Biến tính tinh bột có ý nghĩa hết sức qua trọng trong việc mở rộng các tính chất của tinh bột tự nhiên đáp ứng nhu cầu ngày một tăng của người tiêu dùng. Trong nghiên cứu này, tinh bột khoai tây có 5 mức độ ẩm ban đầu khác nhau được mang đi chiếu xạ chùm tia điện tử EB với liều chiếu 5,5kGy. Kết quả sau khi đo các tính chất cấu trúc, hóa lý của tinh bột cho thấy: Hàm lượng acid tự do (FA), độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử trung bình giảm khi tăng dần độ ẩm ban đầu, trong khi đó sự thay đổi về màu của tinh bột là rất nhỏ và dường như không thể nhận biết được bằng mắt thường.
Trang 1ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM LÊN CÁC TÍNH CHẤT VỀ CẤU TRÚC, HÓA LÝ
VÀ ĐỘ TIÊU HÓA CỦA TINH BỘT KHOAI TÂY ĐƯỢC CHIẾU XẠ
CHÙM TIA ĐIỆN TỬ EB Nguyễn Thị Lộc*, Phạm Thị Nhàn, Trịnh Khánh Sơn
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
*Tác giả liên hệ: locnguyenthitp95@gmail.com
TÓM TẮT
Biến tính tinh bột có ý nghĩa hết sức qua trọng trong việc mở rộng các tính chất của tinh bột tự nhiên đáp ứng nhu cầu ngày một tăng của người tiêu dùng Trong nghiên cứu này, tinh bột khoai tây có 5 mức độ ẩm ban đầu khác nhau được mang đi chiếu xạ chùm tia điện tử EB với liều chiếu 5,5kGy Kết quả sau khi đo các tính chất cấu trúc, hóa lý của tinh bột cho thấy: hàm lượng acid tự do (FA), độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử trung bình giảm khi tăng dần độ ẩm ban đầu, trong khi đó sự thay đổi về màu của tinh bột là rất nhỏ và dường như không thể nhận biết được bằng mắt thường Độ ẩm ban đầu cũng ảnh hưởng đến hàm lượng amylose, hình dạng phổ FTIR và cấu trúc tinh thể của tinh bột khoai tây Khả năng tiêu hóa của tinh bột thay đổi dưới liều xử lý của chúng tôi, hàm lượng tinh bột trơ (RS) giảm trong khi đó hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) tăng dần theo hàm lượng ẩm ban đầu trước chiếu xạ, đây là tiền
đề để tạo nên một sản phẩm phù hợp với những người bệnh tiểu đường loại hai và vận động viên chơi thể thao
Từ khóa: Tinh bột khoai tây, biến tính tinh bột, Chiếu xạ, chiếu xạ Electron Beam (EB)
THE EFFECT OF MOISTURE ON STRUCTURAL, PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES AND IN-VITRO DIGESTION OF IRRADIATED POTATO STARCH
BY ELECTRON BEAM Nguyen Thi Loc * , Pham Thi Nhan, Trịnh Khánh Sơn
HCMC University of Technology and Education
*Corresponding authour: locnguyenthitp95@gmail.com
ABSTRACT
Modifying starch is extremely important in extending the properties of natural starch in order
to meet the increasing consumer’s demand In this study, potato starch with 5 different levels
of moisture were treated by Electron Beam at 5,5kGy dose The physicochemical property, structure and in-vitro digestibility of treated potato starch were investigated The result showed that free acid (FA), the intrinsic viscosity, the average molecular weight decreased as increasing initial level of moisture The changes in color of the treated starch is insignificant
In addition, the apparent amylose content, the FTIR spectral curve and the crystalline structure of the potato starch was altered after treatment The results also showed that resistant starch (RS) content of treated potato starch was decreased, whereas the slowly digestible starch (SDS) was rose up, thus this is the premise to create products for type 2 diabetes and athletes
