Nghiên cứu tạo tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh bột khoai lang và ứng dụng

Nhan đề : Nghiên cứu tạo tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh bột khoai lang và ứng dụng Tác giả : Phùng Thị Thanh Trúc Người hướng dẫn: Lương Hồng Nga Từ khoá : Tinh bột Năm xuất bản : 2020 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về khoai lang, tinh bột và tinh bột khoai lang, tinh bột tiêu hóa chậm (SDS); vật liệu và phương pháp; kết quả và thảo luận.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vi ện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm

Học viên cao học được hỗ trợ bởi chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến

sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lương Hồng Nga

2

3

L ỜI CẢM ƠN 5

L ỜI MỞ ĐẦU 6

TÓM T ẮT LUẬN VĂN 7

DANH M ỤC BẢNG 8

DANH M ỤC HÌNH 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 11

1.1 T ỔNG QUAN VỀ KHOAI LANG 11

1.1.1 Nguồn gốc của khoai lang 11

1.2.2 Thành phần dinh dưỡng 11

1.2.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang 14

1.2.4 Ứng dụng của khoai lang 16

1.3 T ỔNG QUAN VỀ TINH BỘT VÀ TINH BỘT KHOAI LANG 16

1.3.1 Định nghĩa 16

1.3.2 Hình dạng và kích thước của tinh bột khoai lang 17

1.3.3 Cấu trúc của tinh bột khoai lang 17

1.3.4 Tính chất của tinh bột 18

1.4 TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT TIÊU HÓA CHẬM (SDS) 21

1.4.1 Khái niệm tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) 22

1.4.2 C ấu trúc của tinh bột tiêu hóa chậm SDS 22

1.4.3 L ợi ích của tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) 24

1.4.4 M ột số quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm 24

1.5.1 Nh ững nghiên cứu trong và ngoài nước về khả năng tiêu hóa của tinh bột 32

1.5.2 M ột số nghiên cứu tạo SDS từ tinh bột khoai lang 33

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 34

2.1 V ẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 34

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu 34

2.2.2 B ố trí thí nghiệm 37

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 THÀNH PH ẦN TINH BỘT KHOAI NGUYÊN LIỆU 42

3.2 KH ẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PULLULANASE T ỚI SỰ HÌNH THÀNH SDS 43

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột tới khả năng tiêu hóa khi thủy phân bởi pullulanase 43 3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ pullulanase tới khả năng tiêu hóa của tinh bột sau thủy phân

4

………

…….44

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân pullulanase tới khả năng tiêu hóa của tinh bột khoai lang 45

3.3 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT SỬ DỤNG ENZYME PULLULANASE T ẠO SDS 46

3.3.1 Chọn miền khảo sát 46

3.3.2 Thiết lập mô hình 46

3.3.3 Tối ưu hóa hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm 48

3.3.4 Kiểm tra tính tương thích của mô hình 49

3.4 NGHIÊN C ỨU CHẾ ĐỘ THOÁI HÓA TINH BỘT SAU THỦY PHÂN PULLULANASE LÀM TĂNG HÀM LƯỢNG SDS 49

3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa đến khả năng hình thành tinh bột tiêu hóa chậm 49 3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa đến khả năng hình thành tinh bột tiêu hóa chậm 50 3.5 ĐƯA RA QUY TRÌNH SẢN XUẤT TINH BỘT TIÊU HÓA CHẬM 51

3.6 ỨNG DỤNG BỔ SUNG TINH BỘT TIÊU HÓA CHẬM VÀO SẢN PHẨM BÁNH Y ẾN MẠCH 52

3.6.1 Quy trình sản xuất bánh yến mạch 52

3.6.2 Ảnh hưởng của việc bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm tới khả năng tiêu hóa của bánh yến mạch 53

3.6.3 Ảnh hưởng của việc bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm tới cấu trúc của sản phẩm bánh y ến mạch 53

3.6.4 Ảnh hưởng của việc bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm tới màu sắc của sản phẩm bánh yến mạch 54

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 55

PH Ụ LỤC 56

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 58

5

Vậy là đã kết thúc một chặng đường dài 7 năm làm học trò dưới mái trường Bách Khoa Giờ phút này đây, những cảm xúc mạnh mẽ nhất chợt ùa về, đây là nơi tôi đã gửi gắm một phần thanh xuân tươi đẹp, nơi đã chắp cánh những ước mơ của tôi bay xa, nơi đã mở rộng những cánh cửa tương lai tốt đẹp cho biết bao thế

hệ học trò Ngày hôm nay, hai tiếng Bách Khoa thân thương luôn vang lên trong tâm trí tôi cùng với lòng biết ơn vô hạn

Em xin cảm ơn chân thành đến PGS.TS.Lương Hồng Nga, người thầy tận tụy

đã dìu dắt em từ những ngày đầu tiên em đặt chân lên phòng thí nghiệm cách đây

5 năm, người đã luôn tận tâm chỉ dạy em những điều quý giá không chỉ kiến thức chuyên môn mà những điều hay lẽ phải trong cuộc sống, người luôn truyền động lực để em vươn lên chạm tới những thành tích tốt đẹp

Em xin chân thành cảm ơn Th.S.Dương Hồng Quân đã đồng hành cùng em trong các đề tài nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn này

Em xin cảm ơn TS Nguyễn Tiến Cường cùng các bạn sinh viên phòng thí nghiệm C4-209 Trí, Phương, Vân Anh, Tuyên, Gấm, Hạnh, Xuyến, Hương, Son,… đã cùng sẻ chia, hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình làm luận văn

Cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên động viên tinh thần để giúp em vượn lên cố gắng trong những khó khăn

Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô đã dạy em những bài học quý báu, cung cấp kiến thức chuyên môn vững chắc để em đủ tự tin bước vào cuộc sống

Em xin cảm ơn các thầy cô lãnh đạo Bộ môn, lãnh đạo Viện, phòng Đào tạo, GS.TS.Lê Anh Tuấn – Viện trưởng viện Cơ khí Động lực và các anh chị phòng Hợp tác Đối ngoại đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong các chương trình trao đổi quốc tế, giúp em có cơ hội được đi và học hỏi những kiến thức bổ ích và những giá trị tốt đẹp của các quốc gia trên thế giới

Em xin cảm ơn quỹ học bổng Đổi mới Sáng tạo của tập đoàn Vingroup đã hỗ trợ rất nhiều về vật chất để em có thể hoàn thiện đề tài nghiên cứu này một cách thuận lợi

Và cuối cùng, cảm ơn Bách Khoa vì tất cả!

Hà Nội, ngày 09 tháng 09 năm 2020

Học viên

Phùng Thị Thanh Trúc

6

Theo các số liệu nghiên cứu trong những năm gần đây, do thói quen tiêu thụ thực phẩm thiếu khoa học, tỉ lệ người mắc các căn bệnh phổ biến như bệnh tim mạch, tiểu đường, béo phì đang ngày càng tăng cao, con người bắt đầu có các nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm tốt cho sức khỏe hơn Điều này đã và đang đặt ra các thách thức cho các nhà khoa học thực phẩm cần phải nghiên cứu ra các sản phẩm mới có khả năng hỗ trợ, ngăn chặn các bệnh kể trên Một trong những sản phẩm tiềm năng do đáp ứng được các nhu cầu này, tinh bột tiêu hóa chậm (Slowly Digestible Starch – SDS) đang là một mối quan tâm đặc biệt được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu Theo định nghĩa của Englyst và cộng sự, tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS) là phần tinh bột được tiêu hóa trong vòng 20 phút, gây ra sự gia tăng nhanh chóng lượng đường trong máu, có hại cho sự khỏe, tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) bị tiêu hóa trong khoảng thời gian từ 20 phút đến 120 phút, duy trì giải phóng lượng đường vào máu thấp và ổn định, có thể ngăn ngừa các bệnh đường huyết , tim mạch,…tinh bột kháng tiêu hóa (RS) là phần tinh bột không bị tiêu hóa sau 120 phút ở ruột non, lên men ở ruột già và có ảnh hưởng tốt đối với sức khỏe con người Trong khoảng 5 năm trở lại đây, từ năm 2015 đến 2020, theo thống kê của sciencedirect.com số lượng nghiên cứu liên quan tới tinh bột tiêu hóa chậm trên thế giới đang có xu hướng gia tăng mạnh, điều đó chứng tỏ rằng đây là một chủ đề đang được quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu liên quan tới khả năng tiêu hóa của tinh bột còn rất hạn chế nhất là với đối tượng SDS, các nghiên cứu chủ yếu tập trung làm thay đổi hàm lượng RS Chính

vì vậy, nghiên cứu quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm sử dụng các nguồn tinh bột Việt Nam đang là nhu cầu thiết yếu

