Sản xuất tinh bột khoai mỡ có chỉ số đường huyết thấp bằng phương pháp bán thủy phân kết hợp thoái hóa

Kết quả khảo sát các tính chất về cấu trúc của tinh bột cho thấy: hàm lượng amylose, giá trị độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử trung bình, mức độ polymer hóa, độ hòa tan – trương nở, đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MỠ CÓ CHỈ SỐ

ĐƯỜNG HUYẾT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÁN THỦY

PHÂN KẾT HỢP THOÁI HÓA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

GVHD: PGS.TS TRỊNH KHÁNH SƠN

TS NGUYỄN TIẾN GIANG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 8/2022

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, bên cạnh sự cố gắng của bản thân, còn

có sự hỗ trợ rất quan trọng của thầy cô, gia đình, nhà trường và các bạn sinh viên đã giúp tôi vượt qua khó khăn, thử thách Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến gia đình, thầy cô và bạn

bè đã quan tâm và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bài khóa luận tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã truyền dạy cho tôi thật nhiều kiến thức trong suốt quãng thời gian bốn năm qua, cũng như tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất tốt nhất để chúng tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp một cách thuận lợi

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng nhất đến giáo viên hướng dẫn của tôi – thầy PGS.TS Trịnh Khánh Sơn và TS Nguyễn Tiến Giang Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cũng như giúp đỡ chúng tôi thật nhiều trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong học kỳ này

và đặc biệt là các bạn chung nhóm thầy Sơn đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm thí nghiệm

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Error! Bookmark not defined

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN iv

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN vi

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA HỘI ĐỒNG XÉT BẢO VỆ KHÓA LUẬN viii

MỤC LỤC x

DANH MỤC HÌNH xiii

DANH MỤC BẢNG xiv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xv

TÓM TẮT KHÓA LUẬN xvi

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu khóa luận 1

1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.6 Bố cục của báo cáo 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Khoai mỡ và tinh bột khoai mỡ 4

2.2 Giới thiệu chung về tinh bột 5

2.2.1 Cấu trúc hóa học hạt tinh bột 7

2.2.2 Hình thái hạt tinh bột 10

2.2.3 Cấu trúc tinh thể hạt tinh bột 10

2.3 Phổ FTIR của tinh bột 13

2.4 Tính chất hóa lý của tinh bột 13

2.4.1 Độ nhớt của tinh bột 13

2.4.2 Khả năng tạo phức với iodine 15

2.4.3 Sự hồ hóa và một số tính chất của tinh bột hồ hóa 17

2.4.4 Độ hòa tan và trương nở của tinh bột 18

2.5 Khái quát về phương pháp bán thủy phân tinh bột bằng acid và phương pháp thoái hóa.20 2.5.1 Phương pháp bán thủy phân tinh bột bằng acid 20

2.5.2 Phương pháp thoái hóa tinh bột 22

2.6 Chỉ số đường huyết 23

2.7 Các công trình nghiên cứu trước đây 25

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

3.1 Vật liệu 26

3.2 Phương pháp nghiên cứu 27

3.3 Phương pháp thu hồi tinh bột khoai mỡ 27

3.4 Phương pháp sản xuất tinh bột khoai mỡ bán thủy phân bằng acid kết hợp thoái hóa 29 3.4.1 Bán thủy phân tinh bột bằng acid 29

3.4.2 Thoái hóa tinh bột 30

3.5 Khả năng tạo phức với iodine 30

3.6 Độ nhớt nội tại 31

3.7 Xác định độ hòa tan và trương nở 32

3.8 Mức độ đầu khử 32

3.9 Độ truyền suốt 33

3.10 Quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) 33

3.11 Độ tán xạ tia X (XRD) và mức độ tinh thể 33

3.12 Xác định mức độ thủy phân và chỉ số đường huyết 34

3.13 Xử lý thống kê 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36

4.1 Khả năng tạo phức với iodine và hàm lượng amylose biểu kiến 36

4.2 Độ nhớt nội tại 38

4.3 Độ hòa tan, trương nở 40

4.4 Mức độ đầu khử 43

4.5 Độ truyền suốt 45

4.6 Quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) 46

4.7 Độ tán xạ tia X và mức độ tinh thể 49

4.8 Mức độ thủy phân và chỉ số đường huyết 52

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1 Ảnh chụp hạt tinh bột từ giống khoai mỡ D alata và các giống khoai mỡ khác 5

Hình 2 2 Các hạt tinh bột thô được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét 6

Hình 2 3 Cấu trúc amylose và amylopectin 8

Hình 2 4 Mô hình cụm của cấu trúc amylopectin bao gồm chuỗi A, B và C 8

Hình 2 5 Sơ đồ minh họa cấu trúc hạt tinh bột 11

Hình 2 6 Cấu trúc 3D tinh thể loại A và B 12

Hình 2 7 Phổ hấp phụ của phức iodine 16

Hình 2 8 Cơ chế hồ hóa tinh bột 18

Hình 2 9 Cơ chế thủy phân của tinh bột bằng acid 21

Hình 2 10 Sự thủy phân bằng acid các phân tử amylopectin 22

Hình 3 1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 27

Hình 3 2 Quy trình sản xuất tinh bột khoai mỡ 28

Hình 3 3 Phản ứng hóa học giữa protein và ninhydrin 28

Hình 4 1 Khả năng tạo phức với iodine của mẫu tinh bột biến tính 36

Hình 4 2 Độ nhớt nội tại của tinh bột biến tính 38

Hình 4 3 Độ hòa tan của mẫu tinh bột biến tính 41

Hình 4 4 Độ trương nở của mẫu tinh bột biến tính 42

Hình 4 5 Mô hình depolymer hóa mạch amylose 43

Hình 4 6 Độ truyền suốt của các mẫu tinh bột khoai mỡ sau hồ hóa 45

Hình 4 7 Phổ FTIR của các mẫu tinh bột từ số sóng 400-400 cm -1 47

Hình 4 8 Phổ X-ray của các mẫu tinh bột 50

Hình 4 9 Mức độ thủy phân bằng enzyme alpha amylase của tinh bột khoai mỡ thô và biến tính 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Thành phần dinh dưỡng, khoáng chất và đặc điểm của tinh bột giống D alata……4 Bảng 3 1 Mã hóa mẫu 26 Bảng 4 1 Vị trí đỉnh, độ hấp thu, hàm lượng amylose (%) của tinh bột khoai mỡ bán thủy phân thoái hóa 37 Bảng 4 2 Độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử, mức độ polymer hóa của tinh bột khoai mỡ bán thủy phân thoái hóa 39 Bảng 4 3 Hàm lượng reducing power 44 Bảng 4 4 Phổ FTIR của tinh bột 48 Bảng 4 5 Tỷ lệ vùng α–helix (1047 cm -1 )/ vùng vô định hình (1022 cm -1 ) của các mẫu tinh bột 49 Bảng 4 6 Mức độ tinh thể tương đối của các mẫu tinh bột 51 Bảng 4 7 Chỉ số đường huyết của tinh bột khoai mỡ thủy phân kết hợp thoái hóa 54