Keywords: Potato starch, modify stach, Iradiation, Electron Beam, physicochemical
properties, structure, in vitro disgestion
TỔNG QUAN
Tinh bột khoai tây được sử dụng rộng rãi
trong các sản phẩm thực phẩm như là một
chất làm dày hoặc tác nhân ổn định để cải
thiện cấu trúc, kết cấu của sản phẩm như súp,
nước sốt, đồ nướng, các sản phẩm bánh mỳ,
kẹo sữa, (Davies, 1995) Có một số ứng
dụng phi thực phẩm của tinh bột khoai tây
như lĩnh vực dược phẩm, dệt, nhiên liệu và chất kết dính Một số ứng dụng mới bao gồm chất thay thế ít calo, vật liệu đóng gói phân huỷ sinh học, màng mỏng và vật liệu nhiệt dẻo chịu (Billiaderis, 1998) Tuy nhiên, các tính chất của tinh bột tự nhiên không đáp ứng
đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật trong sản xuất công nghiệp Vì vậy, tinh bột thường được
Trang 2biến tính bằng các phương pháp hóa học, vật
lý, sinh học (enzym)… để có được những
tính chất khác nhau đáp ứng nhu cầu ngày
một tăng của người tiêu dùng
Cả hai tia gamma và tia EB (chùm tia điện tử
Electron Beam) đều là dạng chiếu xạ ion hóa
Chiếu ion hóa cũng đã được chứng minh là
làm giảm các yếu tố ảnh hưởng đến dinh
dưỡng và cảm quan của sản phẩm sau khi xử
lý (Byun 2002; Al- Kaisey 2003; Bhat
2007b; Bhat và Sridhar, 2008) Các ứng dụng
bức xạ ion hóa được cho là có thể tạo ra gốc
tự do có khả năng gây biến đổi phân tử và
phân mảnh (fragmentation) tinh bột (Cie´sla,
1991; Grant and D’Appolonia 1991;
Sabularse, 1991; Sokhey và Hanna 1993)
Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng, xử lý
chiếu xạ làm thay đổi trật tự của hạt amylose
và amylopectin trong hạt tinh bột (Cie´sla,
1992) Xử lý chiếu xạ có thể thúc đẩy liên kết
ngang trong tinh bột dưới điều kiện có oxy
(Fiedorowicz, 1999)
Trong nghiên cứu của chúng tôi 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 tây chiếu
xạ EB, 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 tôi (5,5kGy)
thấp hơn 10kGy, mức an toàn liều xạ cho tất
cả thực phẩm
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Tinh bột khoai tây
Tinh bột khoai tây (POTATO STARCH) của
công ty ROQUETTE Freres, Pháp Tinh bột
bổ sung thêm nước cất đã khử khí để đạt
được 5 mức độ ẩm trong khoảng từ 12 – 30%
w/v Sau quá trình hiệu chỉnh độ ẩm, thu
được 5 mẫu tinh bột có độ ẩm khác nhau lần
lượt là: C11.74, C14.84, C17.51, C19.24,
C28.94
Chiếu xạ EB
Các mẫu mẫu tinh bột được đem xử lý
bằng thiết bị UELR-10-15S2 (Trung tâm
Vinagamma, Linh Trung, Thủ Đức) Các
mẫu khảo sát EB11.74; EB14.84; EB17.51;
EB19.24; EB29.84 là các mẫu tinh bột khoai
tây có độ ẩm như trên lần lượt đã được xử lý
với liều chiếu 5,5kGy
Hàm lượng acid tự do (FA)
Acid tự do (FA) được xác định bằng cách chuẩn độ huyền phù tinh bột bằng dung dịch
Chinnaswamy, 1993)
Hệ màu CIE L * a * b *
Màu sắc của tinh bột khoai tây được xác định bằng máy đo màu Minolta-CR400-Nhật Bản được đối chiếu với màu trắng tinh khiết của thiết bị Sự khác biệt về màu sắc ∆E được tính bằng công thức (Vanda Maria de Oliveira Cornélio,2012):
√(𝐿∗𝑖 − 𝐿∗0)2+ (𝑎𝑖∗− 𝑎0∗)2+ (𝑏𝑖∗− 𝑏0∗)2
(2.7) Trong đó: 𝐿∗ 0, 𝑎0∗, 𝑏0∗ lần lượt là các giá trị L*,
a*, b* của mẫu chưa xử lý EB0; 𝐿∗ 𝑖, 𝑎𝑖∗, 𝑏𝑖∗ lần lượt là các giá trị L*, a*, b* của các mẫu xử
lý
Độ nhớt nội tại
Độ nhớt nội tại (intrisic viscosity) của tinh bột được đo theo phương pháp của Ljubica
và cộng sự (2004) và Harding Stephen E (1997) Từ độ nhớt nội tại, khối lượng phân
