Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp và sắn dạng hạt qua quá trình xử lý argon plasma ở áp suất thường

Biến tính tinh bột bằng phương pháp Argon-plasma đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhờ vào khả năng tạo liên kết ngang mà không sử dụng các hợp chất hóa học độ

-

NGUYỄN THỊ LÝ

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN TÍNH VÀ SỰ THAY ĐỔI VỀ ĐỘ

TIÊU HÓA IN VITRO CỦA TINH BỘT BẮP VÀ SẮN

DẠNG HẠT QUA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ARGON-PLASMA Ở ÁP SUẤT THƯỜNG

Chuyên ngành : Công nghệ thực phẩm và đồ uống

Mã số : 60 54 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

TS Trịnh Khánh Sơn Cán bộ chấm nhận xét 1 :

GS TS Lưu Duẩn

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

TS Phan Tại Huân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 30 tháng 12 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch Hội đồng: PGS TS Ngô Kế Sương

2 Phản biện 1: GS TS Lưu Duẩn

3 Phản biện 2: TS Phan Tại Huân

4 Ủy viên: TS Trịnh Khánh Sơn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Lý MSHV: 11110206

Ngày, tháng, năm sinh: 24 – 08 – 1988 Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm và đồ uống Mã số : 60 54 02

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột

bắp và sắn dạng hạt qua quá trình xử lý Argon-plasma ở áp suất thường

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu quá trình biến tính tinh bột bắp, sắn dạng hạt bằng Argon-plasma nhằm tạo ra tinh bột liên kết ngang

2 Đánh giá sự thay đổi về cấu trúc hóa học, đặc điểm hình thái, màu sắc và khả năng bền nhiệt của tinh bột trước và sau xử lý Argon-plasma ở áp suất thường thông qua các phép đo FTIR, SEM, không gian màu Lab và TGA

3 Nghiên cứu độ tiêu hóa in vitro của tinh bột trước và sau xử lý Argon-plasma ở

áp suất thường

4 Mô tả đặc điểm hình thái của tinh bột sau khi enzyme tiêu hóa tấn công bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24-06-2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22-11-2013

LỜI CẢM ƠN

Con xin được khắc ghi công ơn cha mẹ và các thành viên trong gia đình, những người đã nuôi dưỡng, dạy dỗ, động viên và chia sẻ cùng con những vui buồn trong cuộc sống

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trịnh Khánh Sơn đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em và giúp em có điều kiện thuận lợi để thực hiện luận văn

Em xin trân trọng biết ơn quý thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm thuộc Khoa Kỹ Thuật Hóa Học – Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, lãnh đạo và các anh chị thuộc Trung Tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Công Nghệ Bức Xạ, Trung Tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Khu Công Nghệ Cao đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em thực hiện luận văn này

Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên cao học khoá 2011,

2012 đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Tp HCM, tháng 12 năm 2013

Học viên cao học

ABSTRACT

Tapioca and maize starches have been widely used in the food industry However, native starches have limited in industrial applications Thus, food scientists try to modify the properties of starch such as heat stability, theology, texture… In our current study, granular tapioca and maize starches were treated by atmospheric Argon-plasma from 5 to 40 minutes at 4 to 9 KV Structural properties

of starch samples were characterized using FTIR spectroscopy and thermalgravimetric analyzer The positive correlations between the degree of cross-linking, morphological properties and digestibility (especially in RS content) were investigated The results showed that the highest degree of cross-linking of treated tapioca starch (2.47 times higher than that of native starch), was reached under 10 minutes, and 8 kW of treatment Besides, the highest degree of cross-linking of treated maize starch, two times higher than that of native, were reached under 20 minutes, and 6 kW of treatment The morphology of treated tapioca and maize starches showed slight changes in shape, sizes and colour compared with that of native starch The behavior of native and treated starches under enzymatic digestion was obviously different depending on starch sources Argon-plasma treatment prevents starch granules from the digestion reflected in high content of resistant starch In summary, atmospheric Argon-plasma treatment is possible for heat stable

RS production

TÓM TẮT

Tinh bột sắn và bắp đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm Tuy nhiên, tinh bột thô bị giới hạn trong các ứng dụng công nghiệp Do đó, các nhà khoa học thực phẩm cố gắng sửa đổi các thuộc tính của tinh bột như sự ổn định nhiệt, kết cấu, Trong nghiên cứu của chúng tôi, biến tính hạt tinh bột sắn và bắp bằng xử lý Argon-plasma ở áp suất thường với khoảng thời gian từ 5 đến 40 phút và điện áp xử lý từ 4 kV đến 9 kV Đặc tính cấu trúc của mẫu tinh bột được phân tích bằng quang phổ FTIR và nhiệt trọng lượng Mối tương quan giữa mức độ liên kết ngang, đặc điểm hình thái và khả năng tiêu hóa (đặc biệt là hàm lượng RS )

đã được nghiên cứu Kết quả cho thấy rằng ở tinh bột sắn mức độ liên kết ngang đạt cao nhất khi xử lý mẫu ở 10 phút, 8kV (gấp 2,47 lần so với đối chứng) Bên cạnh đó mức độ liên kết ngang đạt cao nhất trong tinh bột bắp xử lý gấp 2 lần mẫu thô khi

xử lý mẫu ở 20 phút, 6 kV Hình thái học của tinh bột sắn và bắp xử lý cho thấy những thay đổi nhỏ trong hình dạng, kích thước và màu sắc so với tinh bột thô Trạng thái của tinh bột thô và tinh bột xử lý khi tác dụng với enzyme tiêu hóa cho thấy sự phụ thuộc vào nguồn gốc tinh bột Xử lý Argon-plasma ngăn chặn hạt tinh bột tiêu hóa điều này phản ánh hàm lượng tinh bột trơ trong tinh bột Tóm lại, xử lý Argon-plasma trong khí quyển có thể sản xuất ra tinh bột trơ (RS) bền nhiệt

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa

in vitro của tinh bột bắp và sắn dạng hạt qua quá trình xử lý Argon-plasma ở áp suất

thường” là của riêng tôi Luận văn đã sử dụng thông tin từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau và được trích rõ nguồn gốc trong phần tài liệu tham khảo Mọi kết quả ghi nhận được trong luận văn là số liệu thật thu được từ các thí nghiệm

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

ABSTRACT iv

TÓM TẮT v

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC BẢNG xi

DANH MỤC BIỂU ĐỒ xii

CHỮ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Cơ sở khoa học, tính thực tiễn và ý nghĩa của đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Giới thiệu chung 4

2.2 Tinh bột 5

2.2.1 Thành phần và cấu tạo hóa học 5

2.2.2 Hình dạng, kích thước của hạt tinh bột tự nhiên 9

2.3 Tinh bột biến tính 10

2.3.1 Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học 10

2.3.1.1 Tinh bột liên kết ngang 11

2.3.1.2 Tinh bột ester 11

2.3.1.3 Tinh bột ether 13

2.3.2 Biến tính tinh bột bằng phương pháp enzyme 13

2.3.3 Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý 14

2.3.3.1 Xử lý nhiệt ẩm 15

2.3.3.2 Ủ 15

2.3.3.3 Hồ hóa 15

2.3.3.4 Xử lý plasma 16

2.4 Các phân đoạn tiêu hóa của tinh bột 18

2.4.1 Tinh bột tiêu hóa nhanh (Rapidly Digestible Starch – RDS) 19

2.4.2 Tinh bột tiêu hóa chậm (Slowly Digestible Starch – SDS) 19

2.4.3 Tinh bột trơ (Resistant Starch – RS) 19

2.5 Các công trình nghiên cứu trước đây 21

2.5.1 Nghiên cứu về tinh bột biến tính bằng phương pháp Argon-plasma 21

2.5.2 Nghiên cứu về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột liên kết ngang 22

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 24

3.1 Địa điểm và thời gian tiến hành thí nghiệm 24

3.2 Nguyên liệu 24

3.2.1 Tinh bột sắn 24

3.2.2 Tinh bột bắp 24

3.2.3 Enzyme 25

3.3 Thiết bị và dụng cụ 25

3.4 Hóa chất 29

3.5 Phương pháp nghiên cứu 30

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và điện áp xử lý Argon-plasma lên cấu trúc của tinh bột sắn và bắp 30

