Đồ án: Ảnh hưởng độ ẩm lên tính chất và độ tiêu hóa tinh bột khoai mỡ

Luận văn phân tích ảnh hưởng của độ ẩm lên tính chất hóa lý và độ tiêu hóa của tinh bột khoai mỡ sau khi xử lý bằng phương pháp chiếu xạ gamma.

• Tác giả: Võ Thị Yến Nhi
• Người hướng dẫn: PGS. Trịnh Khánh Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Độ Ẩm Lên Tinh Chất Hoá Lý Và Độ Tiêu Hoá Của Tinh Bột Khoai Mỡ Được Chiếu Xạ Gamma
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về tinh bột khoai mỡ và chiếu xạ gamma

Tinh bột khoai mỡ là một trong những nguồn cung cấp carbohydrate quan trọng trong công nghiệp thực phẩm. Đây là một polysaccharide tự nhiên được tích trữ trong các hạt tinh bột của khoai mỡ. Cấu trúc của tinh bột bao gồm hai thành phần chính là amylose và amylopectin, tạo nên những đặc tính độc đáo về độ nhớt, khả năng hòa tan và khả năng trương nở. Chiếu xạ gamma là một kỹ thuật biến tính titin bột hiện đại, sử dụng năng lượng bức xạ ion hóa để làm thay đổi cấu trúc vật lý và hóa học của tinh bột. Phương pháp này giúp cải thiện các tính chất công nghiệp của tinh bột, tăng giá trị ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm.

1.1. Đặc điểm cấu trúc hóa học của tinh bột

Tinh bột được cấu tạo từ glucose thông qua các liên kết glicosidic α-1,4 và α-1,6. Amylose là một polysaccharide tuyến tính với chuỗi α-1,4 glucose, trong khi amylopectin có cấu trúc phân nhánh phức tạp hơn. Những khác biệt về tỷ lệ amylose/amylopectin ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất vật lý của tinh bột như độ nhớt, độ trong suốt và khả năng tạo gel.

1.2. Nguyên lý hoạt động của chiếu xạ gamma

Chiếu xạ gamma sử dụng photon năng lượng cao để tạo ra các gốc tự do (free radicals) trong mạch tinh bột. Những gốc tự do này gây ra các phản ứng cắt vỡ chuỗi polymer, dẫn đến giảm độ nhớt và thay đổi cấu trúc tinh thể. Mức độ biến tính phụ thuộc vào liều lượng bức xạ, loại tinh bột và các điều kiện xử lý.

II. Ảnh hưởng của độ ẩm đến quá trình chiếu xạ titin bột

Độ ẩm là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình chiếu xạ gamma trên tinh bột khoai mỡ. Nước được coi là một chất bảo vệ quan trọng (protective agent) trong các hệ thống xử lý bức xạ. Mức độ ẩm thay đổi sẽ ảnh hưởng đến mạnh độ tấn công của gốc tự do lên chuỗi tinh bột, từ đó quyết định mức độ cắt vỡ chuỗi polymer. Các nghiên cứu chỉ ra rằng độ ẩm từ 8,86% đến 28,66% có ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất hóa lý của titin bột như độ nhớt, độ hòa tan và độ trương nở.

2.1. Cơ chế tác dụng của nước trong quá trình bức xạ

Nước hoạt động như một chất tráng loãng gốc tự do trong mạch tinh bột. Khi độ ẩm thấp, nước không đủ để bảo vệ chuỗi tinh bột, dẫn đến sự tấn công mạnh mẽ của gốc tự do vào chuỗi polymer. Ngược lại, độ ẩm cao cung cấp sự bảo vệ tốt hơn, giảm tác động xấu của bức xạ. Điều này thể hiện mối quan hệ phi tuyến tính giữa độ ẩm và mức độ biến tính titin bột.

2.2. Ảnh hưởng đến độ nhớt của titin bột

Độ nhớt là một chỉ số quan trọng trong đánh giá tính chất công nghiệp của titin bột chiếu xạ. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi độ ẩm tăng, độ nhớt nội tại (intrinsic viscosity) của titin bột có xu hướng giảm do sự cắt vỡ chuỗi polymer không toàn vẹn. Tại độ ẩm tối ưu, tipin bột đạt được độ nhớt phù hợp nhất cho các ứng dụng công nghiệp.