tử (M) của tinh bột được xác định thông qua công thức của Staudinger-Mark-Hquwink (Ljubica Dokic và cộng sự, 2004) (2.14):
Khả năng tạo phức với iodine
Một trong những cách ước tính gián tiếp tỉ lệ amylose và amylopectin là thông qua phản ứng tạo màu của phức tinh bột-iodine dựa
vào phương pháp của Zhu (2008)
Quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR)
Các mẫu tinh bột đã chiếu xạ sẽ được ở phổ hồng ngoại FTIR bằng thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR-8400S, Shimadzu, Nhật Bản ở
số sóng từ 400 cm-1 - 4000 cm-1 (Kizil et al., 2002), tại trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ
Tán xạ tia X (XRD)
Mẫu tinh bột trước và sau xử lý EB được đo tán xạ tia X (XRD) bằng phương pháp bột Thiết bị dùng để đo XRD là máy tán xạ tia X của trung tâm MANAR (Model D5005, Bruker, Karlsruhe, Đức)
Độ tiêu hóa in vitro
Độ tiêu hóa của tinh bột khoai tây được xác định dựa trên phương pháp của Englyst (1992) và được hiệu chỉnh bởi Shin (2007)
Xử lý thống kê
Trang 3Tất cả các số liệu đều được lặp lại 3 lần và
kết quả trung bình cũng như độ lệch chuẩn
được thể hiện trong phần kết quả sau xử lý
Phân tích phương sai ANOVA và sự khác
biệt của các giá trị trung bình đã được xác
đinh bằng kiểm định Ducan test (p < 0,05)
thông qua phần mềm SPSS (version 20,
SPSS, Chicago, IL, USA)
KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
Hàm lượng acid tự do (FA)
Bảng 1 cho thấy hàm lượng acid tự do (FA)
của các mẫu tinh bột sau xử lý cao hơn so với
mẫu đối chứng ban đầu, đồng thời FA giảm
rõ rệt khi tăng độ ẩm ban đầu từ 11,74% đến
28,94% w/v Sự tác động của EB lên FA của
tinh bột đã được chứng minh trong nghiên
cứu của Pimpa và cộng sự (2007) trên tinh
bột sago được xử lý bằng Electron Beam Theo đó, sau khi chiếu xạ acid tự do tăng Việc tăng hàm lượng acid tự do (FA) trong các mẫu tinh bột xử lý EB có liên quan trực tiếp đến các gốc có tính acid như carboxyl, carbonyl hoặc peroxide (Nemţanu và cộng
sự, 2010) Do đó, các sản phẩm chính được hình thành trong quá trình chiếu xạ tinh bột
là các gốc có tính acid, làm tăng hàm lượng
FA và giảm giá trị pH của tất cả các mẫu tinh
bột (Hizukiri, & Hanashiro, 2006)
Sự giảm xuống của FA khi thay đổi độ ẩm ban đầu cho thấy sự ảnh hưởng của hàm lượng nước đến sự tác động của tia xạ trên tinh bột Theo Pimpa và cộng sự (2007), cùng với sự tạo thành nhóm chức có tính acid
do tác dụng bẻ gãy các phân tử tinh bột thì gốc andehyl cũng có thể được hình thành
Quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR)
Phổ FTIR được sử dụng như một công cụ để
định lượng và mô tả sự thay đổi trong cấu
trúc của tinh bột Kết quả phổ (Hình 1) cho
thấy hình dạng phổ FTIR của các mẫu trước
và xử lý EB không khác biệt nhau, không có đỉnh mới xuất hiện hay mất đi ở tất cả mẫu trước và sau xử lý Điều này chứng tỏ các mẫu sau khi xử lí EB đều không xuất hiện các nhóm chức mới, cũng như làm mất đi các tính chất đặc trưng của tinh bột
Hình 1 Phổ FTIR của các mẫu tinh bột từ
số sóng 4000-400cm-1
Hệ màu CIE L * a * b *
Sự thay đổi màu sắc của tinh bột trước và sau chiếu xạ EB được thể hiện trên Bảng 2 Chúng tôi nhận thấy rằng khi tăng độ ẩm ban đầu giá trị b* thể hiện sắc vàng giảm rõ rệt, trong khi đó giá trị L* thể hiện cho màu trắng của mẫu EB là không có sự khác biệt đáng
kể
1,647, 2927
3564
399 1399
2399 3399
CT11.