Trong bối cảnh phát triển khoa học và công nghệ hiện nay, các sản phẩm nông sản Việt Nam cho năng suất và chất lượng rất tốt Bên cạnh đó, so với các loại tinh bột khác như tinh bột sắn, tinh bột khoai lang đã được chứng minh là có mạch phân

tử dài, ít phân nhánh, hàm lượng amylose cao, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho thủy phân cắt nhánh và tái tạo tinh thể, do đó tăng hàm lượng tinh bột tiêu hóa

chậm Vì lý do đó, đề tài “Nghiên c ứu chế độ tạo tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh

b ột khoai lang và ứng dụng” là khả thi và phù hợp với nhu cầu cũng như bối

cảnh kinh tế hiện nay tại Việt Nam

7

Khoai lang là một trong những loài cây lương thực phổ biến nhất ở nước ta Với nguồn tinh bột dồi dào, sẵn có, việc sản xuất các thực phẩm chức năng có nguồn gốc tinh bột khoai lang đang được giới khoa học quan tâm, một trong các định hướng nghiên cứu đó là sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm (Slowly Digesible Starch – SDS) Đã có rất nhiều nghiên cứu chứng minh được tính chất chức năng

có lợi cho sức khỏe của SDS như phòng chống bệnh tiểu đường, tim mạch, béo phì

và giữ ổn định năng lượng lâu dài trong cơ thể Tinh bột tiêu hóa chậm có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm như sản xuất đồ uống, mỳ ăn liền, bánh kẹo, dược phẩm, thực phẩm chức năng,… Chính vì những đặc tính quý giá này, việc nghiên cứu, phát triển chế độ công nghệ phù hợp sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm là rất cần thiết

Mục tiêu của nghiên cứu này là tối ưu hóa quá trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm bằng cách sử dụng enzyme pullulanase kết hợp thoái hóa tinh bột trên đối tượng nghiên cứu là tinh bột khoai lang Hoàng Long thu hoạch tại Việt Yên, Bắc Giang Chế độ tối ưu của quá trình thủy phân tinh bột bằng pullulanase được đưa

ra là ở nồng độ tinh bột 10%, nồng độ enzyme 19.343ASPU/g, thời gian thủy phân 7h cho kết quả hàm lượng SDS tăng từ 12.3% lên 46.13% Chế độ thoái hóa làm giàu SDS sau thủy phân thích hợp là ở nhiệt độ 4oC, thời gian 48h cho hàm lượng SDS tăng từ 46.13% lên 52.62% Ứng dụng bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm 30% vào sản phẩm bánh yến mạch cho kết quả tăng hàm lượng SDS của sản phẩm không bổ sung từ 37.5% lên 48%, hàm lượng RDS giảm từ 46.97% xuống còn 40.92% Điều này đã chứng minh hiệu quả bổ sung của tinh bột tiêu hóa chậm đạt được là đáng kể Ngoài ra, việc bổ sung SDS có làm cho bánh yến mạch thay đổi

độ cứng và màu sắc, tuy nhiên các thay đổi này vẫn nằm trong ngưỡng chấp nhân được

Từ khóa: Ipomoea Batatas, tinh bột tiêu hóa chậm, SDS

8

Bảng 1.1: Thông tin dinh dưỡng trên có trong 100g khoai lang (Theo Food Data Central)

Bảng 1.2: Sản lượng khoai lang trên thế giới năm 2013

Bảng 1.3: Tình hình sản xuất cây khoai lang tại Việt Nam từ năm 2015 đến năm 2018

Bảng 1.4: Một số phương pháp sản xuất SDS

Bảng 1.5: Sản phẩm tạo thành của các các nhóm enzyme pullulanase

Bảng 3.1: Thành phần dinh dưỡng của tinh bột khoai lang Hoàng Long Bảng 3.2: Hàm lượng RDS, SDS và RS của tinh bột khoai lang tự nhiên so với tổng lượng tinh bột

Bảng 3.3: Giá trị mã hóa và thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm

Bảng 3.4: Ma trận thực nghiệm với 3 yếu tố nồng độ tinh bột, nồng độ

enzyme, thời gian và kết quả thí nghiệm

Bảng 3.5: Các phương án tối ưu, giá trị các biến

Bảng 3.6: Kiểm tra tính tương thích của mô hình tối ưu

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa tới khả năng hình thành tinh bột tiêu hóa chậm

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa tới khả năng hình thành tinh bột tiêu hóa chậm

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của việc bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm tới khả năng tiêu hóa của bánh yến mạch

Bảng 3.10: Ảnh hưởng của việc bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm tới cấu trúc của sản phẩm bánh yến mạch

Bảng 3.11: Ảnh hưởng của việc bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm tới màu sắc của sản phẩm bánh yến mạch

Phụ lục 1: Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột tới khả năng tiêu hóa khi thủy phân bởi pullulanase

Phụ lục 2: Ảnh hưởng của nồng độ pullulanase tới khả năng tiêu hóa của tinh bột sau thủy phân

Phụ lục 3: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân pullulanase tới khả năng tiêu hóa của tinh bột khoai lang

9

Hình 1.1: Hình dạng tinh bột của một số giống khoai lang Việt Nam soi dưới kính hiển vi điện tử

Hình 1.2: Mô hình cấu trúc tinh thể tinh bột dạng A

Hình 1.3: Cơ chế trương nở của tinh bột

Hình 1.4: Quá trình hồ hoá của tinh bột

Hình 1.5: Sơ đồ quá trình tạo gel – thoái hoá gel tinh bột

Hình 1.6: Đặc tính sinh học của các loại tinh bột (a) Thí nghiệm trên hệ tiêu hóa giả lập và (b) thí nghiệm trên hệ tiêu hóa thực đối với phản ứng đường huyết của RDS, SDS và RS

Hình 1.7 : Cấu trúc tinh bột tự nhiên và tinh bột đã qua biến tính

Hình 1.8: Một số quy trình sản xuất SDS

Hình 1.9: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tinh bột ngô bằng enzyme pullulanase đến sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm

Hình 1.10: Cơ chế gắn nhánh của enzyme Transglucosidase

Hình 1.11 : Cơ chế tái tạo cấu trúc tinh thể của amylose

Hình 1.12: Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa tinh bột sau thủy phân

pullulanase tới khả năng tiêu hóa của tinh bột ngô

Hình 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa tinh bột sau khi thủy phân pullulanase tới khả năng tiêu hóa của tinh bột ngô

10

RDS: Tinh bột tiêu hóa nhanh

SDS: Tinh bột tiêu hóa chậm

RS: Tinh bột kháng tiêu hóa

11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 T ỔNG QUAN VỀ KHOAI LANG

1.1.1 Nguồn gốc của khoai lang

Khoai lang là một cây lương thực lâu đời, theo Engel (1970) những mẫu khoai lang khô thu được tại hang động Chilca Canyon (Peru) sau khi phân tích phóng xạ cho thấy có độ tuổi từ 8000 đến 10.000 năm [1] Như vậy, theo các quá trình nghiên cứu về nguồn gốc thì khoai lang được biết sớm nhất ở Châu Mỹ Về sau được trồng rộng rãi ở các đảo Thái Bình Dương, một số quốc gia Châu Á cùng Châu Phi, ở Châu Âu cũng được trồng nhưng không phổ biến, chủ yếu là ở Bồ Đào Nha Châu Mỹ tuy được xem là quê hương của khoai lang nhưng hiện nay sản lượng khoai lang ở Châu Mỹ rất thấp (không quá 3%) Hiện nay, khoai lang được trồng phổ biến nhất là ở các quốc gia Châu Á như Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ…

Bảng 1.1: Thông tin dinh dưỡng trên có trong 100g khoai lang (Theo Food Data Central)

Thông tin dinh dưỡng cơ

lượng Nhu c hàng ầu

ngày (%)

lượng (mg)

Nhu c ầu hàng ngày (%)

12

1.2.2.1 Carbohydrate

Đường

Trung bình khoai lang luộc, không vỏ chứa 27g carbohydrate Trong đó chủ yếu

là tinh bột (dạng carbonhydrate phức hợp), chiểm 53% hàm lượng carbonhydrate Còn lại là các loại đường đơn như glucose , fructose , sucrose, maltose chiếm 32%

[2]

