Nghiên cứu biến tính tinh bột khoai lang tím và khoai mỡ bằng phương pháp nhiệt ẩm

Mục tiêu của nghiên cứu này là tối ưu hóa các điều kiện biến tính để thu được hàm lượng tinh bột không thủy phân cao nhất từ tinh bột khoai mỡ và khoai lang sử dụng phương pháp tối ưu hó

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Ngô Đại Nghiệp

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM, ngày 29 tháng 07 năm 2013

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

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Kim Khánh Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 19-04-1986 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm và Đồ Uống MSHV: 11110200

1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TINH BỘT KHOAI LANG TÍM VÀ

KHOAI MỠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT ẨM

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

• Xác định thành phần hóa học của tinh bột khoai lang tím, khoai mỡ

• Tối ưu hóa quá trình biến tính tinh bột khoai lang tím và khoai mỡ bằng nhiệt ẩm

• Khảo sát các tính chất hóa lý của tinh bột trước và sau quá trình biến tinh

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM VĂN HÙNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

- TS Phạm Văn Hùng đã tận tình hướng dẫn từng bước cho tôi từ lúc bắt đầu cho đến lúc hoàn thành luận văn

- Toàn thể các thầy cô giáo trong Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm và Đồ Uống

đã dạy dỗ cho tôi trong suốt quá trình học tập

- Toàn thể nhân viên phụ trách phòng Lab 101, 701, 702, trường Đại học Quốc

Tế đã tạo điều kiện và hổ trợ tôi về trang thiết bị, hóa chất, phòng ốc tốt nhất khi thực hiện các nghiên cứu

- Xin cảm ơn gia đình, bạn bè khóa học 2011 – 2013, các em sinh viên trường Đại học Quốc Tế - Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh đã luôn chia sẻ, động viên, ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện cũng như hoàn tất luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe đến tất cả mọi người!

Người thực hiện đề tài

thủy phân của các enzyme amylase Các nghiên cứu cho thấy loại tinh bột này có các tính chất chức năng rất tốt cho cơ thể như phòng chống các bệnh tiểu đường và béo phì

Mục tiêu của nghiên cứu này là tối ưu hóa các điều kiện biến tính để thu được hàm lượng tinh bột không thủy phân cao nhất từ tinh bột khoai mỡ và khoai lang sử dụng phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng và xác định một số tính chất lý hóa của tinh bột tạo ra Tinh bột hai loại khoai được biến tính bằng phương pháp nhiệt-

ẩm ở các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và thời gian xử lý khác nhau theo bố trí thí nghiệm của Box-Behnken

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng với cấu trúc kết tinh khác nhau, nên điều kiện tối ưu và hàm lượng RS thu được cũng khác nhau Đối với khoai mỡ, ở điều kiện tối

ưu hàm lượng tinh bột không thủy phân tăng từ 21,5% lên 35,4%, ở khoai lang là từ 12.38% lên 42,59% Các thông số tối ưu như sau: độ ẩm tinh bột khoai mỡ là 28%, khoai lang là 35%, biến tính ở nhiệt độ 120oC đối với tinh bột khoai mỡ và 100oC đối với tinh bột khoai lang, và thời gian biến tính là 6.5h và 6h tương ứng với tinh bột khoai mỡ và khoai lang, với chỉ số tương quan R2 > 0.9 Các tính chất lý-hóa của tinh bột sau biến tính thay đổi như sau: độ nhớt tinh bột giảm, độ trương nở của tinh bột giảm, độ hòa tan tăng và cấu trúc hạt tinh bột không có sự thay đổi đáng kể

Từ kết quả nghiên cứu này có thể xây dựng quy trình công nghệ để sản xuất tinh bột không thủy phân từ tinh bột khoai mỡ có hàm lượng cao nhất ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng

ABSTRACT

Resistant starch (RS) is starch which resists to the hydrolysis of exhaustive amylases Like dietary fiber, RS has many health benefits for human such as reduction of plasma glucose and insulin levels and prevention of gastrointestinal diseases like colon cancer

In this study, the processing conditions including temperature, moisture content and treatment duration were optimized to obtain the highest amount of RS

of purple sweet potato (Ipomoea batatas L.) and water yam (Dioscorea alata Linn.) starches using a BOX-BEHNKEN design (BBD) of response surface methodology

It is recognized that the differences in crystalline structure of sweet potato and yam starches affected the optimization conditions and RS contents of two types of starches The highest content of RS yam starch was 35.4% with the treament condition at 120oC, 30% of moisture for 6.5h, whereas the highest yield of RS of sweet potato starch reached to 42.59% when treated at 100oC, 35% of moisture for 6h The physichemical characteristics of treated starches were changed such as decreasing in viscosity and swelling power but increasing in solubility as compared

to the native starches

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ v

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1

1.1 Mục đích nghiên cứu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 3

2.1 TỒNG QUAN VỀ TINH BỘT VÀ TINH BỘT KHÔNG THỦY PHÂN 3

2.1.1 Cấu trúc của tinh bột 3

2.1.2 Khả năng bị thủy phân của tinh bột bởi enzyme amylase 4

2.1.3 Phân loại tinh bột không bị thủy phân 5

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng không bị thủy phân của tinh bột 7

2.1.5 Các phương pháp sản xuất tinh bột không thủy phân 11

2.1.5.1 Phương pháp xử lý bằng enzyme 11

2.1.5.2 Phương pháp sử dụng ẩm và nhiệt 11

2.1.6 Lợi ích của RS đối với sức khỏe người tiêu dùng 12

2.1.7 Khả năng ứng dụng của RS trong công nghệ thực phẩm 14

2.2 TỔNG QUAN VỀ KHOAI LANG TÍM 15

2.2.1 Giới thiệu chung về khoai lang tím 15

2.2.2 Những nghiên cứu về tinh bột khoai lang 16

2.3 TỒNG QUAN VỀ KHOAI MỠ 18

2.3.1 Giới thiệu chung về khoai mỡ 18

2.3.2 Các nghiên cứu về tinh bột khoai mỡ 19

CHƯƠNG III: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

3.1 NGUYÊN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 20

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

3.2.1 Các bước tiến hành nghiên cứu 21

3.2.2 Quy trình chiết tách tinh bột 22

3.2.3 Phân tích các tính chất lý hóa 22

3.2.3.1 Xác định cấu trúc kết tinh của tinh bột 23

3.2.4.2 Phương pháp biến tính tinh bột bằng nhiệt ẩm 23

3.2.3.3 Độ nhớt 24

3.2.3.4 Độ trong 24

3.2.3.5 Độ hòa tan 24

3.2.3.6 Độ trương nở 25

3.2.3.7 Xác định hàm lượng tinh bột không thủy phân (RS) 25

3.2.4 Tối ưu hóa quá thông số biến tinh tinh bột bằng nhiệt ẩn 26

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 27

4.1 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA TINH BỘT KHOAI LANG, KHOAI MỠ 27

4.1.1 Thành phần hóa học 27

4.1.2 Cấu trúc kết tinh 28

4.2 KẾT QUẢ TỐI ƯU HÀM LƯỢNG RS 29

4.2.1 Khoai mỡ 29

4.2.2 Khoai lang tím 32

4.3 CÁC BIẾN ĐỔI CỦA TINH BỘT SAU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT ẦM 35

4.3.1 Độ nhớt 35

4.3.2 Độ trong 35

4.3.3 Độ hòa tan 36

4.3.4 Độ trương nở 37

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

PHỤ LỤC xii

RS

Bảng 3.1 Danh mục hóa chất được sử dụng trong quá trình nghiên cứu

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu hóa lý và phương pháp phân tích

Bảng 4.1 Thành phần hóa học của tinh bột khoai lang tím và khoai mỡ dung trong

Bảng 4.4 Bảng kết quả thí nghiệm kiểm chứng của tinh bột khoai mỡ

Bảng 4.5 Kết quả hàm lượng RS trong các thí nghiệm tối ưu hóa của tinh bột khoai

lang tím

Bảng 4.6 Kết quả các giá trị trong phương trình hồi quy trong thí nghiệm biến tính

tinh bột khoai lang tím

Bảng 4.7 Bảng kết quả thí nghiệm kiểm chứng của tinh bột khoai mỡ

Bảng 4.8: Độ hòa tan của tinh bột khoai lang tím và khoai mỡ ở khoảng nhiệt độ từ

50 đến 90oC

Bảng 4.9: Độ trương nở của tinh bột khoai lang tím và khoai mỡ ở khoảng nhiệt độ

từ 50 đến 90oC

trong cấu trúc amylose loại A và amylose loại B

Hình 2.8 Hình dạng hạt tinh bột khoai lang trong thí nghiệm của Deng (2013)

Hình 2.9 Hình dạng tinh bột khoai mỡ (Dioscore alata) (Odeku, 2012)

Hình 4.1: Cấu trúc kết tinh của khoai lang và khoai mỡ

Hình 4.2 Phương trình hồi quy trên trục không gian 3 chiều thể hiện mối liên hệ

giữa nhiệt độ, độ ẩm với hàm lượng RS trong khoai mỡ, cố định yếu tố thời gian

Hình 4.3 Phương trình hồi quy trên trục không gian 3 chiều thể hiện mối liên hệ

giữa nhiệt độ, độ ẩm với hàm lượng RS trong tinh bột khoai lang tím, cố định yếu tố thời gian

Hình 4.4 Độ nhớt của tinh bột khoai lang tím và khoai mỡ trước và sau khi biến

tính. 

