Các tính chất hóa lí và cấu trúc của phức lysine tinh bột oxy hóa

Từ đó dẫn đến sự thay đổi các tính chất của tinh bột hồ hóa như sự trương nở của hạt tinh bột, sự phân rã của vùng tinh thể, sự thay đổi về độ nhớt và khả năng hòa tan của tinh bột S.. C

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

SKL 0 0 6 1 6 4

CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ VÀ CẤU TRÚC CỦA

PHỨC LYSINE - TINH BỘT OXY HÓA

GVHD: TRỊNH KHÁNH SƠN SVTH: NGUYỄN THỊ XUÂN HẠNH MSSV: 15161082

SVTH: CHƯƠNG THẢO MY MSSV: 15161105

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

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MÃ SỐ: 2019-15116082

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 08/2019

CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ VÀ CẤU TRÚC CỦA

PHỨC LYSINE - TINH BỘT OXY HÓA

GVHD: TS TRỊNH KHÁNH SƠN SVTH:

NGUYỄN THỊ XUÂN HẠNH – 15161082 CHƯƠNG THẢO MY – 15116105

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Thực phẩm, khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã truyền dạy kiến thức và tạo điều kiện về thiết bị, cơ sở vật chất giúp chúng tôi hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn thầy TS Trịnh Khánh Sơn đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn, truyền dạy kiến thức và kinh nghiệm giúp chúng tôi hoàn thành được bài luận văn tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn cô Lê Thị Bạch Huệ, Bộ môn Công nghệ Môi Trường đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho việc sử dụng dụng cụ và thiết bị đo tại PTN Kỹ Thuật Môi Trường

iii

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bài khóa luận tốt nghiệp

là của riêng chúng tôi Chúng tôi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo quy định

Ngày tháng 7 năm 2019

Ký tên

xiv

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN iv

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

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

MỤC LỤC xiv

DANH MỤC HÌNH xvii

DANH MỤC BẢNG xix

TÓM TẮT KHÓA LUẬN xxi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Cấu trúc hóa học của tinh bột 1

1.3 Đặc điểm chung của hạt tinh bột 2

1.3.1 Hình thái hạt tinh bột 3

1.3.2 Cấu trúc tinh thể 3

1.3.3 Phổ FTIR của tinh bột 6

1.4 Các tính chất của tinh bột 7

1.4.1 Sự hồ hóa của tinh bột 7

1.4.2 Độ nhớt của tinh bột 7

1.4.3 Độ trong của tinh bột hồ hóa 8

1.5 Amino acid 9

1.5.1 Phân loại 9

1.5.2 Cấu trúc và hoạt tính quang học 9

1.5.3 Tính acid - base của amino acid 10

1.5.4 Phản ứng với hợp chất carbonyl 10

1.5.5 Phản ứng tạo phức với ninhydrin 11

1.6 Khái quát về phương pháp gắn amino acid lên tinh bột oxy hóa 12

1.6.1 Phương pháp oxy hóa tinh bột bằng sodium hypochlorite 12

1.6.2 Phương pháp gắn amino acid lên hạt tinh bột 14

1.7 Mức oxy hóa an toàn 14

1.8 Các công trình nghiên cứu trước đây 14

1.9 Lý do chọn đề tài 16

1.10 Mục tiêu nghiên cứu 16

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 18

2.1 Vật liệu 18

2.2 Nội dung nghiên cứu 19

2.3 Phương pháp 20

2.3.1 Xác định nồng độ chlorine hoạt tính trong dung dịch NaClO 20

2.3.2 Oxy hóa tinh bột bằng Sodium hypochloride 21

2.3.3 Phản ứng tạo phức tinh bột oxy hóa - lysine 21

2.3.4 Xác định hàm lượng Carbonyl và Carboxyl 22

2.3.5 Hàm lượng Nito tổng số 24

2.3.6 Độ nhớt nội tại 25

2.3.7 Sự thay đổi nhóm chức của tinh bột 26

2.3.8 Kiểu hình tinh thể và mức độ tinh thể 26

2.3.9 Hình thái và thành phần nguyên tố của tinh bột 26

2.3.10 Độ truyền suốt 27

2.3.11 So màu tinh bột 27

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 29

3.1 Ảnh hưởng của thời gian oxy hóa đến hiệu suất thu hồi tinh bột 29

xvi

3.2 Hàm lượng Carbonyl và Carboxyl 30

3.3 Hàm lượng Nitơ tổng số 32

3.4 Độ nhớt nội tại (ηi) 34

3.5 Sự thay đổi nhóm chức của tinh bột 37

3.6 Kiểu hình tinh thể và mức độ tinh thể 42

3.7 Hình thái và thành phần nguyên tố của tinh bột 45

3.7.1 Hình thái hạt tinh bột 45

3.7.2 Thành phần nguyên tố các mẫu tinh bột sắn khảo sát 49

3.8 Độ truyền suốt 51

3.9 Màu sắc tinh bột 54

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu tạo của Amylose và Amylopectin 2