Tinh b ột

Tinh bột là thành phần quan trọng của gluxit, chiếm 60-70% chất khô ([3]) Giống là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hàm lượng tinh bột trong củ khoai lang Kết quả nghiên cứu cho thấy 18 giống khoai lang trồng ở Brazil có hàm lượng tinh bột biến đổi từ 42,6-78,7% chất khô [4] Các giống trồng ở Philipine và Mỹ biến động từ 33,2-72,9% chất khô (C.J Bienman & J.A Marlett (1986)) Ở Ấn Độ, hàm lượng tinh bột dao động từ 11-22,5% chất tươi (31 giống), ở Đài Loan 7-22,2% chất tươi (272 giống) (Manh N.X 1996) Theo trung tâm nghiên cứu khoai lang,

Từ Châu (1994) phân tích 790 mẫu xuất xứ, hàm lượng tinh bột thô 37,6-77,8%; Trung tâm nghiên cứu và phát triển rau Châu Á (1992) phân tích 1600 mẫu xuất xứ,

tỉ lệ chất khô khoai lang đạt 12,74-41,2%, hàm lượng tinh bột của khoai khô đạt 44,59-78,02%; Bradbury và Halloway (1988) phân tích 164 giống khoai lang của 5 nước Châu Á-Thái Bình Dương, hàm lượng tinh bột khoai lang tươi 5,3-28,4% [7] Ngoài giống, còn một số yếu tố khác ảnh hưởng đến hàm lượng tinh bột như thời vụ, địa điểm trồng, phân bón, thời gian thu hoạch, thời gian bảo quản… Khi khoai chín thì trọng lượng tinh bột và các hạt tinh bột tăng lên Tinh bột khoai lang chứa khoảng 13-23%amylose và 77-87% amylopectine

Dựa vào những đặc tính trong quá trình tiêu hóa mà người ta chia tinh bột thành

3 loại khác nhau [8] Dưới đây là tỉ lệ tinh bột trong khoai lang:

- Tinh bột tiêu hóa nhanh (chiếm 80%) nhanh chóng bị phân nhỏ và hấp thu, làm tăng chỉ số đường huyết

- Tinh bột tiêu hóa chậm ( chiếm 9%) bị phân nhỏ chậm hơn và khiến lượng đường trong máu tăng nhẹ [9].

- Tinh bột kháng (chiếm 12%) khó được tiêu hóa và có vai trò như một chất

xơ, là nguồn thức ăn của các vi khuẩn thân thiện trong đường ruột Lượng tinh bột kháng có thể tăng nhẹ trong khoai lang chín để nguội [10][11]

Xơ tiêu hóa

Khoai lang chín tương đối giàu chất xơ Trung bình một củ khoai lang chứa 3.8g chất xơ, bao gồm cả chất xơ hòa tan (15-23%) ở dạng pectin , và chất xơ không hòa tan (77-85%) ở dạng cellulose, hemicellulose và lignin (Ishida et al 2000, Science

2010, Bovell-Benjamin 2007) Các chất xơ hòa tan, như pectin, có thể làm tăng cảm

13

giác no, giảm lượng hấp thu thức ăn mà cơ thể hấp thụ vào, hạn chế sự gia tăng đường trong máu bằng cách làm chậm quá trình tiêu hóa đường và tinh bột (Slavin 2013) [16]

Các chất xơ không hòa tan cũng mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe, chẳng hạn như giảm nguy cơ mắc bệnh tiều đường [17], Schulze, Schulz, and Heidemann 2015, Munter et al 2007) và cải thiện sức khỏe đường ruột [15], Implications and Fiber 2008)

1.2.2.2 Protein

Trung bình một củ khoai lang chỉ chứa 2g protein Trong khoai lang có một loại protein đặc biệt có tên là sporamin, chiếm đến hơn 80% tổng hàm lượng protein [14]

Các sporamin được sản sinh ra để cải thiện tình trạng hư hại ở khoai lang Nghiên cứu gần đây còn chỉ ra rằng các protein này có đặc tính chống oxy hóa [21] Mặc dù chứa hàm lượng protein tương đối thấp nhưng với những nước đang phát triển, khoai lang vẫn là nguồn bổ sung protein quan trọng [14]

1.2.2.3 Các vitamin và khoáng ch ất

Khoai lang rất giàu vitamin và khoáng chất, đặc biệt là beta-carotene, vitamin

C, kali Dưới đây là những vitamin và khoáng chất chiếm hàm lượng cao nhất trong khoai lang

Vitamin A: khoai lang rất giàu beta-carotene, chất này sau đó được chuyển hóa thành vitamin A trong cơ thể Chỉ cần bổ sung 100g khoai lang mỗi ngày là có thể đạt chỉ tiêu nhu cầu vitamin A được khuyến nghị hàng ngày

Vitamin C: là một chất chống oxy hóa, có thể trị chứng cảm lạnh thông thường

và giúp cải thiện sức khỏe làn da [23]

Kali: là khoáng chất quan trọng trong việc kiểm soát huyết áp và giảm nguy cơ mắc bệnh tim [23]

Mangan: một khoáng chất vi lượng quan trọng cho quá trình trao đổi chất và sự tăng trưởng, phát triển của cơ thể

Vitamin B6: đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi thức ăn thành năng lượng

Vitamin B5: còn gọi là axit pantothenic, có trong hầu hết các loại thực phẩm Vitamin E: là chất chống oxy hóa mạnh có khả năng hòa tan chất béo, giúp ngăn ngừa những thiệt hại do quá trình oxy hóa gây ra cho cơ thể [24]

14

1.2.2.4 Enzyme

Khoai lang chứa nhiều enzyme xúc tác cho quá trình cắt mạch hay tổng hợp riêng lẻ trong tế bào củ Trong đó, enzyme gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng

củ khoai lang trong quá trình bảo quản là enzyme amylase

Ngoài enzyme amylase còn có enzyme polyphenol oxyclase cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan, màu sắc và các sản phẩm từ củ khoai lang

1.2.2.5 Các hợp chất thực vật khác

Giống như các loại thực phẩm có nguồn gốc thực vật khác, khoai lang cũng chứa một số hợp chất thực vật có ảnh hưởng đến sức khỏe Tác dụng chống oxy hóa của khoai lang gia tăng theo màu sắc của ruột khoai, và phát huy hiệu quả nhất

ở giống khoai lang màu tím, màu da cam và màu đỏ

Beta-carotene: là chất chống oxy hóa carotenoid được chuyển hóa thành vitamin

A trong cơ thể Có thể hấp thụ chất này tốt hơn nếu kết hợp bổ sung chất béo vào bữa ăn

Axit chlorogenic: là chất chống oxy hóa polyphenol dồi dào nhất trong khoai lang

Anthocyanin: hợp chất này thường có nhiều trong khoai lang tím và đặc tính chống oxy hóa mạnh mẽ

Coumarine: khoai lang chứa một lượng nhỏ esculetin, scopoletin và umbelliferon, có thể ngăn ngừa tình trạng đông máu và giúp ức chế sự tái tạo virus HIV trong các nghiên cứu ở tế bào và động vật [25]

1.2.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang

Khoai lang là một trong 5 cây có củ quan trọng trên thế giới: sắn, khoai lang, khoai mỡ, khoai sọ, khoai tây Nếu không tính khoai tây (cây có củ vùng ôn đới) thì khoai lang là cây có củ đứng sau sắn ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Theo số liệu thống kê của FAO cho thấy: hiện nay trên thế giới có tổng số 113 nước trồng khoai lang Trong đó: Châu Phi 40 nước, Châu Mỹ 35 nước, Châu Á 23 nước, Châu Âu 4 nước, Châu Đại Dương 11 nước

Bảng 1.2: Sản lượng khoai lang trên thế giới năm 2013[Niên giám thống kê bộ

ha Khoai lang được trồng ở các khu vực như đồng bằng Sông Hồng, Bắc Trung

Bộ, Nam Trung Bộ, Tây Bắc, Tây Nguyên và đồng bằng Sông Cửu Long Trong

đó các vùng đồng bằng Sông Hồng, Đông Bắc, Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ, Đông Nam Bộ có xu hướng giảm diện tích trồng: Vùng Bắc Trung Bộ giảm mạnh nhất (trong 5 năm diện tích giảm 18.000 ha, sản lượng giảm 96.000 tấn); thứ hai là vùng đồng bằng Sông Hồng (diện tích giảm 16.500 ha và sản lượng giảm 117.400 tấn) Mặc dù vùng Bắc Trung Bộ diện tích giảm nhiều hơn vùng đồng bằng sông Hồng, song do năng suất bình quân cao hơn nên sản lượng giảm ít hơn Các vùng

có xu hướng tăng là Tây Bắc, đồng bằng Sông Cửu Long Trong đó tăng nhiều nhất

là đồng bằng Sông Cửu Long (diện tích tăng 3.300 ha, sản lượng tăng 102.200 tấn) tiếp đó là Tây Nguyên (diện tích tăng 2.400 ha, sản lượng tăng 41.400 tấn)