3.5.2 Mô tả đặc điểm cấu trúc tinh bột bằng phổ hồng ngoại FTIR 31

3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của liên kết ngang đến khả năng chịu nhiệt của mẫu tinh bột sắn, bắp 32

3.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của xử lý Argon-plasma lên đặc điểm hình thái của tinh bột sắn, bắp 33

3.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của xử lý Argon-plasma lên màu sắc của tinh bột sắn, bắp 34

3.5.6 Xác định khả năng tiêu hóa in vitro của mẫu tinh bột sau xử lý plasma bằng enzyme pancreatin và amyloglucosidase 34

3.5.7 Khảo sát ảnh hưởng của enzyme tiêu hóa lên đặc điểm hình thái của tinh bột sắn, bắp 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36

4.1 Biến tính tinh bột sắn và bắp bằng phương pháp Argon-plasma ở áp suất thường 36

4.1.1 Mô tả đặc điểm của tinh bột bằng phổ FTIR 36

4.1.2 Mức độ liên kết ngang 39

4.1.2.1 Mức độ liên kết ngang trong tinh bột sắn 39

4.1.2.2 Mức độ liên kết ngang trong tinh bột bắp 42

4.1.3 Nhiệt trọng lượng (TGA) của tinh bột 45

4.1.3.1 Nhiệt trọng lượng (TGA) của tinh bột sắn 45

4.1.3.2.Nhiệt trọng lượng (TGA) của tinh bột bắp 47

4.1.4 Đặc điểm hình thái 49

4.1.4.1 Đặc điểm hình thái của tinh bột sắn 49

4.1.4.2 Đặc điểm hình thái của tinh bột bắp 51

4.2 Mức độ tiêu hóa in vitro và đặc điểm hình thái của tinh bột 53

4.2.1 Mức độ tiêu hóa in vitro 53

4.2.1.1 Mức độ tiêu hóa in vitro của tinh bột sắn 53

4.2.2.2 Mức độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp 55

4.2.2 Đặc điểm hình thái hạt tinh bột sau khi do enzyme tiêu hóa tấn công 58

4.2.2.1 Tinh bột sắn 58

4.2.2.2 Tinh bột bắp 59

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

5.1 Kết luận 61

5.2 Kiến nghị 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc của amylopectin 6

Hình 2.2 Cấu tạo của amylose, amylopectin 7

Hình 2.3 Tinh bột biến tính bằng phương pháp hóa học 10

Hình 2.4 Cấu trúc của hạt tinh bột liên kết ngang 11

Hình 2.5 Tác động của các nhóm thế trên phân tử tinh bột biến tính 12

Hình 2.6 Cơ chế thủy phân mạch tinh bột của các enzyme 14

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý tạo plasma 17

Hình 2.8 Các loại tinh bột RS 20

Hình 3.9 Thiết bị chiếu plasma bề mặt 25

Hình 3.10 Thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR 26

Hình 3.11 Thiết bị đo UV-vis 26

Hình 3.12 Thiết bị đo nhiệt trọng lượng 27

Hình 3.13 Thiết bị chụp kính hiển vi điện tử quét 27

Hình 3.14 Thiết bị sấy 28

Hình 3.15 Thiết bị ly tâm 28

Hình 3.16 Bể điều nhiệt 28

Hình 3.17 Cân 29

Hình 3.18 Sơ đồ nghiên cứu 30

Hình 3.19 Quy trình chiếu Argon-plasma trên tinh bột sắn, bắp 31

Hình 3.20 Quy trình đo phổ FTIR trên tinh bột sắn, bắp 32

Hình 3.21 Quy trình đo TGA trên tinh bột sắn, bắp 33

Hình 4.22 Quang phổ FTIR của tinh bột sắn 37

Hình 4.23 Quang phổ FTIR của tinh bột bắp 38

Hình 4.24 Đường cong TGA của tinh bột sắn 46

Hình 4.25 Đường cong TGA của tinh bột bắp 48

Hình 4.26 Hiển vi điện tử quét trên mẫu tinh bột sắn thô 50

Hình 4.27 Hiển vi điện tử quét trên mẫu tinh bột bắp thô 52

Hình 4.28 Hiển vi điển tử quét trên hạt tinh bột sắn tiêu hóa 59

Hình 4.29 Hiển vi điển tử quét trên hạt tinh bột bắp tiêu hóa 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Phổ FTIR cho phân tử tinh bôt 8

Bảng 2.2 Đường kính của một số hạt tinh bột điển hình 9

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu chất lượng nguyên liệu bột sắn 24

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu chất lượng nguyên liệu bột bắp 24

Bảng 4.5 Đỉnh hấp thu các nhóm chủ yếu của tinh bột sắn 37

Bảng 4.6 Đỉnh hấp thu các nhóm chủ yếu của tinh bột bắp 38

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của điện áp và thời gian xử lý Argon-plasma đến mức độ hình thành liên kết ngang trong sản phẩm tinh bột sắn biến tính 41

Bảng 4.8 Ảnh hưởng của điện áp và thời gian xử lý Argon-plasma đến mức độ hình thành liên kết ngang trong sản phẩm tinh bột bắp biến tính 44

Bảng 4.9 Mức độ hao hụt khối lượng của tinh bột sắn khi phân tích TGA 47

Bảng 4.10 Mức độ hao hụt khối lượng của tinh bột bắp khi phân tích TGA 49

Bảng 4.11 Màu sắc của tinh bột sắn 50

Bảng 4.12 Màu sắc của tinh bột bắp 52

Bảng 4.13 Mối tương quan giữa hàm lượng RDS, SDS và RS và mức độ liên kết ngang của tinh bột sắn 54

Bảng 4.14 Mối tương quan giữa hàm lượng RDS, SDS và RS và mức độ liên kết ngang của tinh bột bắp 57

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 4.1 Cường độ đỉnh của mẫu tinh bột sắn theo mức độ liên kết ngang 42 Biểu đồ 4.2 Đỉnh OH ở các nghiệm thức với mức độ liên kết ngang khác nhau 45 Biểu đồ 4.3 Mối tương quan giữa mức độ liên kết ngang và hàm lượng RS trong tinh bột sắn 55 Biểu đồ 4.4 Mối tương quan giữa mức độ liên kết ngang và hàm lượng RS trong tinh bột bắp 58

CHỮ VIẾT TẮT

FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy SEM: Scanning Electron Microscope

TGA: Thermogravimetric analysis

RDS: Rapidly digestible starch

SDS: Slowly digestible starch

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa rất thuận lợi cho phát triển nhiều loại cây trồng Trong đó, cây lương thực chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất nông nghiệp và là nguồn nguyên liệu chủ yếu của ngành công nghiệp sản xuất tinh bột

