Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột khoai mì trong huyền phù ban đầu
Hình 3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu đến độ nhớt ở 65oC, nồng độ tinh bột hòa tan và độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa
(a) Độ nhớt huyền phù tinh bột khoai mì ở 65oC
(b) Nồng độ tinh bột hòa tan của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng sau 60 phút hồ hóa (c) Độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng sau 60 phút hồ hóa
(d) Sự gia tăng “độ hòa tan tinh bột” sau 60 phút hồ hóa của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng Các mẫu siêu âm được xử lý với nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm lần lượt là 65oC, 3W/g tinh bột và 10 phút; sau đó ủ mẫu ở 90oC trong 50 phút. Các mẫu đối chứng có cùng hàm lượng tinh bột ban đầu với mẫu siêu âm, và được ủ ở 65oC trong 10 phút; sau đó được ủ tiếp ở 90oC trong 50 phút.
- 48 -
Hình 3.1 cho thấy hai vấn đề: Thứ nhất, khi tăng hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu, sau 60 phút hồ hóa, nồng độ tinh bột hòa tan sẽ tăng lên nhưng độ hòa tan tinh bột ở cả mẫu đối chứng và mẫu siêu âm đều giảm đi. Nguyên nhân là do khi tăng hàm lượng tinh bột ban đầu thì độ nhớt huyền phù ở nhiệt độ 65oC sẽ tăng mạnh (Hình 3.1a). Khi độ nhớt cao, khả năng khuếch tán của nước vào bên trong hạt tinh bột cũng như khả năng khuếch tán của phân tử tinh bột từ bên trong ra bên ngoài hạt tinh bột đều giảm. Đó là lý do khiến cho tỷ lệ giữa lượng tinh bột hòa tan so với lượng tinh bột ban đầu (độ hòa tan tinh bột – DSOL60) giảm đi. Thứ hai là độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm luôn cao hơn mẫu đối chứng.
Ảnh chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại 7000 lần cho thấy bề mặt hạt tinh bột sau 1 phút siêu âm trở nên rạn nứt (Hình 3.2b) hay bị bong tróc lớp bên ngoài (Hình 3.2c), trong khi đó bề mặt hạt tinh bột của mẫu đối chứng thì trơn láng (Hình 3.2a). Điều này chứng tỏ sóng siêu âm đã tác động làm nứt hạt, góp phần giải phóng các phân tử tinh bột hòa tan từ bên trong hạt tinh bột ra bên ngoài.
Hình 3.2 Hình chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) hạt tinh bột khoai mì trong giai đoạn hồ hóa
(a) Mẫu đối chứng: huyền phù tinh bột 5%w/v sau 1 phút ủ ở 65oC
(b) và (c) Mẫu siêu âm: huyền phù tinh bột 5%w/v và 20%w/v sau quá trình xử lý siêu âm. Nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm lần lượt là 65oC, 3W/g tinh bột, 1 phút.
Kim và cộng sự (2006) cho rằng hiện tượng xâm thực do sóng siêu âm sinh ra sẽ tạo nên lực cắt cục bộ và có thể cắt đứt các liên kết cộng hóa trị của mạch polymer.
Ngoài ra, sóng siêu âm còn làm cho cấu trúc tinh thể hạt tinh bột bị phá vỡ, làm xuất hiện các lỗ xốp và mở rộng các “kênh dẫn”, [97] giúp các phân tử nước khuếch tán vào bên trong hạt nhiều và nhanh hơn, từ đó làm tăng khả năng trương nở và giải phóng tinh bột hòa tan [111]. Do đó, các mẫu siêu âm luôn có nồng độ tinh bột hòa tan và độ hòa tan tinh bột cao hơn mẫu đối chứng. Tuy nhiên, theo Mason (2002) thì hiện tượng xâm
- 49 -
thực do sóng siêu âm tạo ra sẽ tỷ lệ nghịch với độ nhớt của dung dịch [86]. Khi tăng hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu từ 5% lên 35%, độ nhớt hỗn hợp ở nhiệt độ siêu âm (65oC) tăng mạnh nên hiện tượng xâm thực bị giảm đi, từ đó làm giảm hiệu quả giải phóng tinh bột của sóng siêu âm. Các kết quả nghiên cứu của Antti và cộng sự (2008) về ảnh hưởng nồng độ polymer trong huyền phù đến hiệu quả của quá trình siêu âm cũng tương đồng với nhận xét rút ra được từ kết quả thí nghiệm này: khi tăng nồng độ polymer sẽ làm cho độ nhớt dung dịch tăng theo, khi đó tác động làm giảm độ nhớt của hỗn hợp bởi sóng siêu âm sẽ giảm đi đáng kể [147]. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu là 20% thì giá trị HSADSOL60 là cao nhất, đạt 29,2% (Hình 3.1d).