Bảng 1.3: Tình hình sản xuất khoai lang tại Việt Nam từ năm 2015 đến năm

từ nay đến năm 2020 sẽ lần lượt tăng với tốc độ 1,74; 2,02 và 2,7%/năm

Hiện nay, ngành công nghiệp thực phẩm đang phát triển mạnh trên thế giới, trên thị trường đã xuất hiện nhiều sản phẩm thực phẩm từ khoai lang rất đa dạng và phong phú như: khoai lang nghiền nhừ (pure), mứt ướt, khoai lang chiên, khoai lang sấy, pha chế với bột mỳ để chế biến bánh mỳ, bánh ngọt, bánh xốp, bánh quy, mỳ

16

sợi, … Tuy nhiên, trên thị trường Việt Nam hiện nay, các sản phẩm thực phẩm từ khoai lang chưa được đa dạng và phong phú

1.2.4 Ứng dụng của khoai lang

Khoai lang được sử dụng rộng rãi với mục đích làm lương thực, thực phẩm, làm rau cho người, làm thức ăn cho gia súc và chế biến thành nhiều sản phẩm khác nhau trong công nghiệp Theo số liệu thống kê của Tổ chức Lương thực – Nông nghiệp thế giới (FAO) thì củ khoai lang trên thế giới được sử dụng như sau: làm lương thực 77%; làm thức ăn gia súc 13%; làm nguyên liệu chế biến 3%; số bị thải, bỏ đi 6% Việc sử dụng khoai lang nhiều vào mục đích nào phụ thuộc trình độ phát triển của các nước trồng Ở các nước phát triển, lượng khoai lang củ được sử dụng làm lương thực chỉ đạt 55%, trong khi đó sử dụng làm nguyên liệu chế biến tăng đến 25% [26]

Ở Việt Nam từ xa xưa người nông dân đã có truyền thống sử dụng củ khoai lang làm lương thực, thực phẩm và thức ăn gia súc; ngọn và lá được sử dụng làm rau xanh; thân lá dùng làm thức ăn cho gia súc (thức ăn tươi hoặc phơi khô) Tuy nhiên có đến 90% sản phẩm khoai lang được sử dụng chủ yếu ở các vùng nông thôn; ở các thành phố được sử dụng với một lượng rất ít Ở Hà Nội và thành phố

Hồ Chí Minh xấp xỉ 1% củ khoai lang thu hoạch được sử dụng dưới dạng quà ăn sáng và làm bánh Ở vùng nông thôn có tới 60% sản lượng khoai lang được dùng làm thức ăn gia súc dưới dạng củ tươi Ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, duyên hải miền Trung, một lượng lớn khoai lang được phơi khô (củ thái lát, thân lá phơi khô giã thành bột)

Ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ và Nhật đã xây dựng quy trình sản xuất công nghiệp bánh nổ và bánh miếng nhỏ khô [27] Ngoài ra ở Mỹ, Úc, Đài Loan, Ấn Độ và Brazil khoai lang còn được đóng hộp cả củ, bổ đôi hoặc cắt khúc trong nước siro, hoặc đóng hộp chân không không có siro [28][29][30]

1.3 T ỔNG QUAN VỀ TINH BỘT VÀ TINH BỘT KHOAI LANG

1.3.1 Định nghĩa

Tinh bột cùng với protein và chất béo là thành phần quan trọng bậc nhất trong chế độ dinh dưỡng của con người cũng như các loài động vật khác Chúng có nhiều trong các loại lương thực, ngũ cốc và chiếm tới 65-70% khối lượng các loại hạt, cung cấp 70-80% năng lượng tiêu thụ của con người [31] Tinh bột là polysaccharide có phân tử lượng lớn, được tạo nên từ hàng trăm đến hơn một triệu đơn phân glucose, chúng liên kết với nhau bằng liên kết α-glucoside Trong thực vật, tinh bột được tổng hợp từ sự quang hợp của cây xanh trong lục lạp hay từ trong các bột lạp [32] Phân tử tinh bột bao gồm 2 thành phần chính là amylose và amylopectin

Tinh bột có nguồn gốc khác nhau có tính chất vật lý và thành phần hóa học khác nhau Tinh bột được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Nó có thể

17

được sử dụng là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương như các yếu tố kết dính và làm đặc, tạo độ cứng, độ đàn hồi, tăng độ giữ nước cho sản phẩm, tạo gel trong kẹo dẻo, kẹo trong… Trong mỹ phẩm và dược phẩm, tinh bột được dùng làm phấn tẩy trắng, đồ trang điểm, phụ gia cho xà phòng, kem dưỡng da, tá dược…

1.3.2 Hình dạng và kích thước của tinh bột khoai lang

Qua các nghiên cứu về tinh bột, hình dạng tinh bột khoai lang được báo cáo dưới dạng hình bầu dục, hình tròn, hình đa giác

Hình 1.1: Hình d ạng tinh bột của một số giống khoai lang Việt Nam soi dưới kính

Qua các báo cáo trước đó, một số tinh bột khoai lang Hàn Quốc có kích thước 14-30µm [34], tinh bột khoai lang Pháp có kích thước trong khoảng 4-40µm[35] Hình dạng và kích thước tinh bột phụ thuộc rất nhiều vào giống khoai khác nhau, gây ra các ảnh hưởng đến tính chất lý hóa của chúng trong quá trình chế biến các sản phẩm thực phẩm

1.3.3 Cấu trúc của tinh bột khoai lang

Trong tinh bột khoai lang hình thành các vùng kết tinh và vùng vô định hình Phân tích cấu trúc kết tinh của tinh bột khoai lang cho thấy tinh bột khoai lang cho

phổ nhiễu xạ dạng C với các peak lớn tại góc 2𝜃𝜃 : 15.48°, 17.65°, 23.38°, một peak nhỏ tại 20.15°

Theo các nghiên cứu, tinh bột khoai lang thông thường có dạng tinh thể kiểu A

và C Sự khác biệt này có thể được giải thích bởi sự chuyển dạng cấu trúc dưới điều kiện nhất định [36] Dạng tinh thể phụ thuộc chiều dài mạch amylopectin, mạch amylopectin ngắn sẽ có xu hướng hình thành các vùng tinh thể kiểu A và ngược lại mạch amylopectin dài ưu tiên hình thành các vùng tinh thể kiểu B Các tinh bột có kiểu tinh thể A dễ bị tấn công bởi α amylase hơn

18

 Mô hình kiểu A

Hình 1.2: Mô hình cấu trúc tinh thể tinh bột dạng A [37]

Các xoắn đôi được bao bọc nhỏ gọn trong hình tứ giác với kích thước a=2,124; b=1,172; c=1,069, tỉ lệ nước thấp với 8 phân tử nước trong phân tử Đối với mạch amylopectin ngắn (14-20 phân tử ) sẽ ưu tiên hình thành cấu trúc dạng A

1.3.4 Tính chất của tinh bột

1.3.4.1 Khả năng hoà tan

Tinh bột ở điều kiện thường không tan trong nước, vì vậy nó tồn tại lượng lớn trong tế bào mà không ảnh hưởng tới áp suất thẩm thấu Amylose khi mới tách ra khỏi hạt tinh bột có khả năng hòa tan tốt trong nước, tuy nhiên chúng nhanh chóng

bị thoái hóa tạo kết tủa, amylopectin tan tốt trong nước ấm, trong nước lạnh chúng khó tan hơn Khi phân tán trong môi trường cồn, tinh bột bị kết tủa, điều này giúp

tăng hiệu suất thu hồi tinh bột [32]

1.3.4.2 Khả năng trương nở

Hình 1.3 : Cơ chế trương nở của tinh bột [38]

Khi ngâm nước ở nhiệt độ thấp, hạt tinh bột không bị hydrat hoá nên không trương nở Khi tăng dần nhiệt độ lên, hạt tinh bột sẽ hút nước và tăng nhanh thể tích

19

do tinh bột được cấu tạo từ các đơn phân glucose, chứa nhiều nhóm -OH trong phân

tử, có khả năng tạo liên kết hydro với các phân tử nước Nước tương tác với các mạch polysaccharide tạo nên lớp vỏ hydrat dày, kích thước lớn làm hạt tinh bột bị trương nở Quá trình trương nở làm amylose được tách ra, hoà tan 1 phần vào nước