Hàng năm, trên thế giới ước tính có khoảng sáu mươi triệu tấn tinh bột được sản xuất ra từ các loại ngũ cốc, cây lấy củ để sử dụng trong nhiều loại sản phẩm khác nhau như: chất ổn định trong soup, chất kết dính, nguồn carbon trong sản xuất ethanol,…[62] Ở nước ta theo niên giám thống kê năm 2011, diện tích trồng bắp là 1081,5 nghìn ha và sản lượng đạt 4646,4 nghìn tấn; diện tích trồng sắn là 559,8 nghìn ha và sản lượng đạt 9875,2 nghìn tấn Mặc dù nguồn tinh bột bắp và sắn dồi dào như vậy nhưng đời sống của nông dân vẫn còn rất khó khăn do sản phẩm có giá trị thương mại thấp và chưa đáp ứng được yêu cầu trong các ứng dụng và gia công

Do đó, việc biến tính nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn là một nhu cầu bức thiết [63]

Tính đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về biến tính tinh bột Trong đó phương pháp tạo tinh bột liên kết ngang là một trong các hướng đi rất được quan tâm Liên kết ngang như là “mối hàn điểm” ở các vị trí ngẫu nhiên bên trong cấu trúc của tinh bột, làm cấu trúc tinh bột thêm vững chắc, bền với thời gian nấu kéo dài, bền với môi trường acid và hạn chế khả năng bị thủy phân bởi các enzyme amylase [3,4]

Biến tính tinh bột bằng phương pháp Argon-plasma đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhờ vào khả năng tạo liên kết ngang mà không sử dụng các hợp chất hóa học độc hại Argon là một khí không màu, không mùi, không gây phản ứng hóa học với mẫu xử lý nhưng lại có khả năng truyền tải phản ứng lên bề mặt mẫu thông qua các điện tử, ion trong quá trình xử lý plasma Bên cạnh đó loại khí này khá phổ biến, chi phí thấp, sẵn có và cho năng suất cao khi

xử lý [5,6] Các nghiên cứu về tinh bột liên kết ngang được tạo thành bởi phương pháp Argon-plasma trước đây chỉ mới tập trung mô tả các tính chất hóa học mà ít đề cập đến tính chất hóa lý và độ tiêu hóa [7]

Từ những lý do nêu trên chúng tôi lựa chọn vấn đề : “Nghiên cứu sự biến tính

và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp và sắn dạng hạt qua quá trình

xử lý bằng Argon-plasma ở áp suất thường” làm luận văn thạc sỹ của mình

1.2 Cơ sở khoa học, tính thực tiễn và ý nghĩa của đề tài

Trong điều kiện thường các chất khí ở trạng thái trung hòa về điện Khi có một dòng điện (dòng các điện tử tự do) chạy qua chất khí thì tình trạng cân bằng sẽ biến mất Các điện tử tự do va chạm với các nguyên tử khí làm cho các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử đó bắn ra Khi bị mất một hoặc vài điện tử, nguyên

tử trở thành phần tử mang điện dương (ion dương) Khi đó, chất khí trở thành plasma Tinh bột dưới tác dụng của các hạt electron, nguyên tử, phân tử, và ion được phát ra từ plasma sẽ bị thay đổi cấu trúc trong đó có sự tạo thành các liên kết ngang [5,8,9]

Tao tinh bột liên kết ngang bằng phương pháp Argon-plasma là phương pháp còn khá mới với một số công trình nghiên cứu đã được công bố của các tác giả như Deeyai và cộng sự (2012), Cheng-yi Lii và cộng sự (2001) Đây là nền tảng và cơ

sở khoa học để chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu của mình Thông qua đề tài

“Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp và

sắn dạng hạt qua quá trình xử lý Argon-plasma ở áp suất thường” chúng tôi sẽ làm

sáng tỏ hơn cấu trúc, tính chất hóa lý và độ tiêu hóa của tinh bột liên kết ngang từ

đó đề xuất một phương pháp sản xuất tinh bột có hàm lượng RS cao

Nghiên cứu này có thể làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên ngành công nghệ thực phẩm và những người quan tâm

1.3 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu quá trình biến tính tinh bột bắp, sắn dạng hạt bằng Argon-plasma nhằm

tạo ra tinh bột liên kết ngang

- Đánh giá sự thay đổi về cấu trúc hóa học, đặc điểm hình thái, màu sắc và khả năng bền nhiệt của tinh bột trước và sau xử lý Argon-plasma ở áp suất thường thông qua các phép đo FTIR, SEM, không gian màu Lab và TGA

- Nghiên cứu độ tiêu hóa in vitro của tinh bột trước và sau xử lý Argon-plasma ở áp suất thường

- Mô tả đặc điểm hình thái của tinh bột sau khi enzyme tiêu hóa tấn công bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu chung

Tinh bột là chất dinh dưỡng dự trữ của thực vật, có nhiều trong tự nhiên, được tạo thành do kết quả quá trình quang hợp của cây xanh Nó là nguồn cung cấp carbohydrate quan trọng trong chế độ dinh dưỡng của người cũng như nhiều loài động vật [10] Polymer sinh học này có nhiều trong bắp, sắn,…với hàm lượng tinh bột từ 65 đến 90% (hàm lượng chất khô) Tinh bột từ nhiều nguồn khác nhau sẽ có hình dạng, kích thước và thành phần thay đổi Các nguồn tinh bột tự nhiên nói chung và sắn, bắp nói riêng hiện đều có sẵn trên thị trường [11]

Sắn còn gọi là khoai mì (Manihot esculenta Crantz), tiếng Anh là cassava hoặc

tapioca, có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới châu Mỹ La Tinh và được trồng cách đây khoảng 5000 năm Hiện nay, sắn đã có mặt trên 100 nước vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới Năm 2006 và 2007, sản lượng sắn thế giới đạt 226,34 triệu tấn củ tươi so với

2005 là 211,26 triệu tấn Nước có sản lượng sắn nhiều nhất là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn) Việt Nam đứng thứ mười về sản lượng sắn và là nước thứ ba sau Thái Lan và Indonesia về xuất khẩu tinh bột sắn trên thế giới Sắn có nhiều công dụng trong chế biến công nghiệp, thức ăn gia súc và lương thực thực phẩm [1] Trong số các loại cây lương thực có khả năng cho tinh bột thì sắn cung cấp carbohydrate lớn nhất cho người và động vật cao hơn khoảng 40% so với gạo và 25% so với bắp [12] Trong sắn, protein chiếm 0,1 g/100 g và lipid 0,1 g/100 g [13]

Bắp còn gọi là ngô (Zea mays L), tiếng Anh là maize được gieo trồng rộng

khắp thế giới với sản lượng hàng năm rất cao Bắp là một trong những loại cây lương thực quan trọng của nước ta và thế giới Nhờ giá trị dinh dưỡng cao, có nơi bắp đã thay thế gạo trong bữa ăn hàng ngày của người dân Bên cạnh vai trò cung cấp lương thực cho con người, bắp còn là nguyên liệu quan trọng của công nghiệp chế biến thức ăn gia súc và công nghệ sinh học, nhiều nước đang sử dụng bắp để chế biến ethanol - năng lượng sạch cho tương lai [14] Trong bắp hàm lượng protein chiếm khoảng 0,3 g/100 g và lipid 0,8 g/100 g [13]