Hình 1.2 Ảnh quét hiển vi điện tử của các hạt tinh bột 3

Hình 1.3 Cấu trúc phân lớp của tinh bột 4

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể loại A và B 5

Hình 1.5 Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B C và V 6

Hình 1.6 Công thức hóa học của amino acid 9

Hình 1.7 Amino acid dạng D và L 10

Hình 1.8 Phản ứng của amino acid với nihydrin 11

Hình 1.9 Quá trình oxy hóa tinh bột bằng NaClO 12

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng mức độ oxy hóa theo thời gian bởi NaClO 19

Hình 2.2 Kiểm tra dư lượng L-lysine tự do trong dịch rửa tinh bột 22

Hình 3.1 Hiệu suất thu hồi tinh bột tính theo sự thay đổi hàm lượng chất khô (%) 29

Hình 3.2 Hàm lượng Carbonyl (CO/100GU) và Carboxyl (COOH/100GU) của tinh bột sắn theo thời gian oxy hóa 30

Hình 3.4 Hàm lượng Nitơ (%) trong các mẫu tinh bột sắn theo thời gian oxy hóa 32

Hình 3.5 Độ nhớt nội tại theo thời gian oxy hóa ở nhiệt độ từ 30-80oC của các mẫu tinh bột oxy hóa (M0, M30, M60, M90, M120) 35

Hình 3.6 Độ nhớt nội tại theo thời gian oxy hóa ở nhiệt độ từ 30-80oC của các mẫu phức tinh bột oxy hóa – lysine (M0, MB30, MB60, MB90, MB120) 35

Hình 3.7 Phổ FTIR của các mẫu tinh bột tự nhiên và biến tính 39

Hình 3.8 Đồ thị tán xạ XRD của các mẫu tinh bột từ 5-30o (2θ) 42

Hình 3.9 Hình thái hạt tinh bột của các mẫu tinh bột sắn khảo sát 48

Hình 3.10 Tỷ lệ phần trăm khối lượng nguyên tố C, O, N của các mẫu tinh bột 49

Hình 3.11 Độ truyền suốt mẫu tinh bột sắn tự nhiên và các mẫu tinh bột sắn oxy hóa 51 Hình 3.12 Độ truyền suốt của tinh bột sắn tự nhiên và các mẫu tinh bột sắn oxy hóa liên kết

xviii

Hình 3.13 Độ truyền suốt của các mẫu tinh bột sắn oxy hóa và tinh bột sắn oxy hóa liên kết L-lysine 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Chỉ tiêu hóa lý của tinh bột sắn 18Bảng 2.2 Thông số để hiệu chỉnh trắng của thiết bị đo màu cầm tay CR-400/410 27Bảng 2.3 Tiêu chí đánh giá màu dựa trên ∆E 28Bảng 3.1 Độ nhớt nội tại (ηi) của các mẫu tinh bột 34Bảng 3.2 Đỉnh hấp thu các nhóm đặc trưng của tinh bột, L-lysine và liên kết amide 38Bảng 3.3 Tỷ lệ vùng α-helix (1051 cm-1)/vùng vô định hình (1015 cm-1) của các mẫu tinh bột khảo sát 41Bảng 3.4 Tỷ lệ phần trăm tinh thể và vô định hình của các mẫu tinh bột sắn 43Bảng 3.5 Cường độ hấp thu tại các đỉnh đặc trưng của các mẫu tinh bột sắn 43Bảng 3.6 Độ truyền suốt của các mẫu tinh bột sắn được khảo sát ở bước sóng 650 nm 53Bảng 3.7 Màu của các mẫu tinh bột sắn theo hệ tọa độ màu CIE Lab 55

xx

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

XRD (X-ray Defraction): Tán xạ tia X

FTIR (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy): Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi

Fourier

EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy): Phổ tán sắc năng lượng tia X

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Tinh bột sắn tự nhiên được oxy hóa bằng dung dịch NaClO (3.5% chlorine hoạt tính tính theo khối lượng bột khô) ở bốn khoảng thời gian khác nhau: 30, 60, 90 và 120 phút Sau

đó, L-lysine sẽ được tiến hành gắn lên các mẫu tinh bột oxy hóa trong 5 giờ ở 40 oC tại pH

= 10 Kết quả cho thấy hàm lượng nitrogen tổng số trong các mẫu tinh bột oxy hóa gắn lysine tăng đáng kể so với mẫu bột thô và mẫu tinh bột oxy hóa Các kết quả độ nhớt nội tại, phổ EDX và phổ FTIR đã cho thấy có xảy ra liên kết giữa lysine và tinh bột oxy hóa và giữa các kết quả khảo sát có sự tương quan với nhau Kết quả phân tích phổ XRD cho thấy, dạng tinh thể của tất cả mẫu tinh bột không có sự khác biệt và đều có cấu trúc tinh thể dạng A Đối chiếu các kết quả thu được với kết quả hàm lượng carbonyl, carboxyl trong tinh bột oxy hóa cho thấy hai nhóm chức này có tác động mạnh mẽ đến khả năng gắn lysine lên tinh bột oxy hóa Kết quả khi so màu và độ trong cho thấy có sự thay đổi đáng kể giữa các mẫu tinh bột