Tinh bột trương nở nguyên nhân chính là do các mạch amylopectin trong tinh bột

Hạt tinh bột trong quá trình trương nở làm cho thể tích của chúng tăng lên rất nhiều lần, sự trương nở này sẽ xảy ra cho tới khi đạt được độ trương nở cực đại và lớp vỏ của hạt tinh bột bị phá vỡ Marta và cộng sự đã chỉ ra rằng khả năng trương

nở của tinh bột khoai lang đạt 2.57ml/g và khả năng trương nở giảm dần khi tinh bột bị biến tính thủy nhiệt hoặc ủ [39] Trong khi đó, Ahmed và Moorthya đã chứng minh rằng tại 85oC khả năng trương nở của tinh bột khoai lang nằm trong khoảng 32.3-50ml/g [40] [41]

1.3.4.3 S ự hồ hoá

Tinh bột trong môi trường độ ẩm cao, kết hợp với việc tăng nhiệt độ làm chúng hút nước và trương nở làm tăng độ nhớt của dich Khi sự trương nở tăng đến tối đa, lớp vỏ của hạt tinh bột cùng với các liên kết hydro của các tương tác nước –tinh bột – nước bị phá vỡ làm cho độ nhớt giảm xuống

Hình 1.4: Quá trình h ồ hoá của tinh bột[42]

Nhiệt độ hồ hoá tinh bột không phải một điểm mà là một khoảng nhất định Nhiệt độ hồ hoá của tinh bột được chia làm 3 nhóm: thấp, trung bình và cao Tinh bột khoai lang Trung Quốc có nhiệt độ hồ hóa theo báo cáo của Li và cộng sự là

75oC [43] Trong khi đó, theo nghiên cứu của các nhóm tác tác Aina 2009, Noda

1996 và Moorthya 2010 thì nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang nằm trong dải

từ 65.9 – 87.7oC [41], [44], [45]

20

1.3.4.4 Độ trong của hồ tinh bột

Tinh bột hồ hoá thường có một độ trong nhất định, làm tăng giá trị cảm quan của thực phẩm Sau quá trình hồ hoá cho thấy tinh bột của các loại tinh bột nếp cho

độ trong cao hơn so với các loại tinh bột tẻ

Độ trong của hồ tinh bột được thể hiện thông qua tỷ lệ ánh sáng ở bước sóng

650 nm truyền qua dịch hồ tinh bột 1% Tỷ lệ này ở mỗi loại tinh bột là khác nhau, dựa vào thành phần và cấu trúc của chúng Lee và Yoo đã đưa ra độ trong của dịch

hồ tinh bột khoai lang khi đo ở bước sóng 650nm là 39.7% [46]

1.3.4.5 Kh ả năng tạo gel

Tinh bột được hồ hoá để chuyển sang trạng thái hoà tan, ở nồng độ đậm đặc vừa phải và trạng thái tĩnh, tinh bột sẽ tạo gel Gel tinh bột là tổng hợp gel mạch polysaccharide hoặc giữa các phân tử nước với nhau Khả năng tạo gel của các phân

tử chứa nhiều amylose lớn hơn phân tử có chứa nhiều amylopectin

Độ cứng của gel tinh bột thường tăng theo nồng độ của tinh bột Khi bảo quản càng lâu thì độ cứng của gel càng cao Hiện tượng này được giải thích bởi sự mất nước của tinh bột do khả năng thoái hóa tinh bột

1.3.4.6 Sự thoái hoá gel tinh bột

Hình 1.5 : Sơ đồ quá trình tạo gel – thoái hoá gel tinh bột.[47]

Khi đun nóng dịch tinh bột thu được độ nhớt cao, do lúc này mạng lưới trong phân tử tinh bột duỗi ra làm lớp vỏ hydrat bao quanh chúng dày Khi hạ nhiệt độ xuống thấp, các chuỗi sẽ co lại và làm tách lớp vỏ hydrat gây ra hiện tượng thoái hoá tinh bột Hiện tượng này xảy ra mạnh mẽ đối với các loại tinh bột có hàm lượng amylose cao, ở loại tinh bột có hàm lượng amylopectin cao thì hiện tượng này có khi không xảy ra, do phân tử amylopectin cồng kềnh nên sự co lại của chúng sẽ khó khăn hơn [32]

Thoái hoá tinh bột xảy ra làm suy giảm chất lượng của sản phẩm chứa tinh bột trong quá trình bảo quản Nó làm tăng độ cứng, thay đổi cấu trúc của sản phẩm Quá trình thoái hoá gel xảy ra trong vòng vài giờ tới vài ngày tuỳ thuộc vào hàm

Thuỷ phân tinh bột bằng axit:

Do oxi còn cặp e chưa tham gia liên kết, trong môi trường có ion H+ làm liên kết glycoside bị phân cực H+ tấn công vào làm liên kết bị đứt để tạo liên kết OH-

bền hơn Phần còn lại mang điện tích dương kết hợp với OH- để trung hoà về điện Sau quá trình thuỷ phân, từ 1 mạch ban đầu ta thu được 2 mạch mới có kích thước nhỏ hơn

Thuỷ phân tinh bột bằng axit không có tính đặc hiệu, dễ tạo ra sản phẩm phụ, quá trình thuỷ phân khó kiểm soát

Thuỷ phân tinh bột bằng enzyme:

Tinh bột bị thuỷ phân bởi enzyme là phản ứng chủ yếu dùng trong công nghiệp thực phẩm Một số loại enzyme thường dùng là α-amylase, β- amylase, ngoài ra còn có γ- amylase và loại enzyme khử nhánh

1.3.4.8 Phản ứng tạo phức

Phản ứng tạo phức của tinh bột chủ yếu là do mạch amylose Phân tử tinh bột chứa mạch amylose tồn tại ở dạng hơi xoắn, với mỗi vòng xoắn là 6 đơn vị glucose Mạch này có khả năng tạo phức với nhiều hợp chất hữu cơ có cực cũng như vô cực bằng cách cuốn các phân tử đó vào trong trục rỗng của cuộn xoắn Khi tham gia phản ứng tạo phức với iot ở nhiệt độ thường, mỗi vòng xoắn sẽ cuốn lấy 1 phân tử iot và nhốt chúng trong đó tạo nên phức màu xanh đặc trưng, khi tăng nhiệt độ, các vòng xoắn duỗi ra giải phóng phân tử iot làm cho phức mất màu Đối với các phân

tử lớn hơn như các axit béo thì số lượng vòng xoắn để cuộn được hết phân tử đó sẽ nhiều hơn

1.4 T ỔNG QUAN VỀ TINH BỘT TIÊU HÓA CHẬM (SDS)

Những năm trước đây, người ta đã phát hiện ra rằng, một phần đáng kể tinh bột

có trong thực phẩm không được tiêu hóa ở ruột non và được lên men ở ruột già, có khả năng kháng enzyme tiêu hóa trong một thời gian, có tác dụng làm giảm khả năng giải phòng đường vào máu, giảm nguy cơ mắc các bệnh tiểu đường, tim mạch…

22

1.4.1 Khái niệm tinh bột tiêu hóa chậm (SDS)

Khả năng tiêu hóa tinh bột có thể được đánh giá giả lập bằng cách định lượng các phần tinh bột quan trọng về mặt dinh dưỡng theo phương pháp của Englyst và cộng sự , 1992[48]

Hình 1.6: Đặc tính sinh học của các loại tinh bột (a) Thí nghiệm trên hệ tiêu hóa gi ả lập và (b) thí nghiệm trên hệ tiêu hóa thực đối với phản ứng

đường huyết của RDS, SDS và RS [49]

Theo định nghĩa và phân loại tinh bột dựa trên mức độ tiêu hóa của Englyst và cộng sự (1992)[48]

- Tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS) là phần tinh bột được tiêu hóa trong vòng

20 phút, gây ra sự gia tăng nhanh chóng lượng đường trong máu, giải phóng insulin với hàm lượng cao, do đó nó gây ra các biến chứng có hại cho sự khỏe như bệnh tiểu đường, bệnh tim mạch…

- Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) là phần tinh bột được tiêu hóa trong khoảng thời gian từ 20 phút đến 120 phút, bị tiêu hóa chậm rãi, duy trì giải phóng lượng đường vào máu thấp và ổn định, có thể ngăn ngừa các bệnh đường huyết, tim mạch…