Hình 4.5 Độ trong của tinh bột khoai mỡ và khoai lang tím trước và sau khi biến

tính 

RS - Resistant starch: tinh bột không thủy phân

RDS - Rapid digestive starch: Tinh bột thủy phân nhanh SDS - Slowly digestive starch: Tinh bột thủy phân chậm HMT - Heat moisture treatment: Xử lý nhiệt ẩm

ANN – Annealing: Xử lý ẩm nhiệt

DP - Degree of polimeration: Mức độ polymer hóa

SCFA - Short chain fatty acid: acid béo mạch ngắn

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Theo dữ liệu thống kê năm 2001–2002 (Haley và cộng sự, 2002) tỉ lệ trẻ em

và người lớn béo phì đã trở thành vấn đề về sức khỏe chính trong cộng đồng tại Mỹ

Ở độ tuổi vị thành niên khoảng 20 tuổi trở lên thì 65% trường hợp bị béo phì, đối với trẻ em từ độ tuổi 6 đến 19 thì khoảng 31 % có nguy bị quá trọng Tại Việt Nam, cũng như nhiều nước khác trên thế giới, con số người béo phì cũng gia tăng Ngoài vấn đề béo phì thì bệnh tiểu đường gây ra do rối loạn chức năng tiết insulin biến đổi glucose khi vào cơ thể cũng trở thành một căn bệnh phổ biến Vấn đề này đặt ra việc xem xét lại khẩu phần ăn hằng ngày nhằm tránh nguy cơ của bệnh béo phì và phòng ngừa những biến chứng của bệnh tiểu đường

Một trong những nguyên nhân gây ra các dạng bệnh này mà liên quan đến khẩu phần ăn đó chính là hàm lượng tinh bột quá cao trong các loại thức ăn Chúng

ta đều biết rằng tinh bột là nguồn sinh năng lượng lớn nhất cũng như nhanh chóng nhất khi được đưa vào cơ thể, đồng thời nó cũng là nguồn glucose dồi dào trong đối với cơ thể Trong khi đó, với những tính chất lý hóa đặc trưng, tinh bột được ứng dụng rất nhiều trong công nghệ thực phẩm

Để giải quyết những vấn đề này, người ta thay thế tinh bột bằng thực phẩm nguyên cám, giàu chất xơ Tuy nhiên, nhược điểm của việc bổ sung chất xơ là làm giảm cấu trúc và chất lượng cảm quan của thực phẩm Do đó, những phát hiện mới

về tinh bột không thủy phân (RS) có tính chất chức năng như chất xơ nhưng không làm giảm chất lượng thực phẩm đang được rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu, mở

ra một triển vọng mới trong lĩnh vực thực phẩm chức năng Rất nhiều nghiên cứu về

khả năng tạo RS từ các loại tinh bột khoai lang, khoai tây, lúa mỳ, ngô, …được thực hiện và kết quả thu nhận được hết sức khả quan Trong các nghiên cứu này, RS được cho là có khả năng đảm nhiệm vai trò của chất xơ trong hoạt động hổ trợ hệ tiêu hóa, đóng vai trò như một prebiotic, chất giảm ung thư hệ đường ruột, đồng thời có thể kiềm hãm sự tăng đường huyết trong máu sau khi tiêu thụ tinh bột Tại Việt Nam, nguồn tinh bột từ nguyên liệu rất đa dạng, ngoài tinh bột sắn, gạo,… được dùng rộng rãi thì nguồn khoai lang và khoai mỡ với trữ lượng dồi dào cũng là tiềm năng cho ngành công nghệ thực phẩm Tuy nhiên lại chưa có nghiên cứu nào về điều kiện biến tính và khả năng tạo RS của tinh bột khoai lang tím và tinh bột khoai mỡ Do đó đề tài này là cần thiết để tạo ra các sản phẩm tinh bột có hàm lượng RS cao từ tinh bột khoai lang và tinh bột khoai mỡ nhằm sản xuất các sản phẩm thực phẩm có khả năng phòng chống các bệnh tiểu đường và béo phì

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN

2.1 TỒNG QUAN VỀ TINH BỘT VÀ TINH BỘT KHÔNG THỦY PHÂN 2.1.1 Cấu trúc của tinh bột

Tinh bột là một polysaccharide có hai thành phần cấu trúc chính là amylose và amylopectin

Amylose, chiếm 15 – 20% tinh bột, là một polymer mạch thẳng, ít phân nhánh, có chứa các đơn vị cấu tạo là glucose liên kết α -D-(1-4), mức độ polyme hóa (DP) có thể lên đến 6000 và khối lượng phân tử vào khoảng 105 – 106 g/mol Với chiều dài mạch như thế, các amylose dễ dàng tạo thành cấu trúc sợi xoắn đơn hoặc xoắn kép Các nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy tinh bột

có cấu trúc tinh thể dạng A, B, C (hỗn hợp giữa A và B) và cấu trúc tinh thể dạng V (trong các hạt đã trương nở) Tham gia vào thành phần cấu tạo trong cấu trúc tinh thể dạng B là chuỗi xoắn kép amylose với hai sợi ngược chiều, sắp xếp cạnh nhau theo hình lục giác, vùng trung tâm của hình lục giác chứa đầy nước (36 phân tử

H2O/1đơn vị cấu trúc) Cấu trúc tinh thể dạng A tương tự như cấu trúc dạng B nhưng tâm của hình lục giác được thay bằng chuỗi xoắn kép khác tạo thành cấu trúc

chặt chẽ hơn với 8 phân tử nước nằm xen kẽ các chuỗi xoắn kép (hình 2.1) Còn

amylopectin là đại phân tử với cấu trúc phân nhánh nhờ vào liên kết α -D-(1-4) và α -D-(1-6) của glucose Mức độ polyme hóa (DP) của amylopectin có thể lên đến 2

Hình 2.1 Các đơn vị cấu trúc và sự sắp xếp của các chuỗi xoắn kép (mặt cắt ngang)

trong cấu trúc amylose loại A và amylose loại B

B

A

triệu phân tử glucose, điều này khiến cho chúng trở thành một trong những phân tử lớn nhất trong tự nhiên

Chiều dài mạch nhánh đa phần là vào khoảng 20 – 25 đơn vị glucose Cấu trúc của amylopectin thường được mô tả với dạng chùm Hizukuri và cộng sự (1981) cho rằng cấu trúc chùm này có thể ở dạng đơn chùm hoặc nhiều chùm gắn kết với

nhau (hình 2.2) Các mạch ngắn A với DP khoảng 16-20 đơn vị glucose có thể tạo

thành cấu trúc xoắn kép xếp trong cấu trúc chùm Các chùm này có khoảng 80-90% chuỗi mạch ngắn này và chúng được liên kết lại với nhau bởi các chuỗi mạch B dài hơn chiếm 10-20% Dựa trên các thí nghiệm nhiễu xạ tia X, tinh bột được cho rằng có tính chất bán kết tinh với phần lớn là các phân tử glucan định hướng Khoảng 70% khối lượng hạt tinh bột tham gia cấu trúc vô định hình và 30% còn lại tham gia vào phần kết tinh Phần vô định hình

có chứa chủ yếu là amylose và một ít amylopectin, trong khi đó phần kết tinh chỉ chứa amylopectin

2.1.2 Khả năng bị thủy phân của tinh bột bởi enzyme amylase

Ở trạng thái tự nhiên phần lớn tinh bột bị thủy phân bởi các enzyme amylase sau khi đã hồ hóa tinh bột Tuy nhiên qua nghiên cứu về khả năng thủy phân tinh