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ gốc tiếng Anh Từ tiếng Việt

DRC Degree of relative crystallinity Mức độ tinh thể tương đối

FTIR Fourier - transform infrared

spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Trong nghiên cứu này, tinh bột khoai mỡ thô được gia nhiệt ở 95C trong 30 phút, sau đó hồ hóa bằng autoclave (121C, 15 phút), cuối cùng được làm nguội Tiếp đến, 100ml gel tinh bột được thủy phân trong 24ml dung dịch HCl 0,5N trong 0h (HR0), 4h (HR4), 10h (HR10), 18h (HR18) Sau quá trình thủy phân tiến hành thoái hóa, các mẫu tinh bột đã xử lý được lưu theo các chu kỳ làm lạnh (4C/18h) – để nguội (30C/6h) trong 48 giờ, tương ứng 2 chu kỳ Kết quả khảo sát các tính chất về cấu trúc của tinh bột cho thấy: hàm lượng amylose, giá trị độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử trung bình, mức độ polymer hóa, độ hòa tan – trương nở, độ trong, mức độ đầu khử,

tỷ lệ α-helix/ vô định hình, mức độ tinh thể tương đối (DRC) và tốc độ thủy phân bởi enzyme có

sự biến động mạnh Tuy vậy, sau quá trình biến tính, tất cả các mẫu đều thuộc cấu trúc tinh thể dạng CB Bên cạnh đó, khi tiến hành quét phổ hồng ngoại (FTIR) phát hiện thấy sự xuất hiện của

ba đỉnh mới là 2360 cm-1, 2341 cm-1 và 667 cm-1 Ngoài ra, kết quả thực nghiệm cho thấy với mức

độ thủy phân bằng acid càng thấp, vùng kết tinh hình thành càng nhiều, góp phần hạn chế sự tiếp

xúc giữa enzyme tiêu hóa và tinh bột Bằng thí nghiệm đo chỉ tiêu độ tiêu hóa in vitro cho thấy

việc biến tính tinh bột khoai mỡ tạo ra loại tinh bột có chỉ số đường huyết thấp, mang lại giá trị về sức khỏe cho người sử dụng sản phẩm ăn kiêng và người mắc bệnh đái tháo đường

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Không chỉ riêng ở Việt Nam mà tại một số nước Đông Nam Á, khoai mỡ được xem là một loại cây lương thực quan trọng và được trồng phổ biến ở các nơi trên thế giới, đặc biệt ở Trung Quốc Mặt khác, có những nghiên cứu chỉ ra rằng tinh bột khoai mỡ là nguồn nguyên liệu phù hợp để sản xuất tinh bột thoái hóa bởi các tính chất đặc trưng Từ đó, việc kết hợp hai phương pháp bán thủy phân và thoái hóa góp phần nâng cao hiệu quả của sản phẩm Tuy nhiên, những nghiên cứu về việc biến tính tinh bột khoai mỡ lại còn hạn chế, trong khi các đặc tính của loại củ này lại phù hợp với điều kiện sẵn có, cũng như sử dụng phương pháp biến tính đơn

giản, thân thiện môi trường Từ những lý do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Sản xuất

tinh bột khoai mỡ có chỉ số đường huyết thấp bằng phương pháp bán thủy phân kết hợp thoái hóa”

1.2 Mục tiêu khóa luận

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sản xuất tinh bột khoai mỡ bằng phương pháp bán thủy phân kết hợp thoái hóa 2 chu kỳ Sau đó tiến hành đánh giá các đặc tính hóa lý, hóa học cũng như những thay đổi về cấu trúc Đánh giá mức độ thủy phân và chỉ số glycemic của các loại tinh

bột ở quy mô in vitro Từ đó, chọn ra những mẫu tinh bột có chỉ số đường huyết thấp

1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng củ khoai mỡ tươi để sản xuất tinh bột khoai mỡ Tinh bột khoai mỡ được hồ hóa hai lần ở bếp đun cách thủy (95C, 30 phút) và ở autoclave (121C, 15 phút) Sau đó, huyền phù tinh bột được để nguội đến nhiệt độ phòng và tiến hành thủy phân theo các mức độ đã được khảo sát, trong 0h, 4h, 10h, 18h Tiếp đến, huyền phù tinh bột được lưu trữ theo chu kỳ làm lạnh (4C/ 18h) – để nguội (30C/ 6h), mỗi chu kỳ kéo dài 24h, trong 2 ngày Các mẫu tinh bột sau khi xử lý sẽ được khảo sát các tính chất hóa lý, hóa học cũng như thay đổi về cấu trúc, đánh giá mức độ thủy phân và chỉ số đường huyết của tinh bột ở quy

mô in vitro Cuối cùng so sánh kết quả thu được ở các mẫu và đưa ra kết luận

1.4 Nội dung nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành các nội dung sau:

- Sản xuất tinh bột khoai mỡ từ củ khoai mỡ;

- Sản xuất tinh bột khoai mỡ bán thủy phân kết hợp thoái hóa;

- Nghiên cứu, đánh giá những thay đổi về các tính chất hóa lý của mẫu tinh bột được xử

lý như: hàm lượng amylose biểu kiến, mức độ đầu khử;

- Nghiên cứu, đánh giá những thay đổi về hình thái – cấu trúc của các mẫu tinh bột được

xử lý như: đo phổ FTIR, xác định sự thay đổi nhóm chức, cấu trúc trong phân tử tinh bột; đo độ nhớt nội tại, xác định mức độ polymer hóa và khối lượng phân tử trung bình; đo XRD, xác định dạng tinh thể của mẫu tinh bột;

- Nghiên cứu, đánh giá những thay đổi về các tính chất công nghệ của các mẫu tinh bột được xử lý như: đo độ hòa tan và trương nở, đo độ truyền suốt của hồ tinh bột;