đã qua xử lý với mẫu tinh bột thô Các mẫu tinh bột oxy hóa gắn lysine ở mẫu có hàm lượng carbonyl cao có sự khác biệt đáng kể so với mẫu tinh bột thô và các mẫu tinh bột oxy hóa

Sự khác biệt về màu sắc giảm dần khi các mẫu tinh bột oxy hóa gắn lysine có hàm lượng carboxyl cao

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Tinh bột là một polymer carbohydrate có khả năng tự phân hủy sinh học, giá thành rẻ, nguồn nguyên liệu dồi dào và có thể tái tạo Ngoài ra, thành phần và cấu trúc của tinh bột cũng rất đa dạng, nên chúng sở hữu một loạt những thuộc tính quan trọng có thể ứng dụng trong nghành công nghiệp thực phẩm và phi thực phẩm (BeMiller, 2009) Tuy nhiên, hiện nay các tính chất của tinh bột tự nhiên thường không đáp ứng đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật trong sản xuất Thêm vào đó, yêu cầu của người tiêu dùng về mặt dinh dưỡng cũng như tính năng sản phẩm ngày một tăng Vì vậy, việc thêm một nhóm chức mới vào phân tử tinh bột

và thay đổi cấu trúc của chúng thông qua những biến đổi vật lý và hóa học sẽ giúp khắc phục một hoặc nhiều hạn chế của tinh bột tự nhiên và cải thiện đáng kể các chức năng của nó trong ứng dụng công nghiệp (Li, 2010)

Amino acid là đơn vị cấu trúc cơ bản của protein - đóng vai trò quan trọng trong bảo

vệ sức khỏe và cung cấp dinh dưỡng cho người và động vật Do sự đổi mới về mặt công nghệ trong sản xuất những năm gần đây, acid amin trở nên sẵn có, giá thành rẻ hơn nhờ được sản xuất bằng nhiều cách khác nhau như thủy phân protein, lên men vi sinh vật, xúc tác enzyme và tổng hợp hóa học(Izumi, 1978; Leuchtenberger, 2005) Hiện nay, trong nghành công nghiệp thực phẩm, chúng được sử dụng ngày càng nhiều với vai trò phụ gia hoặc chất

bổ sung dinh dưỡng Trong số đó, L-Lysine (Lys), là acid amin thiết yếu nhưng lại giới hạn trong protein thực vật nên chúng thường được bổ sung vào các thực phẩm ngũ cốc (gạo, bột

và bánh mì) để tăng cường protein sinh khả dụng và cải thiện chất lượng dinh dưỡng trong thực phẩm

1.2 Cấu trúc hóa học của tinh bột

Về mặt hóa học, tinh bột là hỗn hợp của hai loại polysaccharide là amylose và amylopectin Cả hai loại polysaccharide này đều được tổng hợp từ các tiểu đơn vị là các phân tử D-glucopyranose, chúng liên kết với nhau bằng liên kết mạch thẳng (α-1,4-glycosidic) và phân nhánh (α-1,6-glycosidic) (S W Cui, 2005)

Amylose được biết đến dưới dạng là một polymer mạch thẳng, các phân tử đường được gắn với nhau chủ yếu bởi liên kết α-1,4-glycoside Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong amylose chứa khoảng 0.1% các liên kết phân nhánh α-1,6-glycoside Phân tử khối của amylose thường nằm trong khoảng từ 105 - 106 (Hizukuri, 1984; Takeda, 1986) Amylopectin

cũng là một polymer của các phân tử glucose dạng mạch phân nhánh thông qua hai liên kết

là α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside Trong amylopectin, tỷ lệ liên kết α-1,6-glycoside lên đến 4%, cao hơn so với hàm lượng bên trong amylose Phân tử khối của amylopectin dao động trong khoảng từ 107 - 108(Nakamura, 2015)

Hình 1.1 Cấu tạo của Amylose và Amylopectin (Sanyang, 2018)

1.3 Đặc điểm chung của hạt tinh bột

Hạt tinh bột được hình thành bên trong lạp bột của các tế bào thực vật Các hạt tinh bột có thể được nhận biết một cách dễ dàng với thuốc thử là dung dịch iod và có thể quan sát rất rõ dưới kính hiển vị quang học nền sáng thông thường (Matsushima, 2010)

3

1.3.1 Hình thái hạt tinh bột

Mặc dù tinh bột đều được tạo thành từ các polymer có tiểu đơn vị là Glucose, hình thái của từng loại hạt tinh bột lại rất đa dạng (hình cầu, hình elipe, hình đa giác, ) Tùy thuộc vào nguồn gốc của giống loài mà chúng thể hiện sự khác nhau về kích thước, hình dạng và vị trí tâm của hạt (Jane, 1994; Whistler R., 2009) Trong cùng một loại tinh bột, hình dáng và kích thước của các hạt tinh bột cũng không giống nhau Đường kính các hạt tinh bột dao động trong khoảng 1-50 µm Các hạt tinh bột ngũ cốc như gạo, lúa mì, bắp có hình đa giác hoặc hình tròn, đường kính của hạt nằm trong khoảng 5-20 µm (Matsushima và cộng sự, 2010) Các hạt tinh bột đậu và củ với kích thước lớn hơn và có hình dạng oval Tinh bột khoai tây được ghi nhận là có kích thước lớn nhất với đường kính hạt lên đến hơn 50 µm (Gregorová,