III. Thay đổi các tính chất hóa lý của titin bột khoai mỡ chiếu xạ

Quá trình chiếu xạ gamma gây ra những thay đổi đáng kể trong các tính chất hóa lý của titin bột khoai mỡ. Các thay đổi này bao gồm sự thay đổi pH, hàm lượng acid tự do, độ hòa tan, độ trương nở và khả năng tạo phức với iodine. Kết quả phân tích cho thấy pH giảm khi titin bột được chiếu xạ do hình thành các acid hữu cơ trong quá trình bức xạ. Hàm lượng acid tự do (FA) tăng lên đáng kể, đặc biệt ở những mẫu có độ ẩm cao hơn. Những thay đổi này có ý nghĩa lớn đối với ứng dụng thực phẩm và công nghiệp.

3.1. Biến đổi cấu trúc tinh thể và tính chất FTIR

Phổ FTIR (Fourier Transform Infrared) cho thấy những thay đổi trong các nhóm chức năng của titin bột sau chiếu xạ. Các dụng cụ C-O, O-H và C-H bị thay đổi, chứng tỏ sự phân hủy từng phần của chuỗi titin bột. Độ tán xạ tia X giảm, cho thấy mức độ tinh thể của titin bột giảm đi, dẫn đến tính chất vật lý thay đổi theo những cách mong muốn.

3.2. Ảnh hưởng đến độ hòa tan và độ trương nở

Độ hòa tan của titin bột chiếu xạ tăng lên do cắt vỡ chuỗi polymer. Sự gia tăng này phụ thuộc vào độ ẩm, với những mẫu có độ ẩm trung bình cho hiệu quả tốt nhất. Độ trương nở cũng thay đổi, thường giảm đi khi titin bột bị chiếu xạ. Những thay đổi này làm cho titin bột chiếu xạ phù hợp hơn với các ứng dụng yêu cầu độ hòa tan cao hoặc độ trương nở kiểm soát.

IV. Ứng dụng và ý nghĩa của khoai mỡ chiếu xạ trong công nghiệp thực phẩm

Titin bột khoai mỡ chiếu xạ gamma có những ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm nhờ vào những tính chất được cải thiện. Độ nhớt giảm thấp hơn làm cho titin bột phù hợp hơn cho các sản phẩm như nước sốt, súp, và các sản phẩm nước khác. Độ hòa tan tăng mở ra những khả năng sử dụng mới trong các công thức thực phẩm. Hơn nữa, việc biến tính titin bột giúp cải thiện độ tiêu hóa in vitro, có ý nghĩa dinh dưỡng quan trọng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng titin bột chiếu xạ có độ tiêu hóa cao hơn so với titin bột thô, làm cho nó trở thành một thành phần bổ dưỡng tốt hơn.

4.1. Ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm công nghiệp

Titin bột khoai mỡ chiếu xạ được sử dụng rộng rãi làm chất tạo độ sánh, chất ổn định, và chất độn trong các sản phẩm thực phẩm công nghiệp. Với độ nhớt thấp hơn và độ hòa tan cao hơn, nó phù hợp cho sản xuất các sản phẩm paste, sốt, kem, và các sản phẩm đông lạnh. Khả năng tạo gel của titin bột cũng được cải thiện, mở ra những ứng dụng mới trong các sản phẩm thạch và pudding.

