Đặc tính của tinh bột RDS SDS RS (loại 14) Sự tiêu hóa mốc thời gian (in vitro)/nơi tiêu hóa Trong vịng 20 phút, miệng và ruột non Trong vòng 120 phút, miệng và ruột non
>120 phút, không phải trong ruột non, mà ở đại tràng
Ví dụ Thực phẩm
nấu
Tinh bột ngơ nếp, kê, các loại đậu
Khoai tây sống, bánh mỳ để lâu
Tổng số (g/100g chất khơ)
Khoai tây
luộc chín: 65 Kê nấu: 28 Tinh bột khoai tây sống: 75
Đặc tính sinh lý chính Nguồn sinh năng lượng nhanh Nguồn sinh và duy trì năng lượng chậm và duy trì đường huyết Tác động lên sức khỏe đường ruột (ví dụ prebiotic, q trình lên men để tạo butyrate có tác dụng chống ung thư) Cấu trúc Chủ yếu dạng vơ định hình Vơ định hình và kết tinh
Phụ thuộc vào loại cấu trúc, chủ yếu dạng kết tinh
(Englyst HN, 1992)
1.1.2.2. Tinh bột kháng.
Tinh bột kháng (Resistant starch - RS) là những loại tinh bột không bị hấp thụ trong ruột non của người khỏe mạnh (Asp NG, 1992). Trong thực phẩm từ một số loại ngũ cốc, đậu đỗ, đặc biệt là một vài loại hạt và quả khác chúng dạng chưa qua chế biến hoặc đã qua chế biến đều có chứa một lượng đáng kể RS, tùy thuộc vào nguồn gốc của nguyên liệu để sản xuất tinh bột và các loại hình gia cơng chế biến mà lượng RS nhiều hay ít. Các yếu tố như tỷ lệ amylose /amylopectin, hình thức cấu tạo của các loại tinh bột, mức độ hồ hóa, phương pháp chế biến nhiệt, làm mát và lưu trữ, tất cả đều ảnh hưởng đến tổng lượng RS của thực phẩm.
13
Resistant Starch 1 (RS1)
Hình 1.9. Cấu trúc của loại tinh bột kháng I (RS1)
Hình 1.10. Cấu trúc của loại tinh bột kháng II (RS2)
(Nguồn: M.G. Sajilata và cộng sự, 2006
RS được phân loại thành các loại khác nhau. Loại I (RS1) đại diện cho tinh bột không thể tiếp cận được với enzyme thuỷ phân tinh bột, bởi vì nó ở trạng thái vật lý khó tiếp cận trong q trình tiêu hóa như hỗn hợp ngũ cốc được xay vỡ và dạng hạt nguyên vẹn có chứa nhiều trong các thực phẩm giàu tinh bột. Đó là loại liên kết chặt với các thành phần dinh dưỡng khác và được giữ chặt trong vách tế bào thực vật. Loại này có thể được tìm thấy trong một phần của tinh bột từ ngũ cốc hoặc trong các loại đậu. Hình 1.9 thể hiện hình ảnh qua kính hiển vi của RS1 – loại không thể tiếp cận trong tế bào hoặc mô cấu trúc của một phần ha ̣t được nghiền và hạt nguyên. Trong trường hợp như vậy, các enzyme tiêu hóa và phân giải tinh bột trở nên không thể tiếp cận tinh bột và khả năng làm phân rã các thành phần vách tế bào trong đường tiêu hóa cũng khơng thể đạt được do thiếu các enzyme phân hủy vách tế bào (Leszczynski W, 2004). Đây là loại tinh bột thốt qua sự tiêu hóa ở ruột non theo cách như vậy. Nó có thể được tiêu hóa hồn tồn ở ruột non chỉ khi nó được xay đúng cách. Với việc duy trì ổn định nhiệt, nó sẽ khơng bị phá vỡ cấu trúc dạng này trong quá trình nấu nướng bình thường
Resistant Starch 2 (RS2)
Loại II (RS2) là loại tinh bột tự nhiên ở dạng hạt nhất định được bao phủ bên ngoài bởi một lớp vỏ bọc bền chặt hoặc cấu trúc của hạt tinh bột, và có khả năng kháng enzyme tiêu hóa. Nó được đo về mặt hóa học là sự khác biệt giữa glucose được tạo thành bởi các enzyme tiêu hóa của một mẫu thức ăn đồng nhất