Cân bằng đường huyết, tính toàn vẹn và chức năng của hệ tiêu hóa được duy trì bởi chế độ ăn uống Chế độ ăn uống nhiều carbohydrate làm tăng khả năng phát bệnh béo phì và một số bệnh liên quan Để tránh béo phì, tiểu đường và tim mạch việc duy trì cân bằng năng lượng là cần thiết Nguồn carbohydrate cung cấp cho con người khoảng 50-55% năng lượng cho mục đích dinh dưỡng [15] Bằng nghiên cứu của mình Englyst đã giúp ta phân tích động học tiêu hóa tinh bột Trong đó có ba loại tinh bột là tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột trơ (RS) Trong đó sự hình thành SDS và RS đóng vai trò như thực phẩm chức năng, các nghiên cứu về cấu trúc của chúng đang thu hút nhiều nhà khoa học trên thế giới [16]

Tinh bột tự nhiên có nhiều bất lợi trong các ứng dụng công nghiệp cũng như dinh dưỡng Tuy nhiên, nhược điểm này có thể được khắc phục bằng các phương pháp biến tính tinh bột như vật lý, hóa học và enzyme [17] Các nghiên cứu ngày nay tập trung vào phương pháp tạo ra tinh bột biến tính không sử dụng các chất hóa học Phương pháp vật lý có thể tạo tinh bột liên kết ngang một cách độc lập hoặc kết hợp với một số phương pháp khác để đạt được mục đích mong muốn Xử lý Argon-plasma được coi là phương pháp an toàn hơn so với sử dụng hóa chất vì không để lại dư lượng chất hóa học trong thực phẩm [5] Để đat được hiệu quả xử lý cao nhất, không làm phá hủy cấu trúc dạng hạt, tinh bột cần được duy trì ở mức ẩm

độ thấp, thời gian và điện áp xử lý nhất định

Ngoài phương pháp hóa học và vật lý ta có thể sử dụng enzyme để biến tính tinh bột Tùy thuộc vào mục đích khác nhau mà có thể sử dụng những loại enzyme sau: amylases (thủy phân liên kết α-D(1-4) glucosidic), iso-amylase (thủy phân liên kết α-D(1-6) glucosidic) và glucosyltransferases (chuyển liên kết α-D(1-4) glucosidic),…[14]

2.2 Tinh bột

2.2.1 Thành phần và cấu tạo hóa học

Tinh bột là một polysaccharide có hai thành phần chính là amylose và amylopectin Phân tử amylose có dạng mạch thẳng ít phân nhánh được tạo thành bởi các đơn phân glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-D(1-4) glycosidic Hàm

lượng amylose chiếm khoảng 20 - 30% khối lượng tinh bột Amylose có mức độ polymer hóa (DP) từ 500 - 600, khối lượng phân tử trong khoảng 107- 109 g/mol Mạch phân tử amylose dài có thể hình thành cấu trúc xoắn helix dạng đơn hoặc đôi Nhiều phân tử như iodine, lipid, các acid béo và các hydroxycarboxylic có khả năng

tạo thành phức dạng mắt lưới với amylose [18]

Tỷ lệ giữa lượng amylose và amylopectin khác nhau giữa các loại tinh bột Trong tinh bột thường, hàm lượng amylopectin khoảng 75% [19] Phân tử amylopectin ngoài liên kết α-D(1-4) glycosidic còn có liên kết α-D(1-6) glycosidic với tỷ lệ 4 - 5% ( hình 2.1 và 2.2) [11,20] Amylopectin là một trong số các đại phân

tử sinh học lớn nhất trong tự nhiên với mức độ polymer hóa (DP) trung bình là 2×106 và khối lượng phân tử lớn gấp vài lần so với phân tử amylose Trong phân tử amylopectin giữa các điểm phân nhánh có khoảng 20 - 25 phân tử glucose Hầu hết phân tử amylopectin có 3 loại mạch khác nhau về chiều dài Mạch nhánh ngoài cùng được gọi là chuỗi A, chuỗi A được gắn lên chuỗi B, chuỗi B được gắn lên chuỗi B (B1, B2, B3 và B4) khác hoặc được gắn lên chuỗi C Mỗi phân tử amylopectin chỉ có 1 chuỗi C duy nhất hình 2.1 [21]

Hình 2.1 Cấu trúc của amylopectin [19]

Tinh bột có hàm lượng amylose cao làm giảm khả năng thủy phân của enzyme amylase Các nghiên cứu trước đây cho thấy mối tương quan cao giữa hàm lượng amylose trong tinh bột và tỷ lệ RS [22] Tỷ lệ amylose/amylopectin có mối liên hệ chặt chẽ với chỉ số đường huyết và lượng insulin [24] Chỉ số glyacemic và insulin sau bữa ăn đối với tinh bột bắp đã được nghiên cứu và nhận thấy bữa ăn nhiều tinh bột bắp có hàm lượng amylose cao (70%) thì có RS 20 g/100 g chất khô cao hơn so với bột bắp bình thường (25% amylose) chỉ có 3 g/100 g chất khô [23]

Hình 2.2 Cấu tạo của (a) amylose, (b) amylopectin [17]

Ngày nay bằng phương pháp phổ FTIR các nhà khoa học có thể định tính, định lượng và mô tả cấu trúc trong phân tử từ đó giúp phân loại và dự báo các tính chất lý hóa của tinh bột [2] Trong phân tích, vùng phổ có ý nghĩa thực tiến quan trọng là giữa 4000 và 400 cm-1

1242 cm-1 là do các CH2OH Các giao động liên quan đến nguyên tử carbon và hydro được quan sát ở vùng phổ 1500 - 1300 cm-1 Sự hấp thu tại đỉnh 1344 cm-1 là

do nhóm CH2 Những giao động trong vùng 900 - 950 cm -1

có nguồn gốc từ liên kết glycosis C-O-C [25,26]

Phân tử nước hấp thu trong vùng vô định hình của tinh bột có thể được xác định tại tần số 1637 cm-1 Vùng này liên quan đến sự kết tinh của tinh bột Khi mức

độ kết tinh của tinh bột tăng, độ hấp thu của đỉnh 1637 cm-1 trong quang phổ hồng ngoại trở nên yếu và hầu như không thể quan sát được Nghiên cứu trên tinh bột khoai tây tần số này dịch chuyển đến tần số 1642 cm-1 điều đó theo tác giả là do sự khác biệt về loại tinh thể trong tinh bột

Vùng phổ 3000 - 2800 cm-1: hấp thu ánh sáng giao động biến dạng CH2 Ngoài ra các nhà khoa học cũng có thể xác định được sự thay đổi về tính chất vật lý, hóa học của vật liệu bằng cách phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) thông qua hàm nhiệt độ hoặc hàm thời gian TGA có thể cung cấp thông tin về các hiện tượng vật lý như: sự chuyển pha bao gồm thăng hoa, hấp thụ, hấp phụ,… hoặc các hiện tượng hóa học như hiện tượng mất nước, phân hủy, các quá trình oxy hóa [53]

Bảng 2.1 Phổ FTIR cho phân tử tinh bôt

2.2.2 Hình dạng, kích thước của hạt tinh bột tự nhiên

Hình dạng của hạt tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật Điều này cho thấy yếu tố di truyền có ảnh hưởng rất lớn Các hạt có kích thước rất nhỏ được tìm thấy trong tinh bột gạo, yến mạch; kích thước lớn hơn được tìm thấy trong tinh bột chuối, khoai tây [13] Hạt tinh bột nhỏ thì khả năng thủy phân bởi enzyme cao hơn

so với hạt tinh bột có kích thước lớn do diện tích tiếp xúc lớn hơn [30] Đường kính một số hạt tinh bột điển hình được thể hiện ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Đường kính của một số hạt tinh bột điển hình [29]

