Đặt vấn đề Hạt nano tinh bột (Starch nanoparticles – SNPs) được định nghĩa là các hạt tinh bột có kích thước của ít nhất một chiều nhỏ hơn 1000 nm (Campelo và cộng sự, 2020). Tuy nhiên, một số nghiên cứu có yêu cầu về kích thước nghiêm ngặt hơn, tức là phải có ít nhất một chiều có kích thước nhỏ hơn 300 nm (Sun và cộng sự, 2014). Trong những năm gần đây, các hạt nano tinh bột đã thu hút được nhiều sự chú ý bởi vì các thuộc tính độc đáo của chúng khác biệt đáng kể so với các loại vật liệu nano khác như tính tương thích sinh học cao, khả năng phân hủy sinh học cao, chi phí thấp và không độc hại (Haaj và cộng sự, 2016; Rostamabadi và cộng sự, 2019). Do đó, ngày càng có nhiều nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng tinh bột làm nguyên liệu cho quá trình tạo hạt nano tinh bột phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau như làm chất vận chuyển thuốc (nanodrug delivery) (Rodrigues và cộng sự, 2012; Simi và cộng sự, 2007; Xiao và cộng sự, 2006), màng sinh học ăn được (Ginting và cộng sự, 2018; González và cộng sự, 2015; Shi và cộng sự, 2013), vật liệu composite có khả năng phân hủy sinh học (Angellier và cộng sự, 2005; Kristo và cộng sự, 2007).
Hiện nay, hầu hết các hạt nano tinh bột đều được điều chế từ các chế phẩm tinh bột có sẵn trên thị trường như tinh bột ngô, tinh bột khoai mì. Ngoài những nguồn nguyên liệu truyền thống này, hạt quả bơ (Persea americana) cũng là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất nano tinh bột vì hạt của quả bơ có hàm lượng tinh bột cao đến 71. Tuy nhiên, chúng đang được xem như phế thải của ngành công nghiệp chế biến các sản phẩm từ thịt quả bơ và chỉ có một số ít nghiên cứu để tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế từ hạt bơ, như việc tách hợp chất sinh học, tinh dầu, tinh bột từ hạt bơ (Gómez và cộng sự, 2014). Mặc dù có hàm lượng tinh bột cao nhưng số lượng các nghiên cứu về thu nhận hạt tinh bột từ quả bơ và ứng dụng của chúng lại rất hạn chế, như Chel-Guerrero và cộng sự (2016), Luis Gustavo Lacerda và cộng sự (2014) chỉ nghiên cứu về việc tách tinh bột từ hạt bơ nhưng chưa có nghiên cứu nào về ứng dụng thực tiễn của chúng.
Đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp điều chế hạt nano tinh bột (SNPs) và tinh thể nano tinh bột (Starch nanocrystal – SNC) như thủy phân bằng acid (Dufresne và cộng sự, 1996), thủy phân bằng enzyme và kết tinh nano (Miao và cộng sự, 2009), đồng nhất áp suất cao và tạo 1 nhũ tương – liên kết chéo (emulsion-crosslinking) (Kim và cộng sự, 2015), các phương pháp vật lý (Campelo và cộng sự, 2020). Các phương pháp điều chế hạt nano tinh bột cần hướng đến mục tiêu tiết kiệm chi phí, thời gian và dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất. So sánh với các phương pháp khác thì phương pháp xử lý acid kết hợp với xử lý enzyme và phương pháp xử lý enzyme là các phương pháp đầy hứa hẹn do không cần thiết bị chuyên dụng, điều kiện vận hành không quá phức tạp, chi phí hợp lý, giảm tối thiểu nguy cơ tạp nhiễm mẫu (Campelo và cộng sự, 2020). Các loại enzyme phổ biến thường được sử dụng trong sản xuất hạt nano tinh bột là α- amylase, β-amylase, glucoamylase.3) được sử dụng nhiều trong sản xuất nano tinh bột do có khả năng thủy phân dễ dàng liên kết α-1,4-glucosidic trong mạch polysaccharide, và thủy phân chậm hơn đối với các liên kết α-1,6-glucosidic (Svensson và cộng sự, 1982).