14
bằng nấu chín với một mẫu khơng nấu chín, khơng đồng nhất. Trong chế độ ăn uống, tinh bột thô (loại tinh bột nhỏ trịn và q trình hydrat hóa diễn ra làm thất thốt tương đới nhiều trong nước) được tiêu dùng trong thực phẩm như chuối xanh, tinh bột khoai tây nguyên với hàm lượng amylose cao. Hạt tinh bột thơ chưa qua nấu chín có cấu trúc nhỏ go ̣n này đã ha ̣n chế khả năng tiếp cận của các enzyme tiêu hóa và sự kháng tự nhiên của RS2 như tinh bột khơng hờ hóa. Chúng được
tìm thấy trong các loại nguyên liệu quả, hạt có chứa tinh bột khơng qua chế biến nước nhiệt - sử dụng tươi (ví dụ như tinh bột chuối xanh). Loại này đại diện cho loại tinh bột ở trạng thái kết tinh nên nó giảm khả năng tiếp xúc với enzyme tiêu hố. Hình 1.10 thể hiện loại cấu trúc của RS2 đó là dạng tinh bột từ khoai tây, chuố i tự nhiên vớ i hàm lươ ̣ng amylose cao. Các tinh bột kháng của khoai tây lần đầu tiên được quan sát bởi Nowotny E, vào năm 1938. Ông đã sử dụng nhiều loại tinh bột của nhiều loài thực vật khác nhau và để cho enzyme thủy phân sau đó quan sát kích thước của tinh bột trong đó có khoai tây. Các nhà nghiên cứu Nhật Bản cũng khẳng định những kết quả như vậy sau đó. Tinh bột kháng tự nhiên ở ngơ có amylose cao và tinh bột khoai tây là giống nhau trong đó loại RS2 từ ngơ có amylose cao vẫn giữ được cấu trúc và sức đề kháng của nó ngay cả trong q trình chế biến và chuẩn bị thức ăn. Hạt tinh bột khoai tây lớn hơn các hạt tinh bột ngũ cốc và kích thước của hạt có ảnh hưởng đến mức độ hấp phụ enzyme trên bề mặt hạt. Nhưng Kimura và Robyt (1995) lại cho thấy khơng có mối quan hệ giữa mức độ của enzyme hấp phụ và mức độ thủy phân. Sau đó, nghiên cứu đã khẳng định mức độ kết tinh của tinh bột có liên quan đến mức độ thủy phân của enzyme do khi phân giải tinh bột đầu tiên enzyme sẽ làm suy giảm các vùng vơ định hình. Do đó, khả năng kháng được quy cho khu vực tinh thể. Nhưng mức độ kết tinh thì khơng ln ln gắn kết với khả năng kháng enzyme phân giải tinh bột. Tinh bột có chứa nhiều amylose hơn được xem có nhiều khả năng kháng enzyme thủy phân. Tinh bột có tinh thể loại B đã được tìm thấy khả năng kháng enzyme thủy phân cao hơn. Trong tinh bột loại B, sự phá hủy bởi enzyme là chỉ xảy ra trên bề mặt của các hạt, trong khi tinh bột với loại tinh thể A trải qua quá trình thủy phân sâu bởi enzyme. Kossmann và Lloyd (2000) quan sát thấy rằng loại cấu trúc tinh
15
thể B của tinh bột khoai tây được làm xoắn kép và tạo thành 'blocklets' lớn tích hợp trong lớp hạt tinh thể cứng ('hard'). Những 'blocklets' lớn này chịu trách nhiệm về khả năng kháng của tinh bột khoai tây. Trong tinh bột ngũ cốc hạt 'blocklets" có kích thước nhỏ hơn so với tinh bột khoai tây và vì vậy tinh bột ngũ cốc là dễ bị thủy phân bởi enzyme. Do đó, có thể kết luận rằng tính kháng tinh bột khơng phụ thuộc vào bất kỳ một yếu tố nào, nhưng một số lớn các yếu tố bao gồm kích thước của hạt, hình dạng của bề mặt hạt, hàm lượng amylose, tinh thể của tinh bột và kích thước của hạt tinh bột được cho là có ảnh hưởng lớn đến khả năng kháng của tinh bột (Lesczynski W, 2004).