Ngày nay, bằng phương pháp chụp hình nhờ hiển vi điện tử quét, hình dạng và kích thước của tinh bột đã được quan sát rõ ràng Tinh bột sắn có màu rất trắng, bề mặt nhẵn, có hình nón hay hình trứng vát đầu, có một chỗ lõm và núm ở giữa [13]

2.3 Tinh bột biến tính

Biến tính tinh bột là cách để làm thay đổi cấu trúc nhằm nâng cao và mở rộng ứng dụng của nó Những thay đổi diễn ra ở cấp độ phân tử có ít hoặc không có sự thay đổi xuất hiện bên ngoài hạt tinh bột [3]

Tinh bột biến tính đã khắc phục được những yếu tố bất lợi của tinh bột tự nhiên như không tan trong nước, độ nhớt thấp, quá trình thoái hóa xảy ra sau khi tinh bột đã qua hồ hóa nhờ các phương pháp vật lý, hóa học và enzyme

2.3.1 Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học

Biến tính bằng phương pháp hóa học được thực hiện trên ba trạng thái của tinh bột là huyền phù, bột nhão và rắn Các biến đổi hóa học phổ biến nhất gồm: quá trình oxy hóa, ester hóa, ether hóa, và liên kết ngang Kết quả làm tăng cường sự ổn định của các phân tử tinh bột trước các tác động của cơ học, acid, nhiệt độ [31]

Hình 2.3 Tinh bột biến tính bằng phương pháp hóa học [32]

Este hóa Oxi hóa

Liên kết ngang Ether hóa

2.3.1.1 Tinh bột liên kết ngang

Tinh bột chứa nhóm hydroxyl, quan trọng nhất là ở vị trí C-6 kế tiếp là C-2 và C-3 Những nhóm hydroxyl này có thể phản ứng với các tác nhân đa chức năng trên cùng một phân tử hay trên các phân tử tinh bột khác nhau kết quả hình thành lên liên kết ngang trong tinh bột Liên kết ngang giúp củng cố cấu trúc hạt tinh bột, hạn chế sự trương nở, chịu được các quá trình gia công khắc nghiệt như nhiệt độ cao, khấy trộn mạnh hay môi trường acid [31] Tinh bột liên kết ngang với tỷ lệ hồ hóa chậm được sử dụng trong thực phẩm đóng hộp, trong súp, nước thịt, nước sốt, bánh,

và các loại thực phẩm chiên Các nhân tố quan trọng trong việc tạo các liên kết ngang gồm: thành phần hóa chất, nồng độ hóa chất sử dụng, thời gian và nhiệt độ phản ứng [33]

Tác nhân tạo liên kết ngang được FDA cho phép gồm: phosphorous oxychloride (POCl3), sodium trimetaphosphate (Na3P3O9) và hỗn hợp sodium trimetaphosphate và sodium tripolyphosphate để tạo ra các sản phẩm distarch phosphate, hỗn hợp adipic alhydride và acetic alhydride để tạo distarch adipate [17]

Hình 2.4 Cấu trúc của hạt tinh bột liên kết ngang 2.3.1.2 Tinh bột ester

Tinh bột este là tinh bột biến tính trong đó một số nhóm hydroxyl đã được thay thế bởi các nhóm este Mức độ thế (DS) có thể đạt tối đa là 3,0 khi cả ba nhóm hydroxyl được thay thế trên mỗi phân tử đường glucose của cùng một chuỗi tinh bột DS có thể được tính bằng phương trình sau đây [31]:

Trong đó: W là % khối lượng của nhóm thế

M là trọng lượng của nhóm thế

Các chất phản ứng được FDA chấp nhận sử dụng trong thực phẩm là acetic anhydride, vinyl acetate, succinic anhydride, 1-octenyl succinic anhydride, và sodium tripolyphosphate Trong đó tinh bột acetate được tạo ra do phản ứng tinh bột với acetic anhydride; tinh bột succinat và tinh bột alkenylsuccinate được sản xuất bởi phản ứng của tinh bột với succinic anhydride và alkenyl; tinh bột phosphate kết quả từ phản ứng của tinh bột với tripolyphosphate và / hoặc trimetaphosphate

Hình 2.5 Tác động của các nhóm thế trên phân tử tinh bột biến tính

Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột bắp acetate thấp hơn rõ rệt so với tinh bột bắp tự nhiên Kết quả này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong trường hợp bắp có hàm lượng amylose cao Vì tinh bột có hàm lượng amylose lớn hơn hoặc bằng 50% sẽ không hồ hóa trong nước sôi Chúng phải được đun nóng ở nhiệt độ 160oC dưới áp lực thì mới đạt được trạng thái hồ hóa Tinh bột acetate từ bắp, sắn rất phù hợp khi

sử dụng trong thực phẩm [31] Cũng theo tác giả sự hiện diện của các nhóm succinate ưa nước trong tinh bột bắp làm tăng độ nhớt lên đáng kể

Hoa chất sửa đổi

Mô tả hoạt động kìm hãm ( ưa nước/ kị nước)

2.3.1.3 Tinh bột ether

Không giống các liên kết este (tinh bột acetate) có xu hướng loại bỏ các nhóm acetyl dưới điều kiện kiềm, các liên kết ether lại ổn định ngay cả ở pH cao Quá trình ether hóa giúp cho tinh bột đạt được mức độ ổn định cao nhất về độ nhớt, giảm nhiệt độ hồ hóa, ổn định ở nhiệt độ thấp Do đó loại tinh bột này được sử dụng trong loại thực phẩm được bảo quản ở nhiệt độ thấp [31]

2.3.2 Biến tính tinh bột bằng phương pháp enzyme

Có rất nhiều enzyme được sử dụng trong quá trình thủy phân tinh bột nhằm đạt được chức năng mong muốn Trong đó phổ biến nhất là α-amylase, β-amylase

và glucoamylase Các enzyme này đã được phân lập từ nấm, nấm men, vi khuẩn và thực vật

 α-amylase

Enzyme α-amylase có khả năng phân cách các liên kết α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hoặc glycogen) một cách ngẫu nhiên α-amylase không chỉ thủy phân hồ tinh bột mà còn thủy phân cả hạt tinh bột nguyên Dưới tác dụng của α-amylase, tinh bột có thể chuyển thành các maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp Do đó tính chất của tinh bột thay đổi và được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm, chất tẩy rửa và chất kết dính [31]

 Glucoamylase

Glucoamylase có khả năng tách β-D-glucose từ đầu không khử của 1,4-α-D-glucan Nhánh α-1,6 của amylopectin được tách ra chậm hơn 30 lần so với nhánh α-1,4 nếu không sử dụng enzyme Glucoamylase được sản xuất từ vi khuẩn hoặc nấm mốc Enzyme này được ứng dụng trong sản xuất dịch D-glucose

Hình 2.6 Cơ chế thủy phân mạch tinh bột của các enzyme

Uthumporn và cộng sự (2010), khi thủy phân tinh bột bắp, sắn, đậu xanh và cọ bằng hỗn hợp enzyme α-amylase và glucoamylase ở 35oC trong 24 giờ Tác giả kết luận mức độ thủy phân của tinh bột bắp là cao nhất với sự xuất hiện các lỗ rỗng bên trong hạt tinh bột, với tinh bột sắn có hiện tượng bào mòn trên bề mặt hạt, hạt đậu xanh và cọ thì xuất hiện cấu trúc xốp Như vậy enzyme có khả năng thủy phân tinh bột tự nhiên ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa và làm thay đổi đặc tính của tinh bột như sự trương nở và khả năng hòa tan của tinh bột [34]