- Đánh giá mức độ thủy phân và chỉ số glycemic sau ăn của các mẫu tinh bột

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Một trong những lĩnh vực nghiên cứu đã và đang nhận được sự quan tâm từ các nhà khoa học chính là việc nghiên cứu các loại tinh bột biến tính Với việc nghiên cứu, sản xuất ra loại tinh bột có khả năng tiêu hóa cũng như có chỉ số đường huyết thấp là một trong những mục đích góp phần phát triển lĩnh vực này Tinh bột khoai mỡ được xử lý bằng phương pháp bán thủy phân kết hợp thoái hóa mang lại những cái nhìn rõ nét hơn về những biến đổi trong quá trình biến tính cũng như ảnh hưởng đến chỉ số đường huyết của tinh bột Bằng những kết luận từ nghiên cứu có thể đưa ra những thay đổi, những hướng phát triển tốt hơn với mục đích tạo ra sản phẩm tinh bột có chỉ số đường huyết tốt hơn Về mặt thực tiễn của đề tài, phương pháp biến tính tinh bột bằng quá trình bán thủy phân kết hợp thoái hóa có chi phí sản xuất, chi phí hóa chất

rẻ, giá thành của nguyên liệu hợp lý, thời gian biến tính nhanh, phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao Việc sản xuất tinh bột bán thủy phân kết hợp thoái hóa với mục đích hướng đến sản phẩm tinh bột có chỉ số đường huyết thấp là lý do khiến chúng tôi lựa chọn tiến hành nghiên cứu này

1.6 Bố cục của báo cáo

Bài báo cáo gồm 5 chương:

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Khoai mỡ và tinh bột khoai mỡ

Khoai mỡ (Dioscorea alata) là một loại thực vật thân thảo lấy củ, là nguồn dinh dưỡng

cũng như mang lại giá trị kinh tế to lớn đối với người dân Châu Phi, Caribe, Châu Á và Châu

Mỹ (Baah và cộng sự, 2009), đồng thời hiện diện trong các lễ hội của người dân Tây Phi Việc tiêu thụ lượng lớn khoai mỡ không chỉ cung cấp carbohydrate cho cơ thể mà còn cả vitamin và

khoáng chất (Scott và cộng sự, 2000) Khoai mỡ thuộc loài Dioscorea với hơn 600 loài, nhưng

trong đó chỉ có một số loài được trồng làm thực phẩm và làm thuốc (IITA, 2006)

Dioscorea alata, thường được gọi là khoai mỡ nước (water yam), là giống khoai mỡ được

trồng rộng rãi nhất ở Việt Nam Loại khoai mỡ này là nguồn cung cấp năng lượng, protein cao gấp 3 lần so với củ sắn và khoai lang (Coursey, 1973) Do có đặc điểm về nhân giống và trồng trọt dễ, giá trị dinh dưỡng cao, thời gian bảo quản củ tươi lâu nên có lợi thế về mặt sản xuất bền vững (Baah và cộng sự, 2009)

Bảng 2 1 Thành phần dinh dưỡng, khoáng chất và đặc điểm của tinh bột giống D alata

Như vậy, khoai mỡ D alata có chỉ số đường huyết thấp, hàm lượng protein và chất xơ được

ước tính là cao Có thể thấy rằng, đây là nguồn dinh dưỡng tốt và là thực phẩm phù hợp cho bệnh nhân đái tháo đường Thành phần dinh dưỡng, khoáng chất cũng như các đặc tính của tinh

bột khoai mỡ giống D alata được thể hiện chi tiết ở bảng 2.1

Các nghiên cứu trước đây cho thấy, tinh bột của D alata có hạt tinh bột lớn (25 – 50 nm)

và hình dạng hạt chủ yếu là hình tròn, bầu dục, tam giác (Otegbayo và cộng sự, 2013)

Hình 2 1 Ảnh chụp hạt tinh bột từ giống khoai mỡ D alata và các giống khoai mỡ khác

(Otegbayo và cộng sự, 2013)

2.2 Giới thiệu chung về tinh bột

Tinh bột là loại polymer phổ biến, có mặt ở các loại thực vật dưới dạng hạt, được xem là nguồn dự trữ năng lượng của thực vật cũng như là nguồn cung cấp thực phẩm cho con người (Visakh và cộng sự, 2014)

Quá trình tổng hợp tinh bột diễn ra trong quá trình phát triển và trưởng thành của các cơ quan dự trữ, chẳng hạn như củ, quả và hạt Sau đó tinh bột được tổng hợp bị phân huỷ trong thời gian hạt hoặc củ nảy mầm hoặc trong quá trình chín của quả Các chất chuyển hóa phát sinh

từ quá trình phân giải tinh bột là nguồn cung cấp cả carbon và năng lượng Nơi tổng hợp và dự trữ tinh bột trong hạt ngũ cốc là nội nhũ, hạt tinh bột được tổng hợp và nằm trong nguyên bào Hàm lượng tinh bột trong củ khoai tây, nội nhũ ngô, khoai lang, củ sắn và khoai mỡ dao động

từ 65% đến 90% tổng khối lượng khô

Hạt tinh bột chủ yếu có ở hạt, rễ, củ, ngoài ra còn có ở thân, lá, quả và cả phấn hoa Hạt tinh bột có ở mọi hình dạng và kích thước hình cầu, hình elip, hình đa giác, tiểu cầu, hình ống không đều Kích thước dài của chúng từ 0,1 đến ít nhất 200μm, tùy thuộc vào nguồn thực vật

Sự khác biệt về hình thái hạt bên ngoài đủ để cung cấp đặc điểm rõ ràng của nguồn thực vật thông qua kính hiển vi quang học Các hạt tinh bột thô có độ kết tinh thay đổi từ 15% - 42%, khi quan sát dưới ánh sáng phân cực, hầu hết các hạt tinh bột đều biểu hiện hình chữ thập Maltese (Serge và cộng sự, 2009) Tinh bột là một carbohydrate bao gồm lượng lớn các đơn vị glucose liên kết với nhau bằng các liên kết glycoside (Bule´on và cộng sự, 1998) Hai polyme có trong hạt tinh bột là amylose, về bản chất là một polymer mạch thẳng và amylopectin, là một polymer phân nhánh

Hình 2 2 Các hạt tinh bột thô được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét: (a) khoai

tây; (b) sắn; và (g) tinh bột gạo (Serge và cộng sự, 2009)

Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh, được đóng gói dày đặc nhưng vẫn có thể tiếp cận được với các enzyme dị hóa của thực vật (Serge và cộng sự, 2009), điều này làm hạn chế việc

sử dụng tinh bột trong các ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm Do đó, tinh bột thường được hồ hóa trong quá trình sản xuất, gây ra những thay đổi về mặt cấu trúc và sự sắp xếp của phân tử trong cấu trúc hạt tinh bột Khi các hạt tinh bột bị đun nóng trong nước, các tính chất bán tinh thể của chúng dần mất đi và cấu trúc các hạt tinh bột dần bị phá vỡ, tạo thành một dung dịch có độ nhớt cao Độ nhớt này phụ thuộc vào nguồn gốc tinh bột và nồng độ của dung dịch Quá trình phá vỡ cấu trúc hạt tinh bột trong nước dưới tác dụng của nhiệt độ và cấu trúc các hạt

tinh bột chuyển từ trạng thái có trật tự sang trạng thái mất trật tự được gọi là quá trình hồ hóa tinh bột (Ratnayake và cộng sự, 2008)

