Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH BIẾN HÌNH TINH BỘT BẰNG PHƯƠNG PHÁP AXIT" docx

NGHIấN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRèNH BIẾN HèNH TINH BỘT BẰNG PHƯƠNG PHÁP AXIT RESEARCH ON VARIOUS FACTORS AFFECTING THE MODIFICATION PROCESS OF STARCH BY USING ACID METHOD T

NGHIấN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

ĐẾN QUÁ TRèNH BIẾN HèNH TINH BỘT

BẰNG PHƯƠNG PHÁP AXIT

RESEARCH ON VARIOUS FACTORS AFFECTING

THE MODIFICATION PROCESS OF STARCH BY USING ACID METHOD

TRƯƠNG THỊ MINH HẠNH

Trường Đại học Bỏch khoa, Đại học Đà Nẵng

NGUYỄN THỊ HOÀI TÂM

Trường Cao đẳng Lương thực Thực phẩm Đà Nẵng

TểM TẮT

Ảnh hưởng của hàm lượng axit và thời gian thủy phõn đến quỏ trỡnh biến hỡnh tinh bột huỳnh tinh bằng phương phỏp axit của Ali và Kempf đó được nghiờn cứu [8] Bài viết này tiếp tục

mở rộng việc nghiờn cứu ảnh hưởng của 3 yếu tố là hàm lượng axit, nồng độ tinh bột và thời gian biến hỡnh đến sự thay đổi một số tớnh chất của tinh bột bằng phương phỏp quy hoạch thực nghiệm TĐY2n Trong đú kết quả nghiờn cứu sự thay đổi về hỡnh dạng, kớch thước và nhiệt độ hồ hoỏ của tinh bột biến hỡnh cú ý nghĩa thực tiễn trong việc ứng dụng tinh bột biến hỡnh trong cỏc ngành cụng nghiệp (CN) như CN dệt, CN giấy và nhất là trong CN thực phẩm

ABSTRACT

The effects of acid content and hydrolysis time on the modification of Arrow- root des Antilles starch by using acid method of Ali and Kempf was already studied [8] This article continues the investigation into the effects of three factors, which include acid content, starch solution concentration and hydrolysis time on changes in the properties of starch The method in use is experiment planning method of 2n total factors The research results on changes in shape, dimension and gelatinization temperature of modified starch have practical significance in applying it to such industries as textile, paper, and food, in particular

1 Giới thiệu

Biến hình bằng phương pháp axit đã có từ rất lâu, trong công nghệ có nhiều nhược

điểm như ăn mòn thiết bị, sản phẩm nhiều khi có màu và có vị mặn do các kim loại trong tinh bột tác dụng với axit tạo muối hoặc tạo các hợp chất phức chất có màu Tuy nhiên, với công nghệ và thiết bị hiện đại, ngày nay người ta có thể khắc phục những nhược điểm nói trên Ưu

điểm nổi bật của phương pháp này là có thể sản xuất với năng suất lớn mà không gặp khó khăn gì trong vấn đề chất xúc tác, hóa chất rẻ tiền, dễ kiếm, dễ tự động hóa dây chuyền sản xuất, nhất là có thể thu được tinh bột biến hình có mức độ phân cắt cao theo yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể Do đó, trong những trường hợp ứng dụng cho những sản phẩm phi thực phẩm thì tinh bột axit này đáp ứng dễ dàng với số lượng nhiều và giá thành rẻ Nếu biết cách xử lý thì tinh bột biến hình theo phương pháp này sẽ có một lĩnh vực ứng dụng phong phú trong CN thực phẩm và cả trong CN dược phẩm

Vì vậy mục tiêu của bài báo là tiếp tục nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến hình tinh bột bằng phương pháp axit trên nguyên liệu tinh bột huỳnh tinh, một số biến đổi về hình dạng, kích thước và nhiệt độ hồ hóa của tinh bột huỳnh tinh, sắn và sắn dây sau khi đã có một số kết quả nghiên cứu về các tinh bột này [5]