Resistant Starch 3 (RS3)
Loại III (RS3) là loại tinh bột khó tiêu hóa, được tạo thành từ q trình biến tính vật lý, như xử lý nhiệt ẩm hoặc ẩm nhiệt rồi sau đó làm thối hóa và kết tinh ở nhiệt độ thấp trong thời gian dài. Chúng là loại có thể có mặt trong các sản phẩm như khoai tây nấu chín và đậu Hà Lan đóng hộp... RS3 đại diện cho phần tinh bột kháng thủy phân nhất và chủ yếu là amylose bị thối hóa hình thành trong q trình làm lạnh của tinh bột hồ hóa. Do đó hầu hết các loại thực phẩm được xử lý nhiệt ẩm đều có chứa một số RS3. Q trình thối hóa diễn ra khi tinh bột được hồ hóa sau đó làm nguội và giữ ở nhiệt độ phịng, 40C (tủ lạnh) hoặc -200C (tủ đông) trong vài giờ cho đến nhiều ngày hoặc nhiều tháng. Việc thối hóa tinh bột sẽ là một sự tái sắp xếp lại chuỗi tinh bột sau quá trình tái kết tinh nhờ vào q trình hồ hóa. Điều này cần lượng nước nhỏ nhất và ảnh hưởng đầu tiên lên amylose, sau đó đến các nhánh amylopectin. Q trình thối hóa có thể ảnh hưởng lớn nhất lên các loại thực phẩm nhiều tinh bột được nấu chín mà khơng làm nguội ngay lập tức hay ăn liền. Nhiệt độ tối ưu cho q trinh thối hóa tinh bột là khoảng 40C cho việc hình thành RS3, lần đầu được đề cập bởi Englyst và Cummings (1987) là của khoai tây được nấu chín rồi làm nguội. Chu trình thối hóa được lặp đi lặp lại nhiều lần sẽ tăng hàm lượng RS3. RS3 có khả năng giữ nước cao hơn so với tinh bột dạng hạt nên trong quá trình hình thành RS3, hạt tinh bột bị hydrate hóa hồn tồn. Amylose trong hạt tinh bột tan vào dung dịch trở thành các phân tử sợi tự do. Khi làm lạnh hoặc để nguội thời gian dài sau hồ hóa thì các phân tử
16
này bắt đầu sắp xếp lại ổn định trong cấu trúc chuỗi xoắn kép với các liên kết hydro tạo thành dạng cấu trúc tinh thể B có khả năng chịu nhiệt cao. Sự tập hợp xoắn kép này chỉ có thể bị phá vỡ và hydrat hóa lại ở nhiệt độ trên 1500C. Cấu trúc xoắn chứa 6 đơn vị glucose trên 1 sợi xoắn độ dài 20.8Ao lặp lại. RS cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian lưu trữ. Nhiều RS được hình thành khi tinh bột nhão được lưu trữ ở nhiệt độ thấp trong nhiều giờ hơn ở nhiệt độ cao (Eerlingen RC,1993). RS có cấu trúc tinh thể loại B thu được từ việc bảo quản ở nhiệt độ thấp, trong khi lưu trữ ở nhiệt độ sôi lại chứng minh cho loại tinh thể A. Mức độ polyme hóa của amylose cũng ảnh hưởng đến hàm lượng RS3. Hàm lượng này tăng nếu DP tăng đến 100 và sau đó thì khơng thay đổi. Mức độ DP thấp nhất là 10 và cao nhất là 100 có lẽ là cần thiết để tạo nên cấu trúc sợi xoắn kép đươ ̣c hình thành trong quá trình phân giải amylose trong dung di ̣ch đươ ̣c mơ tả trong hình 1.11 và hình 1.12. Gel tinh bột chứa các phần phân đoạn vơ định hình và tinh thể, ở