Chương 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Theo Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (IOM, Institute of Medicine), khẩu phần ăn hợp lý có năng lượng do glucid cung cấp đạt khoảng 45-65% (Institute of Medicine, 2002). Tinh bột không những là một loại lương thực cung cấp năng lượng chính mà chúng còn được sử dụng với mục đích cải thiện một số tính chất cảm quan của thực phẩm như cải thiện độ trong, độ kết dính. Tuy nhiên, do sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm, và nhu cầu thị hiếu của người tiêu dùng ngày càng cao nhưng tinh bột tự nhiên không thể đáp ứng đủ các yêu cầu trong sản xuất công nghiệp.
Vì thế, tinh bột biến tính đã được nghiên cứu và phát triển nhằm cải thiện một số tính chất mà tinh bột tự nhiên không đáp ứng được như độ nhớt, độ tan, độ dày, độ kết dính, nhiệt độ hồ hóa. Tinh bột biến tính là tinh bột được biến đổi bằng các phương pháp hóa học, vật lý hoặc sinh học (enzyme)… nhằm tăng tính ổn định của sản phẩm thực phẩm để thích hợp với môi trường nhiệt độ cao, môi trường có tính kiềm hoặc acid, hoặc để thuận tiện hơn trong việc bảo quản. Ngày nay tinh bột biến tính đóng vai trò rất quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm. Có rất nhiều loại tinh bột đã được biến tính và ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm tuy nhiên tinh bột khoai mỡ lại chưa được sử dụng phổ biến mặc dù có sản lượng lớn cùng với giá thành rẻ.
Khoai mỡ được biết đến với tên khoa học là Dioscorea alata, thuộc chi Củ nâu Dioscorea. Đây là một loại dây leo, thân mềm, cho củ, được trồng đầu tiên ở khu vực Đông Nam Á (Ibrahim, 1994; Acevedo, 2005), sau này được trồng nhiều hơn châu Phi. Chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy khoai mỡ ở các vùng như Angola, Malawi, Mozambique và Zambia (Muimba, 2018). Điều kiện canh tác khoai mỡ để đạt năng suất tối đa là nhiệt độ trong khoảng 25 – 35°C, môi trường ẩm cao với lượng mưa đạt khoảng 1000 – 1500mm (Coursey, 1967).
Khoai mỡ có thành phần chất khô dao động trong khoảng 22.8% trên tổng khối lượng, hàm lượng ẩm khoảng 66. Khoai mỡ là một loại lương thực có thành phần carbohydrates cao, khoảng từ 77 - 87,6% (Degras, 1993; Udensi, 2008; Onwueme, 1978) tính theo hàm lượng chất khô. 1 do an Bảng 1.1: Chỉ tiêu các thành phần hóa học cơ bản của khoai mỡ (tính trên tổng hàm lượng chất khô) (Udensi, 2008) Chỉ tiêu Hàm lượng (%) Protein thô (crude protein) 4.2: Hàm lượng khoáng chất của khoai mỡ (mg/kg) (tính trên tổng hàm lượng chất khô) (Udensi, 2008) Khoáng chất Hàm lượng (mg/kg) Photpho 878 – 1900 Canxi 260 – 410 Magie 390 – 580 Kali 10,550 – 20,100 Natri 84 – 131 Mangan 4,8 – 22,1 Đồng 12,3 – 15,7 Kẽm 10,1 – 14,1 Hiện nay, khoai mỡ được trồng nhiều ở tỉnh Long An (Việt Nam), Ấn Độ, Malaysia, Philippines, Mỹ và các nước ở Tây Phi (Govaerts, 2013). Khoai mỡ được sử dụng như là một loại cây lương thực giàu tinh bột, hoặc được dùng trong y học cổ truyền ở Đông Nam Á, củ hoặc rễ cũng được sử dụng làm nguồn thức ăn chăn nuôi (USDA-ARS, 2012).
Vì mức độ phổ biến của khoai mỡ nên nhóm nghiên cứu chúng em đã lựa chọn khoai mỡ làm nguồn nguyên liệu chính trong nghiên cứu này. Cấu tạo hóa học của tinh bột Tinh bột là dạng đường được lưu trữ trong thực vật và được tạo thành từ hỗn hợp amylose và amylopectin (cả hai loại polymer của glucose) (Whistler, et al. Thực vật có thể tổng hợp glucose và lượng glucose dư thừa, vượt quá nhu cầu năng lượng cần thiết của thực vật, sẽ được lưu trữ dưới dạng tinh bột (Martin, et al., 1995) trong các bộ phận khác nhau của cây, bao gồm cả rễ và hạt. Tinh bột trong hạt là nguồn cung cấp dinh dưỡng cho phôi khi nó nảy mầm và nó cũng là một nguồn thực phẩm cho người và động vật.
Tinh bột được con người tiêu thụ bằng cách bị phá vỡ bởi các enzyme, chẳng hạn 2 do an như amylase nước bọt, phân cắt thành các phân tử nhỏ hơn, chẳng hạn như maltose và glucose. Sau đó các tế bào có thể hấp thụ glucose (Perera, et al. Tinh bột được tạo thành từ các monome glucose được nối bởi các liên kết glycosidic α 1-4 hoặc α 1-6. Các số 1-4 và 1-6 đề cập đến số carbon của hai dư lượng đã tham gia để tạo thành liên kết 4.