2 Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Nguyên liệu: Củ huỳnh tinh và củ sắn dây được thu nhận vào khoảng tháng 1 đến

tháng 3 trong năm ở các vùng ngoại ô của thành phố Đà Nẵng và được sản xuất tại phòng thí

nghiệm để thu nhận tinh bột khô có độ ẩm < 12% Còn tinh bột sắn được lấy từ nhà máy tinh bột sắn Quảng Ngãi

2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Xác định hình dạng và kích thước tinh bột bằng kính hiển vi điện tử quét SEM

- Xác định các kích thước trung bình của tinh bột bằng phương pháp nhiễu xạ laser

- Xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai DSC

- Xác định mức độ trùng hợp bằng phương pháp oxi hóa nhóm cuối bằng KIO4

- Xác định chỉ số khử xác định bằng phương pháp ferixinua

- Độ nhớt của tinh bột được xác định bằng nhớt kế mao quản

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến hình tinh bột bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần TĐY2n

- Biến hình tinh bột dựa theo phương pháp của Ali&Kemf []

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến hình tinh bột bằng qui hoạch thực nghiệm đủ yếu tố 2 mức TĐY2 n

Trên cơ sở khảo sát ảnh hưởng của hai yếu tố hàm lượng axit và thời gian biến hình [4], tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của 3 yếu tố là nồng độ tinh bột (X1%), hàm lượng axit (X2, ml) và thời gian (X3, phút) đến sự thay đổi một số tính chất của tinh bột huỳnh tinh biến hình Những tính chất của tinh bột biến hình được chọn khảo sát là chỉ số khử y1, mức độ trùng hợp y2 (đ.v glucoza) và độ nhớt y3 (CSt) Mô hình thí nghiệm được xây dựng ở bảng 3.1:

Bảng 3.1 Các mức của các yếu tố

Các yếu tố Các mức

X1 (%)

Không thứ nguyên X2 (ml)

Không thứ nguyên

X3 (phút)

Không thứ nguyên

Mức cơ sở (X j

0

Theo phương pháp toán học đã chọn thì số thí nghiệm cần phải tiến hành là 2n = 23 = 8

và 3 thí nghiệm tại tâm Kết quả xây dựng mô hình thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm theo mô hình được cho ở bảng 3.2

và các kết quả thí nghiệm

trong đó T1, T2, T3 là 3 thí nghiệm tại tâm

x0, x1, x2, x3: các giá trị không thứ nguyên

y1, y2, y3 lần lượt là chỉ số khử, mức độ trùng hợp và độ nhớt của tinh bột biến hình

Xác định các phương trình hồi qui:

Giả sử các phương trình hồi qui mô tả thực nghiệm trên có dạng:

Y= b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3

Sau khi thành lập và kiểm tra với ý nghĩa của các hệ số được xác định theo tiêu chuẩn student, sự tương thích của phương trình được kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher [1] chúng tôi

được các phương trình hồi qui:

Y1 = 0,6613 - 0,034 x1 + 0,0763 x2 + 0,0863 x3 (3.1)

Y2 = 966,927 + 28,009 x1 - 24,186 x2 - 30,178 x3 (3.2)

Y3 = 11,085 + 1,27 x1 - 1,422 x2 - 1,003 x3 (3.3)

trong đó x1, x2, x3 lần lượt là giá trị không thứ nguyên của nồng độ dịch sữa tinh bột, hàm lượng axit và thời gian biến hình

Y1, Y2 và Y3 lần lượt là hàm số của các đại lượng chỉ số khử, mức độ trùng hợp và độ nhớt của tinh bột biến hình

Nhận xét:

- Từ phương trình hồi qui (3.1), (3.2) và (3.3) chúng tôi nhận thấy không những hàm lượng axit, thời gian biến hình (như kết quả nghiên cứu của [4]) mà cả nồng độ tinh bột đều