Khi nghiên cứu trên một số loại tinh bột từ khoai tây, khoai lang, bắp nếp… Iida và cộng sự (2008) nhận xét thấy hàm lượng tinh bột của huyền phù ban đầu trong khoảng 15-20 % là ngưỡng giới hạn để sóng siêu âm làm tăng hiệu quả quá trình thủy phân tinh bột [9].
Hình 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu đến kích thước hạt tinh bột sau xử lý siêu âm
Các mẫu siêu âm được xử lý với nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm lần lượt là 65oC, 3W/g tinh bột và 10 phút; sau đó ủ mẫu ở 90oC trong 50 phút.
Trước khi gia nhiệt, kích thước trung bình của hạt tinh bột khoai mì là 41μm. Ở mẫu đối chứng (ủ huyền phù tinh bột 5%w/v ở 65oC trong 10 phút), kích thước trung bình của hạt tinh bột tăng lên 46μm do xảy ra sự hấp thu nước. Sau quá trình xử lý siêu âm, kích thước trung bình của hạt tinh bột còn 44 μm. Hình 3.3 trình bày sự thay đổi kích thước trung bình của hạt tinh bột sau quá trình xử lý siêu âm khi hàm lượng tinh
- 50 -
bột trong huyền phù ban đầu thay đổi. Khi hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu tăng từ 5% lên 20%, kích thước hạt trung bình giảm từ 44μm xuống 35μm. Tuy nhiên khi hàm lượng tinh bột tăng từ 25% đến 35%, kết quả xử lý thống kê cho thấy kích thước trung bình của hạt có xu hướng tăng nhẹ và đạt giá trị 37 μm. Sóng siêu âm làm giảm kích thước hạt tinh bột nhiều nhất khi hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu là 20% (Hình 3.3b). Đây cũng là mẫu huyền phù có giá trị HSADSOL60 cao nhất (Hình 3.1d).
Hình 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù đến độ hòa tan tinh bột tại thời điểm cân bằng
(a) Độ hòa tan tinh bột tại thời điểm cân bằng của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng
(b) Sự gia tăng độ hòa tan tinh bột tại thời điểm cân bằng của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng Các mẫu siêu âm được xử lý với nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm lần lượt là 65oC, 3W/g tinh bột và 10 phút; sau đó ủ mẫu ở 90oC trong 50 phút. Các mẫu đối chứng có cùng hàm lượng tinh bột ban đầu với mẫu siêu âm, và được ủ ở 65oC trong 10 phút; sau đó được ủ tiếp ở 90oC trong 50 phút.
Các phương trình động học mô tả sự biến đổi độ hòa tan tinh bột theo thời gian khi thay đổi hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu cho thấy quy luật biến đổi giá trị độ hòa tan tinh bột tại thời điểm cân bằng (Hình 3.4a) và sau 60 phút hồ hóa (Hình 3.1c) là như nhau. Mẫu siêu âm luôn có giá trị độ hòa tan tinh bột cao hơn mẫu đối chứng và sự gia tăng độ hòa tan tinh bột tại thời điểm cân bằng đạt cực đại là 23,7% khi hàm lượng tinh bột trong huyền phù là 20% (Hình 3.4b).