- Tinh bột kháng tiêu hóa (RS) là phần tinh bột không bị tiêu hóa sau 120 phút, chúng không bị tiêu hóa ở ruột non, lên men ở ruột già và được chứng minh

là có ảnh hưởng tốt đối với sức khỏe con người

1.4.2 Cấu trúc của tinh bột tiêu hóa chậm SDS

Tinh bột được tạo nên bởi các gốc glucose, gồm hai thành phần chính là amylose mạch thẳng và amylopectin mạch nhánh Các chuỗi amylopectin với sự sắp xếp xoắn kép tạo thành các vùng tinh thể Các chuỗi này có thể được phân loại theo mức độ trùng hợp (DP) của chúng thành các chuỗi ngắn (12<DP<20), chuỗi dài (30<DP<45) và chuỗi rất dài (DP>60), ( Be Miller và Whistler, 2009) và tùy thuộc vào DP, các chuỗi có thể được tìm thấy trong một, hai hay nhiều cụm Sự xếp xếp

Hình 1.7 : C ấu trúc tinh bột tự nhiên và tinh bột đã qua biến tính [25]

Khi các hạt tinh bột được xử lý bằng enzyme, các enzyme này sẽ di chuyển vào các kênh bên trong các hạt tinh bột, dẫn đến sự tiêu hóa chậm do tiêu hóa từ bên trong và bên cạnh [12] Quá trình tiêu hóa bằng enzyme thường bắt đầu ở lỗ trên bề mặt và các kênh bên trong; nó tấn công đồng thời ở vùng tinh thể và vùng

vô định hình [92] Miao và cộng sự 2009 đã phát hiện ra ảnh hưởng của thời gian

và nồng độ của enzyme cắt nhánh (pullulanase) đến tính chất cấu trúc của tinh bột giàu amylopectin (tinh bột sáp ngô tự nhiên với mạch ngắn nhiều và mức độ phân nhánh cao) Họ thấy rằng tăng nồng độ enzyme và giảm thời gian cắt nhánh làm tăng hàm lượng SDS, mà chủ yếu bao gồm một phần tinh thể xoắn kép với cấu trúc được một phần cấu trúc được sắp xếp và vùng vô định hình Do đó, có thể suy luận rằng, tính chất vật lý của tinh bột tự nhiên, đặc biệt là tinh bột có mật độ phân nhánh cao và kiểu A như tinh bột ngũ cốc dẫn đến các đặc điểm tiêu hóa chậm [12][92] Mô hình này được chứng thực bởi quá trình tiêu hóa sáp tinh bột ngô bằng α-amylase và amyloglucosidase; trong tinh bột này, SDS có thể được hình

24

thành lớp của vùng vô định hình và tinh thể được định hưởng về phía ngoại vi của hạt tinh bột [32]

1.4.3 Lợi ích của tinh bột tiêu hóa chậm (SDS)

Hiện nay, người tiêu dùng và ngành công nghiệp thực phẩm đang quan tâm đến các thực phẩm sau khi ăn giải phóng ra lượng đường thấp Do đó, SDS và RS được nghiên cứu rộng rãi do có nhiều tác động tốt đối với sức khỏe SDS được tiêu hóa chậm qua ruột non, kết quả giải phóng một lượng glucose trong máu với tốc độ thấp,

do đó duy trì chỉ số đường huyết và insullin trong máu thấp, giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường tuýp 2, thừa cân, béo phì [53] Nó cũng cung cấp năng lượng bền vững và ổn định dành cho vận động viên Gần đây đã có một số kỹ thuật được phát triển để sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm

1.4.4 Một số quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm

t ự nhiên Điều kiện xử lý Hàm lượng SDS (%)

Tài li ệu tham

kh ảo Trước

xử lý Sau x lý ử

1 Thủy nhiệt Khoai tây

nếp (waxi potato)

Ẩm 25.7%, 120 o

C, 5.3h

9.8 23.0 [57]

3 Hydrocloric Đậu

xanh

HCl 1.0M, tinh bột 20%, pH 5.0, 120 o C, 1h

15.1 23.3 [58]

4 Pullunanase Gạo

nếp

TB 10%(w/v) đun sôi và khuấy liên tục

30 phút, điều chỉnh nhiệt độ xuống

Tinh bột (10% w/v,

pH 4.4) đun trong bể nước sôi, khuấy đều

6.6 11.2 [61]

25

trong 30 phút Nâng nhiệt lên 60 o C, thêm pullunanase

40ASPU/g tinh bột trong 2h, trộn thêm lauric acid (10%

w/w, db), đun trong

bể nước sôi 30 phút

Hình 1.8: Một số quy trình sản xuất SDS 1.4.4.2 Thuyết minh quy trình sản xuất SDS

a Sự hình thành SDS trong giai đoạn xử lý tinh bột

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng có 3 nhóm phương pháp sản xuất SDS bao gồm phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và phương pháp sinh học Trong đó, cơ chế chung của cả ba nhóm phương pháp đều hướng tới sự hình thành các liên kết và vùng tinh thể mới, vững chắc hơn, có khả năng làm chậm sự tấn công của hệ enzyme tiêu hóa trong khoảng thời gian nhất định [62]

- X ử lý tinh bột bằng phương pháp vật lý:

Jane và Planchot đã chỉ ra rằng các hạt tinh bột có tinh thể loại B kháng lại sự tiêu hóa của enzyme trong khi các hạt tinh bột có tinh thể loại A thì được tiêu hóa một cách chậm rãi [63][64] Nhờ nguyên lý này, các biến đổi vật lý hướng tới sự hình thành tinh thể loại A để làm gia tăng hàm lượng SDS Yana Cahyana đã chứng minh hiệu quả của một loạt các phương pháp biến đổi vật lý bao gồm phương pháp

XL Hydrocloric XL Enzyme

26

thủy nhiệt, ủ và thoái hóa 2 lần đối với tinh bột chuối xanh, kết quả hàm lượng SDS tăng lên đáng kể [65]

- X ử lý tinh bột bằng phương pháp hóa học:

Nguyên tắc của nhóm phương pháp xử lý hóa học tinh bột là hình thành nên các liên kết mới do các nhóm chức hóa học tạo thành Các hóa chất được sử dụng trong các nghiên cứu sản xuất SDS đó là axit citric [57], axit clohydric [58], …Tuy nhiên, nhóm phương pháp hóa học được đánh giá là không an toàn cũng như cần phải có quy trình xử lý hóa chất phức tạp Do vậy, nhóm phương pháp này không được sử dụng trong nghiên cứu này

- X ử lý tinh bột bằng phương pháp sinh học:

Nhóm phương pháp sinh học là nhóm phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong các nghiên cứu sản xuất SDS do hiệu quả cao và an toàn Các enzyme được báo cáo trong nhóm phương pháp này bao gồm: pullulanase [66], pullulanase kết hợp amylosucrose [67], β-amylase kết hợp transglucosidase [28],… Trong đó, nhóm phương pháp cắt nhánh tinh bột và tái tạo vùng tinh thể mới đã chứng minh được hiệu quả cao của nó

Cơ chế một số loại enzyme có sự ảnh hưởng tới sự hình thành SDS

Enzyme α – amylase

Khi thủy phân amylose sản phẩm cuối cùng chủ yếu là maltose và maltotrinose Do maltotrinose bền hơn nên việc thủy phân nó thành maltose và glucose sẽ được thực hiện sau đó

Khi thủy phân amylopectin trong dung dịch ngoài glucose, maltose, maltotrinose còn có thêm các dextrin giới hạn có nhánh Các α-dextrin giới hạn này có chứa các liên kết α-1,6 của polyme ban đầu cộng với các liên kết α-1,4 kề bên thường bền với thủy phân Tùy theo nguồn gốc của α – amylase mà các α-dextrin giới hạn này có thể chứa 3, 4, 5 đơn vị glucose

Franco và cộng sự đã chứng minh rằng khi kết hợp với enzyme pullulanase, α – amylase có khả năng hỗ trợ tạo thành SDS đối với đối tượng tinh bột khoai tây

và tinh bột dong riềng, hàm lượng SDS tăng từ 18% lên tới 27.8% và từ 4.7% đến 11.3% [68]

Enzyme β – amylase

Amylose thường bị thủy phân bởi β – amylase hoàn toàn, trong khi đó trong cùng điều kiện thì chỉ có 55% amylopectin được chuyển thành β – maltose Phần còn lại của sự thủy phân amylopectin là một β – dextrin giới hạn có phân tử lượng cao và có chứa tất cả các liên kết α – 1,6 của phân tử ban đầu [69]

Casarrubias-castillo và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của β-amylase trên các đối tượng tinh bột cây mã đề và tinh bột xoài Kết quả đã chỉ ra rằng khi kết