2.2.1 Cấu trúc hóa học hạt tinh bột

Hạt tinh bột được tổng hợp bên trong chất nền lạp thể (plastid stroma) của tế bào thực vật bậc cao (Asena và cộng sự, 2018) Phần lớn hạt tinh bột bao gồm hai polyglucan là amylose và amylopectin, thành phần chủ yếu để xác định cấu trúc mịn của hạt chính là amylopectin (Matheson và cộng sự, 2008) Trong đó, amylose chiếm 18 – 33% và 72 – 82% amylopectin (Bule´on và cộng sự, 1998) Các loại polymer này có kích thước và cấu trúc khác nhau (Singh

và cộng sự, 2010)

❖ Amylose

Các hạt tinh bột tự nhiên đều chứa một lượng nhỏ amylose nhưng lượng amylose này mang ý nghĩa quan trọng, đóng vai trò cấu trúc cũng như mức độ thích hợp cho cây trong quá trình sinh trưởng và phát triển Amylose là thành phần polyglucan nhỏ hơn của tinh bột, gồm khoảng 18 – 33% Ở một số loại thực vật, hàm lượng amylose có thể thấp từ 5 – 8%, trong tinh bột sáp (waxy starches), hàm lượng amylose rất thấp hoặc thậm chí có thể hoàn toàn không có Mặt khác, tinh bột có hàm lượng amylose cao có thể cao hơn nhiều hoặc đạt đến 100% (Ian và cộng

sự, 2020) Các chuỗi α-glucan trong amylose dài hơn nhiều so với amylopectin và thường có khoảng 840 – 22000 đơn vị α-D-glucopyranosyl liên kết với α-1,4 (Serge và cộng sự, 2009), với khối lượng ước tính là 5x105 đến 106 đvC (Doutch và cộng sự, 2013) Một phần của phân tử amylose ở dạng mạch thẳng, trong khi một phần khác phân nhánh ít thông qua liên kết α-(1,6) (Hizukuri và cộng sự, 1981), một điểm nhánh trên 170 đến 500 đơn vị glucosyl (Serge và cộng

sự, 2009)

❖ Amylopectin

Ngược lại, amylopectin là một đại phân tử phân nhánh cao (khoảng 4 - 5% liên kết glucosidic là điểm nhánh), với trọng lượng phân tử là 107 tới 108 đvC, lớn hơn rất nhiều so với amylose (5105 đến 106 đvC) Đồng thời amylopectin là thành phần chính của hầu hết các loại tinh bột, các chuỗi nhánh của amylopectin có liên quan đến cấu trúc tinh thể đóng vai trò quan trọng trong các đặc tính của tinh bột (Hizukuri và cộng sự, 1985)

Amylopectin bao gồm một lượng lớn các chuỗi α-glucan tương đối ngắn, có mức độ polymer hóa (DP) xấp xỉ khoảng 18 – 25 đơn vị glucosyl liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside Các chuỗi liên kết với nhau thông qua các nhánh của liên kết α-1,6-glycoside, bao gồm khoảng 5% tất cả các liên kết glucosyl trong hầu hết các loại tinh bột Tần số và vị trí nhóm α-1,6 glycoside liên kết được cho là yếu tố quyết định đến bản chất không tan trong nước của tinh bột (Stevan và cộng sự, 1996)

Hình 2 3 Cấu trúc amylose và amylopectin

Hình 2 4 Mô hình cụm của cấu trúc amylopectin bao gồm

chuỗi A, B và C (Ai và cộng sự, 2016)

Dựa trên sự phân bố chiều dài chuỗi, amylopectin được phân loại thành ba loại chuỗi khác nhau là A-, B- và C- (hình 2.4) Chuỗi A là chuỗi không có thêm điểm phân nhánh (sở hữu DP

6-12), chuỗi B có một hoặc nhiều điểm phân nhánh, độ dài chuỗi khác nhau, có thể kéo dài qua một cụm (B1 DP 13-24), hai cụm (B2 25-36), ba cụm (B3 DP>36) và chuỗi C là chuỗi duy nhất

có đầu khử (Ai và cộng sự, 2016) Theo nghiên cứu của Hamaker B.R cho thấy, cả lượng lớn chuỗi A và chuỗi B dài đều có xu hướng dẫn đến nhiều tinh bột tiêu hóa chậm (slow digestible starch – SDS) Các chuỗi B1 có mức độ trùng hợp DP 16 – 30 có sự liên quan đến sự thoái hóa tinh bột và hàm lượng tinh bột kháng (resistant starch – RS) Lượng amylose dường như không

có mối quan hệ với SDS Do đó, cấu trúc của amylopectin quan trọng hơn các thông số của amylose khi đề cập đến SDS (Hamaker và cộng sự, 2007) Mặt khác, theo (Wu và cộng sự, 2006) cho biết, trong hầu hết các trường hợp, hàm lượng tinh bột kháng tăng khi hàm lượng amylose trong tinh bột tăng lên Hàm lượng amylose ảnh hưởng đến quá trình hồ hóa, độ hòa tan, kết cấu và sự hình thành tinh bột kháng Hơn nữa, tỉ lệ amylose/amylopectin là một thông

số ảnh hưởng đến quá trình thoái hóa Phương pháp thường được sử dụng để đo hàm lượng amylose là phương pháp đo màu iodine Tuy nhiên, phương pháp này bị ảnh hưởng bởi sự không tương thích giữa phức iodine với amylose và amylopectin có mạch nhánh dài (do cùng hấp thụ

ở một bước sóng) (Thianming và cộng sự, 2008)

Phức tinh bột – iodine có λmax là 620 nm (màu xanh đậm) Chiều dài mạch tinh bột càng cao thì khả năng tạo phức với iodine càng lớn (λmax tăng) Phân tử amylose phải có dạng vòng xoắn ốc mới có thể tạo phức với iodine (Kossmann và cộng sự, 2000) Một nghiên cứu trước đây cho thấy, có thể xác định hàm lượng amylose bằng phản ứng tạo phức với iodine thông qua