Từ các nhận xét trên có thể rút ra được hai quy luật về ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình giải phóng tinh bột hòa tan ra khỏi hạt tinh bột. Xử lý siêu âm huyền phù tinh bột trong giai đoạn hồ hóa sẽ làm tăng độ hòa tan tinh bột so với mẫu đối chứng xử lý nhiệt. Hiệu quả làm tăng độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng phụ thuộc vào hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu. Với hàm lượng tinh bột
- 51 -
trong huyền phù ban đầu là 20% thì sự gia tăng độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng là nhiều nhất và đạt 29%.
Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm
Hình 3.5 cho thấy khoảng nhiệt độ hồ hóa của huyền phù tinh bột khoai mì 20%w/v được sử dụng trong nghiên cứu này là 65 – 73oC. Khi gia nhiệt huyền phù tinh bột khoai mì, độ nhớt bắt đầu tăng ở 65oC (Tpaste) và độ nhớt đạt cực đại ở 73oC (Tpeak).
Hình 3.5 Sự thay đổi độ nhớt của huyền phù tinh bột khoai mì 20% theo nhiệt độ Hình 3.6a cho thấy những mẫu được qua xử lý siêu âm đều có độ hòa tan tinh bột cao hơn những mẫu đối chứng chỉ qua xử lý nhiệt. Khi tăng nhiệt độ xử lý siêu âm huyền phù tinh bột từ 50 lên 65oC thì độ hòa tan tinh bột của mẫu sẽ tăng lên. Tuy nhiên, nếu quá trình xử lý siêu âm ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Tpaste thì độ hòa tan tinh bột của mẫu sẽ giảm đi.
Như đã trình bày trong phần 3.1, sự gia tăng độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng là do hiện tượng xâm thực tạo ra các lực cắt tác động lên bề mặt hạt tinh bột để bẻ gãy các liên kết hydro kết nối giữa các phân tử tinh bột. Hiệu quả giải phóng tinh bột của sóng siêu âm sẽ càng cao khi hiện tượng xâm thực càng mạnh và liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột càng yếu. Theo Ratnayake và Jackson (2008), độ bền liên kết giữa các phân tử trong hạt tinh bột sẽ bắt đầu giảm mạnh tại Tpaste. Khi nhiệt độ tăng từ Tpaste đến Tpeak, các phân tử nước khuếch tán vào bên trong làm cho hạt tinh bột trương nở, các vùng kết tinh chuyển dần thành vùng vô định hình, các phân tử tinh bột khuếch tán ra ngoài làm tăng nồng độ tinh bột hòa tan và độ nhớt hỗn hợp [16]. Theo
- 52 -
Mason (2002), sóng siêu âm sẽ tạo ra xâm thực mạnh ở các dung dịch có độ nhớt thấp [86]. Khi nhiệt độ siêu âm tăng từ 50oC lên 75oC, độ nhớt hỗn hợp tăng nên hiện tượng xâm thực giảm, do đó làm giảm hiệu quả giải phóng tinh bột của sóng siêu âm. Kết quả của thí nghiệm này cho thấy: Tpaste chính là giá trị nhiệt độ cho giá trị HSADSOL60 cao nhất (Hình 3.6b).
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm đến độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng
(a) Độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng
(b) Sự gia tăng độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng
Các mẫu siêu âm có hàm lượng tinh bột ban đầu là 20%; được xử lý với công suất và thời gian siêu âm lần lượt là 3W/g tinh bột và 10 phút; sau đó ủ mẫu ở 90oC trong 50 phút. Các mẫu đối chứng có cùng hàm lượng tinh bột ban đầu với mẫu siêu âm, và được ủ lần lượt ở 50oC, 60oC, 65oC, 68oC, 73oC và 75oC trong 10 phút; sau đó được ủ tiếp ở 90oC trong 50 phút.