(a) Bắp bình thường; (b) Bắp sáp; (c) Khoai tây; Lúa mì; (e) Miến; (f) Bắp đường

Hình 1.2 Ảnh quét hiển vi điện tử của các hạt tinh bột (Whistler R., 2009)

1.3.2 Cấu trúc tinh thể

Tinh bột trong tự nhiên thường được tổng hợp dưới dạng bán tinh thể, với cấu trúc đa lớp phức tạp Cấu trúc của hạt tinh bột gồm hai thành phần chính là vùng tinh thể và vùng

vô định hình Từ hình ảnh quan sát được bằng kính hiển vi điện tử quét (Jane và cộng sự,

tâm hạt tinh bột được bao bọc bởi các lớp vòng tròn tinh thể và vô định hình sắp xếp xen kẽ

nhau (O’Neill, 2015) Trong vùng vô định hình chứa rất nhiều amylose trong khi amylopectin chỉ chiếm một lượng rất nhỏ Vùng tinh thể chủ yếu là amylopectin và một số lượng nhỏ các amylose nằm xen kẽ trong các mạch tinh thể (Huber, 2010) Mức độ tinh thể của tinh bột dao động trong khoảng từ 15-45% Mức độ tinh thể phụ thuộc vào hàm lượng nước của chúng Tinh bột khoai tây sấy khô bằng tác nhân không khí (với độ ẩm 19,8%) có mức độ tinh thể là 24%, 44-55% khi tinh bột bị ướt và 17% khi được sấy khô bằng P2O5 sau

đó tái ngậm nước (Belitz, 2009)

Cấu trúc đặc trưng của lớp tinh thể là sự liên kết giữ các đoạn mạch thẳng của amylopectin, tạo thành các sợi xoắn kép nằm trải dài theo phương tiếp tuyến với tâm hạt Đầu không khử của mạch amylopectin hướng vào tâm hạt trong khi các đuôi khử của phần mạch nhánh lại hướng ra ngoài và nằm trong các lớp vô định hình (Whistler R., 2009)

Hình 1.3 Cấu trúc phân lớp của tinh bột (O’Neill và cộng sự, 2015)

5

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể loại A và B (Buléon, 1998)Một số nghiên cứu thông qua phương pháp tán xạ tia X cho thấy ba dạng tinh thể điển hình của tinh bột là: tinh thể loại A, loại B, loại C và các xoắn helix dạng V (Lopez-Rubio,

dạng A với các sợi xoắn kép sắp xếp dày đặt và chặt chẽ (hình 1.4) (Van Hung, 2008) Trong khi các sợi xoắn kép ở dạng B lại sắp xếp theo hình lục giác với tâm trống, tạo điều kiện cho các phân tử nước có thể xâm nhập vào được (36 phân tử H2O/đơn vị) Cấu trúc dạng B thường có mặt trong tinh bột của các loại củ như khoai tây (Imberty, 1991) Dạng C là một dạng hỗn hợp của A và B, có nhiều trong các loại cây họ đậu và các loài cây nhiệt đới cho

củ như sắn Tinh thể loại V là phức giữa amylose và các chất phân cực hoặc phân cực yếu như acid béo, butanol, chất nhũ hóa và iodine (Sajilata và cộng sự, 2006)

Hình 1.5 Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B C và V (Van Soest, 1997)Các nghiên cứu sử dụng tán xạ tia X (XRD) cho thấy các dạng tinh thể thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của riêng chúng Các đỉnh nhiễu xạ chủ yếu ở các góc 2θ = ~10o,

11o, 15o, 17o, 18o, 20o, 23o, 24o, 26o, 30o, 33o sẽ cho thấy tinh thể của tinh bột ở dạng A, B hay V (Lopez-Rubio và cộng sự, 2008; Ma, 2008)

1.3.3 Phổ FTIR của tinh bột

Vùng phổ trong khoảng từ 4000 đến 400 cm-1 có giá trị thực tiễn quan trọng trong việc phân tích phổ FTIR Trong đó, bốn vùng phổ nhỏ hơn cụ thể là < 800 cm-1, 1500 – 800 cm-

1, 3000 – 2800 cm-1 và 3600 – 3000 cm-1 (Kizil, 2002) Vùng < 800 cm-1 chứa những dao động phức tạp đặc trưng cho khung xương của vòng pyranose Các dao động trong vùng 950 – 900 cm-1 chủ yếu phụ thuộc vào các liên kết glycoside C-O-C Vùng 1500 – 800 cm-1 với các dãy sóng liên quan đến sự tương tác giữa các dao động, dạng hấp thu ở vùng này thường phức tạp Tại dây, sự dao động xảy ra đa phần là do khung pyranose của phân tử glucose trong tinh bột, do đó thông tin thu được từ phổ glucose có thể đại diện cho tần số dao động của phân tử tinh bột (Kizil và cộng sự, 2002; Vasko, 1972) Vùng phổ 3000 – 1500 cm-1 thể hiện các dao động gây ra bởi các phân tử C và H Vùng 3000 – 2800 cm-1 hấp thu ánh sáng dao động của biến dạng CH2 Và vùng phổ từ 4000 – 3000 cm-1 cho thấy sự hấp thu OH duỗi thẳng của phân tử nước (Kizil và cộng sự, 2002)