Enzyme pullulanase (EC 3.41) là một enzyme cắt nhánh (debranching) quan trọng, đã được sử dụng rộng rãi để thủy phân liên kết α-1,6 glucosidic trong tinh bột, pullulan và các oligosaccharide liên quan (Hii và cộng sự, 2012). Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu về việc ứng dụng pullulanase để sản xuất nano tinh bột từ tinh bột hạt bơ. Từ các lý do trên, nghiên cứu này được thực hiện nhằm tạo hạt nano tinh bột từ tinh bột hạt bơ sử dụng phương pháp xử lý enzyme và so sánh với phương pháp xử lý acid kết hợp với enzyme. Qua đó xác định điều kiện tối ưu để tạo hạt nano tinh bột.
Mục tiêu đề tài Đề tài “Khảo sát loại enzyme và các điều kiện xử lý enzyme để tạo hạt nano tinh bột từ tinh bột hạt bơ” được thực hiện nhằm mục tiêu khảo sát ảnh hưởng của loại enzyme, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân đến kích thước, hình thái, khả năng hòa tan và hiệu suất thu hồi nano tinh bột từ tinh bột hạt bơ. Ngoài ra, phương pháp xử lý acid kết hợp với xử lý enzyme cũng được thực hiện để so sánh với kết quả thu được của phương pháp xử lý enzyme. Nội dung nghiên cứu Đề tài “Khảo sát loại enzyme và các điều kiện xử lý enzyme để tạo hạt nano tinh bột từ tinh bột hạt bơ” gồm có các nội dung cụ thể như sau: - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme glucoamylase và thời gian thủy phân đến tính chất hạt nano tinh bột (SNPs) 2 - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme pullulanase và thời gian thủy phân đến tính chất hạt nano tinh bột (SNPs) - Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng kết hợp 2 loại enzyme glucoamylase và pullulanase đến tính chất của hạt nano tinh bột (SNPs) - Khảo sát ảnh hưởng của xử lý sulfuric acid kết hợp xử lý enzyme pullulanase đến tính chất hạt nano tinh bột (SNPs) - Khảo sát hình thái và cấu trúc hóa học của các mẫu hạt nano tinh bột (SNPs) 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.
Ý nghĩa khoa học Kết quả của nghiên cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn, góp phần xác định điều kiện tối ưu để tạo hạt nano tinh bột từ tinh bột hạt bơ bằng phương pháp xử lý enzyme pullulanase. Từ đó có thể nghiên cứu ứng dụng tạo nano tinh bột từ các nguồn tinh bột khác. Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu và tìm ra được sản phẩm có giá trị kinh tế và tiềm năng cao từ hạt bơ. - Tìm ra phương pháp điều chế hạt nano tinh bột với giá thành thấp và dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất.
3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về tinh bột hạt bơ Quả bơ (Persea americana) là loại trái cây có vỏ màu xanh sẫm, thịt quả màu xanh đậm, giàu béo, giá trị cảm quan cao và có giá trị thương mại cao (Chel-Guerrero và cộng sự, 2016). Ngày nay, quả bơ được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp thực phẩm để tạo ra các sản phẩm kem, maiyonnaise, kem phết bánh sandwich, các sản phẩm quả đóng hộp và đông lạnh (Khatoon, 2009). Ngoài ra, quả bơ còn được sử dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm.
Hạt bơ chiếm 16% khối lượng chất khô của quả bơ, là một phụ phẩm trong công nghiệp chế biến quả bơ (Dabas và cộng sự, 2011). Nghiên cứu về một nhóm các giống bơ cho thấy thành phần của hạt bơ bao gồm: 71,9% carbohydrate, 4,8% protein, 4,6% lipid, 3,9% chất xơ, 3,4% tro và 8,7% độ ẩm (Domínguez và cộng sự, 2014). Tinh bột là một polysaccharide đồng nhất cấu thành từ hai thành phần là amylose và amylopectin trong đó amylose gồm các đơn vị D-glucose liên kết với nhau thông qua liên kết α-1,4- glycosidic tạo thành một mạch thẳng, còn amylopectin bao gồm các D-glucose liên kết với nhau thông qua các liên kết α-1,4 và α-1,6 glycosidic, tạo thành các mạch nhánh. Hàm lượng amylose trong tinh bột hạt bơ đạt 14.78%, hàm lượng amylopectin đạt 84.06% tùy thuộc giống hạt bơ sử dụng (Chel-Guerrero và cộng sự, 2016).