độ hấp thu ở bước sóng 620 và 510 nm (Thianming và cộng sự, 2008) Theo đó, việc ước lượng hàm lượng amylose ở hai bước sóng này làm tăng độ chính xác của phương pháp Ngược lại, nếu chỉ đơn thuần sử dụng bước sóng 620 nm trong việc ước tính sẽ cho hàm lượng amylose có

xu hướng cao hơn (so với thực tế) trong tất cả mẫu tinh bột

Một nghiên cứu trước đây trên hai giống gạo Indica và gạo Japonica đã báo cáo rằng hàm lượng amylose biểu kiến của giống gạo Indica nhiều hơn loại Jalonica Tuy nhiên, hàm lượng amylopectin của loại gạo Indica có chuỗi dài hơn, hàm lượng absolute amylose tương tự nhau Như vậy, do các chuỗi của amylopectin cũng có thể tạo thành phức xoắn với iodine nên dẫn đến việc ước tính hàm lượng amylose bị ảnh hưởng (cao hơn thực tế) (Hizukuri và cộng sự, 1981)

Tỷ lệ amylose và amylopectin có ảnh hưởng đặc biệt đến các đặc tính hóa lý và công nghệ của tinh bột Trong đó, hàm lượng amylose cao gây thoái hóa mạnh cũng như hạn chế sự

hấp thu nước trong quá trình gia nhiệt Ngược lại, tinh bột có hàm lượng amylopectin cao có độ nhớt đỉnh (độ nhớt khi bị hồ hóa) và ít bị thoái hóa (Perla và cộng sự, 2017)

Một trong các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tiêu hóa của tinh bột là tỷ lệ amylose/ amylopectin Theo nghiên cứu của Murugadass Gowri trên lúa mì và gạo, tinh bột có hàm lượng amylose thấp hơn sẽ có chỉ số đường huyết cao hơn Mức độ thủy phân tinh bột thấp làm chậm việc giải phóng đường khử, do đó loại tinh bột này phù hợp với bệnh nhân mắc đái đường (Gowri và cộng sự, 2018)

2.2.2 Hình thái hạt tinh bột

Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt, có kích thước rất nhỏ và hình dáng khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của tinh bột Các hạt tinh bột có nhiều kích thước khác nhau với đường kính nằm trong khoảng từ 1 đến 150 μm Các hạt tinh bột có cấu trúc dạng hình đa giác hoặc hình tròn được tìm thấy trong tự nhiên nhiều hơn các loại hình dạng khác (Ao và cộng sự, 2007) Hình thái của hạt tinh bột cũng có sự khác biệt, phụ thuộc vào nguồn gốc của thực vật,

từ hình tròn, đa giác, bầu dục, hình đĩa…(Ian và cộng sự, 2020) Trong các loại tinh bột thương mại, tinh bột gạo có kích thước hạt nhỏ nhất (3 đến 9 μm) và tinh bột khoai tây có kích thước hạt lớn nhất (15 đến 100 μm), hạt tinh bột ngô có kích thước hạt trung bình và nằm trong khoảng

từ 5 đến 26 μm (Whistler và cộng sự, 2000) Các hạt tinh bột ngũ cốc như ngô, yến mạch và gạo

có cấu trúc dạng đa giác hoặc hình tròn Bên cạnh đó, đối với các hạt tinh bột củ, chúng thường

có kích thước lớn và có cấu trúc dạng hình bầu dục hoặc hình cầu Nhiều loại tinh bột từ củ hoặc

rễ có phân bố kích thước hạt đến 100 µm hoặc lớn hơn Trong khi ở một số loại ngũ cốc như gạo, kích thước của hạt tinh bột phân bố từ 0,1 - 7 µm (Jasmien và cộng sự, 2014) Tinh bột bắp

có kích thước từ 10 - 20 µm (Pei và cộng sự, 2006)

2.2.3 Cấu trúc tinh thể hạt tinh bột

Tuy rằng có sự khác biệt lớn về hình dạng của hạt tinh bột, nhưng cấu trúc của hạt tinh bột có nguồn gốc khác nhau có sự tương đồng Khi quan sát dưới kính hiển vi, hầu hết các hạt đều có mô hình các vòng sinh trưởng gồm vùng vô định hình và vùng tinh thể được xếp xen kẽ nhau, dẫn đến các hiện tượng khúc xạ khác nhau Ở cấp độ cấu trúc thấp nhất, hầu hết các hạt tinh bột được tạo thành từ các lớp vỏ tinh thể và vô định hình xen kẽ dày từ 100 đến 400nm,

những cấu trúc này được gọi là vòng tăng trưởng Cách sắp xếp amylopectin hướng tâm trong các vòng sinh trưởng được cho là gây ra phân cực quang học, vì sự phân cực quang học nhìn thấy được theo thứ tự của dải bước sóng từ 100 – 1000nm (Serge và cộng sự, 2009)

Hình 2 5 Sơ đồ minh họa cấu trúc hạt tinh bột (Shujun và cộng sự, 2013)

Ở vùng tinh thể hoặc bán tinh thể, các vòng sinh trưởng chứa nhiều cấu trúc có trật tự hơn,

mà amylopectin là thành phần chính đóng góp cho kiểu cấu trúc này Các chuỗi nhánh của amylopectin và amylose có ở vùng vô định hình và vùng vô định hình bị mất nhanh hơn dưới tác động của tiêu hóa có kiểm soát so với các vùng tinh thể (Ian và cộng sự, 2020) Các phiến tinh thể được hình thành từ các vòng xoắn kép tự lắp ráp của chuỗi ngắn amylopectin ngoài cùng, trong khi phần lớn các điểm nhánh α-1,6-glycoside của amylopectin được tìm thấy trong vùng vô định hình Tính tuần hoàn được hiểu là do các phiến tinh thể và vô định hình được hình

thành bởi các cụm chuỗi bên phân nhánh từ các phân tử amylopectin được sắp xếp theo hướng xuyên tâm, và dường như là một đặc điểm chung của hạt tinh bột, không phụ thuộc vào nguồn thực vật (Serge và cộng sự, 2009)

Hình 2 6 Cấu trúc 3D tinh thể loại A và B (Serge và cộng sự, 2010)