7

1.4 Các tính chất của tinh bột

1.4.1 Sự hồ hóa của tinh bột

Hồ hóa là một trong những hiện tượng quan trọng của tinh bột được ứng dụng nhiều trong ngành công nghệ thực phẩm Các nghiên cứu về đặc điểm, cơ chế và các yếu tố của tinh bột hồ hóa là cần thiết cho việc tìm hiểu về mối liên hệ giữa cấu trúc và các tính chất của tinh bột (S W Cui, 2005) Tinh bột trong tự nhiên không hòa tan trong nước lạnh nhưng lại tan tốt trong nước nóng Hạt tinh bột khi được gia nhiệt trong môi trường nước sẽ xảy ra biến đổi về mặt cấu trúc Cụ thể là sự thay đổi cấu trúc trật tự của tinh bột thành dạng vô định hình Khi hồ hóa huyền phù tinh bột, trật tự sắp xếp của các phân tử bên trong hạt tinh bột bị phá vỡ Từ đó dẫn đến sự thay đổi các tính chất của tinh bột hồ hóa như sự trương nở của hạt tinh bột, sự phân rã của vùng tinh thể, sự thay đổi về độ nhớt và khả năng hòa tan của tinh bột (S W Cui, 2005)

1.4.2 Độ nhớt của tinh bột

Độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho trở lực bên trong của một dòng chất lỏng đang chảy Bên cạnh đó, độ nhớt cũng được xem như là đại diện cho các thuộc tính ma sát của chất lỏng Độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào các điều kiện nhiệt độ, áp suất và nồng độ các chất hòa tan (Viswanath, 2007)

Độ nhớt nội tại (intrisic viscosity) được sử dụng để nghiên cứu các tính chất lưu biến liên quan đến cấu trúc phân tử của các chất phân tán, cấu trúc của các loại gel – đặc biệt là các loại có nguồn gốc là polysaccharide (Kasaai, 2000) Nhìn chung, độ nhớt intrisic có điểm khác biệt so với các loại độ nhớt khác bởi vì độ nhớt intrisic được xác định dựa trên sự thay đổi nồng độ chất lỏng, có đơn vị nghịch đảo với đơn vị của nồng độ chất lỏng Tác động của các chất hòa tan với phân tử lượng lớn hoặc các chất phân tán trong chất lỏng được gọi

là độ nhớt relative (ηrel) hay độ nhớt reduce (ηred) với:

o rel

c



   (1.2)

Với η là độ nhớt của chất lỏng; η 0 là độ nhớt của dung môi và c là nồng độ của chất

lỏng cần khảo sát Đơn vị của độ nhớt reduce là ml/g (Dokic, 2004)

Độ nhớt reduce là đại lượng phụ thuộc vào nồng độ chất lỏng Khi nồng độ c có giá trị giới hạn c0, độ nhớt reduce được định nghĩa là độ nhớt nội tại (Dokic và cộng sự, 2004) Lúc này, độ nhớt nội tại được xác định theo hàm sau:

1.4.3 Độ trong của tinh bột hồ hóa

Khi hạt tinh bột trương nở trong nước, huyền phù từ trạng thái mờ đục trở nên trong hơn Do đó, độ trong có liên quan đến trạng thái phân tán của tinh bột Một số nghiên cứu cho rằng độ trong thay đổi đáng kể tùy vào nguồn gốc và các biến đổi hóa học diễn ra ở hạt tinh bột Nhìn chung, hồ tinh bột của khoai tây, sắn và bắp nếp trong suốt, ngược lại, hồ tinh bột của bắp và lúa mì đục hơn Độ trong của tinh bột được biểu diễn thông qua giá trị độ truyền suốt (T%) của dung dịch hồ tinh bột (J.-F Chen, 1990)

Độ truyền suốt cung cấp nhưng thông tin về trạng thái của hồ tinh bột khi ánh sáng truyền qua Giá trị của độ truyền suốt phụ tuộc vào kích thước hạt, khả năng trương nở, hàm lượng amylose, tỉ lệ amylose/ amylopectin và mức độ tàn dư của hạt trương nở và hạt không trương nở (J.-F Chen, 1990; Craig, 1989) Ngoài ra, chúng còn bị tác động bởi nhiều yếu

tố, chẳng hạn như, đường làm tăng độ trong tinh bột của các loại ngũ cốc (như tinh bột bắp), nhưng các chất hoạt động bề mặt như glyceryl monostearate lại làm cho hồ tinh bột mờ đục hơn nhiều (Osman, 1967)

Các nghiên cứu được thực hiện bởi Craig và cộng sự (1989) đã cho thấy rằng việc bổ sung thêm sucrose vào hồ tinh bột sẽ làm tăng độ trong Độ trong của hồ tinh bột liên quan đến sự thoái hóa của tinh bột Hồ tinh bột đã thoái hóa sẽ trở nên đục hơn do khi đó đã diễn

ra sự tái kết tinh sắp xếp lại cấu trúc tinh bột làm giảm khả năng trương nở, hấp thụ nước làm giảm độ truyền suốt của dung dịch huyền phù (J.-F Chen, 1990)

