MỞ ĐẦU Tinh bột là nguồn thực phẩm đóng vai trò rất quan trọng đối với cơ thể con người, đặc biệt là trong việc cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống cơ thể. Khi đi vào cơ thể, chất dinh dưỡng này sẽ được chuyển hóa thành glucozơ để cung cấp năng lượng cho các chức năng trong cơ thể, đặc biệt đối với những hoạt động của não bộ và hệ thần kinh. Không những thế, tinh bột còn là một trong những nguồn nguyên liệu quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy… với các tính năng như độ dẻo, độ dai, độ đàn hồi, độ xốp và có khả năng tạo gel, tạo hình. Dựa vào các đặc tính về dinh dưỡng tinh bột được chia thành ba loại là: tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột kháng tiêu hóa (RS).
Trong đó, tinh bột kháng tiêu là loại tinh bột không thể tiến hành tiêu hóa bên trong ruột non, không làm tăng lượng đường trong máu, đây được xem là một loại chất xơ, giúp bảo vệ sức khỏe con người, đặc biệt là những người mắc bệnh tiểu đường, đái tháo đường, béo phì. Ngày nay, các phương pháp như xử lý nhiệt-ẩm, xử lý ẩm-nhiệt, phương pháp enzyme, phản ứng ete hóa, este hóa, tạo liên kết ngang… đã được áp dụng nhằm thay đổi cấu trúc, tính chất tinh bột nhờ đó làm tăng hàm lượng RS trong tinh bột để nâng cao giá trị sử dụng của tinh bột, trong đó phương pháp xử lý nhiệt-ẩm (HMT) và phương pháp tạo liên kết ngang bằng quá trình phosphoryl hóa được nghiên cứu quan tâm rộng rãi. Và nhằm đảm bảo vẫn đề an ninh lương thực, hiện nay các nghiên cứu tập trung vào nguồn tinh bột ít phổ biến để thay thế nguồn tinh bột truyền thống như ngô, sắn. Ở Việt Nam, chuối hiện đang là nguồn nguyên liệu sản xuất tinh bột được quan tâm vì trong chuối xanh có chứa một hàm lượng tinh bột kháng tiêu cũng như chất dinh dưỡng khá cao, có lợi cho sức khỏe.
Mặc khác, nước ta là một nước có diện tích trồng chuối lớn, khoảng 150 ngàn ha (chiếm hơn 19% tổng diện tích cây trồng ăn quả của cả nước) và là 1 trong 15 nước có sản lượng chuối lớn nhất thế giới. Trên cơ sở đó, đề tài: “Nghiên cứu biến tính tinh bột chuối xanh tạo thực phẩm hỗ trợ điều trị đái tháo đường” được lựa chọn. Giới thiệu chung về tinh bột 1. Đặc điểm cấu trúc hóa học của tinh bột Tinh bột đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng chính cho con người và được tạo ra dưới dạng carbohydrate dự trữ trong các cây thực vật, được tìm thấy nhiều trong các loại ngũ cốc, rễ và củ [1].
Tinh bột được tổng hợp trong lục lạp và lạp bootju dưới dạng các hạt riêng lẻ có hình thái đặc trưng tùy thuộc vào loại cây, từ hình tròn, bầu dục, hình trứng hoặc thon dài đến phẳng hoặc đa diện, với kích thước dao động từ đường kính dưới micron đến hơn 100 μm [1, 2]. Hàm lượng tinh bột có trong các cây thực thực vật sẽ khác nhau và có thể thay đổi theo thời tiết, thổ nhưỡng, điều kiện sinh trưởng… Hàm lượng tinh bột có trong hạt ngũ cốc khoảng 40 đến 90%, trong rễ từ 30 đến 70%, trong củ từ 65 đến 85%, trong các loại đậu từ 25 đến 50% và một số trái cây chưa trưởng thành như chuối hoặc xoài, chứa khoảng 70% tinh bột theo trọng lượng khô [3]. Đặc điểm của một số loại tinh bột [4] Kích thước Hình dáng hạt Hàm lượng Kiểu kết STT Nguồn tinh bột hạt (μm) tinh bột amylose (%) tinh 1 Khoai tây Hình bầu dục, 10–75 25-31 B hình cầu 2 Ngô Hình tròn, đa 5–20 20-28 A giác 3 Sắn Hình tròn 5–40 16-27 A, C không đều 4 Lúa mì Hình tròn nhỏ, 1,5–20 17-34 A thấu kính 5 Gạo Hình tròn, đa 3–10 17-29 A giác 6 Cao lương Hình bầu dục, 8–240 hình giống cái 22-30 C chuông 7 Chuối Hình bầu dục 14–108 30-40 A, B, C thon dài 8 Táo 2–12 Hình cầu 35-43 C Về mặt hóa học, tinh bột có công thức phân tử là (C6H10O5)n trong đó n có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu, bao gồm các đơn vị α-glucose có thể được liên kết theo liên kết α-(1,4) và/hoặc α-(1,6) [5]. Các hạt tinh bột đều bao gồm hai polyme glucan, 3 amylose và amylopectin.