4.2. Giá trị dinh dưỡng và tiêu hóa

Độ tiêu hóa in vitro của titin bột khoai mỡ chiếu xạ tăng lên đáng kể so với titin bột thô. Điều này có ý nghĩa tích cực cho các sản phẩm thực phẩm chức năng và các sản phẩm dành cho những người có khó khăn trong tiêu hóa. Ngoài ra, chiếu xạ gamma không tạo ra bất kỳ chất phóng xạ dư lại nào, đảm bảo an toàn thực phẩm. Kỹ thuật này cũng giúp titin bột giữ lại các thành phần dinh dưỡng quan trọng khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về tinh bột Sau cellulose, tinh bột là loại carbohydrate dồi dào nhất và sẵn có từ nguyên liệu nông nghiệp thô. Tinh bột thường được tìm thấy trong các loại hạt như bắp, bắp sáp, lúa mì, gạo; các loại cây rễ củ và cây thân củ như khoai tây, khoai lang, khoai mì (sắn), hoàng tinh (dong); trong thân cây, lá, quả và cả phấn hoa (Pérez, S. Đây là nguồn dự trữ carbohydrate chính của thực vật bậc cao và cũng là nguồn cung cấp năng lượng chính cho con người.

Tinh bột được tìm thấy nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và phi thực phẩm vì tính sẵn có, giá thành tương đối thấp và các tính chất độc đáo. Trong công nghiệp thực phẩm, tinh bột vừa là sản phẩm thực phẩm vừa là phụ gia giúp làm dày, tạo gel, kết dính, bảo quản, tăng sự ổn định và thay thế cho các thành phần đắt tiền. Trong các lĩnh vực phi thực phẩm, do tính tương thích sinh học và khả năng thoái hoá mà tinh bột có thể được ứng dụng trong dược phẩm, nhựa dẻo nóng (thermoplastic), công nghiệp giấy, dệt và một số ứng dụng khác (Huijbrechts, A. Ứng dụng của tinh bột trong thực phẩm và phi thực phẩm (Burrell, 2003) Thực phẩm Thức Nông Nhựa Dược Xây Dệt Giấy Khác và đồ uống ăn nghiệp (plastic) phẩm dựng gia súc Mayonnaise Dạng Lớp Nhựa Tạo Sợi Sợi Bảng gợn Khoan viên phủ phân viên khoáng dọc sóng dầu hạt huỷ sinh (tablets) chất trong (corrugated học (mineral khung board) fibre) cửi 1 Thực phẩm Sản Phân Bột Đúc bê Vải Bìa carton Xử lý cho bé phẩm bón thuốc tông nước phụ Bánh mì Tấm Chỉ Giấy Keo thạch dán cao Nước ngọt (soft drinks) Sản phẩm thịt Bánh kẹo Tinh bột có thể được phân tích từ hai điểm nhìn tổng quan: (1) Nguyên liệu thô giàu tinh bột hay tinh bột tự nhiên được sử dụng để làm các thực phẩm như sản phẩm bánh mì, pasta, bánh ngô (tortillas) và snack trong đó tinh bột mang lại tính chất hoá lý, chức năng và độ tiêu hoá cho sản phẩm đó.

(2) Tinh bột được phân lập từ nguồn thực vật, được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau và trong nhiều ứng dụng, và được biến tính bởi các phương pháp hoá học, vật lý và enzyme nhằm mục đích cải thiện các tính chất chức năng., 2017) Tinh bột tự nhiên và biến tính đều được sử dụng rộng rãi trong quá trình chuẩn bị và chế biến thực phẩm. Tuy nhiên, trong công nghiệp thực phẩm việc sử dụng tinh bột tự nhiên bị giới hạn bởi sự thiếu ổn định dưới các điều kiện như nhiệt độ, sự trượt (shear), pH và lạnh đông thường được áp dụng trong thực phẩm. Thêm vào đó, độ nhớt của tinh bột tự nhiên thường quá cao để ứng dụng trong công nghiệp. Ngày nay, các nghiên cứu được thực hiện để cải thiện độ hoà tan và thoái hoá của tinh bột bằng cách giảm khối lượng phân tử thông qua xử lý hoá học, vật lý hoặc enzyme hoặc kết hợp các phương pháp này lại với nhau.

(Lee, Kwang Yeon, et al. Như vậy, sự có mặt của tinh bột biến tính giúp làm tăng tính hữu ích và đáp ứng được các nhu cầu khác nhau về chức năng và kĩ thuật của các sản phẩm thực phẩm khác nhau. Cấu trúc hoá học của tinh bột Tinh bột là một polymer sinh học có cấu trúc bán tinh thể và được cấu tạo từ hai thành phần chính là amylose và amylopectin. Amylose và amylopectin đều là polymer của D-glucopyranose.