Hình 2.2 A Mô hình amylopectin, B Cấu trúc vùng vô

định hình và vùng kết tinh trong cấu tạo hạt tinh bột, C

Cách thức sắp xếp, định hướng của amylopectin trong lát

cắt ngang của hạt tinh bột, D Kết cấu chuỗi xoắn kép

(www.lsbu.ac.uk)

bột của các enzyme amylase, Englyst và cộng sự (1992) nhận thấy các loại tinh bột khác nhau có mức độ thủy phân khác nhau và được phân loại thành ba dạng sau: Tinh bột thủy phân nhanh (Rapidly Digestible Starch – RDS) Nhóm tinh bột này bao gồm chủ yếu là tinh bột vô định hình và tinh bột phân tán được tìm thấy trong các loại thực phẩm giàu tinh bột Để xác định hàm lượng tinh bột này bằng phương pháp hóa học, người ta đo hàm lượng glucose được tạo thành trong quá trình phân giải bởi enzyme tiêu hóa sau 20 phút

Tinh bột thủy phân chậm (Slowly Digestible Starch – SDS) Nhóm này bao gồm tinh bột vô định hình khó bị tác động vật lý, tinh bột sống với cấu trúc tinh bột nhóm A và C Hàm lượng tinh bột này được xác định thông qua hàm lượng glucose được tạo thành trong quá trình phân giải bởi enzyme tiêu hóa sau 120 phút

Tinh bột không thủy phân (Resistant Starch – RS) Thuật ngữ ―resistant starch‖ được nhắc đến đầu tiên bởi Englyst và cộng sự (1992) để mô tả những cấu

tử tinh bột kháng lại sự thủy phân của các nhóm enzyme amylase và pullulanase

trong các thí nghiệm in vitro RS là tinh bột không bị thủy phân sau 120 phút xử lý

với hệ enzyme amylase tuyến tụy (Englyst và cộng sự, 1992) Tuy nhiên, vì tinh bột khi đến ruột già có thể bị lên men ít hoặc nhiều bởi hệ vi sinh vật đường ruột, do đó,

RS ngày nay được định nghĩa là cấu tử tinh bột thực dưỡng không bị tiêu hóa ở ruột non Công thức tính RS như sau:

RS = TS – (RDS + SDS)

2.1.3 Phân loại tinh bột không bị thủy phân

Tinh bột không bị thủy phân (Resistant starch, viết tắt là RS) là tinh bột không

bị thủy phân bởi hệ enzyme amylase trong cơ thể và không được hấp thu ở ruột non

mà đi xuống ruột già và được hệ vi sinh vật ở ruột già lên men để tạo thành các acid béo mạch ngắn như acetic acid, butyric acid và propionic acid Tinh bột RS được chia làm 4 nhóm: RS1, RS2, RS3 và RS4

RS1 không bị thủy phân là do nó nằm trong các cấu trúc hạt không bị tác động bởi tác nhân vật lý RS1 nằm trong các loại ngũ cốc dạng nguyên hạt hoặc đã được xay vỡ Nguyên nhân không bị thủy phân của tinh bột RS1 là do các hạt tinh bột

được bảo vệ bởi các lớp thành tế bào thực vật hay do cấu trúc thực phẩm dày đặc ngăn không cho các enzyme amylase xâm nhập vào bên trong tiếp xúc với cơ chất

tinh bột (hình 2.3)

RS2 là các tinh bột tự nhiên có cấu trúc dạng hạt nhất định và không bị thủy phân bởi enzyme Trong cấu trúc hạt tinh bột thì tinh bột được bao gói trong một cấu trúc các vòng tròn đồng tâm và tách nước tương đối Cấu trúc chắc chắn này giới hạn sự xâm nhập của enzyme tiêu hóa dẫn đến tính khó thủy phân mang bản chất tự nhiên của tinh bột như tinh bột chuối, tinh bột khoai tây RS1 và RS2 được

tiêu hóa chậm hoặc tiêu hóa không hoàn toàn trong ruột non (hình 2.4)

RS3 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 (hình 2.5) Do đó, trong quá trình hình thành

RS3, hạt tinh bột bị hyrate hóa hoàn toàn Amylose trong hạt tinh bột bị tiết 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 20.8Ao lặp lại Cấu trúc tinh thể nhóm A có thể đạt được nếu RS được tạo thành trong tinh bột đã gel hóa và được bảo quản ở nhiệt độ cao trong vài giờ Đó là một cấu trúc dày đặc với chỉ vài phân

tử nước Khi thoái hóa sâu hơn thì các chuỗi xoắn kép được bao bọc trong cấu trúc lục giác Cấu trúc dạng B với đối xứng lục giác mở rộng hơn Các phân tử nước (36–42 phân tử trên một đơn vị cấu trúc) trong cấu trúc B nằm ở vị trí thay thế bên trong trung tâm kênh dẫn được tạo thành bởi 6 chuỗi xoắn kép Mức độ polyme hóa của amylose cũng ảnh hưởng đến hàm lượng RS3 Hàm lượng này tăng nếu DP

Hình 2.3 Cấu trúc RS1 Hình 2.4 Cấu trúc RS2 Hình 2.5 Cấu trúc RS3

tăng đến 100 và sau đó thì không thay đổi Mức độ polyme hóa thấp nhất là 10 và cao nhất là 100 có lẽ là cần thiết để tạo nên cấu trúc sợi xoắn kép RS3 được xác định có khả năng chống chịu lại sự phân tán của nhiệt và enzyme

Cấu trúc của RS4 bao gồm cấu trúc của tinh bột biến tính được xử lý bằng phương pháp hóa học

Bảng 2.1: Phân loại RS, nguồn thực phẩm và tác nhân ảnh hưởng lên hàm lượng RS Nhóm

RS

lượng RS RS1

RS2

RS3

RS4

Được bảo vệ bởi cơ cấu vật lý

Hạt tinh bột không thủy phân

chưa bị gel hóa với cấu trúc

tinh thể nhóm B, thủy phân

chậm bởi α-amylase

Tinh bột thoái hóa

Tinh bột biến tính hóa học

hình thành liên kết ngang với

các hợp chất hóa học

Ngũ cốc nguyên hạt

Khoai tây sống, chuối xanh, các loại hạt đậu, bắp giàu amylose

Khoai tây được nấu và làm lạnh, bánh mì, ngũ cốc dạng miếng, các sản phẩm thực phẩm với quá trình xử lý nhiệt ẩm lặp lại

Thực phẩm sử dụng tinh bột biến tính

Quá trình nghiền, chà

Quá trình nấu, chế biến trong quy trình

Điều kiện chế biến

Ít chịu được sự thủy phân

trong các thí nghiệm in

vitro

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng không bị thủy phân của tinh bột

- Tính kết tinh của tinh bột Một trong những nguyên nhân kháng lại sự thủy

phân của enzyme là cấu trúc kết tinh của hạt tinh bột Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên cấu trúc kết tinh của tinh bột giàu amylose cho thấy rằng các phần chuỗi được bao bọc trong cấu trúc kết tinh nhóm B thì có tác động nhẹ lên mạng lưới tinh thể hình thành RS từ loại tinh bột này (Englyst và Cummings, 1986; Bjorck và cộng

sự, 1989; Schweizer và cộng sự, 1990) Một vài phương pháp xử lý tác động lên cấu

trúc kết tinh (như hồ hóa) hoặc ảnh hưởng lên tính nguyên vẹn của tế bào thực vật

và cấu trúc mô (như xay, nghiền) có thể làm tăng tác động của enzyme và làm giảm hàm lượng RS Trong khi đó việc tái cấu trúc kết tinh hoặc biến tính hóa học có thể làm tăng hàm lượng RS

- Cấu trúc hạt tinh bột Sự đa dạng trong khả năng chống chịu với amylase

được thể hiện trong cấu trúc hạt tinh bột cũng ảnh hưởng đến việc hình thành RS Tinh bột khoai tây và tinh bột bắp giàu amylose được phát hiện rằng có khả năng

không bị thủy phân trong các nghiên cứu in vivo, trong khi đó các tinh bột ngũ cốc

thì phân giải chậm nhưng bị tiêu hóa hoàn toàn và được hấp thu trong các thí nghiệm này (Holm và cộng sự, 1987) Tỉ lệ tiết diện trên thể tích nhỏ hơn của các hạt tinh khoai tây lớn có lẽ là quan trọng Bản chất bề mặt của hạt tinh bột cũng cần được xem xét, 1 lớp hấp thu của nguyên liệu phi tinh bột sẽ ngăn cản hoạt động của enzyme (Ring và cộng sự, 1988)