Trong hầu hết các hạt tinh bột “bình thường”, amylopectin là thành phần chính theo trọng lượng, chiếm khoảng 65-90%, trong khi amylose chỉ chiếm 15-30%, tuy nhiên, vẫn tồn tại nhiều trường hợp ngoại lệ, như tinh bột có hàm lượng amylose cao (lúa mạch amylose cao 46,5-48% và ngô 62,8-85,6%), tinh bột sáp với lượng amyloza không đáng kể (lúa mạch sáp 9,1%, lúa mì sáp < 0,2% và khoai tây sáp 3,4%) [6, 7]. Cấu trúc phân tử amylose và amylopectin [7] Amylose (AM) là một polysaccharide mạch thẳng với các đơn vị α-glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-(1,4)-glycosides. Tuy nhiên, một số phân tử amylose có thể có nhánh với số lượng nhánh tương đối ít (nhỏ hơn 10 nhánh) [8]. Amylose có trọng lượng trung bình khoảng 105-106 Dalton với độ polymer hóa (DP) là 324-4920.
Chiều dài mạch trung bình của AM khoảng 200-700 đơn vị glucose tương ứng với trọng lượng phân tử 32. Các nghiên cứu cho thấy rằng, amylose trọng lượng phân tử nhỏ có xu hướng là phân tử mạch thẳng, trong khi đó, amylose trọng lượng phân tử lớn (ví dụ, amylose tinh bột khoai tây và sắn) có có chuỗi cực dài (DP > 2730), chuỗi dài (DP > 230) cũng như có chuỗi cực ngắn (DP ~ 18) sẽ hình thành cụm chuỗi nhánh ngắn [10] như trong hình 1. (a) Cấu trúc của amylose phân nhánh (EL-cực kỳ dài; L-dài; S-chuỗi ngắn, Ø-đầu khử; (b) Mô hình cụm của amylopectin (C.L- chiều dài liên kết, Ø-đầu khử, A, B1, B2, B3-phân loại chuỗi mạch liên kết) Hình 1. Cấu trúc của amylose và amylopectin trong hạt tinh bột [10] 4 Amylopectin, là phân tử có độ phân nhánh cao, có khung α-D-glucose liên kết với α-(1,4)-glycosides và có khoảng 5% các nhánh được liên kết với α-(1,6), trọng lượng phân tử 105-109 Dalton.
DP của phân tử amylopectin nằm trong khoảng 1.900, trong đó tinh bột có hàm lượng AP cao có DPn thấp hơn so với các loại tinh bột có hàm lượng AP trung bình. Các chuỗi mạch của phân tử AP tương đối ngắn so với các chuỗi mạch AM, chỉ khoảng 17-35 đơn vị glucose [9]. Các chuỗi mạch AP được phân thành 3 loại: các chuỗi không phân nhánh phía ngoài cùng (A); các chuỗi bên trong có phân nhánh (B) và chuỗi đơn (C) mang đầu khử duy nhất trong phân tử AP. Các chuỗi B còn được chia nhỏ thành các chuỗi B1, B2, B3 và B4.