Chúng tôi chưa tìm thấy công bố khoa học kết luận là khi xử lý siêu âm huyền phù tinh bột ở nhiệt độ Tpaste thì sự gia tăng độ hòa tan tinh bột so với mẫu đối chứng sẽ đạt giá trị cao nhất. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của một số tác giả trước đây là phù hợp với kết luận này. Pejin và cộng sự (2012) sử dụng sóng siêu âm (40 kHz, 125 W, 5 phút) để xử lý huyền phù tinh bột lúa mạch ba góc, hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu là 33% (Khoảng nhiệt độ hồ hóa của tinh bột lúa mạch ba góc là 60 – 65oC). Nếu nhiệt độ bắt đầu siêu âm là 40oC thì lượng đường maltose tạo thành cao hơn 46,7 % so với mẫu đối chứng. Nếu quá trình siêu âm bắt đầu ở nhiệt độ Tpaste = 60oC thì lượng đường maltose tạo thành sẽ tăng cao hơn 52,6% so với mẫu đối chứng [119]. Tương tự, Nikolíc và cộng sự (2010) dùng sóng siêu âm (40 kHz, 600 W, 5 phút) để xử lý huyền phù tinh bột ngô, hàm lượng tinh bột trong huyền phù là 33% (Khoảng nhiệt độ hồ hóa của tinh bột ngô là 64 – 77oC). Nếu siêu âm ở 60oC thì lượng đường khử tăng thêm 6,8%
- 53 -
so với đối chứng. Nếu siêu âm ở nhiệt độ 80oC (cao hơn Tpeak) thì lượng đường khử chỉ tăng thêm 5,9% so với mẫu đối chứng [118].
Quy luật có thể rút ra từ thí nghiệm trên là: Độ hòa tan tinh bột khoai mì trong giai đoạn hồ hóa đạt giá trị cao nhất khi tiến hành siêu âm huyền phù ở nhiệt độ Tpaste. Trong các thí nghiệm tiếp theo, mẫu sẽ bắt đầu được siêu âm ở nhiệt độ Tpaste= 65oC
Ảnh hưởng của công suất siêu âm
Hình 3.7 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến kích thước hạt tinh bột sau quá trình xử lý và độ hòa tan tinh bột
(a) Kích thước trung bình của hạt sau xử lý siêu âm (b) Độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa
(c) Độ hòa tan tinh bột tại thời điểm cân bằng
Các mẫu siêu âm có hàm lượng tinh bột ban đầu là 20%; được xử lý với nhiệt độ và thời gian siêu âm lần lượt là 65oC và 10 phút; sau đó ủ mẫu ở 90oC trong 50 phút. Mẫu đối chứng có cùng hàm lượng tinh bột ban đầu với mẫu siêu âm, được ủ ở 65oC trong 10 phút; sau đó được ủ tiếp ở 90oC trong 50 phút.
- 54 -
Khi tăng công suất siêu âm từ 1,5W/g lên 4,5W/g thì kích thước trung bình của hạt giảm xuống (Hình 3.7a) và độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa cũng như ở thời điểm cần bằng sẽ tăng lên (Hình 3.7b và c). Trong khoảng công suất từ 1,5 đến 3,0W/g tinh bột, sóng siêu âm làm giảm kích thước trung bình của hạt tinh bột từ 46μm xuống 37μm, tức giảm 26,4%. Khi đó, độ hòa tan tinh bột tăng từ 5,7 lên 6,4%, tức tăng 15%. Nếu tiếp tục tăng công suất từ 3,0W/g đến 4,5W/g tinh bột thì kích thước trung bình hạt tinh bột chỉ giảm từ 37μm xuống 35 μm, tức giảm 4,4%, và độ hòa tan tinh bột chỉ tăng từ 6,4% lên 6,5%, tức tăng 1,9%. Theo lý thuyết, sự gia tăng công suất siêu âm sẽ làm tăng cường độ xâm thực, từ đó làm giảm kích thước trung bình của hạt tinh bột và làm tăng nồng độ tinh bột hòa tan. Tuy nhiên, sự gia tăng nồng độ tinh bột hòa tan sẽ làm tăng độ nhớt huyền phù tinh bột, từ đó làm giảm cường độ xâm thực. Như vậy, khi tăng công suất siêu âm đến đến một giá trị giới hạn thì sẽ làm tăng độ hòa tan tinh bột. Nếu tiếp tục tăng công suất vượt quá giới hạn này thì sự gia tăng độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng sẽ không thay đổi. Trong thí nghiệm này, công suất siêu âm 3W/g tinh bột chính là giá trị giới hạn.