các phần phân đoạn vơ định hình được thủy phân bởi enzyme dễ dàng trong khi các phần phân đoạn tinh thể vẫn còn kháng với các hoạt động của enzyme. Sự tương tác của tinh bột với các thành phần khác cũng ảnh hưởng đến sức đề kháng của tinh bột. Trong tinh bột của nhiều loài thực vật, mạch amylose bị thâm nhập bởi lipid và các mạch amylose khơng tham gia vào sự thối hóa dẫn đến giảm việc tạo ra RS3 (Eerlingen RC, 1994). Giống như amylose, amylopectin cũng hình thành gel ở phần kết tinh nhưng cấu trúc tinh thể của amylopectin là kém ổn định hơn so với cấu trúc tinh thể của amylose và sự kết tinh của amylopectin tiến triển rất chậm. Sự hydrat hóa lại chỉ ở nhiệt độ thấp 55-700C (Eerlingen RC, 1995). cấu trúc tinh thể của amylopectin được hình thành trong quá trình lưu trữ tinh bột nhão (gel tinh bột) cũng đề kháng với hoạt động của các enzyme - phân giải tinh bột. Một phần lớn của amylose được thối hóa và kết tủa từ dung dịch, nhưng nếu ở nhiệt độ cao các quá trình này diễn ra chỉ xảy ra một phần. Sự hình thành tinh bột thối hóa phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật của tinh bột và các quá trình chế biến áp dụng trên nó. Các sản phẩm của amylose thối hóa được thử nghiệm nhanh chóng khả năng kháng với enzyme - phân giải tinh bột bằng in vitro và in vivo. Trong khi đó chuẩn bị sản phẩm từ amylopectin thối hóa là một q trình lâu dài
17
và có thể mất từ vài ngày đến vài tuần lưu trữ bột nhão ở nhiệt độ thích hợp. Quá trình làm tăng RS3 từ amylopectin này trở nên hiệu quả với việc gia nhiệt và làm mát được lặp đi lặp nhiều lần với bột nhão (Hoover R, 2003).
Hình 1.11. Mơ hình mixen tinh bột kháng loại III (RS3)
Hình 1.12. Mơ hình cắt lớp tinh bột kháng loại III (RS3)
Ghi chú: Trình bày sơ đờ mạch của loại tinh bột kháng enzyme III (RS3) được hình
thành trong dịch amylose. Mơ hình mixen xoắn kép được đặt thành một cấu trúc tinh thể (C) trong một khu vực cụ thể của chuỗi, xen kẽ với vơ đi ̣nh hình, enzyme vùng phân hủy.
Resistant starch 4 (RS4)
Loại IV (RS4) loại loại tinh bột bị biến tính bởi các yếu tố mặt hóa học, các hợp chất hố học như acid, kiềm, oxi hố, ete hóa, este hóa hoặc các chất khi phản ứng với tinh bột tạo liên kết ngang với mạch amylose và amylopectin, điều đó làm giảm khả năng tiêu hóa của tinh bột. Do có nhiều liên kết khác với liên kết alpha- 1-4 hoặc alpha-1-6 glycosizit, khác so với các liên kết trong tinh bột ban đầu nên chúng làm giảm sự sẵn sàng tiếp xúc với các enzyme phân giải tinh bột. Chính vì có nhiều liên kết ngang hoặc sự hiện diện của một số gốc phụ khác (ví dụ: distarch este phosphate- hình 1.13) trong phân tử tinh bột khi biến tính nên chúng làm giảm tỷ lệ tiêu hoá của tinh bột.