27

hợp với transglucosidase, hàm lượng SDS của tinh bột mã đề đã tăng từ 10.96 đến 18.53% và SDS của tinh bột xoài tăng từ 6.37 lên 11.78% Điều này đã chứng minh được tác dụng tích cực của β-amylase trong sản xuất SDS [70]

Enzyme pullulanase

Cho đến nay, có 5 nhóm enzyme thủy phân pullulanase đã được báo cáo trong các tài liệu Enzyme thủy phân pullulanase được phân loại thành các nhóm dựa trên đặc tính cơ chất và các sản phẩm phản ứng Pullulanase loại I, có khả năng thủy phân một cách hiệu quả các liên kết α- (1,6) glucosyl trong pullulan và polysacharide phân nhánh, đã được nghiên cứu rộng rãi [72],[73] Pullulanase loại

II, còn được gọi là amylopullulanase, nổi bật trong ngành chế biến tinh bột do khả năng thủy phân liên kết α- (1,6) glucosyl hoặc α- (1,4) Enzyme này loại bỏ pullulan và cho maltotriose là sản phẩm cuối cùng và nó cũng tấn công các liên kết α- (1,4) trong tinh bột, amyloza và amylopectin [74],[75] Pullulanhydrolase loại I (neopullulanase) và loại II (isopullulanase) chỉ có thể phân tách các liên kết glucosidic α-1,4 trong pullulan, giải phóng panose và isopanose[75]

Tinh bột sau khi thủy phân bằng enzyme pullulanase, tùy từng loại pullulanase

và cơ chất mà sẽ cho ra các sản phẩm khác nhau Sản phẩm chủ yếu là glucose, maltose, maltotrinose và các oligosacharides mạch thẳng

Việc sử dụng Pullulanase sẽ đưa amylopectin về dạng mạch tuyến tính bằng cách khử nhánh Nhờ vậy, khi kết hợp với các enzyme thủy phân khác sẽ cho hiệu quả thủy phân cao hơn rất nhiều

B ảng 1.5: Sản phẩm tạo thành của các các nhóm enzyme pullulanase [76]

Enzyme Ký hi ệu Tác d ụng lên

liên k ết Cơ chất S cu ản phẩm ối Tài li tham kh ệu ảo

Oligosaccharide(Tinh bột) Polysacharide(Tinh bột) Pullulan

Maltotrinose Hỗn hợp glucose, maltose, maltotrinose

[75], [79], [80]

Pullulan Tinh b ột, amylose, amylopectin

panose, maltose, maltotrinose

[84]

Nhờ khả năng cắt nhánh, pullulanase có khả năng tạo ra các sản phẩm là các chuỗi tinh bột mạch thẳng, qua cơ chế sắp xếp lại trật tự, hình thành tinh thể mới, pullulanase đã được chứng minh là có tác động to lớn đến việc hình thành tinh bột tiêu hóa chậm Zeng và cộng sự đã chứng minh được tác động của pullulanase kết hợp phương pháp thủy nhiệt đối với tinh bột khoai lang làm tăng hàm lượng SDS

từ 8 lên tới 31.6% [85]

Theo Miao và cộng sự 2009, phương pháp cắt nhánh tinh bột sử dụng pullulanase kết hợp thoái hóa tinh bột đã cho kết quả khả quan với hàm lượng SDS thu được là 45.1% [86] Trong đó, tác giả đã nghiên cứu và đưa ra xu hướng ảnh hưởng của thời gian thủy phân tinh bột ngô nếp bằng enzyme pullulanase, kết quả được chỉ ra rằng hàm lượng SDS được tạo thành là cao nhất trong khoản thời gian thủy phân tinh bột 3-6h sau đó giảm dần (hình 1.17)

Hình 1.9: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tinh bột ngô bằng enzyme pullulanase đến sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm [86]

Enzyme transglucosidase

Trong bước đầu tiên, enzyme loại bỏ một đơn vị glucosyl khỏi maltose và tạo thành một phức trung gian enzyme glucosyl Trạng thái năng lượng của phức hợp glucosyl-enzyme là sự thay đổi năng lượng tự do cho phản ứng theo hướng tổng hợp 1,6 liên kết là âm, trong khi đó năng lượng tự do thay đổi cho phản ứng theo hướng tổng hợp 1,4 liên kết là dương Bằng chứng cho việc giải thích này được lấy từ các thí nghiệm với glucose phóng xạ và maltose C14-glucose trong hỗn hợp

29

phản ứng được kết hợp thành isomaltose và dextrantriose nhưng không có trong maltose và panose

Hình 1.10 : Cơ chế gắn nhánh của enzyme Transglucosidase

Trong bước 2 của phản ứng, phần glucosyl của phức chất trung gian được chuyển sang một saccarit nền Trong một phản ứng maltose, glucose, maltotrinose, isomaltose và panose có chức năng như các chất nền Các phản ứng hoàn chỉnh trên maltose được thể hiện trong các phương trình đi kèm Các đường nằm ngang biểu thị các liên kết 1,4-glucosidic, các đường thẳng đứng 1,6-glucosidic và G là đơn vị glucose Enzyme dextran-dextrinase như transglucosidase sẽ chuyển đổi các polyme a-1,4-glucose (dextrin) thành các polyme 1,6-glucose (dextran) Sau khi thực hiện quá trình gắn nhánh bằng enzyme transglucosidase, hỗn hợp thu được sẽ bao gồm các isomaltooligosacharide, các phân tử vòng, các amylopectin có mật độ nhánh cao Do vậy, sau khi tiến hành quá trình gắn nhánh, khả năng tiêu hóa của sản phầm giảm đáng kể Nó có ý nghĩa to lớn trong việc tạo

ra được một sản phẩm giành cho người bị béo phì, mỡ máu, tim mạch

Như đã nêu ở trên, Casarrubias Castillo và cộng sự đã chứng minh được rằng khi kết hợp transglucosidase với β-amylase, hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm tăng lên đáng kể [70]

Enzyme cyclodextrin glucanotransferase

Enzyme đóng vòng (cyclodextringlucanotransferase) chuyển hóa các mạch thẳng của tinh bột thành phân tử mạch vòng Cơ chế xúc tác của enzyme này rất phức tạp Nhìn chung có thể thấy giai đoạn đầu là giai đoạn khử trùng hợp phân tử tinh bột, tiếp đó là giai đoạn chuyển glycosit nội phân tử

Trong công nghiệp, các sản phẩm phản ứng của enzyme đóng vòng là tạo ra sản phẩm cyclodextrin Các cyclodextrin có rất nhiều đặc tính quý giá, được sử dụng để bao bọc các phân tử kỵ nước bên trong, giúp nó đồng đều tốt trong dung

30

môi phân cực Cyclodextrin có khả năng tiêu hóa thấp hơn so với các oligosaccharide mạch thẳng

Jiang và cộng sự đã chỉ ra rằng cyclodextringlucanotransferase có tác động tích cực tới sự hình thành SDS, kết quả cho thấy đối với tinh bột ngô, hàm lượng tinh bột tiêu hóa chấm sau khi xử lý cyclodextringlucanotransferase tăng lên từ 9.4 lên 20.92% [87]

b Sự hình thành SDS trong giai đoạn kết tủa tinh bột sau xử lý

Trong các quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm, sau khi xử lý vật lý, hóa học và sinh học, tinh bột được kết tủa bằng cồn nồng độ cao từ 90-99.99%, bằng cách thêm vào dung dịch cho tới khi nồng độ cồn đạt 80o Do các chuỗi amylose

có khả năng tạo phức với chuỗi xoắn amylose hình thành tinh thể dạng V, việc kết tủa cồn sẽ làm hình thành các tinh thể mới, do vậy tăng hàm lượng SDS trong sản phẩm sau kết tủa

c Sự hình thành SDS trong giai đoạn thoái hóa tinh bột

Sau khi làm lạnh, sự thoái hóa tinh bột diễn ra, các chuỗi xoắn amylose kết hợp lại theo một trật tự nhất định, được ổn định bởi các liên kết Hydro, hình thành vùng tinh thể mới Các vùng tinh thể mới này cản lại sự tấn công của enzyme thủy phân tinh bột trong thời gian ngắn Sau một thời gian thoái hóa, nước trong tinh thể được tách ra, làm chặt chẽ thêm mạng lưới làm cho các liên kết trở nên vững chắc hơn, do đó làm tăng hàm lượng SDS

Hình 1.11 : Cơ chế tái tạo cấu trúc tinh thể của amylose [30]