- Tỉ lệ amylose : amylopectin Hàm lượng amylose cao thì giảm khả năng

thủy phân của tinh bột vì có mối tương quan tích cực giữa hàm lượng amylose và việc hình thành RS (Berry, 1986; Sievert và Pomeranz, 1989) Tầm quan trọng của

tỉ lệ amylose : amylopectin trong đáp ứng chỉ số glyacemic và insulin sau bữa ăn đối với tinh bột ngô được nghiên cứu trong các sản phẩm phổ biến làm từ ngô (Granfeldt và cộng sự, 1995) Bữa ăn chứa bột bắp hàm lượng amylose cao (70%)

có RS 20g/100g chất khô cao hơn so với bột bắp nguyên thủy 25% amylose chỉ có 3g/100g chất khô

- Sự thoái hóa của amylose Khi gia nhiệt tinh bột trong nước ở nhiệt độ cao

hơn 50 °C, thì hạt tinh bột sẽ trương nở, cấu trúc kết tinh của amylopectin bị phân rã

và hạt tinh bột bị nứt gãy Các chuỗi polysaccharide dạng tự do chui ra ngoài do sự trương nở của tinh bột và làm dày thêm mạng lưới bao xung quanh như quá trình hồ hóa – 1 công đoạn làm tăng nhẹ khả năng bị thủy phân của tinh bột Khi làm lạnh hoặc sấy khô, quá trình tái cấu trúc kết tinh (thoái hóa) xuất hiện Quá trình này diễn

ra rất nhanh đối với các cấu trúc amylose mạch thẳng hình thành các liên kết ngang

thông qua các liên kết hydro Hình 2.6 miêu tả sự tạo thành gel và micelle khi làm

lạnh dung dịch amylose đậm đặc (Belitz và Grosch, 1999) Bản chất phân nhánh

của amylopectin giới hạn khả năng tái cấu trúc tinh thể của nó làm cho quá trình này kéo dài và diễn ra trong vài ngày Sự thoái hóa amylose trong đậu, ngô, lúa mì

và khoai tây được phát hiện là có khả năng kháng lại sự thủy phân cao (Ring và cộng sự, 1988) Mức độ và giới hạn của tinh bột thoái hóa trong quá trình hồ hóa phụ thuộc mật thiết với lượng amylose tồn tại Mức độ RS đạt được có liên quan mạnh mẽ với hàm lượng

amylose và sự thoái hóa

amylose được xác định

như một cơ chế chính để

hình thành RS, hàm lượng

này gia tăng đáng kể khi

gia nhiệt áp suất cao lặp

lại (Berry 1986; Bjorck và

cộng sự, 1990) Trong

suốt quá trình bảo quản,

các chuỗi polymer tinh

bột hồ hóa bị phân tán được cho rằng sẽ chuyển từ quá trình thoái hóa qua quá trình hình thành bán kết tinh có khả năng kháng lại sự tiêu hóa của pancreatic α-amylase Khả năng thủy phân của tinh bột đậu thì thấp hơn rất nhiều so với tinh bột ngũ cốc, loại tinh bột mà được cho là có hàm lượng amylose cao hơn

Tinh bột giàu amylose tự nhiên có hàm lượng cao RS2 (Berry, 1986), loại RS này được xác định như một loại tinh bột trong cấu trúc hạt tinh bột tự nhiên có khả năng kháng lại sự tiêu hóa và hấp thụ trong ruột non Tinh bột loại này lại có hàm lượng RS3 cao sau khi được nấu và làm nguội (Berry, 1986; Sievert và Pomeranz, 1989a) hoặc tinh bột thoái hóa (Englyst và cộng sự, 1992) Sự hình thành RS này chính là do quá trình tái sắp xếp lại các chuỗi amylose (Sievert và cộng sự, 1991) Ảnh hưởng của chiều dài chuỗi amylose lên việc hình thành RS được nghiên cứu bởi Eerlingen và cộng sự (1993) Hàm lượng RS của tinh bột lúa mì, đã được cắt mạch để tạo ra mức độ polymer hóa khác nhau, dao động trong khoảng 19 và 26 và không phụ thuộc chiều dài chuỗi của amylose (DPn 40 đến 610) ban đầu Kết quả đề

Hình 2.6 Đáp ứng của phân tử amylose trong quá trình

làm nguội dung dịch amylose nồng độ cao

xuất là RS được tạo thành bởi sự đông tụ của chuỗi xoắn kép amylose trong cấu trúc tinh thể trên các vùng đặc trưng của chuỗi (khoảng 24 đơn vị glucose)

- Nhiệt và ẩm Hàm lượng nước là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng lên việc

hình thành RS Xử lý nhiệt ẩm lặp lại liên quan đến việc giảm khả năng thủy phân của pancreatic α-amylase và tăng việc hình thành RS Hàm lượng RS cao nhất đạt được ở tỉ lệ tinh bột:nước là 1:3.5 (w/w) (Sievert và Pomeranz, 1989b) và xử lý nhiệt ở độ ẩm 18% làm tăng mức độ tinh thể của tinh bột sáp và tinh bột thường, do

đó giảm khả năng nhạy cảm với enzyme Tuy nhiên, ở 27% ẩm, tinh bột bị thoái hóa tạo ra những vùng tinh bột mà enzyme xâm nhập dễ dàng hơn Do đó xử lý nhiệt một cách chính xác có thể được sử dụng như một phương pháp tạo ra RS (Franco và cộng sự, 1995) Thêm vào đó, xử lý nhiệt độ cao hơn và độ ẩm thấp hơn cho kết quả tốt ở tinh bột kết tinh loại A, trong khi đó xử lý nhiệt độ thấp hơn và độ

ẩm cao hơn thì thích hợp cho tinh bột kết tinh loại B (Wu và Sarko,` 1978)

RS được xác định trong một vài loại ngũ cốc, đậu và củ đã được xử lý nhiệt

ẩm và nhiệt khô cho thấy hàm lượng RS cao hơn thực phẩm được xử lý nhiệt khô so sánh với cùng loại thực phẩm trên nhưng được xử lý ẩm

Cây lúa miến, đậu xanh, chuối xanh cho hàm lượng RS cao nhất (5.51%, 5.81%, và 10.7%) (Platel và Shurpalekar, 1994)

- Điều kiện chế biến Kỹ thuật chế biến có thể ảnh hưởng đến cả quá trình hồ

hóa và quá trình thoái hóa, từ đó ảnh hưởng đến việc tạo thành RS Điều này đóng vai trò quan trọng trong công nghệ thực phẩm vì nó đưa ra khả năng làm tăng hàm lượng RS trong thực phẩm chế biến Quá trình nướng, sản xuất mì, ép đùn, hấp tiệt trùng,…được biết như là các quá trình ảnh hưởng lên hàm lượng RS trong thực phẩm (Siljestrom và Asp, 1985; Bjorck và Nyman, 1987; Siljestrom và cộng sự, 1989; Muir và O’Dea, 1992; Rabe và Sievert, 1992) Các dạng bột ngũ cốc, thực phẩm chế biến từ ngũ cốc chứa khá nhiều RS Khoảng 1.5 % đến 8% RS trên thành phần chất khô Vì cấu trúc tinh thể của tinh bột trong các loại đậu (nhóm C) thì ổn định hơn so với tinh bột nhóm A trong ngũ cốc (Ring và cộng sự, 1988), hạt ngũ cốc được chế biến tạo kết quả là hàm lượng RS giảm đáng kể, trong khi đó các loại

đậu lại là nguồn RS đáng kể Quá trình chế biến trong điều kiện nhiệt độ và ẩm cao làm giảm đáng kể hàm lượng RS do phá vỡ cấu trúc tinh thể

2.1.5 Các phương pháp sản xuất tinh bột không thủy phân

2.1.5.1 Phương pháp xử lý bằng enzyme

Nghiên cứu của Soral và Wronkowska (2000) trên tinh bột đậu bằng việc sử dụng enzyme chịu nhiệt α-amylase có thể tạo ra đến 70% RS RS thu được trong thí nghiệm có ái lực với acid hữu cơ, deoxycholic và cholesterol Kết quả này cho thấy