Độ trong của tinh bột là một trong những yếu tố quan trọng tác động đến chất lượng sản phẩm, nếu tinh bột được sử dụng như một chất làm dày cho nhân bánh trái cây yêu cầu độ trong cao, trong khi nếu tinh bột được sử dụng trong nước trộn salad thì đục hơn (J.-F Chen,

9

1.5 Amino acid

α-amino acid là đơn vị cấu trúc cơ bản của protein Mỗi amino acid gồm một nguyên

tử α-carbon liên kết cộng hóa trị với nguyên tử hydrogen, một nhóm amino, một nhóm carboxyl và một nhóm thế (hay còn gọi là mạch bên, side-chain) (nhóm R) (Damodaran,

Amino acid có gốc R không phân cực và không tích điện (hydrophobic): isoleucine, leucine, methionine, phenyl-alanine, proline, valine, tryptophan, glycine, alanine Hoạt tính

kỵ nước của các amino acid này tăng khi chiều dài của gốc R tăng (Bhagavan, 2002;

Amino acid có gốc R tích điện âm ở pH ≈ 7 do các nhóm carboxyl –COOH như aspartic

và acid glutamic (Bhagavan, 2002)

1.5.2 Cấu trúc và hoạt tính quang học

Tất cả các protein được tìm thấy trong tự nhiên đều chỉ chứa L-amino acid Amino acid dạng D ít phổ biến hơn nhưng cũng xuất hiện trong tự nhiên ở một số peptide của vi sinh vật (Bhagavan, 2002)

(1.5)

Hình 1.7 Amino acid dạng D và L (Bhagavan, 2002)Amino acid dạng D không được tiêu hóa trong cơ thể người Hiện tượng quay quang học và góc quay của amino acid trong dung dịch phụ thuộc pH, nhiệt độ (Bhagavan, 2002)

1.5.3 Tính acid - base của amino acid

Amino acid có chứa cả nhóm acid và base (ampholyte), chúng tồn tại chủ yếu dưới dạng lưỡng cực (zwitterion) trong khoảng pH nhất định Mỗi amino acid có một hằng số acid riêng của mình, thường được viết dưới dạng Ka hay pKa Tổng đại số điện tích của mỗi amino acid phụ thuộc vào pH của môi trường xung quanh (Bhagavan, 2002)

Tại pH trung tính, cả nhóm α-amino và α- carboxyl bị ion hóa, phân tử tồn tại ở dạng zwitterion Ở điểm pH mà tổng đại số điện tích của amino acid bằng 0 người ta gọi là điểm đẳng điện (isoelectric point, pI) Trong môi trường acid, nhóm COO- bị proton hóa Điểm

pH mà tại đó nồng độ COO- và COOH bằng nhau gọi là pKa1 Tương tự, trong môi trường kiềm, nhóm NH3+ bị deproton hóa, điểm pH mà [NH3+]=[NH2] là pKa2 Điểm đẳng nhiệt của amino acid có thể ước lượng được từ các giá trị pKa1, pKa2, pKa3 (Damodaran, 2008).

Đối với amino acid có mạch bên không cực: 1 2

Các amino acid có thể phản ứng với aldehyde tạo ra Base de Schiff Đây là hợp chất

trung gian hình thành trong giai đoạn đầu của phản ứng Maillard (Damodaran, 2008)

11

R-NH2 + R’-CH=O  R-N=CH-R’ + H2O (1.9) Trong quá trình chế biến thực phẩm, do phản ứng Maillard, nhiều hợp chất dicarbonyl được tạo ra Các amino acid sẽ tham gia phản ứng với các hợp chất này tạo ra các aldehyde có mùi (Damodaran, 2008)

1.5.5 Phản ứng tạo phức với ninhydrin

Ninhydrin (triketohydrindene hydrate) phản ứng với α-amino acid tạo ra CO2, NH3 và aldehyde ít hơn 1 carbon so với amino acid ban đầu Trong phần lớn các trường hợp, hợp chất có màu xanh dương hay tím (proline và hydroxyproline cho màu vàng) được hình thành dựa vào phản ứng của NH3 tự do với ninhydrin (Hình 1.7) Màu sắc và việc tạo ra CO2 là cơ

sở định tính các amino acid (Bhagavan, 2002)

Hình 1.8 Phản ứng của amino acid với nihydrin (Bhagavan, 2002)

1.6 Khái quát về phương pháp gắn amino acid lên tinh bột oxy hóa

1.6.1 Phương pháp oxy hóa tinh bột bằng sodium hypochlorite

Để tạo ra tinh bột oxy hóa, chất oxy hóa với nồng độ nhất định sẽ được cho vào dung

dịch huyền phù tinh bột ở điều kiện kiểm soát nhiệt độ và pH (BeMiller & Whistler, 2009)

Có nhiều chất oxy hóa khác nhau được sử dụng để oxy hóa tinh bột như periodate, chromic

acid, permanganate, nitơ dioxide,… Tuy nhiên, trong sản xuất thương mại, tinh bột oxy hóa

thường được tạo ra bằng cách sử dụng sodium hypochlorite như một tác nhân oxy hóa

