sự khác biệt giữa các tỉ lệ này giữa trước và sau xử lý rất nhỏ xét về mặt

cấu trúc và ít có ý nghĩa về mặt thống kê.

Từ kết quả phân tích phổ FITR trên và tỉ lệ α-helix/vùng vơ định hình nhận thấy các mẫu sau khi thay đổi độ ẩm ban đầu và chiếu xạ gamma đều khơng làm mất đi các tính chất

đặc trưng cả tinh bột cũng như khơng có hợp chất mới được tạo hình thành. Tuy nhiên, có

có q trình depolymer hố và tạo thành liên kết ngang ở các mức độ khác nhau tuỳ theo mức độ thay đổi độ ẩm trong quá trình chiếu xạ. Các mẫu chỉ có sự thay đổi về mức độ chặt chẽ của các liên kết trong cấu trúc hoá học. Như vậy, để làm rõ hơn các biến đổi về tinh thể và mức độ tinh thể sau quá trình thay đổi độ ẩm ban đầu và xử lý gamma chúng tôi đã sử dụng thêm phương pháp tán xạ tia X.

3.5. Độ tán xạ tia X và mức độ tinh thể

Nhiễu xạ tia X là một phương pháp phân tích hố học quan trọng đã được sử dụng để mô tả cấu trúc tinh bột và phát hiện bất kì thay đổi nào về độ kết tinh của của mẫu tinh bột bởi các kỹ thuật xử lý khác nhau (Dankar, Iman, et al., 2018). Đây cũng là phương pháp dùng để xác

định loại tinh thể trong tinh bột (tinh thể loại A, B hay C) và xác định các mức độ tinh thể trong

tinh bột. Dạng nhiễu xạ loại A thường gặp trong tinh bột ngũ cốc và đặc trưng với các đỉnh 15º, 17º, 18º và 23º. Dạng nhiễu xạ loại B thường gặp trong tinh bột củ và đặc trưng với các đỉnh khoảng 5,8º, 15º, 17º và hai đỉnh nhỏ ở 23º và 24º (Wani, Idrees Ahmed, et al., 2014). Và dạng

Cấu trúc tinh thể của hạt tinh bột

Các phân đoạn tiêu hoá của tinh bột