RS có tiềm năng được sử dụng như một thành phần thực phẩm trong khẩu phần ăn đặc biệt dùng ngăn ngừa và trị bệnh RS chịu nhiệt và có thể lên men có chiều dài mạch tối ưu từ poly-1,4-α-D-glucan dùng trong thực phẩm chức năng có thể được

tạo ra bằng phương pháp tổng hợp in vitro khi thêm vào dịch chiết enzyme chứa

amylosucrase của Neisseria polysaccharea vào dung dịch sucrose tiến hành ủ trong vài giờ ở 37oC (Buttcher và cộng sự, 1997)

Một phương pháp khác có thể làm tăng hàm lượng RS trong tinh bột gạo đó

là cắt nhánh bằng enzyme pullulanase, để phân giải tinh bột nhưng không yêu cầu

xử lý nguồn tinh bột trước khi xử lý bằng enzyme Phương pháp này cho hàm lượng

RS từ tinh bột có hàm lượng amylose thấp đạt 24% RS đối với tinh bột gạo và 20%

RS đối với bột gạo Phương pháp này tạo ra được RS vẫn giữ được tính chất của khối bột sệt đồng thời có thể chịu nhiệt (King và Tan, 2005) Phương pháp này cũng

có thể được áp dụng để sản xuất RS từ các nguồn thực vật khác như ngô, lúa mì, khoai tây,…

2.1.5.2 Phương pháp sử dụng ẩm và nhiệt

Tác động của nhiệt và ẩm đã được nghiên cứu và chứng minh có ảnh hưởng đến sự hình thành RS, nên một số phương phápbiến tính sử dụng nhiệt và ẩm được nghiên cứu Và đây là hai phương pháp được đề cập đến: xử lý nhiệt ẩm (Heat-moisture treatment - HMT) và xử lý ẩm nhiệt (Annealing -ANN) Đây là hai phương pháp biến tính tinh bột bằng vật lý làm thay đổi tính chất lý hóa của tinh bột nhưng không làm thay đổi cấu trúc hạt tinh bột (Adebowale và cộng sự 2005; Hormdok, 2007; Jacobs, 1998; Maache-Rezzoug và cộng sự, 2008) Cả hai phương pháp đều cần phải kiểm soát độ ẩm của tinh bột, nhiệt độ và thời gian xử lý (Chung,

Liu, & Hoover, 2009b) Tuy nhiên hai phương pháp này yêu cầu lượng nước, nhiệt

độ và thời gian xử lý khác nhau HMT được thực hiện trong điều kiện ẩm giới hạn (10–30%) và khoảng nhiệt độ cao hơn (90–120 ◦C), trong khi đó ANN thì yêu cầu hàm lượng nước cao hơn (50–60%) và xử lý ở nhiệt độ thấp dưới nhiệt độ hồ hóa (Maache Rezzougetal, 2008)

Tùy theo nguồn gốc tinh bột mà HMT có thể làm tăng khoảng nhiệt độ hồ hóa, giảm độ trương nở của tinh bột và tăng khả năng chịu nhiệt Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào nguồn gốc của tinh bột và điều kiện xử lý có thể làm thay đổi mô hình X-ray, tạo phức hợp amylose-lipid, phá vỡ cấu trúc tinh thể do đó có thể tăng hoặc giảm khả năng bị thủy phân bởi enzyme khi xử lý HMT (Chung và cộng sự, 2009b) Còn ANN cũng có thể thay đổi tính chất hóa lý của tinh bột đồng thời cải thiện cấu trúc tinh bột thông qua việc tạo liên kết giữa các chuỗi mạch tinh bột (Jayakody & Hoover, 2008) Đặc biệt hơn là ANN có thể tái sắp xếp các phân

tử tinh bột nhất là các amylopectin (Gomes, Silva, & Ricardo, 2005) Hai phương pháp xử lý này có khả năng ứng dụng cao do việc có thể tăng sự chịu nhiệt của tinh bột đồng thời giảm khoảng thoái hóa của tinh bột (Adebowaleetal, 2005) Với hai tính năng này, tinh bột có thể được dùng trong sản phẩm đóng hộp và thực phẩm đông lạnh Việc giảm độ trương nở và giải phóng amylose và sự tăng khả năng chịu nhiệt có thể được ứng dụng trong công nghệ sản xuất mì (Hormdok & Noomhorm 2007) Ngoài ra, xử lý tinh bột bằng phương pháp này còn có thể tăng hàm lượng

RS (Brumovsky & Thompson 2001)

2.1.6 Lợi ích của RS đối với sức khỏe người tiêu dùng

RS có khả năng chống lại sự thủy phân của hệ enzyme trong cơ thể người, do

đó nó có thể được xếp vào nhóm chất xơ theo định nghĩa của Hiệp hội lương thực

Mỹ (AACC, 2000) RS được thử nghiệm như một chất xơ không tan, nhưng các lợi ích sinh lý mà RS đem lại tương đương với các chất xơ hòa tan Như vậy RS cũng

có tác dụng tốt cho sức khỏe tương đương với chất xơ như: tốt cho hệ đường ruột thông qua việc tăng tỉ lệ sản sinh các tế bào crypt hoặc giảm sự bào mòn biểu mô thành ruột so với việc sử dụng khẩu phần ăn không có chất xơ Mặt khác, việc phân

giải chậm RS có tác dụng trong kiềm hãm sự giải phóng glucose trong máu khi tiêu thụ tinh bột

RS không được hấp thu tại ruột non sẽ bị lên men bởi hệ vi sinh vật tại ruột già Nhìn chung là tinh bột không được tìm thấy trong phân người và động vật thí

nghiệm nên có thể chứng tỏ nó đã bị lên men ít hay nhiều Trong các thí nghiệm in

vivo trên phân người, kết quả cho thấy hàm lượng hàm lượng cao butyrate từ tinh

bột Trong khi đó butyrate là cơ chất sinh năng lượng chính cho các tế bào mô ruột già, ức chế sự chuyển hóa bất lợi của các tế bào này Điều này khiến các cấu tử RS

có thể được lên men một cách dễ dàng đặc biệt liên quan đến việc ngăn chặn ung thư ruột kết

Sự thay đổi đáng kể pH trong phân và chất thải tương đương với sản sinh các fatty acid mạch ngắn (SCFA) trong đại tràng của chuột đã được cho ăn RS, tác dụng này cũng giống với chất xơ, tuy nhiên khi kết hợp RS với chất xơ cám mì thì hàm lượng SCFA cao hơn Khi kết hợp RS với psylium thì phần RS lên men bị đẩy ra vùng ngoại biên Vì phần ruột già ngoại biên là nơi mà các khối u phát triển nên lợi ích ngăn ngừa ung thư ruột kết của RS được phát huy nếu phần lên men này bị đẩy

đi xa hơn (Morita và cộng sự 1999)

Thực phẩm chứa RS làm giảm gánh nặng tiêu hóa Việc phân giải chậm RS có thể được ứng dụng trong việc kiểm soát hàm lượng glucose giải phóng Việc trao đổi chất của RS xuất hiện sau 5 đến 7h tiêu thụ trái với tinh bột được chế biến thông thường bị phân giải ngay lập tức Khoảng thời gian 5 đến 7h tiêu hóa giảm chỉ số glycemix và chỉ số insulin và có khả năng gia tăng khoảng thời gian an toàn (Raben

và cộng sự, 1994; Reader và cộng sự, 1997)

RS được đề xuất sử dụng trong các chế phẩm probiotic để thúc đẩy sự phát

triển của hệ vi sinh vật có lợi như Bifido bacterium (Brown và cộng sự, 1996) Vì

RS gần như đi khỏi được ruột non nên nó được xem như là cơ chất cho hệ vi sinh vật probiotic

Tinh bột bị phân giải có thể hình thành sỏi mật do sự tiết nhiều hơn insulin và chất này có thể chuyển sang gây kích thích việc tổng hợp cholesterol Do đó RS được tìm thấy là giảm tỉ lệ mắc bệnh sỏi mật (Malhotra, 1968) Bệnh nhân sỏi mật ở

miền Nam Ấn Độ, nơi tiêu thụ nhiều ngũ cốc nguyên hạt thì ít hơn so với miền Bắc

Ấn Độ

Ở chuột với khẩu phần RS (25% khoai tây sống) làm tăng đáng kể kích thước manh tràng và vùng manh tràng chứa các acid béo mạch ngắn cũng như hấp thu và

hạ hàm lượng cholesterol và triglyceride trong máu Do đó, cũng có sự hạ thấp nồng