Phản ứng xảy ra giữa tinh bột và sodium hypochlorite được thể hiện trong Hình 1.5

Trong quá trình oxy hóa với sodium hypochlorite, nhóm hydroxyl trong amylose và

amylopectin trong tinh bột sẽ bị oxy hóa thành nhóm carbonyl và carboxyl Tùy vào mức độ

oxy hóa mà sự depolymer hóa một phần amylose và amylopectin cũng có thể xảy ra Hàm

lượng nhóm carbonyl và/ hoặc nhóm carboxyl hiện diện trong tinh bột oxy hóa sẽ ảnh hưởng

trực tiếp đến tính chất hóa lý của tinh bột (Vanier và cộng sự, 2017)

Hình 1.9 Quá trình oxy hóa tinh bột bằng NaClO (Vanier và cộng sự, 2017)

Mức độ phản ứng của tinh bột với hypochlorite bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi pH Phản

ứng xảy ra nhanh hơn ở giá trị pH gần 7 và rất chậm ở pH 10 Năm 1984, Rutenberg và

Solarek đã đề ra giả thuyết để giải thích sự khác nhau ở mức độ phản ứng trong điều kiện

acid, trung tính và kiềm như sau (Rutenberg, 1984; Vanier và cộng sự, 2017):

13

Trong điều kiện có tính acid cao, hypochlorite nhanh chóng chuyển đổi thành phân tử chlorine, sau đó chlorine phản ứng với nhóm hydroxyl của tinh bột tạo thành hypochlorite ester và hydrogen chlorite Ester sau đó phân ly thành nhóm keto và phân tủ hydrogen chloride Trong cả hai bước trên, nguyên tử hydrogen được sinh ra dưới dạng proton từ nguyên tử carbon và oxy Vì vậy, ở môi trường acid với lượng dư proton, sự hình thành proton sẽ bị cản trở Vì vậy, tốc độ phản ứng sẽ chậm hơn khi tính acid của môi trường phản ứng tăng lên Đây là xu hướng thường gặp ở pH từ 4 đến 7

(1.4)

(1.5) Trong môi trường base, sự hình thành các ion tinh bột tích điện âm xảy ra và tăng lên khi pH tăng Mặt khác, ion hypochlorite tích điện âm cũng chiếm ưu thế ở pH cao hơn Vì vậy phản ứng giữa hai ion tích điện âm sẽ khó khăn hơn vì bị đẩy nhau Do đó, tốc độ oxy hóa sẽ giảm khi tăng pH

(1.6)

(1.7) Trong môi trường trung tính hay hơi acid hoặc base, hypochlorite về cơ bản không phân ly và tinh bột thì trung tính Hypochlorite không phân ly (hypochlorous acid) sẽ tạo ra nước, ester của tinh bột và hypochlorite, sau đó ester sẽ phân ly tạo sản phẩm oxy hóa và hydrogen chloride

(1.8)

(1.9)

(1.10)

1.6.2 Phương pháp gắn amino acid lên hạt tinh bột

Hiện nay, có ba phương pháp gắn amino acid lên tinh bột oxy hóa đã được nghiên cứu Phương pháp 1: Gắn amino acid lên hạt tinh bột carboxymethyl thông qua liên kết acid

- amide được thực hiện bằng cách sử dụng carbodiimide(Yang, 1995)

Phương pháp 2: Gắn amino acid bằng cách tạo môi trường thích hợp để xảy ra phản ứng giữa nhóm ɛ-amino và nhóm carboxyl của tinh bột oxy hóa(Li và cộng sự, 2010) Phương pháp 3: Gắn amino acid lên tinh bột thông qua phản ứng maillard giữa nhóm amino của amino acid và nhóm carbonyl của tinh bột biến tính (Chung, 2012)

1.7 Mức oxy hóa an toàn

Mức oxy hóa của tinh bột oxy hóa bằng tác nhân hypochloride được quy định trong TCVN 11471:2016 (được xây dựng trên cơ sở tham khảo JECFA Monograph 16 (2014) Modified starches) như sau: “…Đối với tinh bột oxy hóa xử lý bằng NaClO, hàm lượng các nhóm cacboxyl không lớn hơn 1,1% Dư lượng lưu huỳnh dioxide (SO2) không lớn hơn 50mg/kg….”