ảnh hưởng lớn đến quá trình biến hình tinh bột, thể hiện sự thay đổi ở các chỉ số khử, mức độ trùng hợp và độ nhớt của tinh bột biến hình

Nồng độ tinh bột càng giảm, hàm lượng axit càng tăng, thời gian biến hình càng tăng làm quá trình biến hình tinh bột càng tăng, làm tăng mức độ phân cắt mạch tinh bột Do đó mức độ trùng hợp và độ nhớt càng giảm, còn chỉ số khử càng tăng (bởi vì lúc này, tổng số mạch tinh bột trong một đơn vị khối lượng tăng làm tăng số nhóm -OH glucozit)

3.2 Nghiên cứu sự thay đổi hình dạng và kích thước của tinh bột sắn, sắn dây và huỳnh tinh sau khi biến hình

Tiến hành nghiên cứu biến hình tương tự như trên với các tinh bột sắn và sắn dây,

khảo sát sự thay đổi hình dạng và kích thước của các tinh bột sắn, sắn dây và huỳnh tinh chúng tôi có các kết quả như sau:

3.2.1 Vi ảnh của các tinh bột biến hình qua kính hiển vi điện tử quét

Từ hình ảnh thu được trên hình 3.1, 3.2, 3.3 và 3.4, so sánh với tinh bột chưa biến hình [5], chúng tôi thấy hình dạng cơ bản của cả ba tinh bột sắn, sắn dây và huỳnh tinh trước và sau khi biến hình có sự thay đổi Hầu như các hạt tinh bột biến hình đều có kích thước lớn hơn và

bề ngoài lớp vỏ hạt trở nên sần sùi, có nhiều lỗ nhỏ hoặc bị trầy sướt hơn tinh bột chưa biến hình Do tác động của quá trình thủy phân dưới ảnh hưởng các điều kiện môi trường, nhiệt độ

và thời gian v.v làm cho vỏ hạt không còn giữ được trạng thái ban đầu

Hình 3.1 Vi ảnh tinh bột sắn biến hình axit,

nồng độ tinh bột 33%, hàm lượng axit

150ml, thời gian 90 phút (x1500)

Hình 3.2 Vi ảnh tinh bột sắn biến hình axit nồng độ tinh bột 33%, hàm lượng axit 150ml, thời gian 90 phút (x3500)

Hình 3.3 Vi ảnh TB sắn dây biến hình axit,

nồng độ tinh bột 33%, hàm lượng axit 150ml,

thời gian 90 phút (x3500)

Hình 3.4 Vi ảnh TB huỳnh tinh biến hình axit, nồng độ tinh bột 33%, hàm lượng axit 150ml, thời gian 90 phút (x1500) 3.2.2 Nghiên cứu kích thước trung bình của các tinh bột biến hình axit

Để có một số liệu cụ thể về kích thước trung bình của các hạt, chúng tôi tiến hành đo kích thước tinh bột biến hình bằng phương pháp nhiễu xạ laser Kết quả phân tích được trình bày ở bảng 3.3, 3.4 và 3.5

Bảng 3.3 Đường kính trung bình của tinh bột sắn biến hình bằng axit

Tinh bột sắn biến hình

Đường kính hạt (m) Tinh bột sắn chưa biến hình

trong đó:

D [4,3] là đường kính trung bình của hạt tính theo thể tích hạt

D [3,2] là đường kính trung bình của hạt tính theo tiết diện hạt

D [v, 0,1] là kích thước mà tại đó có 10% tổng số hạt của mẫu nhỏ hơn kích thước này

D [v, 0,5] là kích thước mà tại đó có 50% tổng số hạt của mẫu nhỏ hơn và 50% tổng

số hạt của mẫu lớn hơn kích thước này

D [v, 0,9] là kích thước mà tại đó có 90% tổng số hạt của mẫu nhỏ hơn kích thước này

Mẫu 1: Mẫu tinh bột sắn được biến hình ở hàm lượng axit 0,5N 100 ml, thời gian 90 phút và nồng độ tinh bột 33%