Để làm tăng hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm, các nhà khoa học đã sử dụng các phương pháp cắt nhánh amylopectin để tạo thành nhiều hơn các chuỗi amylose tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành tinh thể mới Do đó, các enzyme cắt nhánh tinh bột đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Trong quy trình sản xuất SDS sử dụng enzyme pullulanase kết hợp thoái hóa tinh bột, sau khi enzyme pullulanase cắt nhánh amylopectin tạo thành các chuỗi xoắn amylose, việc kết tủa cồn giúp tạo phức tinh thể loại V, sau đó, quá trình thoái hóa làm cho các chuỗi xoắn amylose sắp xếp theo một trật tự nhất định, hình thành nên vùng tinh

độ 4oC, cao hơn rất nhiều so với -20oC và 20oC (hình 1.19)

Hình 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa tinh bột sau khi thủy phân

pullulanase tới khả năng tiêu hóa của tinh bột ngô [86]

Qua phân tích, có thể thấy rằng cơ sở của phương pháp sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm sử dụng enzyme pullulanase kết hợp thoái hóa là hợp lý và đã được chứng minh trong một số nghiên cứu trước đây được lựa chọn trong nghiên cứu này

32

d Giai đoạn thu hồi tinh bột

Sau khi tinh bột được xử lý, kết tủa hoặc thoái hóa, sản phẩm được thu hồi bằng cách ly tâm thu kết tủa, thao tác được lặp lại 3 lần với nước cất nhằm loại bỏ các hóa chất và tạp chất không mong muốn

e Giai đoạn sấy

Kết tủa thu được sau giai đoạn thu hồi ở trạng thái keo, để tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình sấy, cần phải làm nhỏ trước khi sấy để giảm thời gian và tăng hiệu quả sấy Việc làm nhỏ giúp nước thoát ra tốt hơn, tránh tình trạng khô cứng

bề mặt ngăn chặn nước thoát ra trong tâm gel Giai đoạn sấy diễn ra trong 12 tiếng

ở 40oC tới khi đạt độ ẩm bảo quản

1.5.1 Những nghiên cứu trong và ngoài nước về khả năng tiêu hóa của tinh

b ột

1.5.1.1 Những nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, các nghiên cứu về SDS, RS được thực hiện từ những năm 1990 trên những đối tượng tinh bột khác nhau vì SDS, RS được cho là có lợi cho sức khỏe đặc biệt đối với những đối tượng béo phì, người mắc bệnh tiểu đường, tim mạch….Có nhiều phương pháp biến tính tinh bột làm giàu SDS, RS như phương pháp vật lý , phương pháp hóa học, phương pháp sinh học sử dụng enzyme Trong

đó, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phương pháp thủy phân cắt nhánh sử dụng enzyme pullulanase kết hợp thoái hóa đối với tinh bột ngô đã cho thấy kết quả khá khả quan với hàm lượng SDS đạt 45.1%, RS đạt 24.4% [86] Phương pháp thủy phân tinh bột ngô bằng acid lauric cho hàm lượng SDS đạt 45.6% [61] Ngoài ra, một nghiên cứu khác đã tiến hành biến tính tinh bột bằng phương pháp thoái hóa với đối tượng nghiên cứu là tinh bột gạo cho hàm lượng SDS đạt 51.62% [88] Tinh bột khoai lang cũng là một đối tượng đang được nghiên cứu Năm 2015,Nam

và cộng sự đã tiến hành biến tính tinh bột khoai lang bằng phương pháp sử dụng 2 enzyme nhằm tạo ra tinh bột tiêu hóa chậm với kết quả như sau: hàm lượng SDS tăng từ 6.3% lên 25.0-34.8%, hàm lượng RS tăng từ 12.9% lên 34.6-41.3% [67]

Từ đó cho thấy, tinh bột tiêu hóa chậm SDS đang là vấn đề mà nhiều nhà khoa học quan tâm

1.5.1.2 Nh ững nghiên cứu trong nước

Các đề tài nghiên cứu về khả năng tiêu hóa của tinh bột đã xuất hiện từ những năm 1990 với một số ít các nhà nghiên cứu quan tâm, và dần dần nó đang trở thành một mối quan tâm lớn do những đặc tính tốt góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng hiện nay Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn còn rất ít nghiên cứu về đề tài này Năm 2013, Phạm Văn Hùng và cộng sự đã nghiên cứu những đặc tính của tinh bột chuối xanh

và nâng cao hàm lượng RS[89] Theo đó, ông cho rằng tinh bột chuối xanh sau khi cắt nhánh và thoái hóa tạo cấu trúc loại B làm tăng đáng kể hàm lượng RS Tinh bột chuối xanh tự nhiên có chứa khoảng 11.2% RS, sau khi qua xử lý thì hàm lượng

33

RS dao động trong khoảng 31.8-48.1% Chưa dừng lại ở đó, nhóm tác giả Phạm Văn Hùng đã liên tiếp nghiên cứu RS trên tinh bột gạo được xử lý bằng phương pháp kết hợp axit citric, axit acetic, axit lactic và xử lý nhiệt ẩm[90] Kết quả cho thấy, hàm lượng RS qua xử lý bởi hỗn hợp acid và nhiệt ẩm tăng đáng kể , dao động trong khoảng 30.1-39.0%, cao hơn đáng kể so với tinh bột gạo tự nhiên là 6.3-10.2%, tinh bột gạo qua xử lý nhiệt ẩm hàm lượng RS chỉ trong khoảng 18.5-23.9% Năm 2017, Phạm Văn Hùng và cộng sự tiếp tục nghiên cứu khả năng tiêu hóa của tinh bột khoai tây và tinh bột sắn bằng phương pháp xử lý acid và nhiệt ẩm[91] Kết quả cho thấy, sau khi xử lý bằng acid và nhiệt ẩm, hàm lượng RS của tinh bột sắn

là 40.2%, của tinh bột khoai tây là 39.0%

Ngoài ra, năm 2017 Lưu Bùi Bảo Ngọc và cộng sự có nghiên cứu tinh chất hóa

lý và hàm lượng RS của khoai lang với một số giống khoai tại Việt Nam [92] Hàm lượng RS trong tinh bột khoai lang tự nhiên dao động từ 24-25.3%, hàm lượng RDS dao động từ 73.7-75.3%, hàm lượng SDS dao động trong khoảng 0.7-1.0%

Hiện có rất ít nghiên cứu quan tâm tới việc gia tăng hàm lượng SDS Năm 2020, Duyên và cộng sự đã nghiên cứu phương pháp biến tính tinh bột đậu xanh bằng cách kết hợp axit citric với xử lý thủy nhiệt hoặc ủ, hai phương pháp này cho hàm lượng SDS đạt 27.4% và 24.2% [93]

Các nghiên cứu trong nước chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và khảo sát trên nhiều đối tượng mà chưa đi đến việc phát triển các sản phẩm sau khi đã biến tính làm gia tăng SDS, RS Bên cạnh đó, có thể thấy các phương pháp biến tính của các nhóm tác giả chưa có hiệu quả cao trong việc nâng cao hàm lượng SDS Chính vì vậy, việc ứng dụng SDS trong sản xuất thực phẩm còn nhiều hạn chế và chưa đưa vào các sản phẩm một cách hiệu quả

1.5.2 Một số nghiên cứu tạo SDS từ tinh bột khoai lang

Khoai lang là một loại thực phẩm chứa nhiều giá trịnh dinh dưỡng tiềm năng Ngoài ra, các nghiên cứu trước đây cho thấy hàm lượng SDS, và RS trong khoai lang tự nhiên rất cao Theo Huang và cộng sự 2015, hàm lượng RS trong khoai lang lên tới 72.68% [94] Vì vậy, việc đầu tư nghiên cứu làm giàu SDS của khoai lang đang là xu thế mới của ngành khoa học thực phẩm Tuy vậy, những nghiên cứu nhằm biến tính tinh bột khoai lang để nâng cao hàm lượng SDS vẫn đang còn hạn chế Năm 2016, Chung và cộng sự đã nghiên cứu tạo tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh bột khoai lang bằng phương pháp biến tính sử dụng 2 loại enzyme là enzyme BE

và AS với kết quả rất khả quan, hàm lượng SDS tăng từ 6.3% lên 25.0-34.8%, hàm lượng RS tăng từ 12.9% lên 34.6-41.3% phụ thuộc vào lượng BE [67] Huang và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp cắt nhánh và nhiệt ẩm đến tính

chất và khả năng tiêu hóa của tinh bột khoai lang, cho ra hàm lượng SDS đạt khoảng 31.6% [94] Vì những lý do đó, đề tài chế độ tạo tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh bột khoai lang và ứng dụng được lựa chọn nghiên cứu