74 EB 11.74 EB 14.84 EB17.
51
Bảng 1 Acid tự do, độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử của các mẫu tinh bột
C11.74 9,10 ± 0,0
ab
195,5e
13,27
e
EB11.7
4 11,70 ± 0,0
c
128,2d 8,26d EB14.8
4
10,27 ±
EB17.5
1
9,76 ±
EB19.2
4
9,20 ±
EB28.9
4
9,03 ±
*FA: acid tự do, Mw: Khối lượng phân tử trung bình; 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)
Trang 4Giá trị ∆E cho thấy được sự khác biệt về màu
sắc của các mẫu tinh bột, tuy nhiên, sự khác
biệt là rất nhỏ, ∆E của các mẫu EB19.24,
EB28.94 đều nhỏ hơn 1, vì vậy không thể
phân biệt bằng mắt thường; còn ∆E của mẫu
EB11.74, EB 14.84, EB17.51 lớn hơn 1,
nhưng nhỏ hơn 2; nên chỉ có những người có
quan sát có kinh nghiệm mới nhận thấy sự
khác biệt (Mokrzycki W.S., 2012) Điều này
chứng minh rằng, với việc xử lý của chúng
tôi, dường như không có sự thay đổi màu sắc
có thể nhận biết được bằng mắt thường
Khả năng tạo phức với iodine
Hình 2 sự thay đổi độ hấp thu của phức tinh
bột chiếu xạ EB với iodine khi thay đổi mức
độ ẩm ban đầu Kết quả cho thấy, khi thay đổi độ ẩm ban đầu làm ảnh hưởng đến sự khả năng tạo phức của tinh bột chiếu xạ EB với iodine Tuy nhiên, sự ảnh hưởng này gần như không làm thay đổi hình dạng chung của đường cong hấp thu Theo nghiên cứu của Cieśla, Larsen, & Mroczko thì cho rằng phức với iodine nằm trong khoảng 618 nm (amylose) đến 536 nm (amylopectin) Kết quả cho thấy các mẫu của chúng tôi có vị trí đỉnh dịch về bên trái so với đỉnh 618 Điều này có thể giải thích rằng, khi tăng độ ẩm làm cắt đứt các amylopectin tạo thành nhiều hơn những amylose mạch thẳng, khi đó hàm lượng amylose tăng lên nên việc tạo phức với iodine tiến về gần hơn với bước sóng của amylose tinh khiết Khi tiếp tục tăng độ ẩm ở mẫu độ ẩm đến 17,51% w/v thì những mạch amylose sẵn có và những amylose vừa tạo thành càng bị bẽ gãy thành những dextrin ngắn hơn, đặc biệt là những dextrin có ít hơn
6 đơn vị glucose không có khả năng tạo phức với iodine, vì vậy tỉ lệ amylose giảm làm cho màu của phức lại tiến về phía xa với amylose tinh khiết là 618 nm
Tán xạ tia X (XRD)
Độ tán xạ tia X là phương pháp thường được dùng để xác định loại tinh thể trong tinh bột (tinh thể loại A, B hay C) và cả cho việc xác định các mức độ tinh thể trong tinh bột (Stute, 1992) Kết quả cho thấy: 0hình dạng đồ thị độ tán xạ tia X các mẫu đểu có sự tương đồng do đó không có
sự thay đổi dạng tinh thể Điều này chứng
tỏ thay đổi độ ẩm ban đầu trước khi chiếu
xạ EB không làm mất đi cấu trúc hạt tinh bột Tinh bột khoai cho cấu trúc tinh thể dạng B đặc trưng với các đỉnh 5,6o; 15o; 17,2o; 22,4o; 24,1o (2) (Rudi Vermeylen
và cộng sự, 2004), trong đó đỉnh 17,2o là đỉnh cao và nhọn nhất Kết quả đồ thị XRD của tất cả các mẫu tinh bột của chúng tôi đều có những đỉnh đặc trưng này, tuy nhiên
có sự khác biệt về cường độ đỉnh giữa các mẫu với nhau
Độ tiêu hóa in vitro
Bảng 2 Các thông số màu của các mẫu
tinh bột khoai tây
C11.74 42,32 a 0,05 e 1,08 a
EB11.74 43,69 d -0,11 c 1,96 f 1,34 e
EB14.84 43,72 e -0,11 c 1,61 d 1,13 c
EB17.51 43,76 f -0,07 b 1,65 e 1,21 d
EB19.24 43,22 c -0,04 a 1,51 c 0,50 b
EB28.94 43,09 b 0,02 d 1,26 b 0,31 a
L*, a*, b*: kết quả từ thiết bị đo màu