Mẫu 2: Mẫu tinh bột sắn được biến hình ở hàm lượng axit 0,5N 150 ml, thời gian 90

phút và nồng độ tinh bột 33%

Bảng 3.4 Đường kính trung bình của tinh bột sắn dây biến hình bằng axit

Tinh bột sắn dây biến hình

Đường kính hạt (m) Tinh bột sắn dây chưa

Mẫu 3: Tinh bột sắn dây được biến hình ở hàm lượng axit 0,5N 100 ml, thời gian 90

phút và nồng độ tinh bột 33%

Mẫu 4: Tinh bột sắn dây được biến hình ở hàm lượng axit 0,5N 150 ml, thời gian 90 phút và nồng độ tinh bột 33%

Mẫu 5: Tinh bột sắn dây được biến hình ở hàm lượng axit 0,5N 150 ml, thời gian 120 phút và nồng độ tinh bột 33%

Bảng 3.5 Đường kính trung bình của tinh bột huỳnh tinh biến hình bằng axit

Tinh bột huỳnh tinh biến hình

Đường kính hạt (m) Tinh bột huỳnh tinh chưa biến hình

Mẫu 6: Tinh bột huỳnh tinh biến hình ở 100 ml axit 0,5N, 90 phút và tinh bột 33% Mẫu 7: Tinh bột huỳnh tinh biến hình ở 150 ml axit 0,5N, 90 phút, tinh bột 33%.Tinh bột huỳnh tinh được biến hình ở hàm lượng axit 0,5N 150 ml, thời gian 90 phút và nồng độ tinh bột 33%

Mẫu 8: Tinh bột huỳnh tinh được biến hình ở hàm lượng axit 0,5N 150 ml, thời gian

120 phút và nồng độ tinh bột 33%

Các kết quả thu được ở bảng 3.3;.3.4 và 3.5 cho thấy kích thước cả ba tinh bột trên

đều tăng lên rõ rệt sau khi được biến hình, bao gồm đường kính theo thể tích hạt, theo tiết diện hạt, đường kính mà tại đó có 10; 50 và 90% (D[v,0,1]; D[v,0,5]; D[v,0,9]) tổng số hạt của mẫu nhỏ hơn nó Mức độ biến hình càng tăng thì kích thước hạt càng tăng Điều này có thể giải thích như sau: Trong quá trình thủy phân tinh bột, các ion H+

xâm nhập vào bên trong lớp vỏ

bằng con đường khuếch tán qua vỏ [42] và tiến hành phân cắt các phân tử tinh hơn nhưng số

lượng phân tử mạch ngắn sẽ tăng lên trong hạt Chính vì vậy mà vỏ hạt phải tự động dãn ra mới có thể đủ sức chứa các mạch phân tử nhỏ mới được tạo thành Do đó kích thước hạt tinh bột tăng lên trong toàn bộ mẫu

Từ các số liệu phân tích thống kê, biểu đồ phân bố kích thước các hạt trình bày trên hình 3.6; 3.7 và 3.8 (được cho bởi giản đồ DSC của phương pháp nhiễu xạ laser)