Tùy thuộc vào khả năng hòa tan trong nước và các phương pháp phân tích, RS4 được chia nhỏ thành bốn tiểu thể loại (Nugent AP, 2005). Biến tính bằng hóa học có thể ngăn chặn sự tiêu hóa của RS bằng cách ngăn chặn các cách tiếp cận enzyme và hình thành mối liên kết điển hình như liên kết α (1-4) và α (1-6) và biến đổi chính là sự chuyển đổi, thay thế và liên kết ngang. Khả năng kháng của tinh bột acetylate và hydroxypropylate tăng với sự gia tăng mức độ thay thế. Hydroxypropyl distarch phosphate và distarch phosphate acetylated khó bị thủy
18
phân bởi enzyme nếu so với tinh bột tự nhiên (Hoover R, 2003). Mức độ biến đổi hóa học và mức độ kháng là tỷ lệ thuận với nhau. Khả năng kháng nhiều hơn nếu thay thế bằng acid phosphoric, hơn là trong tinh bột kháng phosphate monostarch. Gia nhiệt sản phẩm tinh bột phosphate monostarch với glycine sẽ sản sinh khả năng kháng cao hơn so với monostarch phosphate chính nó (Ostergard K, 1988). Cùng gia nhiệt với tinh bột hòa tan bão hòa với sắt (III) và xử lý với glycine lại có khả năng kháng lại hoạt động của enzyme. Sự biến đổi hóa học làm thay đổi cấu trúc và thành phần của các hạt tinh bột và do đó làm tăng khả năng chống lại các enzyme phân giải tinh bột. Sự sắp xếp trong mạch bình thường của tinh bột bị xáo trộn do thay thế và tinh bột trở nên không thể tiếp cận với các enzyme phân giải tinh bột.
Hình 1.13. Mơ tả cấu trúc của tinh bột khi xử lý hóa học bằng phosphate. (Trích ng̀ n: Sajilata M.G. và cộng sự, 2006)
Resistant Starch 5 (RS5)
Loại V (RS5) là một loại RS được hình thành do sự hình thành các phức amylose-lipid. Những phức hợp có thể được hình thành trong q trình chế biến thực phẩm và cũng có thể được chế biến theo điều kiện có kiểm sốt. Phức amylose-lipid thường được hình thành từ tinh bột có amylose cao. Cấu trúc và sự hình thành của RS5 phụ thuộc vào các nguồn thực vật. RS5 là một polysaccharide không tan trong nước mạch thẳng là polyalpha-1,4-glucan và có khả năng kháng enzyme α-amylase (Fuentes-Zarogoza, 2011). Những polysaccharides này thúc đẩy sự hình thành các acid béo mạch ngắn, đặc biệt butyrate (acid béo chuỗi ngắn quan trọng nhất).
Phân loại các loại tinh bột kháng (RS), nguồn thực phẩm, và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng của chúng để tiêu hóa trong ruột kết được trình bày ở bảng
19
Bảng 1.6. Bảng phân loại, nguồn thực phẩm và tác nhân làm giảm lượng RS và sự tiêu hóa của chúng.
(Trích nguồn: A. P. Nugent , 2005)
Nhóm
RS Mơ tả Nguồn thực phẩm giảm lượng RS Tác nhân làm Tiêu hóa ở ruột non
RS1 Được bảo vệ bởi cơ cấu vật lý Ngũ cốc nguyên hạt Quá trình nghiền, chà, nhai Tốc độ chậm, mức độ từng phần Hoàn tồn tiêu hóa nếu xay nghiền đúng cách
RS2
Hạt tinh bột không thủy phân khi chưa bị gel hóa với cấu trúc tinh thể loại B, thủy phân chậm bởi α- amylase Khoai tây sống, chuối xanh, một vài loại đậu, bắp giàu amylose Quá trình nấu, chế biến thức ăn