1.8 Các công trình nghiên cứu trước đây

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về tác động của amino acid lên tính chất hóa lý, tính chất lưu biến và tính chất nhiệt của nhiều loại tinh bột tự nhiên đã được báo cáo Những nghiên cứu đó đã tập trung vào nghiên cứu ở các loại tinh bột khác nhau như khoai

khoai lang (Lockwood, 2008), gạo(H An, 2009; Liang, 2003; Wan, 2017), ngô (Lu, 2012)

và lúa mì (Majzoobi, 2011) Kết luận chính từ những nghiên cứu ở trên là amino acid tích điện ảnh hưởng mạnh hơn đến tính chất của tinh bột do những ảnh hưởng được kiểm soát

Một nghiên cứu khác của Yang và cộng sự (2005) đã tạo ra liên kết giữa tinh bột khoai tây, tinh bột khoai tây carboxymethyl hóa, tinh bột bắp phosphate monoester với lysine và poly(lysine) thông qua phản ứng Maillard Kết quả cho thấy poly(lysine) làm giảm khả năng trương nở và hòa tan của các loại tinh bột liên kết Ở hai mẫu tinh bột khoai tây và bắp biến tính liên kết với lysine/ poly(lysine) có nhiệt độ hồ hóa cao hơn so với khi không liên kết Khả năng tiêu hóa với α-amylase của các loại tinh bột biến tính cũng có liên kết thấp hơn tinh bột thông thường(Yang, 2005)

Một nghiên cứu khác về tinh bột khoai tây oxy hóa bằng hypochlorite và phản ứng với amino acid và báo cáo rằng tinh bột oxy hóa chỉ phản ứng với amino acid tích điện dương

và tạo ra một loại tinh bột biến tính mới, tăng các tính chất dịch hóa (pasting properties) so với tinh bột oxy hóa (Li và cộng sự, 2010)

tử tinh bột oxy hóa thông qua liên kết amide khi sử dụng 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide như một chất hoạt hóa Kết quả cho thấy tinh bột sau khi gắn có nhiệt độ dịch hóa (pasting temperature) tăng và giảm độ nhớt cực đại và trương nở của tinh bột (Ito và

Như vậy, tinh bột liên kết với amino acid/ protein góp phần mở ra một tiền đề để tạo

ra một loại tinh bột biến tính mới có các tính chất hồ hóa và thoái hóa cải thiện hơn so với tinh bột thông thường (Ito và cộng sự, 2006; Li và cộng sự, 2010; Yang, 1998), đồng thời có thể giảm độ tiêu hóa của tinh bột có được các hoạt tính sinh học của protein/ amino acid được gắn vào hoặc có thể tạo ra loại tinh bột ứng dụng như một chất xơ thực phẩm (Hattori,

1.9 Lý do chọn đề tài

Qua những nghiên cứu về tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng của phức tinh bột- amino acid được nhắc đến ở những nghiên cứu trên Chúng ta thấy rằng tính chất của tinh bột có thể cải thiện hiệu quả bằng cách liên kết với amino acid thông qua liên kết ngang với carbodiimide hoặc bằng phản ứng Maillard (Ito và cộng sự, 2004; Yang và cộng sự, 2005) Liên kết với amino acid là một cách thức mới để tạo ra một loại tinh bột biến tính mới có giá trị nhưng chất để tạo được liên kết ngang thường có giá thành đắt và không được sử dụng trong thực phẩm (Gerrard, 2012) Trong khi phản ứng Maillard giữa tinh bột và amino acid, hay peptide, cần một khoảng thời gian dài, khoảng 7 ngày hoặc hơn nữa để liên kết và có hiệu suất thấp (Yagishita, 2008)

Tinh bột oxy hóa là một dạng tinh bột biến tính đặc trưng bởi hàm lượng carbonyl và carboxyl khá cao Đã có một vài nghiên cứu về việc tinh bột oxy hóa tạo được liên kết với amino acid và cho thấy những hiệu quả nhất định, nhưng chưa có nghiên cứu nào đánh giá tác động của hàm lượng carbonyl, carboxyl lên khả năng gắn amino acid của tinh bột Vì thế, trong nghiên cứu của chúng tôi, L-lysine sẽ được chọn là amino acid là mô hình thử nghiệm do đây là amino acid có tích điện dương Đây là loại amino acid đã được chứng minh rất nhiều ở các nghiên cứu trước về ảnh hưởng đáng kể của chúng lên các tính chất của tinh bột Bước đầu của nghiên cứu, chúng tôi sẽ tiến hành đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng carbonyl và carboxyl lên khả năng gắn lysine trực tiếp lên tinh bột oxy hóa và sự thay đổi các tính chất hóa lý, cấu trúc của phức lysine-tinh bột oxy hóa, làm tiền đề cho việc xác định các thông số về hàm lượng carbonyl/ carboxyl ban đầu của phức tinh bột oxy hóa- amino acid để đạt được những tính chất mong muốn của tinh bột trong sản xuất công nghiệp Sắn là loại cây lương thực quan trọng ở các nước nhiệt đới như Brazil, Nilgeria, Thái Lan, Indonexia, Việt Nam Vì là cây lương thực chính và được sản xuất với sản lượng lớn ở nước ta, do đó tinh bột sắn đã được lựa chọn là nguyên liệu chính được xử lý trong nghiên cứu này

1.10 Mục tiêu nghiên cứu

Trong bài nghiên cứu này, tinh bột sẽ được oxy hóa bằng dung dịch NaClO (3.5% active chlorine tính theo khối lượng bột khô) ở các mức thời gian khác nhau, sau đó sẽ tiến hành gắn lysine trực tiếp lên hạt tinh bột oxy hóa Từ đó đánh giá ảnh hưởng của nhóm carbonyl/carboxyl lên khả năng gắn lysine lên tinh bột oxy hóa và sự thay đổi về hóa lý, cấu