độ cholesterol trong tất cả các cấu trúc lipo-protein đặc biệt là trong DHL1 và giảm nồng độ triglyceride trong cấu trúc lipoprotein giàu triglyceride

Các nghiên cứu trên hamster được cho ăn tinh bột khoai mì trộn 9.9% xơ yến mạch và loại khác trộn với 9.7% RS cho thấy cả hai đều được đề xuất sử dụng trong thực phẩm để cải thiện sức khỏe tim mạch (Martinez và cộng sự, 2004)

Khi thay thế 5.4% tổng hàm lượng carbohydrates bằng RS trong bữa ăn có thể làm tăng đáng kể sự oxi hóa lipid sau bữa ăn do đó giảm tích lũy chất béo trong khoáng thời gian dài (Higgins và cộng sự, 2004)

Một nghiên cứu so sánh sự hấp thu calcium, phospho, sắt, kẽm ở ruột khi sử dụng RS và tinh bột tiêu hóa được chỉ ra rằng bữa ăn chứa 16.4% RS làm tăng rõ rệt

sự hấp thu calcium và sắt so với tinh bột thông thường Như vậy RS tác động lên sự hấp thu hai loại khoáng chất này (Morais và cộng sự, 1996)

2.1.7 Khả năng ứng dụng của RS trong công nghệ thực phẩm

RS có kích thước cấu tử nhỏ, màu trắng, không mùi, khả năng giữ nước kém

RS có các tính chất hóa lý đáng mong muốn như khả năng trương nở và độ nhớt tăng, khả năng tạo gel và liên kết với nước khiến loại tinh bột này được dùng trong nhiều loại thực phẩm Với tính chất này RS có thể được sử dụng thay thế cho bột mì với tỉ lệ 1:1 mà không làm thay đổi cấu trúc khối bột nhào, không những thế nó còn cải thiện một số tính chất mà thực phẩm giàu chất xơ không đạt được Nguồn RS có tính thương mại và khả năng ứng dụng là RS2 và RS3 (Nugent, 2005)

Một nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của RS trong sản xuất bánh mì thay thế cho các nguyên liệu là chất xơ thực phẩm, kết quả cho thấy khả năng giữ nước của RS tương đương với bột mì và thấp hơn so với các nguồn chất xơ, tuy nhiên lượng nước sử dụng cho khối bột nhào không thay đổi và thể tích bánh cũng như chất lượng cấu trúc bánh tốt hơn (Baghurst và cộng sự, 1996) Ngoài ra người

ta còn sử dụng RS cho các sản phẩm snack, bánh nướng, bánh xốp, …giúp cải thiện

độ giòn của sản phẩm và một số tính chất cảm quan

2.2 TỔNG QUAN VỀ KHOAI LANG TÍM

2.2.1 Giới thiệu chung về khoai lang tím

Khoai lang có tên khoa học là Ipomoea batatas (L.) Lamk là một loại thực

phẩm gần gũi với người dân Việt Khoai lang là loại cây sống nhiều năm, thân có nhựa mủ Lá khoai lang là một loại rau dùng để chế biến thành các món ăn trong bữa cơm gia đình Củ và rau khoai lang còn là vị thuốc phòng chữa bệnh đã được dùng từ lâu trong dân gian, có nơi còn gọi nó là ―sâm nam‖ Theo Đông y, củ khoai lang tính bình, vị ngọt, có tác dụng bồi bổ cơ thể, ích khí, cường thận, kiện vị, tiêu viêm, thanh can, lợi mật, sáng mắt Theo Tây y, khoai lang có chủng loại các chất dinh dưỡng tương đối nhiều Thành phần chủ yếu là tinh bột, dễ được cơ thể tiêu hoá, hấp thu và tận dụng Khoai lang tím từ lâu đã được nghiên cứu đưa vào sản xuất bởi Viện nghiên cứu nông nghiệp quốc gia Nhật Bản có tên là Okinawan Đây

ứng nhu cầu ngày càng

cao cho thị trường thực

phẩm phục vụ sức khỏe

con người Thị trường

khoai lang tím phát triển mạnh ở các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Newzeland và một số quốc gia khác…

Ví dụ nổi bật là Yamagawa-Murasaki Ayamurasaki giống khoai trồng ở Nhật Bản, được sử dụng trong việc chế biến các sản phẩm thương mại, bao gồm sản xuất

Hình 2.7 Hình ảnh về khoai lang tím

chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên, nước trái cây, bánh mì, mì, mứt, bánh kẹo, và đồ uống lên men

Ở nước ta khoai lang tím chủ yếu được trồng ở Đà Lạt và một số tỉnh miền Nam như: An Giang, Vĩnh Long, Kiên Giang cho sản lượng khá lớn đem lại thu nhập ổn định cho nông dân ở các tỉnh này Tuy nhiên đa số người tiêu dùng hiện nay vẫn chưa có thói quen sử dụng khoai lang tím trong khẩu phần ăn hằng ngày một mặt vì nó chưa phổ biến trên thị trường và người tiêu dùng chưa biết được giá trị dinh dưỡng của khoai lang tím Mặt khác khoai lang tím cũng chỉ có nhiều vào mùa vụ nhất định chứ không có quanh năm Do vậy việc chọn khoai lang tím làm nguyên liệu trong đề tài nghiên cứu này sẽ góp phần làm tăng giá trị sử dụng của khoai lang tím đồng thời tạo ra một sản phẩm thực phẩm mới đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của người tiêu dùng

2.2.2 Những nghiên cứu về tinh bột khoai lang

2.2.2.1 Phương pháp chiết tách tinh bột khoai lang

Nghiên cứu của Deng (2013) xác định ảnh hưởng của phương pháp tách tinh bột khoai lang lên các

thành phần hóa học

Kết quả cho thấy hàm

lượng amylose trong

quy trình nước chua thì

thấp hơn so với quy

trình ly tâm chiết tách,

và mẫu ly tâm cũng có

hàm lượng amylose

tương đương với mẫu

kiểm soát Trong khi

đó thì hàm lượng

protein và lipid trong

mẫu xử lý nước chua

thì cao hơn

Hình 2.8 Hình dạng hạt tinh bột khoai lang trong thí

nghiệm của Deng (2013)

Do đó việc chiết tách theo phương pháp của Liu và Shen hoặc ly tâm theo phương pháp của Deng (2013) đều có thể thực hiện

Hình 2.8 thể hiện hình ảnh của hạt tinh bột khoai lang trong thí nghiệm của

Deng (2013) Như vậy hạt tinh bột khoai lang có nhiều hình dạng khác nhau (hình cầu, hình bầu dục, hình đa giác), bề mặt nhẵn

2.2.2.2 Thành phần hóa học, tính chất lý hóa, cấu trúc của tinh bột khoai lang

Độ ẩm tinh bột khoai lang có xuất xứ từ trung quốc vào khoảng 8.7 – 9.4 % thấp hơn so với độ ẩm của tinh bột đậu xanh và khoai tây ở cùng thời gian sấy Hàm lượng amylose dao động trong khoảng 19.3 – 20 %, hàm lượng protein từ 0.14 - 0.23 % và hàm lượng Lipid vào khoảng 0.14 – 0.21 % (Chen và cộng sự, 2003) Hàm lượng amylose trong nghiên cứu của Deng (2013) vào khoảng 25%, Protein 0.088 %, Lipid 0.12 % và Tro 0.17%

2.2.2.3 Biến tính tinh bột khoai lang tạo RS

Biến tính tinh bột khoai lang có thể tác động lên tính chất độ nhớt của tinh bột như giảm độ nhớt của tinh bột nhưng lại tăng độ nhớt của tinh bột khi làm nguội Ngoài ra, nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang cũng giảm sau khi xử lý nhiệt ẩm

ở 25 – 28% ẩm, 110oC trong 3h (Singh, 2005) Nghiên cứu này cũng chỉ ra tác động của biến tính bằng acid (Acid hydrochloric 1.2%) lên tính chất tinh bột khoai lang Khác với xử lý nhiệt ẩm, tinh bột không có biến đổi nhiều về tính chất của dung dịch hồ Ngoài ra còn có một số nghiên cứu về khả năng tiêu hóa của tinh bột khoai lang của Gladys Chen & Peter Sopade (2013)