Các xoắn kép của chuỗi được tổ chức thành dạng tinh thể A-allomorph hoặc B-allomorph, hai dạng tinh thể này có thể được phân biệt bằng nhiễu xạ tia X (WAXS hoặc XRD) Tinh thể loại A thường được tìm thấy trong các loại tinh bột ngũ cốc, chứa các xoắn kép được đóng gói chặt chẽ Trong khi đó tinh thể loại B được tìm thấy trong nhiều loại tinh bột rễ, củ, dễ bị biến đổi qua quá trình phân giải amylose, có sự sắp xếp lỏng lẽo hơn (một trong bốn vòng xoắn kép

bị thay thế bởi phân tử nước) (Pfannemüller, 1987) Hạt tinh bột khi có cả tinh thể loại A và B, tạo ra hỗn hợp được gọi là loại C Mức độ kết tinh của hạt tinh bột dao động từ 15 - 45% (Serge

và cộng sự, 2009) Các đặc điểm cấu trúc của tinh thể loại A và loại B có thể so sánh ở cấp độ phân tử Các xoắn kép trong cả tinh thể loại A và B đều có cấu trúc 6 lần (six-fold) gần như là hoàn hảo, với khoảng cách lặp lại tinh thể học khoảng 1,05nm Các xoắn kép của cả hai dạng được đóng gói trong các mảng lục giác hoặc giả hình lục giác Khoảng trống trong mạng tinh thể loại B chứa nhiều phân tử nước (10% - 50%) hơn tinh thể loại A Ở điều kiện ẩm ướt (khoai tây), các tinh thể loại B được hình thành Ngược lại, trong điều kiện ấm, khô hơn (ngũ cốc) thì tinh thể loại A được hình thành Chiều dài của chuỗi cũng ảnh hưởng đến hình dạng của tinh thể, chuỗi có DP<10 sẽ không kết tinh, chuỗi có DP từ 10 – 12 có xu hưởng tạo thành tinh thể lại A và chuỗi có DP > 12 có xu hướng tạo ra tinh thể loại B Qúa trình chuyển đổi không thuận

nghịch từ tinh thể loại B sang loại A có thể được thực hiện trong điều kiện có độ ẩm thấp và nhiệt độ cao (xử lý nhiệt ẩm, bao gồm việc sắp xếp lại các cặp xoắn kép) Vì vậy trong tinh bột hiển thị dạng tinh thể loại A, nhiệt độ hồ hóa có xu hướng tăng khi tăng độ kết tinh tổng thể của hạt (Serge và cộng sự, 2009)

2.3 Phổ FTIR của tinh bột

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier là một kỹ thuật phân tích thường được sử dụng để định tính cấu tạo hóa học của vật liệu hữu cơ hoặc polymer FTIR sử dụng ánh sáng hồng ngoại

để quét các mẫu thử và quan sát các đặc tính hóa học Bức xạ hấp thụ được chuyển đổi thành năng lượng quay hoặc dao động bởi các phân tử mẫu, tín hiệu thu được tại đầu dò thể hiện dưới dạng phổ, thường từ 4000cm-1 đến 400 cm-1 Ở vùng phổ hồng ngoại này bao gồm 4 vùng nhỏ, mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng: <800 cm-1, 800 – 1500 cm-1, 2800 – 3000 cm-1, 3000 – 3600

cm-1 (Kizil và cộng sự, 2002): (a) vùng <800 cm-1 chứa những dao động phức tạp đặc trưng cho vòng pyranose hình xương (Tu và cộng sự, 1979); (b) vùng 800 – 1500 cm-1 chiếm ưu thế là sự dao động của khung pyranose trong phân tử glucose của tinh bột Vì vậy, vùng này được xem như là tần số dao động đặc trưng của phân tử tinh bột (Kizil và cộng sự, 2002); (c) vùng 2800 –

3000 cm-1 hấp thu ánh sáng dao động biến dạng CH2 (Kizil và cộng sự, 2002), vùng này cũng

có thể được sử dụng để phát hiện tinh bột chiếu xạ, vì các gốc hydroxyl được tạo thành bởi quá trình phân giải phóng xạ có khả năng giải phóng các phân tử H ra khỏi liên kết C–H (Diehl, 2022); (d) vùng 3000 – 3600 cm-1 là vùng hấp thu OH duỗi thẳng của phân tử nước (Kizil và cộng sự, 2002)

2.4 Tính chất hóa lý của tinh bột

2.4.1 Độ nhớt của tinh bột

Độ nhớt là một tính chất cơ bản và đặc trưng của mọi chất lỏng Khi một dòng chất lỏng chảy nó sẽ tồn tại một trở lực bên trong và độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho trở lực đó Độ nhớt cũng được xem như là lực kéo và là đại diện của các thuộc tính ma sát của chất lỏng Vì polymer phân nhánh nhỏ hơn polymer mạch thẳng có cùng khối lượng phân tử nên độ nhớt của polymer phân nhánh sẽ nhỏ hơn (Wei và cộng sự, 2021) Độ nhớt phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có nhiệt độ, áp suất và nồng độ chất lỏng

Độ nhớt động lực (dynamic viscosity) hay còn được gọi là độ nhớt tuyệt đối (absolute viscosity) được định nghĩa là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích cần thiết để di chuyển một mặt phẳng nằm ngang với một mặt phẳng khác Nói cách khác, độ nhớt là ma sát bên trong của chất lỏng hoặc là xu hướng chống lại dòng chảy của nó (Bourne, 1982) Độ nhớt động lực được

ký hiệu là τ Đơn vị của độ nhớt động lực theo hệ SI là N.s/m2, Pa.s hoặc kg/(m.s) Độ nhớt động lực được xác định dựa vào công thức:

𝜏 = 𝜇𝑑𝑢𝑑𝑦

(2.2) Trong đó, η, μ và ρ lần lượt là độ nhớt động học (m2/s), độ nhớt động lực (Pa.s) và tỷ trọng của chất lỏng (kg/m3)

Độ nhớt relative (relative viscosity) hoặc độ nhớt reduced (reduced viscosity) là tác động của đại phân tử thuộc chất tan hòa tan hoặc phân tán trong một dung dịch Độ nhớt reduced là một đại lượng phụ thuộc vào nồng độ Độ nhớt relative (ηrel, ml/g) hoặc độ nhớt reduced (ηred, ml/g) được tính theo công thức sau:

Độ nhớt nội tại (intrinsic viscosity) được xem là một thông số về cấu trúc và được sử dụng

để nghiên cứu các tính chất lưu biến liên quan đến cấu trúc phân tử của các chất phân tán, cấu trúc của các loại gel và đặc biệt là đối với các loại polysaccharide (Harding và cộng sự, 1997)

Độ nhớt nội tại không phải là thước đo trực tiếp khối lượng phân tử của polymer mà thể hiện

kích thước của một cuộn polymer (polymer coil) trong dung dịch Các giá trị của độ nhớt nội tại của một mẫu polymer có khối lượng phân tử nhất định sẽ thay đổi bởi dung môi và nhiệt độ, các yếu tố này làm ảnh hưởng đến kích thước của chuỗi polymer Trong trường hợp dung môi

có nhiệt động học (thermodynamically) tốt, chuỗi polymer sẽ nở ra để tăng cường các tương tác thuận lợi với dung môi Trong loại dung môi này, độ nhớt nội tại thường không thay đổi nhiều theo nhiệt độ Ngược lại, với một dung môi không tốt về mặt nhiệt động học, kích thước cuộn polymer bị tác động mạnh bởi nhiệt độ (Wei và cộng sự, 2021)