Amylose chủ yếu là polymer mạch thẳng, có những đơn vị glucose gắn với nhau thông qua liên kết α-1,4-glycoside. Amylopectin là polymer mạch nhánh, trong phân tử cũng chủ yếu là liên kết α-1,4-glycoside nhưng lại có một tỉ lệ cao hơn ở những điểm nhánh, nơi hình thành liên kết α-1,6-glycoside. Tuy nhiên, theo (BeMiller, J.), 2009) thì amylose có thể có nhiều hơn 10 nhánh trong cấu trúc phân tử. Amylopectin có phân tử lớn hơn rất nhiều so với amylose, bởi vì khối lượng phân tử ở khoảng 107 tới 108 g.mol-1, trong khi amylose có khối lượng phân tử từ 5x105 đến 106 g.

Hai loại phân tử có thể được phân biệt bởi kích thước phân tử và đặc tính trong đó có thể hình dung bằng cách sự liên kết khác nhau của chúng với dung dịch iodine. Màu sắc của liên hợp amylose-iodine sẽ thay đổi tùy vào chiều dài của chuỗi amylose. Nó thay đổi từ màu nâu (DP21-24), đến màu đỏ (DP25-29), tím đỏ (DP 30-38), xanh tím (DP 39-40), và cuối cùng là màu xanh (DP > 47). Khi DP thấp hơn 20, không có màu sắc được hình thành (Cui, S.

Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iodine vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh (Hanes, C. Cấu tạo của Amylose và Amylopectin (Huijbrechts, A. Hình thái của hạt tinh bột Các hạt tinh bột từ các nguồn thực vật khác nhau sẽ có hình dạng, kích thước và bề mặt (nhẵn hoặc gồ ghề) đặc trưng, điều này cũng đóng vai trò quan trọng trong chức năng và độ tiêu hoá., 2017) Hạt tinh bột có hình dạng và kích thước đa dạng như hình cầu, hình ellipsoid, đa giác (polygon), tiểu cầu (platelets) và hình ống không đều (irregular tubules). Các hạt tinh bột củ thường có kích thước to và có dạng hình bầu dục.

Các hạt tinh bột ngũ cốc như bắp, gạo và yến mạch có hình đa giác hoặc hình tròn. Sự khác biệt về hình thái hạt có thể do nguồn gốc sinh học, hoá sinh của hạt bột (amyloplast) và sinh lý của cây., 2004) Hạt tinh bột được bao bọc dày dày đặc bởi cấu trúc bán tinh thể (semi-crystalline), độ kết tinh thay đổi từ 15 – 45% và mật độ xấp xỉ 1,5 g/cm3. Ở dạng hạt, tinh bột dễ bị phân lập bởi trọng lực, lắng, ly tâm và lọc. Hạt tinh bột ở thực vật có đường kính thay đổi từ 1 – 150 μm.

Trong các loại tinh bột thương mại, tinh bột gạo (3 – 9 μm) có dạng hạt nhỏ nhất và tinh bột khoai tây (15 – 100 μm) lớn nhất. Hạt tinh bột ngô nằm trong khoảng 5 – 26 μm với đường kính trung bình là 15 μm. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi quang học nền sáng phân cực (trong) của các hạt tinh bột tự nhiên từ các giống cây trồng: (a) khoai môn; (b) hạt dẻ; 5 (c) gừng; (d) sắn dây; (e) bắp; (f) chuối xanh; (g) lúa mì và (h) khoai tây. Độ nhớt của tinh bột Độ nhớt là một trong những tính chất cơ bản và đặc trưng của tất cả các chất lỏng.

Độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho trở lực bên trong của một dòng chất lỏng đang chảy. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ và trọng lượng của phân tử (Cui, S. Độ nhớt cũng được xem như lực kéo và là đại diện của các thuộc tính ma sát chất lỏng (Viswanath, Dabir S., 1997) độ nhớt gồm hai loại là độ nhớt tuyệt đối và độ nhớt động học. Độ nhớt động lực (Dynamic viscosity) hay còn được gọi là độ nhớt tuyệt đối (Absolute viscosity) được định nghĩa là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích cần thiết để di chuyển một mặt phẳng nằm ngang với một mặt phẳng khác.