Khi tham khảo các tài liệu khoa học về ảnh hưởng của công suất siêu âm đến nồng độ tinh bột hòa tan trong huyền phù, các công bố đều khẳng định là độ hòa tan tinh bột sẽ tăng theo công suất siêu âm, chưa có tài liệu nào đưa ra khái niệm “ngưỡng công suất giới hạn”. Ví dụ như khi xử lý siêu âm tinh bột ngô với tần số 240 kHz ở 20oC trong thời gian 15 phút, Jambrak và cộng sự (2010) cho rằng nếu công suất sóng siêu âm là 0W, 100 W, 300 W và 400 W thì khả năng trương nở tinh bột ngô lần lượt là 1,621;
2,613; 2,624 và 2,643 (Khả năng trương nở là tỷ lệ số gram tinh bột đã được hydrat hóa so với số gram tinh bột ban đầu) [148]. Sit và cộng sự (2014) xử lý siêu âm bột khoai môn ở tần số 30 kHz, 20oC trong thời gian 10 phút và kết luận rằng nếu công suất siêu âm tăng từ 0 lên 50 W và 100 W thì hàm lượng tinh bột hòa tan tăng từ 20,14% lên 20,24% và 21,03% [127].
Quy luật rút ra được từ loạt thí nghiệm này là: Khi xử lý siêu âm trong giai đoạn hồ hóa tinh bột, độ hòa tan tinh bột sẽ tăng theo công suất siêu âm. Tuy nhiên, nếu công suất siêu âm vượt quá một giá trị giới hạn thì độ hòa tan tinh bột sẽ không tăng thêm
- 55 -
nữa. Trong nghiên cứu này, 3 W/g tinh bột là công suất siêu âm giới hạn. Giá trị công suất này sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
Ảnh hưởng của thời gian siêu âm
Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến độ hòa tan tinh bột
(a) Độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa (b) Độ hòa tan tinh bột tại thời điểm cân bằng
Các mẫu siêu âm có hàm lượng tinh bột ban đầu là 20%; được xử lý với nhiệt độ và công suất siêu âm lần lượt là 65oC và 3W/g tinh bột trong thời gian thay đổi từ 5 – 25 phút, sau đó ủ mẫu ở 90oC trong thời gian thay đổi tương ứng từ 55 đến 35 phút, sao cho tổng thời gian xử lý siêu âm kết hợp với nhiệt là 60 phút. Mẫu đối chứng được xử lý theo quy trình tương tự như mẫu siêu âm nhưng không siêu âm mà chỉ ủ nhiệt ở 65oC.
Các mẫu đối chứng được thực hiện với thời gian ủ ở nhiệt độ 65oC tương đương với thời gian xử lý siêu âm ở các mẫu siêu âm. Khi kéo dài thời gian ủ nhiệt từ 5 đến 25 phút, độ hòa tan tinh bột ở các mẫu đối chứng tăng lên. Hình 3.8a và b cho thấy các mẫu siêu âm có độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa và tại thời điểm cân bằng luôn cao hơn so với các mẫu đối chứng tương ứng. Sự gia tăng độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng (HSADSOL60) cao nhất là 29,2% khi thời gian siêu âm kéo dài 10 phút (Hình 3.8a). Nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hàm lượng tinh bột hòa tan của các nhà khoa học trên thế giới cũng cho kết quả tương tự: tăng thời gian siêu âm sẽ làm tăng độ hòa tan tinh bột, nhưng kéo dài thời gian siêu âm vượt quá một giới hạn nhất định thì độ hòa tan tinh bột sẽ tăng ít dần và sự chênh lệch về độ hòa tan tinh bột của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng sẽ giảm đi (Hình 3.8a). Nikolíc và
cô ̣ng sự (2011, 2012) đã xử lý huyền phù tinh bột ngô bằng sóng siêu âm 40kHz, 600W trước khi bổ sung enzyme amylase (tỷ lê ̣ bô ̣t: nước là 1 : 3 w/v/, tỷ lê ̣ enzyme là 0,026%