2.3.3 Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý

Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp hóa học để làm thay đổi cấu trúc dạng hạt và chuyển đổi tinh bột thành tinh bột có thể hòa tan trong nước hoặc tinh bột có mầm tinh thể nhỏ [31] Dưới đây là một số phương pháp hay được sử dụng trong biến tính tinh bột bắp và sắn

2.3.3.1 Xử lý nhiệt ẩm

Tinh bột được xử lý ở nhiệt độ 100 - 120oC trong 16 giờ với ẩm độ < 35% Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình xử lý gồm: hàm lượng amylose, sự tác động qua lại giữa các phân tử tinh bột và sắp xếp lại chuỗi amylose trong cấu trúc vô định hình Tinh bột sau quá trình xử lý có khả năng ổn định nhiệt, tăng nhiệt độ hồ hóa,

độ nhớt không đổi trong môi trường có pH thấp hơn 4.5 [31,32]

Xử lý nhiệt ẩm trên các tinh bột như bắp, lúa mì, khoai lang, khoai tây không ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của hạt Tuy nhiên, kiểu hình tinh thể thay đổi từ loại B đến A (hoặc C) đối với tinh bột khoai tây và khoai lang và từ loại C đến loại A đối với tinh bột sắn sau khi xử lý nhiệt ẩm Tinh bột khoai tây xử lý nhiệt

ẩm có thể được sử dụng để thay thế tinh bột bắp trong thời gian thiếu hụt bắp Tinh bột sắn xử lý nhiệt ẩm có thể được sử dụng làm chất độn trong thực phẩm [31]

2.3.3.2 Ủ

Ủ là phương pháp vật lý xảy ra khi tinh bột có hàm lượng nước trong khoảng

từ 40 đến 55% w/w tại nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ hồ hóa trong thời gian nhất định

Ủ làm tăng nhiệt độ hồ hóa của tinh bột Tuy nhiên trong ứng dụng thực tế thường người ta chỉ áp dụng làm bước đệm trong quá trình chế biến như ngâm trong quá trình xay xát bắp [31]

Ủ không làm thay đổi cấu trúc dạng hạt của tinh bột Nhưng có thể gây ra sự hình thành phức amylose-lipid tuy nhiên phức hợp mới không làm ảnh hưởng đến phức hợp hiện tại vì nhiệt ủ là 67o

C trong khi nhiệt độ làm ảnh hưởng đến phức hợp

từ 95oC đến 125oC Với bắp, ủ làm giảm độ nhớt và tăng nhiệt độ trương nở hạt [31,32] Khi tiến hành ủ tinh bột sắn ở nhiệt độ 50oC trong 72 giờ nhận thấy nhiệt

độ hồ hóa của tinh bột tăng lên, vùng nhiệt độ hồ hóa giảm, độ nhớt giảm và vùng tinh thể tăng lên [35]

2.3.3.3 Hồ hóa

Quá trình hồ hóa làm thay đổi đáng kể tính chất hóa học và vật lý của tinh bột

do sự sắp xếp lại trong nội bộ phân tử và giữa các phân tử với nhau nhờ đó tinh bột

có thể tan trong nước Với tinh bột bắp hàm lượng amylose đóng vai trò qua trọng trọng giai đoạn đầu quá trình hồ hóa Tinh bột hồ hóa được sử dụng rộng rãi trong các thực phẩm bảo quản ở tủ lạnh và đông lạnh [36, 37]

2.3.3.4 Xử lý plasma

 Khái niệm về plasma

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) bao gồm các nguyên tử, phân tử đã được ion hóa Khi nguyên tử hay phân tử nhận

đủ năng lượng từ một nguồn kích thích bên ngoài hoặc thông qua sự tương tác với nhau thì quá trình ion hóa xảy ra Các nguyên tử ion hóa ở mức độ cao sẽ làm thay đổi thuộc tính bề mặt có lợi cho vật liệu Plasma không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ [38]

có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa

- Plasma nóng: Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nóng Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên

tử bị ion hóa Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân

 Nguyên lý tạo plasma với khí Argon và cơ chế làm thay đổi đặc tính của tinh bột

Trong điều kiện thường, các chất khí đều được tạo thành từ các phân tử trung hoà về điện Khi cho một dòng điện (dòng các điện tử tự do) chạy qua chất khí thì tình trạng cân bằng sẽ biến mất Các điện tử tự do va chạm với nguyên tử khí làm cho các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử đó bắn ra Khi bị mất một hoặc vài điện tử, nguyên tử trở thành phần tử mang điện dương (gọi là ion dương) vì số hạt proton lớn hơn số điện tử còn lại trong nguyên tử Khi đó chất khí trở thành plasma

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý tạo plasma

Chú thích: 1 Cathode, 2 Kính đựng mẫu, 3 Vật cách điện, 4 Mẫu tinh bột, 5 Đường dẫn khí argon, 6 Vùng plasma, 7 Anode

Trong dòng plasma, các điện tử mang điện âm sẽ bị hút về phía cực dương và các ion dương sẽ chạy về phía cực âm Khi chuyển động hỗ loạn như vậy, các hạt này luôn va chạm vào nhau và vào các nguyên tử khí khác Va chạm truyền năng lượng cho các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử khí làm cho điện tử này nhảy lên mức năng lượng cao hơn Nguyên tử có các điện tử như vậy gọi là các nguyên tử được kích thích Chúng không ở trong trạng thái kích thích lâu mà nhanh chóng trở về trạng thái tự nhiên, giải phóng ra năng lượng dưới dạng một hạt ánh sáng gọi là hạt photon Chất khí sử dụng trong thí nghiệm plasma là khí Argon, khi được kích thích sẽ phát ra năng lượng Nguồn năng lượng này tác động lên bề mặt

vật liệu tinh bột sẽ làm thay đổi thuộc tính bề mặt của tinh bột là tạo ra liên kết C-O-C và phân tử nước nhờ sự tách ra nguyên tử hydrogen (H+) và anion hydroxide (OH-) theo phương trình:

Tinh bột-OH + OH-Tinh bột Tinh bột-O-Tinh bột + H2O [39]

Nhờ sự biến đổi này mà giúp tinh bột có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong chế biến như nhiệt độ cao, pH thấp từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng của tinh bột biến tính bằng hình thành liên kết ngang so với tinh bột

tự nhiên [38,40]

2.4 Các phân đoạn tiêu hóa của tinh bột

Trong dinh dưỡng con người, tinh bột đóng vai trò rất quan trọng chiếm 70-80% tổng carbohydrate trong chế độ ăn hằng ngày nhằm giúp cơ thể thực hiện các chức năng khác nhau Các nghiên cứu gần đây cho thấy tinh bột SDS có ý nghĩa quan trọng cho sức khỏe con người [29]

Nghiên cứu về khả năng thủy phân tinh bột của các enzyme amylase Englyst

và cộng sự (1992) lần đầu tiên đưa ra định nghĩa động học tiêu hóa tinh bột trong đó tinh bột thủy phân được chia thành ba dạng: tinh bột tiêu hóa nhanh (Rapidly Digestible Starch – RDS); tinh bột tiêu hóa chậm (Slowly Digestible Starch – SDS)

và tinh bột trơ (Resistant Starch – RS) [16] Hiện nay, dựa trên phương pháp của Englyst và cộng sự (1992) với một ít sửa đổi mà có nhiều phương pháp khác nhau