Tuy nhiên, hiện chưa có nghiên cứu về biến tính tinh bột tạo RS trên thế giới

và ngay tại Việt Nam

2.3 TỒNG QUAN VỀ KHOAI MỠ

2.3.1 Giới thiệu chung về khoai mỡ

Khoai mỡ tên khoa học là Dioscorea alata Linn hay còn có tên khác là D

atropurpurea Roxb, D globosa Roxb, D purpurea Roxb, nằm trong loài thuộc họ

Dioscoreaceae. Đây là loại dây leo cho củ được trồng nhiều ở Ấn

Độ, Malaysia, Châu Phi Ở Việt Nam, khoai mỡ còn có tên khác là khoai tím

Trên thế giới, khoai mỡ được xem là một trong những loại cây lương thực quan trọng Khoai mỡ có thể dùng trong nhiều món ăn quen thuộc như luộc, chiên, hay nấu canh, hấp bánh và mang lại khá nhiều lợi ích cho sức khỏe Tại Việt Nam, khoai mỡ được trồng nhiều ở khắp vùng nông thôn để lấy củ

ăn Khoai mỡ bắt đầu vụ thu hoạch vào cuối tháng 7, đầu tháng 8 âm lịch hàng năm

và lấy giống trồng vụ mới Khoai mỡ ở Việt Nam có hai loại: ruột trắng và ruột tím Loại ruột trắng có giống Mộng Linh, củ chùm, nặng ký (từ 4– 5 kg/củ), năng suất cao Loại ruột tím lại chia ra giống tím than và tím bông lau, loại này củ suông, dài, tuy củ nhỏ hơn loại ruột trắng nhưng ăn ngon, khi chế biến thành món ăn màu sắc cũng đẹp hơn nên được thị trường ưa chuộng

Sau cây lúa và một số loại cây khác khoai mỡ được xem là một trong những loại cây đặc sản, chủ lực trong cơ cấu nông nghiệp ở một số nơi tại Việt Nam đặc biệt phù hợp với vùng đất phèn ở khu vực Đồng Tháp Mười

Hoạt tính: Khoai mỡ khi ăn sống có thể gây ngứa rát cổ hoặc 1 số cảm giác khó chịu, tuy nhiên chúng có khả năng ngăn ngừa co thắt, kháng viêm, chống thấp khớp và lợi tiểu Chúng cũng phát huy tác dụng trong điều trị các cơn đau kéo dài, chứng chuột rút, và căng cơ

Ứng dụng chủ yếu: được sử dụng như thuốc trị co thắt, kháng viêm (The British Herbal Pharmacopoeia.)

Phần củ ăn được của Dioscorea alata có màu tím nên chứa anthocyanins,

cyanidin và peonidin-3-gentiobioside acyl hóa bởi sinapic acid Củ chứa surcose, trong khi đó lá có chứa một lượng lớn D-fructose, D-glucose và polyols, 2-deoxyribitol, 6-deoxysorbitol và glycerol Một số Mouldy yams được cho rằng có chứa hợp chất ipomeanol có khả năng phòng chống ung thư gan

2.3.2 Các nghiên cứu về tinh bột khoai mỡ

2.3.2.1 Tính chất chức năng và cấu trúc tinh bột

Ngoài khả năng ứng dụng trong

thực phẩm, tinh bột khoai mỡ được

nghiên cứu sử dung như một nguồn tá

dược Một số thành phần trong tinh bột

khoai mỡ: hàm lượng tro 0.13%, Protein

0.125%, Lipid 0.05%, Amylose 26.98%

(Odeku, 2012) Hình dạng hạt tinh bột

khoai mỡ được mô tả trong hình 2.9

2.3.2.3 Nghiên cứu biến tính tinh

bột khoai mỡ

Gunaratne và Hoover (2001) tiến hành biến tính tinh bột một số loại củ trong

đó có khoai mỡ Quá trình xử lý nhiệt ẩm đươc tiến hành ở 100oC trong 10h và độ

ẩm tinh bột là 30% Kết quả này chỉ ra rằng sau quá trình xử lý nhiệt ẩm, cấu trúc hạt tinh bột không thay đổi, tuy nhiên cấu trúc tinh thể của tinh bột lại chuyển từ nhóm B sang nhóm C Đồng thời một số chỉ tiêu như độ trương nở và khả năng tiết

ra ngoài của amylose giảm, enthalpy hồ hóa tăng, tinh bột trở nên nhạy cảm hơn với

sự thủy phân của acid nhưng lại khó bị thủy phân bởi enzyme

Qua tổng quan các tài liệu tham khảo, tác giả nhận thấy rằng vai trò của tinh bột không thủy phân RS đã được khẳng định thông qua rất nhiều nghiên cứu Bên cạnh đó nguồn tinh bột khoai lang, khoai mỡ với xu hướng trở thành một trong những nguồn lương thực phổ biến của con người với giá trị dinh dưỡng cao thì sự cần thiết tiến hành nghiên cứu những tính chất chức năng của loại tinh bột này trở nên rất cấp bách

Do đó, tác giả đã đưa ra mục tiêu của đề tài nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình bến tính tinh bột khoai lang và khoai mỡ nhằm tạo ra loại tinh bột có hàm lượng tinh bột không thủy phân cao

Hình 2.9: Hình dạng tinh bột khoai mỡ

(Dioscore alata) (Odeku, 2012)

CHƯƠNG III: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Chọn nguyên liệu với các tiêu chuẩn sau:

- Khoai được thu hoạch vào tháng 1/2013

- Khoai vừa mới được thu hoạch trong 1 đến 2 tuần

- Củ khoai có trọng lượng trung bình từ ỏ

- Vỏ màu tím đậm, ruột màu tím nhạt

- Da trơn, củ còn nguyên vẹn, không hư tổn, không bị sâu, sùng, mốc, không mọc mầm, đồng đều về kích thước

3.1.1.2 Khoai mỡ

Khoai mỡ (water yam) được thu mua tại huyện Thạnh Hóa, tỉnh Long An Chọn nguyên liệu với các tiêu chuẩn sau:

- Khoai được thu hoạch vào tháng 1/2013

- Khoai vừa mới thu hoạch từ 1 đến 2 tuần

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.2.1 Các bước tiến hành nghiên cứu

Để thực hiện quá trình nghiên cứu, nguyên liệu là khoai lang tím và khoai mỡ được thu mua tại vùng trồng trọt với trữ lượng lớn, nguồn gốc rõ ràng Sau khi được thu hoạch và đem về nghiên cứu, khoai lang phải được đem tách tinh bột trong tuần

đề tránh các biến đổi làm ảnh hưởng đến thành phần nguyên liệu Lượng tinh bột thu được từ nguyên liệu phải đảm bảo đủ dùng trong suốt quá trình nghiên cứu nhằm đảm bảo tính đồng nhất của kết quả Tinh bột sau khi được tách chiết sẽ được cho kiểm tra thành phần hóa học và các chỉ tiêu hóa lý Sau đó, tiến hành tối ưu hóa quá trình biến tính tinh bột bằng ẩm nhiệt với các thông số thời gian, độ ẩm và nhiệt

độ Mẫu tinh bột sau khi biến tính và đã được tối ưu hóa sẽ được kiểm tra các chỉ tiêu hóa lý để đánh giá sự thay đổi

Khoai lang, khoai

mỡ

Lựa chọn nguyên liệu

Chiết tách tinh bột

Xác định thành phần hóa học, chỉ tiêu hóa lý của tinh bột

Kiểm tra các tính chất hóa lý của mẫu đã tối ưu hóa Tối ưu hóa thông số biến tính tinh bột bằng ẩm nhiệt

3.2.2 Quy trình chiết tách tinh bột

Tinh bo

3.2.3 Phân tích các chỉ tiêu hóa lý

Chúng tôi sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý để xác định thành phần hóa học của nguyên liệu Các thí nghiệm được tiến hành tại Phòng Lab 101 – Trường đại học Quốc Tế, Linh trung, Thủ Đức, theo các phương pháp nêu trong

bảng 3.2

Khoai lang, khoai mỡ

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu hóa lý và phương pháp phân tích