Hạt tinh bột từ hạt bơ có hình bầu dục, độ mịn cao, kích thước khoảng 5 – 35μm tương tự như hạt tinh bột từ hạt ngô (1 – 25μm). Nghiên cứu so sánh về nhiệt độ hồ hóa giữa các loại tinh bột từ các nguồn nguyên liệu khác nhau (hạt bơ, khoai tây, ngô) cho thấy phạm vi nhiệt độ hồ hóa cao của tinh bột từ hạt bơ cao hơn (62 – 75oC) so với tinh bột khoai tây (56 – 67oC) và tinh bột ngô (64 – 72oC) cho thấy tinh bột từ hạt bơ có độ liên kết chặt chẽ hơn (Kahn, 1987). Tổng quan về nano tinh bột (SNPs) 2. Giới thiệu Hạt nano tinh bột (Starch nanoparticles – SNPs) được định nghĩa là các hạt tinh bột có kích thước của ít nhất một chiều nhỏ hơn 1000 nm (Campelo và cộng sự, 2020).
Hơn nữa, trong các nghiên cứu thường có yêu cầu về kích thước nghiêm ngặt hơn, tức là phải có ít nhất một chiều có kích thước nhỏ hơn 300 nm (Sun và cộng sự, 2014). Tính chất của hạt nano tinh bột a. Kích thước hạt nano tinh bột Theo Sandhu và cộng sự (2017), tinh thể nano tinh bột là các tiểu cầu kết tinh được hình thành do sự phân hủy của hạt tinh bột bằng cách thủy phân. Để xác nhận và đánh giá kích thước của các hạt nano tinh bột, các phép đo bằng kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope – AFM) được thực hiện trên hạt tinh thể nano tinh bột (SNC) từ các nguồn gốc khác nhau.
Các nghiên cứu gần đây ghi nhận SNC thu được có kích thước khác nhau: 40-70 nm đối với tinh bột khoai tây (G. Chen và cộng sự, 2008); 30–80 nm cho tinh bột đậu (Y. Chen và cộng sự, 2008); và 70–100 nm đối với sáp tinh bột ngô (Namazi và cộng sự, 2010). Kích thước của các hạt nano tinh bột thay đổi theo các nguồn thực vật và kỹ thuật sử dụng để sản xuất nano tinh bột (Le Corre và cộng sự, 2014; Sandhu và cộng sự, 2017).
Theo Sandhu và cộng sự (2017), kích thước của các hạt nano bị ảnh hưởng bởi hàm lượng amylose; hàm lượng amylose cao hơn, các hạt nano được tạo ra lớn hơn. Tính chất lưu biến Tính chất lưu biến của dịch huyền phù SNP rất quan trọng đối với quá trình xử lý. Tính chất lưu biến của dịch huyền phù SNP cũng có vai trò rất quan trọng để đánh giá khả năng ứng dụng trong công nghiệp của hạt nano tinh bột (Sandhu và cộng sự, 2017). Không có mối quan hệ cụ thể nào được tìm thấy giữa độ nhớt và kích thước SNC, độ dày, diện tích bề mặt hoặc bề mặt cụ thể.
Đối với một nồng độ khối lượng nhất định, hạt càng nhỏ thì càng có nhiều hạt trong dung dịch và tương tác giữa các hạt cao hơn, dẫn đến độ nhớt của huyền phù cao hơn. Thật vậy SNC có kích thước hạt dưới 100 nm. Các huyền phù có SNC với kích thước 600 nm hoặc thấp hơn cho thấy hiện tượng mỏng khi cắt (Kim và cộng sự, 2015).