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 (Veelaert, 1997). Như được minh họa trong hình, amylose là tinh bột được hình thành bởi các chuỗi đơn phân glucose không phân nhánh (chỉ liên kết α 1-4), trong khi amylopectin là một polysaccharide phân nhánh (liên kết α 1-6 tại các điểm nhánh) (Sanyang, 2018).1: Cấu tạo hóa học của tinh bột (Sanyang, 2018) 1.
Đặc điểm hạt tinh bột 1. Hình thái Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt siêu nhỏ. Các hạt tinh bột trong các loại củ thường có kích thước to hơn các hạt tinh bột khác và có dạng hình bầu dục hay hình tròn. Theo nguồn gốc của các hạt tinh bột mà chúng có kích thước, hình dạng và vị trí tâm hạt khác nhau (Whistler, et al.
Kích thước của các hạt tinh bột khác nhau và có đường kính nằm trong khoảng 5- 90 µm. Tinh bột khoai tây có hạt lớn nhất trong số tất cả các tinh bột (Matsushima, et al. 3 do an Hình 1.2: Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các hạt tinh bột (a) Bắp bình thường; (b) Bắp sáp; (c) Khoai tây; (d) Lúa mì; (e) Miến; (f) Bắp đường (Whistler, et al. Cấu trúc tinh thể Vùng tinh thể bao gồm các vòng xoắn kép của amylopectin, trong khi vùng vô định hình được hình thành bởi các chuỗi amylose và các đoạn phân nhánh của amylopectin (Cui, 2005; Kerry, 2010).
Các chuỗi amylose được xen kẽ giữa các chuỗi amylopectin. Hình thái, hình dạng, kích thước, mức độ kết tinh và khả năng phản ứng của tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc và thành phần của nguyên liệu thô chứa tinh bột. Sự kết tinh phụ thuộc vào mức độ sắp xếp cấu trúc trong thể rắn. Độ kết tinh của hạt tinh bột thường là 14% – 45%, đó là lý do tại sao có một số khó khăn liên quan đến việc sử dụng và xử lý nó (Singh, et al.
Bảng sau tóm tắt các ví dụ cụ thể về tinh bột được phân lập từ các nguồn khác nhau (độ kết tinh điển hình). 4 do an Bảng 1.3: Các dạng tinh thể của một số loại tinh bột Dạng tinh thể Nguồn tinh bột Phần trăm tinh thể (%) Trích dẫn A gạo 14-39 (Lucchese, et al., 2017) A lúa mì 27-36 (Alay, et al., 2015) B khoai tây 23-25 (Nara, et al., 1978) C đậu nành 27-36 (Purohit, et al., 2019) Chuỗi xoắn kép của amylopectin được tạo thành bởi hai chuỗi polyglucoside. Một số dạng đa hình được đặc trưng bởi các cấu trúc tinh thể khác nhau được phân biệt: tinh bột loại A, loại B và loại C (Zobel, 1988). Cấu trúc tinh thể loại A là điển hình của tinh bột ngũ cốc (ví dụ, tinh bột có nguồn gốc từ ngô, lúa mì và gạo) (Katsumi, et al.
Cấu trúc tinh thể loại B là điển hình của tinh bột amylose cao chứa trong củ, quả và thân cây (ví dụ, tinh bột chiết xuất từ khoai tây, chuối, dong riềng và cao lương) (Katsumi, et al. Cấu trúc tinh thể loại C được tìm thấy trong tinh bột chiết xuất từ cây họ đậu hoặc rễ cây (ví dụ, hạt đậu hoặc củ sắn). Nó được hình thành bởi các kết tinh loại A và B cùng tồn tại: một hạt tinh bột loại C có lõi với cấu trúc loại B được bao quanh bởi các tinh thể loại A (Zobel, 1988). Các thông số mạng tinh thể của loại tinh bột này như sau: a = b = 18,50 Å, c = 10,47 Å, α = β = 90 °, và γ = 120 ° (Sarko, et al.
Do đó, phân tích nhiễu xạ tia X được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của tinh bột đang được nghiên cứu.3: Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B và C (Cui, 2005) 5 do an 1. Phổ FTIR của tinh bột Vùng phổ trong khoảng từ 4000 – 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, et al. Vùng phổ <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 (Kizil, et al. 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 (Cael, et al. 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. 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 thụ 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, et al.4: Đỉnh hấp thu các nhóm chức chủ yếu của tinh bột Đỉnh Nhóm chức Trích dẫn 589 Vòng pyranose hình xương (Cheetham, et al., 1998) 763 C-C kéo dài (Cael, et al., 1973) 938 Liên kết glycoside C-O-C (Rajaei, et al., 2018) 1160 Liên kết C-O-H uốn cong (Lopez-Rubio, et al., 2008) 1220 Nối đôi C-O C-C kéo dài (Cael, et al., 1973) 1260 CH2OH biến dạng (Santha, et al., 1990) 1650 Nhóm OH uốn cong, nước hấp thụ (Phuong, et al., 2016) tại các vùng vô định hình 2927 Nhóm CH2 (Mantovan, et al., 2018) 2000-2800 Vùng biến dạng CH2 (Sevenou, et al., 2002) 3000-2800 OH kéo dãn (Feng, et al. Các tính chất hóa lý của tinh bột 1.
Sự hồ hóa Tinh bột là một loại polysaccharides có khối lượng phân tử cao nên hầu như không tan trong nước lạnh, tuy nhiên lại tan nhiều trong nước nóng. Vì hạt tinh bột khi được gia nhiệt trong nước nóng sẽ xảy ra một số biến đổi về mặt cấu trúc, từ cấu trúc trật tự chuyển thành dạng vô định hình (Cooke, et al.