Đơn vị của độ nhớt tuyệt đối theo hệ SI là Pa. Độ nhớt động học (Kinematic viscosity) tỷ lệ giữa độ nhớt động lực với tỷ trọng của chất lỏng. Trong hệ thống SI, độ nhớt động học có đơn vị là m2/s hoặc stoke (St) với 1 St = 10-4 m2/s (Viswanath, Dabir S. Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng của tinh bột, có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm thực phẩm sử dụng tinh bột làm nguyên liệu chính hay sản phẩm bổ sung tinh bột như một chất phụ gia.

Phân tử tinh bột chứa nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho các phân tử tập hợp lại đồ sộ hơn, giữ nước nhiều hơn khiến cho dung dịch có độ đặc, độ dính cao hơn do đó các phân tử di chuyển khó hơn khiến cho độ nhớt của dung dịch cao. Độ nhớt intrinsic được xem là một thông số về cấu trúc và 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 và đặc biệt là đối với các loại polysaccharide (Harding, S. Khi xét về bản chất, độ nhớt intrinsic không hẳn là một loại độ nhớt vì khác với các loại độ nhớt khác độ nhớt intrinsic được xác định dựa trên nồng độ, là nghịch đảo của đơn vị nồng độ chất lỏng. Tác động của đại phân tử thuộc chất tan hòa tan hoặc phân tán trong một dung dịch thì được gọi là độ nhớt relative ηrel hoặc độ nhớt reduced (ηred , ml/g), được tính như sau: 𝜂 (1.2) 𝜂𝑟𝑒𝑑 = 𝑐 Với η là độ nhớt của dung dịch, η0 là độ nhớt của dung môi và c là nồng độ của dung dịch.

Đơn vị của độ nhớt reduced là ml/g. Độ nhớt reduced là một đại lượng phụ thuộc vào nồng độ. Giới hạn khi c  0 của độ nhớt reduced được định nghĩa là độ nhớt nội tại (intrinsic viscosity). Đây là hàm nội tại của các đại phân tử hòa tan trong dung dịch và được xác định theo công thức: 𝜂𝑖 = lim 𝜂𝑟𝑒𝑑 (1.3) 𝑐→0 Độ nhớt intrinsic được xác định thông qua giá trị relative viscosity với các nồng độ.

Hiện nay có 3 phương pháp cơ bản thường được sử dụng để xác định độ nhớt relative là: 1. Sử dụng nhớt kế mao quản (nhớt kế Ostwald hoặc nhớt kế Ubbelohde), 2. Sử dụng nhớt kế dạng tấm (nón và tấm phẳng, 2 tấm song song, dạng cub và bob) (Lapasin R. Thiết bị mất cân bằng áp lực (Wagner, Herman L, 1985).

Theo công thức Mark – Houwink thì khối lượng phân tử trung bình của mẫu là: 𝜂𝑖 = K𝑀𝑤𝑎 (1.4) Trong đó: K = 1,18 × 10−3 , a = 0,89 và Mw: khối lượng phân tử trung bình tinh bột (g/mol) (Cowie, J. Từ đó, mức độ polymer hóa trung bình (DP) của các mẫu tinh bột được xác định thông qua công thức: DP = γ[𝜂𝑖 ] (1.5) Trong đó, γ = 7,4 là hằng số được xác định bằng thực nghiệm 1. Cấu trúc tinh thể của hạt tinh bột Dựa vào đồ thị nhiễu xạ tia X, hạt tinh bột được chia thành 3 loại cấu trúc tinh thể là A, B và C. Loại hạt, kích thước, hình dạng phụ thuộc vào nguồn tinh bột.

Dạng nhiễu xạ loại A thường gặp trong tinh bột ngũ cốc, loại B thường gặp ở tinh bột củ và loại C là dạng hỗn hợp của tinh thể loại A và B thường thấy trong tinh bột đậu (Huijbrechts, A.