để đo độ tiêu hóa in vitro của tinh bột trong đó có phương pháp của Brumovsky và

Thompson (2001), Shin và cộng sự (2007) Từ nghiên cứu thực tế của mình các ông

đã chỉ ra rằng tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) được đo bằng nồng độ đường glucose sau khi phản ứng với enzyme trong thời gian tương ứng là 10 phút và 240 phút Tinh bột trơ (RS) thu được sau 240 phút thủy

phân [41,42] và kết quả thu được từ thí nghiệm in vitro khi dưa vào thử nghiệm

in vivo cho kết quả tương tự

Plasma Argon

2.4.1 Tinh bột tiêu hóa nhanh (Rapidly Digestible Starch – RDS)

Phân đoạn tinh bột này được xác định thông qua hàm lượng glucose tạo thành trong quá trình phân giải bởi enzyme tiêu hóa trong thời gian 20 phút ở miệng và ruột non [30] Lúc này lượng glucose tăng nhanh trong máu nhưng sau đó hạ thấp xuống nhanh chóng Sự dao động lớn nồng độ glucose trong máu gây ảnh hưởng không tốt lên hệ thống điều chỉnh sự cân bằng glucose có thể dẫn đến sự tổn hại tế bào, mô và các cơ quan [30]

2.4.2 Tinh bột tiêu hóa chậm (Slowly Digestible Starch – SDS)

Phân đoạn tinh bột này bao gồm tinh bột vô định hình khó bị tác động vật lý, tinh bột tự nhiên loại A và C Hàm lượng tinh bột này được xác định thông qua hàm lượng glucose tạo thành trong quá trình phân giải bởi enzyme tiêu hóa trong thời gian không quá 120 phút ở ruột non [16] Tinh bột SDS mang lại rất nhiều lợi ích cho sức khỏe như giúp ổn định việc chuyển hóa glucose, hạn chế bệnh tiểu đường

và tạo ra cảm giác no [30,31] Do đó hiện nay tinh bột SDS đang rất được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng cho những sản phẩm có chỉ số đường huyết thấp (GI) với thời gian giải phóng glucose kéo dài thích hợp cho những người bị bệnh tiểu đường, bên cạnh đó khả năng tiêu hóa chậm còn giúp kiểm soát lượng thực phẩm đưa vào

cơ thể Các loại thực phẩm có chứa SDS tự nhiên thường rất ít Để tăng cường hàm lượng SDS người ta sử dụng phương pháp hóa học, vật lý và enzyme

Một nghiên cứu của Seal (2003) sử dụng tinh bột bắp cho thấy khả năng giải phóng glucose chậm và thời gian thủy phân kéo dài (5 giờ) có mối liên hệ với nồng

độ insulin đáp ứng thấp trong suốt thời gian tiêu hóa Ngược lại khi tiêu thụ thực phẩm RDS nồng độ glucose trong máu sẽ tăng nhanh chóng và sau đó lại hạ nhanh Việc sử dụng SDS cũng giúp kéo dài thời gian oxi hóa glucose ngoại sinh và giảm nồng độ acid béo tự do sinh ra [43,44]

2.4.3 Tinh bột trơ (Resistant Starch – RS)

Phần còn lại của tinh bột không được tiêu hóa ở ruột non nhưng được lên men một phần trong ruột già Do đó, RS ngày nay được định nghĩa là cấu tử tinh bột thực dưỡng không bị tiêu hóa ở ruột non và có khả năng phòng chống ung thư ruột

kết, hạ đường huyết hiệu quả, giảm sự hình thành sỏi mật, ức chế tích tụ chất béo,

và giúp tăng sự hấp thụ các khoáng chất RS được tìm thấy nhiều trong tinh bột có tinh thể dạng B Công thức tính RS như sau:

RS = TS – (RDS + SDS) Tinh bôt RS được chia ra làm bốn loại là RS1, RS2, RS3 và RS4 ( hình 2.8)

Hình 2.8 Các loại tinh bột RS: (a) RS 1 ; (b) RS 2 ; (c) RS 3 ; (d) RS 4 [27]

RS1 ( hình 2.8 a): không bị thủy phân do nó nằm trong các cấu trúc hạt, được bảo vệ bởi các lớp thành tế bào thực vật ngăn không cho các enzyme tiêu hóa xâm nhập vào bên trong tiếp xúc với cơ chất tinh bột

RS2 (hình 2.8 b): là các hạt tinh bột tự nhiên như khoai tây, chuối và tinh bột bắp có hàm lượng amylose cao Loại tinh bột này được bảo vệ trước sự tấn công của enzyme tiêu hóa bởi cấu trúc đồng tâm và tương đối kỵ nước của hạt tinh bột

RS3 (hình 2.8 c): là loại tinh bột khó thủy phân nhất và chủ yếu là do amylose thoái hóa được hình thành trong suốt quá trình làm lạnh các cấu trúc gel tinh bột Thực phẩm xử lý nhiệt ẩm cũng có một phần RS3 Pancreatic amylases không thể thủy phân nhóm tinh bột này Trong quá trình hình thành RS3, hạt tinh bột bị hydrate hóa hoàn toàn Amylose trong hạt tinh bột bị đào thoát ra trong dung dịch trở thành các phân tử sợi tự do Khi làm lạnh thì các phân tử này bắt đầu sắp xếp lại

ổn định trong cấu trúc chuỗi xoắn kép với các liên kết hydro Cấu trúc xoắn chứa 6 đơn vị glucose trên 1 xoắn độ dài 20,8 Ao lặp lại

RS4 ( hình 2.8 d): bao gồm nhóm tinh bột biến tính bằng phương pháp hóa học (chuyển đổi, thay thế, hoặc liên kết ngang) và bao gồm tinh bột đã được ether, este hóa

Mối quan hệ giữa các tinh bột khác nhau dựa trên hoạt động của các enzyme tiêu hóa và được thể hiện qua các công thức sau:

RS1 = TS – (RDS + SDS) – RS2 – RS3

RS2 = TS – (RDS + SDS) – RS1 – RS3

RS3 = TS – (RDS + SDS) – RS1 – RS2Kết quả nghiên cứu của Cui (2005) đã cho kết luận rằng: tinh bột liên kết ngang được hình thành nhờ phản ứng với Phosphorus oxychloride hoặc natri metaphosphate tại nhóm hydroxyl số 6; 2và 3 nhận thấy tinh bột có hàm lượng RS cao Các chất như Clorua Phosphoryl (POCl3), natri trimetaphosphate, sodium tripolyphosphate (STPP) được sử dụng để tạo ra tinh bột liên kết ngang có giá trị

RS4 ở mức lần lượt là 75,7; 85,6 và 75,8% Khi sử dụng enzyme amylosucrase để tạo ra tinh bột không tiêu hóa trên bắp nhận thấy giá trị RS tăng lên từ 7,7% lên đến 20,7% [45]

2.5 Các công trình nghiên cứu trước đây

2.5.1 Nghiên cứu về tinh bột biến tính bằng phương pháp Argon-plasma

Công nghệ plasma là một công nghệ mới, hiện đại nên việc nghiên cứu trên nguồn nguyên liệu tinh bột mới được quan tâm Cho đến nay theo tìm hiểu của chúng tôi chưa có công trình nghiên cứu nào về tạo tinh bột liên kết ngang bằng phương pháp Argon-plasma được công bố trên các tạp chí khoa học trong nước Tuy nhiên đã có một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về vấn đề này