Nguyên lý – Cách tiến hành – Tính kết quả

Độ ẩm Sấy ở nhiệt độ 105

0C đến khối lượng không đổi – TCVN 5613.91

Xem phụ lục 1

Hàm lượng Nitơ

tổng Micro Kjendahl – AOAC 960.52

Hàm lượng béo Dùng diethyl ether để trích ly trong

soxhlet Hàm lượng tro Nung ở nhiêt độ 550

0C đến khối lượng không đổi

amylose

Xác định bằng phương pháp tạo phức với iốt

3.2.3.1 Xác định cấu trúc kết tinh của tinh bột

Cấu trúc kết tinh của mẫu tinh bột được xác định bằng phường pháp nhiễu xạ tia X (Rigaku Co., Ltd., Rin-200 type, Tokyo, Japan) được mô tả chi tiết bởi Hung

và Morita (2005) Thiết bị nhiễu xạ hoạt động ở điều kiện 40 kV và 80 mA

3.2.3.2 Phương pháp biến tính tinh bột bằng nhiệt ẩm

Tinh bột trước khi đem biến tính đã được đưa về độ ẩm không đổi Cân 50g tinh bột vào erlen có nắp, thêm nước cất để đưa mẫu tinh bột về độ ẩm mong muốn (25%, 30% và 35%), trộn đều mẫu để phân tán ẩm (bột chuyển từ trạng thái khô rời sang trạng thái ẩm dính), sau đó đậy nắp kín và cố định bằng giấy mỏng Đặt mẫu trong tủ lạnh 24h để cân bằng ẩm Sau 24h, cho mẫu vào tủ sấy ở nhiệt độ cần thiết, tiến hành gia nhiệt trong tủ sấy ở 100oC, 110oC và 120oC và giữ nhiệt trong các khoảng thời gian (6, 7 và 8h) theo các thông số được bố trí trong thí nghiệm Các mẫu được thực hiện ở cùng chế độ nhiệt độ sẽ được tiến hành xử lý chung trong cùng một thiết bị và cùng một ngày với thời gian lấy mẫu ra khác nhau Mẫu sau

khi xử lý nhiệt ẩm sẽ được lấy ra làm nguội và đem sấy ở nhiệt độ 45oC trong 48h Mẫu tinh bột biến tinh sau khi sấy khô được đem đi nghiền và tiến hành rây bột qua dụng cụ rây có kích thước lỗ là 125µm để thu nhận mẫu thành phẩm

3.2.3.3 Độ nhớt

Độ nhớt của các mẫu tinh bột được đo bằng máy Brookfileld Viscometer RVDV-E (RV range) ((Digital viscometer; M198-350-40410; 11 Commerce Boulevard, Mddleboro, MA02346 USA)

Trước tiên cân 0.15g mẫu tinh bột vào ống nghiệm, thêm nước để hỗn hợp đạt 1.5% tinh bột Hỗn hợp trên được đun sôi trong bể điều nhiệt và khuấy liên tục trong 15 phút, sau đó đậy kín ống nghiệm, không khuấy và giữ ở 100oC trong bể điều nhiệt trong 15 phút Sau đó làm nguội các ống nghiệm này xuống 50oC trong

bể điều nhiệt 15 phút rồi tiến hàm đo độ nhớt bằng máy Brookfileld Viscometer RVDV-E ở vận tốc 50 và spindle 18

3.2.3.4 Độ trong

Độ trong được xác định theo phương pháp của Craig và cộng sự (1989) 0.05 g tinh bột hòa trong 5ml nước cất trong ống nghiệm Đun hỗn hợp ở 100oC trong 0.5 – 1h, 5 phút khuấy hỗn hợp 1 lần bằng máy Vortex Độ trong của hỗn hợp được xác định thông qua độ truyền suốt (%T) được đo bằng máy quang phổ hấp thu (UVD-

2960, Labomed, USA) ở bước sóng 650nm cùng mẫu đối chứng là mẫu nước cất Tinh bột có thể tạo các liên kết ngang mạnh với năng lượng thấp nên có thể tạo cặn,

do đó thao tác đo nên thực hiện nhanh chóng sau khi khuấy

Độ hòa tan (%) = khối lượng hòa tan (khối lượng khô)*100/khối lượng tinh bột (tính trên chất khô)

3.2.3.6 Độ trương nở

Độ trương nở của tinh bột được xác định sau khi tinh bột với nước được gia nhiệt ở các nhiệt độ 50, 60, 70, 80, 90oC đây là phương pháp được thực hiện theo Sasaki và Matsuki (1988) được mô tả bởi Hung và Morita (2005) Ống ly tâm 15ml (đã cân lấy khối lượng mo) chứa 0.16g (m) tinh bột và 5ml nước cất Các hỗn hợp này được giữa ở các mức nhiệt độ trên trong thời gian 30 phút trong bể điều nhiệt

và khuấy liên tục Sau khi lấy ra, mẫu được đem làm nguội đến nhiệt độ phòng và ly tâm 3000xg trong 15 phút, tiếp đó đổ dịch trong ra và lấy bông thấm các phần nước còn sót lại rồi đem cân m1 Độ trương nở của tinh bột được tính như sau:

Độ trương nở = (m1 – mo)/m

3.2.3.7 Xác định hàm lượng tinh bột không thủy phân (RS)

Hàm lượng RS của mẫu tinh bột tự nhiên và tinh bột biến tính được xác định theo phương pháp của Englyst và cộng sự (1992) với một số điều chỉnh 0.3g tinh bột cân và cho ống ly tâm 50ml, thêm vào 20ml dung dịch đệm acetate pH 5.2, lắc đều mẫu và đun sôi trong 15 phút Sau đó cân bằng mẫu ở 37o

C trong 15 phút Tiếp theo cho vào ống mẫu 5ml hỗn hợp enzyme (α-amylase 1400 U/ml và amyloglucosidase 300U/ml) và ủ ở 37oC Sau 20 phút và 120 phút, tiến hành lấy 0.5ml mẫu đem đo hàm lượng glucose với nồng độ pha loãng 10 lần Sau khi hoàn tất việc lấy mẫu đo glucose, hỗn hợp mẫu trên được đun ở 100oC trong 30 phút rồi làm nguội trong tủ lạnh 15 phút Mẫu sau khi làm lạnh được cho vào 10ml KOH 7M và giữ lạnh trong 30 phút và lắc đều 10 phút 1 lần Tiếp đó, hút 1ml mẫu cho vào ống tuýp có chứa 10ml Acid acetic 0.5M và thêm vào 0.2 ml enzyme amyloglucosidases 50U/ml, tiến hành ủ mẫu ở 70oC trong 30 phút Sau đó đun sôi mẫu trong 10 phút, làm nguội và ly tâm ở 1500g trong 15 phút rồi tiến hành đo hàm lượng glucose trong mẫu với nồng độ pha loãng 50 lần Hàm lượng glucose đo lần này là TG, kết quả đo ở 20 phút và 120 phút lần lượt là G20 và G120

Công thức xác định hàm lượng RS như sau:

RDS = G20*100/TG LDS = G120*100/TG

RS = 100 – G20 – G120

3.2.4 Tối ƣu hóa quá thông số biến tinh tinh bột bằng nhiệt ẩm

3.2.4.1 Bố trí thí nghiệm tối ƣu

Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa được thực hiện dựa theo mô hình Box-Behnken với 3 thông số nhiệt độ (X1), độ ẩm (X2) và thời gian (X3) là các biến độc lập và hàm lượng RS (Y) là đáp ứng phụ thuộc, xác định bằng phương pháp nêu trong mục 3.2.3.6 Ba mức độ của mỗi yếu tố được thiết lập trong Bảng 3.3 Mô hình bao gồm 15 thí nghiệm được thiết lập bởi Box – Behnken theo phần mềm Design Expert 7.00 phiên bản thử nghiệm (Stat Ease, USA).

Mô hình Box Behnken là mô hình bậc hai với ba mức độ được sử dụng trong phương pháp bề mặt đáp ứng (Box and Behnken, 1960) Mô hình Box-Behnken trong thí nghiệm này được thiết kế cho ba yếu tố độc lập với ba mức độ cho mỗi yếu tố và mối liên hệ giữa các biến độc lập và đáp ứng phụ thuộc được thiết lập cho phù hợp với mô hình bậc hai như phương trình (1)

Tại vị trí đáp ứng Y, βo, βi, βii, βịj là phần mặt phẳng bị chắn, hệ số tuyến tính của Xi, hệ số toàn phương của Xi, và tương tác giữa hai yếu tố Xi và Xj Hệ số ước lượng và p-value từ F test được sử dụng để đánh giá mức ý nghĩa của mô hình Hệ

số tương quan, kí hiệu R2 , chỉ ra sự phù hợp của dữ liệu thí nghiệm với đường thẳng hoặc đường cong nhận được Mối liên hệ giữa các biến và đáp ứng trong phương pháp đáp ứng bề mặt được biểu diễn trong mặt phẳng ba chiều

Bảng 3.3 Các mức độ được mã hóa của mỗi yếu tố trong mô hình Box – Behnken

ở độ tin cậy 95%

X X X

n

j

i ij i

n

i ii i

1 1