Minolta-CR400-Nhật Bản; Giá trị ∆E* thể hiện mức độ
khác biệt về màu sắc của các mẫu chiếu xạ với các
mức độ ẩm ban đầu khác nhau so với mẫu không
chiếu xạ với mức độ ẩm ban đầu thấp nhất
(C11,74) Các giá trị có ký hiệu khác nhau biểu thị
sự khác biệt có nghĩa về mặt thống kê (p<0,05)
Hình 2 Phổ hấp thu phức iodine – tinh bột
0.15
0.17
0.19
0.21
0.23
0.25
0.27
0.29
Đỉnh hấp thu (cm-1)
c11.71 EB11.74 EB14.84 EB17.51 EB19.24
Trang 5Khi tăng độ ẩm ban đầu từ 11,74% lên thành
14.84% thì RDS tăng, sau đó tiếp tục tăng độ
ẩm ban đầu lên 28,94% thì RSD giảm nhưng
vẫn cao hơn so với mẫu có độ ẩm ban đầu
thấp nhất và mẫu không xử lý EB (bảng 3)
Xu hướng của RDS và SDS thì khác biệt hơn
so với RS, khi tăng độ ẩm ban đầu ban đầu từ
11,74% lên thành 28,94% thì SDS tăng từ
29,16% lên 84,10% và RS giảm không tuyến
tính
Sự giảm RS và đặc biệt là sự gia tăng hàm
lượng SDS mang lại rất nhiều lợi ích cho sức
khỏe như ổn định việc chuyển hóa glucose,
hạn chế bệnh tiểu đường và tạo cảm giác no
(Singh et al, 2010) Ngoài ra, các mẫu trong
nghiên cứu của chúng tôi đều có độ nhớt thấp
hơn so với mẫu thô ban đầu đầu, đặc biệt khi tăng độ ẩm ban đầu trước chiếu xạ độ nhớt càng giảm Do đó có thể úng dụng trong các sản phẩm mà không mong muốn có độ nhớt cao
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Độ ẩm ban đầu ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất hóa lý, cấu trúc và các phân đoạn tiêu
hóa của tinh bột khoai tây chiếu xạ chùm tia điện tử EB Khi tăng độ ẩm ban đầu trước chiếu xạ, FA, độ nhớt nội tại giảm, khối lượng phân tử trung bình giảm Sự khác biệt màu sắc là khó nhận biết đối với liều khảo sát Khối lượng phân tử giảm, tạo điều kiện enzyme tiêu hóa dễ dàng xâm nhập vào cấu trúc hạt tinh bột và thủy phân Đánh giá cấu trúc tinh bột bằng phổ FTIR và XRD cho thấy hình dạng các đỉnh không có sự thay đổi nhiều, điều này khẳng định không có sự mất
đi chất nào cũng như hình thành chất mới Thông qua phương pháp tán xạ tia X cũng đánh giá được cấu trúc tinh thể loại B của mẫu tinh bột khoai tây không bị biến đổi khi tăng độ ẩm nguyên liệu từ 11,74% lên 28,94% w/v trước khi xử lý EB với liều chiếu 5,5kGy
TÀI LIỆU THAM KHẢO
BRASOVEANU, M 2013 Electron-Beam Processed Corn Starch: Evaluation Of Physicochemical And Structural Properties And Technical- Economic Aspects Of The Processing 30(04), 847–856
GREENWOOD, C T MACKENZIE, S The Irradiation of Starch Part I The Properties of Potato Starch and its Components after Irradiation with High ‐Energy Electrons Starch‐Stärke, 1963, 15.12: 444-448
MILLER, R B FOOD irradiation using electron beams Electronic Irradiation of Foods: An Introduction to the Technology, 2005, 43-73
PIMPA, B., MUHAMMAD, S K S., HASSAN M A., GHAZALI Z., HASHIM, K., & KANJANASOPA D 2007 Effect of electron beam irradiation on physico-chemical
properties of sago starch Songklanakarin Journal of Science and Technology, 29(3),
759–768
SOKHEY, A.S AND CHINNASWAMY R 1993 Chemical and molecular properties of irradiated starch extrudates Cereal Chem 70 (3): 260-268
Bảng 3 Các phân đoạn tiêu hóa
0
20
40
60
80
100
%RS
%SDS
%RDS
C11,7 EB11,
74
EB14, 84 EB17, 51 EB19, 04 EB28, 94