Cheng-yi Lii và cộng sự (2001), đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp sử dụng khí hydro, oxy và amoniac kết hợp plasma ở điện điện áp

65 kV, cường độ dòng điện 0,25 A lên hạt tinh bột sắn, bắp, bắp có hàm lượng amylose cao, khoai tây, gạo Ấn Độ, gạo Nhật Bản, khoai lang, và tinh bột mì Sự cắt mạch polysaccharide trong mọi trường hợp đều được ghi nhận Kết quả cho thấy

mức độ cắt mạch phụ thuộc vào bản chất của tinh bột cũng như loại tác nhân xử lý Dựa vào quá trình cắt mạch polysaccharide mà chia ra làm hai loại: loại ít hoạt động

là hydro-plasma và loại hoạt động mạnh là oxy và amoniac-plasma Theo tác giả xử

lý plasma ở áp suất thấp rất thuận lợi để sản xuất ra các dextrin Như vậy các loại khí khác nhau khi kết hợp với plasma sẽ cho ta kết quả khác nhau Việc nghiên cứu thêm các loại khí khác để kết hợp trong quá trình xử lý plasma là việc làm cần được quan tâm [46]

Deeyai và cộng sự (2010) đã nghiên cứu biến tính tinh bột sắn có độ ẩm 10%

và 78% bằng phương pháp Argon-plasma ở áp suất thường với công suất 40 W trong thời gian 30 phút Mức độ tạo liên kết ngang của tinh bột được xác định thông qua cường độ đỉnh OH nhờ phương pháp đo OES (Optical Emission Spectroscopy) với quang phổ kéo dài từ 110 nm to 900 nm Tuy nhiên rất khó để định lượng nhóm

OH trong tinh bột vì sự tăng nhóm OH có thể do sự tự hấp thụ phân tử nước của tinh bột hoặc do sự hình thành lên kết ngang Để làm sáng tỏ hơn năm 2012 nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu trên đối tượng tinh bột sắn với ẩm độ 11%; 68% và 78% bằng phương pháp Argon-plasma ở áp suất thường với cường độ 40 W trong thời gian 30 phút Mức độ tạo liên kết ngang của tinh bột được xác định nhờ hàm lượng nước có trong hạt tinh bột thông qua phương pháp phân tích quang phổ FTIR Kết quả cho thấy sự thay đổi phân tử nước trong cấu trúc tinh bột bằng hai cách: liên kết nước chặt tại đỉnh 1630 cm-1 và hấp thụ yếu của phân tử nước tại đỉnh 3272 cm-1, qua đây có thể xác định được mức độ liên kết ngang từ cường độ tương đối của hai đỉnh này với đỉnh 993 cm-1 Mức độ liên kết ngang tăng trong mẫu xử lý plasma và mẫu có độ ẩm thấp sẽ có mức độ liên kết ngang cao Nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp hiện đại để tạo ra tinh bột liên kết ngang [5,39]

2.5.2 Nghiên cứu về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột liên kết ngang

Tinh bột bắp được biến tính bằng cách acetyl hóa, oxy hóa, và tạo liên kết

ngang Khả năng tiêu hóa in vitro của những tinh bột này được kiểm tra bằng cách

sử dụng pancreatine-amylase Trong khoảng 60 phút đầu của quá trình thủy phân tinh bột chưa hồ hóa nhận thấy mức độ thủy phân của tinh bột biến tính cao hơn so

với tinh bột chưa biến tính Tuy nhiên sau 3 giờ thủy phân thì tinh bột biến tính có mức độ thủy phân chậm hơn so với tinh bột chưa biến tính Hàm lượng RS được tạo thành lần lượt là 23,4%; 35,1%; 34,2% và 13,9% trong khi tinh bột tự nhiên chiểm khoảng 11,9% Lượng SDS giảm Khi có quá trình hồ hóa xảy ra tất cả các mẫu tinh bột (có hoặc không có biến tính) đều bị thủy phân nhanh chóng và đạt đến mức tối

đa trong vòng 20 phút và đạt giá trị cao nhất ở tinh bột tự nhiên [47]

Tinh bột bắp được biến tính bằng phương pháp hóa học để hình thành liên kết ngang nhờ STMP/STPP (99:1, w/w) Các chỉ tiêu về đặc tính hóa lý, sinh lý

(in vitro và in vivo) được kiểm tra để xem xét sự ảnh hưởng của liên kết ngang Kết

quả nhận thấy liên kết ngang làm giảm khả năng trương nở và khả năng kết dính của tinh bột bắp Khi cho thử nghiệm loại tinh bột biến tính này trên chuột với hai mức độ liên kết ngang cao (99,1%) và thấp (51,3%) Chỉ tiêu theo dõi gồm trọng lượng cơ thể và trọng lượng thận của chuột Nhận thấy tổng số lipid, triglycerid và cholesterol trong máu giảm đáng kể trong cả hai mẫu có liên kết ngang cao và thấp với mức ý nghĩa p < 0,05 Trong gan tổng số lipid tỷ lệ nghịch với mức độ tăng liên kết ngang trong khi tổng số chất béo không bị ảnh hưởng bởi mức độ liên kết ngang [48]

Lilliam Sívoli và cộng sự (2009) đã tiến hành nghiên cứu sự thay đổi về cấu

tạo, cấu trúc tinh thể, cũng như ảnh hưởng đến khả năng tiêu hóa in vitro của tinh

bột bắp liên kết ngang và tinh bột methyl hóa bằng enzyme α-amylase Cả hai tinh bột tự nhiên và tinh bột biến tính được phân tích bằng phương pháp NMR, SEM và X-ray Kết quả nhận thấy tinh bột liên kết ngang vẫn giữ được hình dạng hạt sau khi quan sát bởi kính hiển vi điện tử quét (SEM) trong khi tinh bột methyl hóa nhận thấy hình dạng hạt bị biến dạng với bề mặt bị xói mòn Cả hai loại tinh bột này đều hạn chế sự tấn công của enzyme tiêu hóa [49]

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

3.1 Địa điểm và thời gian tiến hành thí nghiệm

Các thí nghiệm được thực hiện tại phòng Công nghệ Plasma và Môi trường - trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Trung tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Công Nghệ Bức Xạ, Trung tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Khu Công Nghệ Cao Thời gian tiến hành thí nghiệm từ tháng 6/2013 đến tháng 11/2013

3.2 Nguyên liệu

3.2.1 Tinh bột sắn

Tinh bột sắn được mua từ công ty TNHH Nam Thiên Ân Địa chỉ 1/6P Nguyễn Thị Sóc, Hưng Lân, Bà Điểm, Hóc Môn, TP Hồ Chí Minh Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm được thể hiện ở bảng 3.3

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu chất lượng của tinh bột bột sắn nguyên liệu

STT Chỉ tiêu kiểm nghiệm Đơn vị tính Kết quả

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu chất lƣợng của tinh bột bột bắp nguyên liệu

STT Chỉ tiêu kiểm nghiệm Đơn vị tính Kết quả

 Thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR-8400S, Shimadzu, Nhật Bản tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, Tp HCM

Hình 3.10 Thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR

 Thiết bị quang phổ UV–vis, UV-2401PC, Shimadzu, Nhật Bản tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, Tp HCM

Hình 3.11 Thiết bị đo UV-vis