Khi xét về bản chất, độ nhớt intrinsic không hẳn là một loại độ nhớt vì khác với các loại

độ nhớt khác độ nhớt intrinsic được xác định dựa trên nồng độ, có đơn vị nghịch đảo với đơn

vị nồng độ chất lỏng Tác động của đại phân tử thuộc chất tan hòa tan hoặc phân tán trong một dung dịch thì được gọi là độ nhớt relative (ηrel) hoặc độ nhớt reduced (ηred), được tính như sau:

ηrel=η/ηo, ηred= (ηrel-1)/c; với η là độ nhớt của dung dịch, ηo là độ nhớt của dung môi và c là nồng

độ của dung dịch Đơn vị của độ nhớt reduced là ml/g (Ljubica và cộng sự, 2004)

Độ nhớt reduced là một đại lượng phụ thuộc vào nồng độ Giới hạn khi c → 0 của độ nhớt reduced được định nghĩa là độ nhớt nội tại (intrinsic viscosity) Đây là hàm nội tại của các đại phân tử hòa tan trong dung dịch và được xác định theo công thức: [η]= lim𝑐→0 (𝜂𝑟𝑒𝑑) (Ljubica

và cộng sự, 2004)

Độ nhớt intrinsic được xác định thông qua giá trị relative viscosity ở các nồng độ khác nhau Hiện nay có 3 phương pháp cơ bản thường được sử dụng để xác định độ nhớt relative là: (a) Sử dụng nhớt kế mao quản (nhớt kế Ostwald hoặc nhớt kế Ubbelohde), (b) Sử dụng nhớt kế dạng tấm (nón và tấm phẳng, 2 tấm song song, dạng cub và bob) (Lapasin và cộng sự, 1995), (c) Thiết bị mất cân bằng áp lực

2.4.2 Khả năng tạo phức với iodine

Iodine liên kết với các polymer glucan mạch thẳng của tinh bột tạo thành một phức hợp Màu sắc và bước sóng của độ hấp thụ cực đại của phức hợp thay đổi tùy theo mức độ trùng hợp (DP – degree of polymerization) của chuỗi polymer Để xác định hàm lượng amylose, phản ứng giữa iodine và polymer mạch thẳng của tinh bột được thực hiện và màu sắc của phức tinh bột – iodine thay đổi được cho là do hàm lượng amylose Ngoài ra, (Saibene và cộng sự, 2008) đã có nghiên cứu về cấu trúc của hạt tinh bột khi sử dụng iodine Nghiên cứu cho thấy ở tinh bột có

độ ẩm 12% - 20%, iodine có thể tạo phức với các polymer mạch thẳng và phá vỡ sự sắp xếp tinh thể của các polymer trong hạt tinh bột

Sự tương tác của amylose và iodine dẫn đến việc hình thành phức chất có màu đặc trưng Màu sắc của phức amylose–iodine được chứng minh là thay đổi theo chiều dài chuỗi amylose Nghiên cứu trước đây đã báo cáo rằng màu sắc của phức chất thay đổi từ nâu (DP 21 – 24 ) sang

đỏ (DP 25 – 29), tím đỏ ( DP 30 – 38), xanh tím (DP 39 – 40) và cuối cùng là màu xanh lam (DP > 47) Khi DP thấp hơn 20, phản ứng không hình thành màu (John và cộng sự, 1983) (John M., 1983) Amylopectin có mạch nhánh, nên chỉ phản ứng với một lượng nhỏ iodine tạo phức màu nâu đỏ hoặc tím Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iodine vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh (Hanes và cộng sự, 1938) (Hanes C S., 1938) Bước sóng để xác định amylose là 620nm – 440nm và bước sóng để xác định hàm lượng

amylopectin là 560nm và 728nm (Jain và cộng sự, 2010)

Hình 2 7 Phổ hấp phụ của phức iodine (Jain và cộng sự, 2010)

Nghiên cứu đã cho thấy ảnh hưởng của iodine đến độ kết tinh của tinh bột khoai tây là lớn hơn so với thí nghiệm trên tinh bột bắp Sự tương tác của iodine với hạt tinh bột thô có thể là phản ứng bề mặt Do vậy sự hình thành phức chất phụ thuộc vào khả năng tiếp cận của các phân đoạn polymer glycan với iodine, tức là các phân đoạn của phân tử amylose không bị mắc kẹt trong phiến tinh thể hay các xoắn kép có chuỗi nhánh amylopectin hoặc các phân đoạn dài hơn của chuỗi nhánh amylopectin Như vậy, khả năng các phân tử iodine xâm nhập vào tinh bột phụ thuộc vào tổ chức các polymer glucan mạch thẳng, đặc điểm bề mặt của hạt (lỗ rỗng và kênh thâm nhập) (Wadugea và cộng sự, 2010)

2.4.3 Sự hồ hóa và một số tính chất của tinh bột hồ hóa

Các hạt tinh bột có thể hấp thụ độ ẩm khoảng 30% (w/w), khi ngâm trong nước ở nhiệt

độ môi trường Nước phân bố trong vùng vô định hình của hạt tinh bột, khi tinh bột được đun nóng đến một nhiệt độ cụ thể với lượng nước dư (gấp hai hoặc nhiều lần), hạt tinh bột mất cấu trúc tinh thể, trở nên trong suốt (Ai và cộng sự, 2016) và biến đổi từ dạng sắp xếp có trật tự sang dạng vô định hình (Shujun và cộng sự, 2013) Qúa trình hồ hóa tinh bột có thể được mô tả như sau: Khi tinh bột được đun nóng trong nước, các liên kết hydro bị phá vỡ, cho phép phân tử nước xâm nhập vào hạt và các hạt sẽ trương nở ra Sau đó, amylose sẽ di chuyển ra khỏi hạt, đồng thời các liên kết hydro giữa nước và amylopectin sẽ tăng Điều này dẫn đến hàm lượng nước tự do sẽ giảm xuống và làm thay đổi độ nhớt của hồ tinh bột, độ nhớt tăng lên