Mẫu1: có đường kính hạt tập trung nhiều nhất trong khoảng từ 10,48 đến 12,21m

chiếm tỉ lệ 7,80% so với tổng thể tích khối hạt

Mẫu 2: có đường kính hạt tập trung nhiều nhất trong khoảng từ 16,57 đến 19,31m

chiếm tỉ lệ11,95% so với tổng thể tích khối hạt

Hình 3.5 Biểu đồ phân bố kích thước hạt tinh bột sắn biến hình bằng axit

Mẫu 3: có đường kính hạt tập trung nhiều nhất trong khoảng từ 9,00 đến 10,48m

chiếm tỉ lệ 12,42% so với tổng thể tích khối hạt

Mẫu 4: có đường kính hạt tập trung nhiều nhất trong khoảng từ 12,21 đến 14,22m

chiếm tỉ lệ 10,55% so với tổng thể tích khối hạt

Hình 3.6 Biểu đồ phân bố kích thước hạt tinh bột sắn dây biến hình bằng axit

Mẫu 5: có đường kính hạt tập trung nhiều nhất trong khoảng từ 14,22 đến 16,57m

chiếm tỉ lệ 12,37% so với tổng thể tích khối hạt

Mẫu 6: có đường kính hạt tập trung nhiều nhất trong khoảng từ 26,20 đến 30,53m

chiếm tỉ lệ 18,94% so với tổng thể tích khối hạt

Mẫu 7: có đường kính hạt tập trung nhiều nhất trong khoảng từ 30,53 đến 35,56m

chiếm tỉ lệ 10,51% so với tổng thể tích khối hạt

Hình 3.7 Biểu đồ phân bố kích thước hạt tinh bột huỳnh tinh biến hình bằng axit

Qua các biểu đồ trên, chúng tôi thấy khoảng kích thước các hạt tập trung nhiều nhất trong khối hạt đều tăng lên trong quá trình biến hình so với các hạt lúc chưa biến hình [5], nhưng tỉ lệ số hạt đạt được những kích thước này đều giảm đi so với lúc chưa biến hình (dưới 13% chỉ riêng mẫu 6 chiếm tỉ lệ đến trên 18% so với tổng thể tích khối hạt)

3.3 Sự thay đổi nhiệt độ hồ hóa trong quá trình biến hình

Kết quả nghiên cứu ở phần 3.2.1 và 3.2.3 cho thấy, tinh bột axit hóa có sự thay đổi về nhiều tính chất trong đó có sự thay đổi lớn về cấu trúc mạch tinh bột Chính những điều này làm cho nhiệt độ hồ hóa của tinh bột bị thay đổi Bằng phân tích nhiệt vi sai, nhiệt độ hồ hóa của tinh bột biến hình được máy đo hiển thị trên các đồ thị hình 3.8, 3.9, 3.10 và 3.11 Từ đồ thị, nhiệt độ hồ hóa của một số mẫu tinh bột biến hình cho ở bảng 3.6

Hình 3.8 Giản đồ DSC xác định nhiệt độ hồ hóa

của tinh bột huỳnh tinh biến hình ở hàm lượng

axit 175 ml, nồng độ tinh bột 30% và thời gian

là 100 phút.

Hình 3.9 Giản đồ DSC xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột huỳnh tinh biến hình ở hàm lượng axit 150 ml, nồng độ tinh bột 33% và thời gian

90 phút

Hình 3.10 Giản đồ DSC xác định nhiệt độ hồ

hóa của tinh bột huỳnh tinh biến hình ở hàm

lượng axit 175 ml, nồng độ tinh bột 36% và

thời gian 100 phút

Hình 3.11 Giản đồ DSC xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột huỳnh tinh biến hình ở hàm lượng axit 125 ml, nồng độ tinh bột 30% và thời gian là 80 phút

Nhận xét:

Trong phạm vi nghiên cứu, tinh bột biến hình bằng axit có nhiệt độ hồ hóa cao hơn tinh bột chưa biến hình Trong 4 mẫu tinh bột được đem xác định nhiệt độ hồ hóa thì tinh bột nào có mức độ phân cắt cao hơn thì nhiệt độ hồ hóa cao hơn Ví dụ mẫu 4 có mức độ phân cắt mạch lớn nhất nên nhiệt độ hồ hóa cao nhất (71,340

C), mẫu 3 có mức độ phân cắt thấp nhất nên nhiệt độ hồ hóa thu được thấp nhất (65,52 0