Cấu trúc đặc trưng của các phân tử amylopectin là cấu trúc theo mô hình cụm (Hình 1. Trong mô hình này, các chuỗi ngắn (A và B1) tạo thành dạng xoắn kép được phân bố theo cụm rời rạc, trong khi các chuỗi B2, B3 và B4 dài hơn được mở rộng thành 2, 3 và 4 cụm tương ứng [9, 10]. Đặc điểm cấu trúc của tinh bột Các hạt tinh bột có cấu trúc đa cấp từ cấp vĩ mô đến cấp phân tử. Ở phần bên trong của hạt tinh bột, các α-1,4-glucan và một số nhánh α-1,6 được sắp xếp song song với nhau hình thành chuỗi xoắn kép.
Về mặt cấu trúc, các nhánh được sắp xếp cụ thể tạo thành phiến vô định hình, ngược lại, một vùng chỉ được tạo thành từ các chuỗi tuyến tính được gọi là phiến tinh thể.3 thể hiện sơ đồ cấu trúc của hạt tinh bột. Hạt tinh bột có cấu trúc lớp đồng tâm, các lớp bán tinh thể và lớp vô định hình được sắp xếp xen kẽ nhau [6]. Sơ đồ cấu trúc hạt tinh bột [11] Phiến tinh thể được tạo thành từ mạch xoắn kép amylopectin, sắp xếp theo phương tiếp tuyến với bề mặt hạt, đầu không khử hướng ra bề mặt của hạt. Các lớp tinh thể và vô định hình được sắp xếp với chiều dày 7-10 nm xen kẽ nhau.
Trong phiến tinh thể, các đoạn mạch thẳng liên kết với nhau thành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chùm, các phần mạch nhánh nằm trong các lớp vỏ vô định hình. Kết quả nghiên cứu nhiễu xạ tia X của tinh bột cho biết cấu trúc kết tinh của tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc tinh bột, trong đó phổ biến là cấu trúc kết tinh 5 dạng A, B và C. Ngoài ra, tinh bột còn có cấu trúc dạng V và một số dạng cấu trúc chưa có tên và chưa giải thích được hình thành khi hồ hóa tinh bột hoặc gia nhiệt dưới áp suất hay những điều kiện đặc biệt [12]. Cấu trúc kết tinh dạng A thường được tìm thấy trong tinh bột các loại hạt ngũ cốc trong khi cấu trúc kết tinh dạng B thường gặp chủ yếu ở tinh bột khoai tây và các loại tinh bột từ củ.
Cấu trúc kết tinh dạng C thường thấy trong tinh bột đậu Hà Lan, chứa cả cấu trúc dạng A và dạng B trong cùng một hạt tinh bột. Cấu trúc kết tinh dạng A và B khác nhau ở cách sắp xếp cấu trúc xoắn kép, trong đó xoắn kép sắp xếp chặt chẽ hơn tạo thành cấu trúc dạng A và xoắn kép sắp xếp kém chặt tạo thành cấu trúc dạng B [13, 14]. Tính chất đặc trưng của tinh bột [6] Tinh bột từ các nguồn thực vật khác nhau sẽ có tỷ lệ amylose/amylopectin, hình thái, kích thước, sự phân bố hạt tinh bột, cấu trúc kết tinh không giống nhau. Chính sự khác nhau này sẽ ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các hạt tinh bột với thành phần khác, ví dụ như tương tác giữa hạt tinh bột với nước.
Khả năng các hạt tinh bột tương tác với nước và hydrat hóa ở nhiệt độ cao có liên quan đến sự thay đổi khả năng trương nở, độ nhớt, khả năng hồ hóa của tinh bột. Những thay đổi đó quyết định khả năng ứng dụng của tinh bột trong một số ngành công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và phi thực phẩm như giấy, dệt, keo dán… 1. Độ trương nở và độ nhớt Hạt tinh bột không tan trong nước, tuy nhiên có thể ngậm nước ở nhiệt độ cao. Do đó, sau khi các hạt tinh bột hydrat hóa và trương nở, cấu trúc tinh thể của chúng sẽ bị rối loạn bởi nhiệt độ.
Sự khác biệt về khả năng trương nở là do sự khác nhau về tổ chức cấu trúc và đặc điểm của các hạt tinh bột thu được từ các nguồn thực vật hoặc cây trồng khác nhau. Cấu trúc xoắn kép của amylose và nhánh amylopectin được ổn định bằng liên kết hydro.