Khi tinh bột đã được hồ hóa, tính trật tự của các phân tử bên trong hạt bị phá vỡ, dẫn đến

sự thay đổi bất thuận nghịch Các hạt tinh bột trải qua một loạt các hiện tượng bao gồm sự hấp thu, sự trương nở, sự phá vỡ không thể đảo ngược của trật tự các phân tử bên trong, thông qua

sự phân ly của chuỗi xoắn kép, sự nóng chảy của các tinh thể, sự rửa trôi các polysaccharide và

sự tan rã của các hạt Những hiện tượng này làm thay đổi đáng kể về mặt hình thái hạt dẫn đến

sự hình thành gel (Shujun và cộng sự, 2013) và nhiệt độ mà tinh bột mất cấu trúc tinh thể là nhiệt độ hồ hóa (Ai và cộng sự, 2016)

Nhiệt độ hồ hóa là một tính chất đặc trưng của mỗi loại tinh bột và có tương quan thuận với chiều dài chuỗi nhánh của amylopectin Trong quá trình hồ hóa với lượng nước dư (> 65% w/w), nồng độ tinh bột từ 3 – 5% xảy ra quá trình hydrate hóa các phân tử tinh bột Qúa trình này dẫn đến những thay đổi về hình dạng và kích thước của hạt, cấu trúc giống khối hình cầu xuất hiện ít nhiều, rửa trôi amylose, tháo mạch xoắn kép và phá hủy cấu trúc tinh thể (Lumdubwong, 2019) Nếu quá trình hồ hóa không đủ nước, tinh bột sẽ bị hồ hóa ở nhiệt độ cao hơn với khoảng nhiệt độ rộng hơn Nếu không có sự xuất hiện của nước hoặc các chất hóa dẻo khác (plasticizers), tinh bột sẽ không bị hồ hóa bởi nhiệt mà sẽ bị phân hủy bằng nhiệt ở mức nhiệt độ >250C (Ai và cộng sự, 2016)

Hình 2 8 Cơ chế hồ hóa tinh bột (Xie F.và cộng sự, 2015)

Khoảng nhiệt độ bắt đầu sự hồ hóa phụ thuộc vào loại tinh bột, tức phụ thuộc vào tỷ lệ amylose và amylopectin, và sự có mặt của nước Hai thành phần của tinh bột hoạt động khác nhau khi bảo quản, với amylose tạo ra dung dịch mờ đục, tạo gel cứng khi làm lạnh Trong khi

đó amylopectin tạo thành hỗn hợp nhão, trong suốt, giữ lại chất lỏng khi làm lạnh (Pither, 2003)

Để nghiên cứu quá trình hồ hóa của hạt tinh bột có thể dựa trên sự thay đổi các tính chất lưu biến của hồ tinh bột Sự thay đổi các tính chất lưu biến của hồ tinh bột có liên quan đến đến khả năng trương nở và sự ổn định của các đại phân tử trong hạt tinh bột (Cui và cộng sự, 2005)

2.4.4 Độ hòa tan và trương nở của tinh bột

Khi gia nhiệt hạt tinh bột đến nhiệt độ hồ hóa với lượng nước dư sẽ xảy ra hiện tượng truyền nhiệt và truyền ẩm vào trong hạt Lúc này, hạt tinh bột bị phồng (trương nở) lên gấp vài lần kích thước ban đầu do vùng tinh thể bị mất đi, đồng thời có sự hấp thụ nước bên trong cấu trúc hạt (Whistler, 1964) Khả năng hòa tan và hấp thụ nước là hai đặc tính chức năng của tinh bột khi chúng được phân tán trong nước Chỉ số hấp thụ nước (water absorption index) là trọng lượng của gel được tạo thành trên một gram mẫu khô Chỉ số hòa tan trong nước (water solubility

index) là phần trăm chất khô trong phần nổi xác định từ chỉ số hấp thu nước (Sherry và cộng sự, 2005)

Tính chất trương nở phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng amylopectin Ngược lại, amylose đóng vai trò vừa là chất pha loãng (diluent), vừa là chất ức chế sự trương nở, đặc biệt là khi có

sự hiện diện của lipid, tạo phức amylose – lipid (ALC – amylose-lipid complex) (Tester và cộng

sự, 1990), làm vướng víu giữa các phân tử amylose và amylopectin (Ai và cộng sự, 2016) Ngoài

ra, ALC làm tăng nhiệt độ pasting, giảm độ nhớt và làm hồ tinh bột mờ đục (opaque) Tuy vậy, các phân tử amylose chịu trách nhiệm làm tăng độ nhớt setback khi làm nguội hồ tinh bột, do

sự hình thành mạng lưới giữa các phân tử amylose và amylopectin

Sự trương nở của hầu hết các loại tinh bột bắt đầu từ vùng ít có trật tự nhất, là vùng vô định hình, liên tinh thể của hạt Khi gia nhiệt, vùng này bắt đầu phồng lên, tạo ra một lực căng lên các tinh thể lân cận và có xu hướng làm biến dạng chúng Càng gia nhiệt, các vùng xoắn kép bung ra hoặc phân ly, làm phá vỡ cấu trúc tinh thể amylopectin Các chuỗi bên của amylopectin được giải phóng trở nên ngậm nước, phồng lên hai bên, càng phá vỡ thêm cấu trúc tinh thể (Pimpa và cộng sự, 2007) Bên cạnh đó, khi hạt tinh bột trương nở, amylose thoát ra ngoài và tạo thành một mạng lưới ba chiều Các hạt trương nở được gắn vào một ma trận như vậy một cách liên tục (Richardson và cộng sự, 1981)

Hồ tinh bột (pasting) được tạo thành bằng cách hồ hóa huyền phù tinh bột Khi nồng độ tinh bột đủ cao, hồ tinh bột có thể chuyển thành gel trong quá trình làm lạnh Hồ tinh bột và gel

có thể được coi là vật liệu tổng hợp với các hạt tinh bột trương nở lắp đầy mạng gel polymer (Ring và cộng sự, 1982) Với hỗn hợp hồ tinh bột có 5 – 15% tinh bột, sau khi làm nguội, các hạt tinh bột trương nở lắp đầy thể tích của bột nhão và được kết dính bởi amylose thoát ra từ các hạt trương nở để tạo thành gel Để duy trì thể tích của hạt tinh bột trương nở, các phân từ amylose

và amylopectin phải tương tác với nhau, tạo thành mạng lưới giữ nước trong hạt Các loại tinh bột trong ngũ cốc, lúa mì, gạo có mức độ trương nở cao nên có khả năng hình thành gel tốt Trong khi đó, tinh bột khoai tây, sắn có xu hướng trương nở tự do, phân tán sau khi gia nhiệt vì thiếu amylose hoặc lipid để tạo điều kiện tương tác một cách ổn định giữa amylose và amylopectin Do vậy, các loại tinh bột này không thể hoặc khó tạo gel Như vậy, có thể thấy, sự hình thành ALC tạo điều kiện thuận lợi cho các tương tác phân tử trong hạt tinh bột, hạn chế