C) Điều này phù hợp với lý thuyết đã đưa ra của các tác giả Lê Ngọc Tú [7], Wurzburg [9], thực nghiệm của P.V Hùng [6] và được giải thích như sau: Tinh bột khi bị biến hình sẽ phân cắt thành những phân tử nhỏ hơn, mạch ngắn hơn nhưng không đồng đều Những đoạn mạch dài hơn nằm xen kẽ với những đoạn mạch ngắn làm cản trở quá trình hydrat hóa và trương nở của hạt tinh bột Có thể là do lúc đó trong hạt, mức độ có trật tự của các mixen đã tăng lên, các mạch tinh bột nằm trong vùng vô định hình bị thủy phân nên các mi xen đó đã liên hợp với nhau, tạo ra những mãng mạch khá lớn [7] và vì vậy làm nhiệt độ hồ hóa tăng lên

Bảng 3.6 Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột huỳnh tinh biến hình

Điều kiện biến hình Tên

mẫu Nồng độ tinh

bột (%)

Thể tích axit HCl 0,5N (ml)

Thời gian biến hình (phút)

Nhiệt độ hồ hóa (0C)

4 Kết luận

- Bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm đã xây dựng được phương trình hồi qui mô tả ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến sự thay đổi các tính chất của tinh bột biến hình bằng phương pháp axit: Nồng độ tinh bột càng giảm, hàm lượng axit càng tăng, thời gian biến hình càng tăng làm quá trình biến hình tinh bột càng tăng, làm tăng mức độ phân cắt mạch tinh bột, do đó mức độ trùng hợp và độ nhớt càng giảm, còn chỉ số khử càng tăng

- Bằng các phương pháp vật lý hiện đại (kính hiển vi điện tử quét, nhiễu xạ laser) đã xác định được sự thay đổi hình dáng và kích thước của các tinh bột sắn, sắn dây và huỳnh tinh trong quá trình biến hình axit Các hạt tinh bột đều có kích thước tăng lên so với tinh bột chưa biến hình

- Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột huỳnh tinh biến hình bằng phương pháp axit tăng cao hơn so với tinh bột chưa biến hình

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Cảnh, Qui hoạch thực nghiệm, Trường Đại học Bỏch khoa TP HCM, 1993

[2] Phạm Thị Trõn Chõu (chủ biờn), Nguyễn Thị Hiền, Phựng Gia Tường, Thực hành hoỏ

sinh học, Nhà Xuất bản Giỏo dục, Hà Nội, 1997

[3] Nguyễn Văn Mựi, Thực hành hoỏ sinh học, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2001

[4] Trương Thị Minh Hạnh, Lờ Văn Hoàng, Biện Thị Khỏnh Phước, “Nghiờn cứu biến

hỡnh tinh bột bỡnh tinh bằng phương phỏp axit”, Tạp chớ khoa học và cụng nghệ số 2,

2002, tr 30 – 34

[5] Trương Thị Minh Hạnh, Trần Thị Xụ, Nguyễn Thị Lan, "Nghiờn cứu một số tớnh chất

lý, húa và thành phần húa học của cỏc tinh bột sắn, sắn dõy và huỳnh tinh", Bỏo cỏo

tại hội nghị Hoỏ học toàn quốc lần thứ IV, 10/2003, Tuyển tập Hội nghị, Tiểu ban hoỏ

sinh, tr 15 – 23, 2003

[6] Phạm Văn Hựng, Xỏc định một số tớnh chất của tinh bột sắn, khoai lang, khoai tõy,

dong riềng và nghiờn cứu một số thụng số cụng nghệ trong sản xuất tinh bột biến tớnh bằng axit HCl, Luận văn Cao học, Trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội, 2001

[7] Lờ Ngọc Tỳ (Chủ biờn), Bựi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Ngụ Hữu Hợp, Đặng Thị Thu,

Nguyễn Trọng Cẩn, Hoỏ học thực phẩm, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà

Nội, 1999

[8] Singh S., Ali S Z., “Acid degradation of starch The effect of acid and starch type”,

Carbohydrate polymers 41, pp 191-195, 1997

[9] Wurzburg, O B., Modified starches: Properties and uses, CRC Press, Inc Boca

Raton, Florida, 1984