Đặt vấn đề: Tinh bột là polysaccharide tiêu biểu có nhiều trong thực vật (chiếm đến 60-80%) [1], tồn tại trong thân, lá, củ. Tinh bột là dạng dự trữ năng lượng chính trong thực vật. Tinh bột có nhiều trong các loại củ như khoai tây, sắn, củ mài. Tinh bột có vai trò dinh dưỡng đối với con người vì trong quá trình tiêu hóa, tinh bột được thủy phân thành đường glucose, loại đường cung cấp năng lượng chính cho con người [2].
Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước khác nhau từ 0,02 - 0,12 mm, có hình dạng khác nhau [1]. Tinh bột có vai trò quan trọng trong công nghệ thực phẩm do những tính chất lý hóa của chúng. Tinh bột thường được sử dụng làm chất tạo độ nhớt cho thực phẩm dạng lỏng, chất làm bền cho các loại thực phẩm dạng keo, nhũ tương, chất tạo độ cứng, độ đàn hồi…[2] Hằng năm, ước tính khoảng 60 triệu tấn tinh bột được sản xuất từ ngũ cốc, các loại củ trong sàn xuất các sản phẩm đa dạng [9]. Ngành chế biến tinh bột đã có những thay đổi lớn trong nhiều năm, tạo ra các dạng sản phẩm từ tinh bột với các ứng dụng trong công nghệ thực phẩm cũng như trong các ứng dụng khác.
Năm 2002, sản lượng tinh bột sắn đạt 184 triệu tấn, tăng lên 230 triệu tấn trong năm 2008 (FAO, 2008) [6]. Tinh bột sắn được trồng nhiều ở khu vực Châu Phi, Châu Á, Mỹ Latin và vùng Caribe. Trong đó Thái Lan là nước sản xuất tinh bột sắn nhiều nhất thế giới với sản lượng xuất khẩu chiếm 77% sản lượng thế giới năm 2005. Nước sản xuất tinh bột sắn lớn thứ nhì thế giới là Việt Nam với 13,6% tổng sản lượng.
Sau đó là Indonesia (5,8%) và Costa Rica (2,1%) [6] Tinh bột thô có nhiều nhược điểm trong ứng dụng công nghiệp như khó hòa tan trong nước lạnh, mất độ nhớt, mất tính làm dày sau khi nấu chín. Thêm vào đó, sự thoái hóa thường diễn ra sau khi tinh bột bị hồ hóa dẫn đến hiện tượng tách nước trong các sản phẩm tinh bột. Tuy nhiên, các bất lợi này có thể được khắc phục nhờ vào thay 2 đổi một vài tính chất của tinh bột, bao gồm độ nhớt, độ ổn định của sản phẩm [5]. Tinh bột có thể được biến tính bằng phương pháp vật lý, hóa học, sinh học…[5] nhằm tạo ra các loại tinh bột có tính chất lý hóa đáp ứng theo yêu cầu, như tinh bột liên kết chéo, được dùng để giảm tính trương nở của tinh bột dưới nhiệt độ cao, hay ngăn sự hồ hóa xảy ra.
Tinh bột liên kết chéo có thể được biến đổi nhờ phương pháp hóa học (thường được sử dụng trong công nghiệp) [16]. Tinh bột liên kết chéo còn có thể được biến tính nhờ phương pháp vật lý biến tính tinh bột bằng plasma trong môi trường argon ở áp suất thường. Phương pháp này có ưu điểm chính là tạo tinh bột liên kết chéo mà không có chất hóa học tham gia trong sản phẩm tinh bột [16]. Tuy nhiên, theo hiểu biết của chúng tôi, hiện nay chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra ảnh hưởng của mức độ tái kết tinh trong đó tái kết tinh là hiện tương các mạch tinh bột tương tác lẫn nhau và hình thành các xoắn đôi tạo thành vùng tinh thể mà chúng tôi sẽ đề cập trong bài, cũng như tỉ lệ giữa cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình có ảnh hưởng thế nào đến sự hình thành liên kết chéo, và có ảnh hưởng như thế nào đến mức độ bền nhiệt, mức độ tái kết tinh và độ tiêu hóa của tinh bột.
Từ đó, việc nghiên cứu “Ảnh hưởng của mức độ tái kết tinh lên khả năng hình thành liên kết chéo của tinh bột sắn được xử lý bằng Argon-Plasma ở áp suất thường” nhằm đánh giá mối tương quan giữa mức độ tái kết tinh đến hiệu quả trong việc tạo liên kết chéo đối với tinh bột tái kết tinh ở các mức độ khác nhau sau khi xử lý plasma so với tinh bột thô sau xử lý plasma. Mục đích đề tài: Đánh giá ảnh hưởng của các mức độ tái kết tinh khác nhau lên sự hình thành liên kết chéo trong tinh bột sau khi xử lý Argon-plasma nguội. Từ đó, xác định mẫu tinh bột có mức độ tái kết tinh xác định cho liên kết chéo nhiều nhất. Mẫu tinh bột tái kết tinh nào có mức độ tạo liên kết chéo nhiều nhất.
Từ đó, có các tính chất như tính bền nhiệt, mức độ tiêu hóa khác nhau so với các mẫu có mức độ liên kết chéo ít hơn. 3 Xác định ảnh hưởng của mức liên kết chéo lên sự thay đổi các phân đoạn tiêu hóa của tinh bột. Từ đó, xác định ảnh hưởng của mức độ tái kết tinh lên sự hình thành tinh bột trơ trong tinh bột tái kết tinh. Xác định ảnh hưởng của các mức độ tái kết tinh lên khả năng hình thành liên kết chéo của tinh bột sau khi xử lý bằng Argon plasma nguội ở áp suất thờng.
Từ đó, đánh giá sự ảnh hưởng như thế nào đến sự thủy phân của tinh bột bằng α-amylase. Cơ sở khoa học của đề tài: Plasma là một hiện tượng tự nhiên, khi một chất khí bị nung nóng dẫn đến các liên kết phân tử mất dần và bị ion hóa thành các nguyên tử tự do. Do đó, plasma bao gồm các ion tích điện dương và âm, cũng như các gốc tự do, neutron, nguyên tử bị kích thích và các phân tử. Mặt khác, plasma cũng có thể được tạo nên nhờ biến đổi chất khí thành dạng ion hóa nhờ vào nguồn năng lượng từ dòng điện, bức xạ hay tia laser.
Plasma được tạo theo cách này được gọi là plasma nguội. Nguồn khí thường dùng trong plasma là oxy, nitơ, hydro hay argon. Plasma nguội có ứng dụng trong biến đổi các vật liệu sinh học như tích điện hay oxy hóa bề mặt vật liệu, cũng như thay đổi các nhóm chức hóa học [19]. Ứng dụng plasma nguội trong môi trường Argon để tạo tinh bột liên kết chéo vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu.
Nhưng kết quả thu được rất khả quan mà Ji-Jun Zou và cộng sự (2003) [20], Deeyai và cộng sự (2012) [18], Nguyễn Thị Lý trong khóa luận thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM (2013) [4] đã công bố. Các nghiên cứu này là nguồn tài liệu tham khảo chính cho đề tài nghiên cứu của chúng tôi “Ảnh hưởng của mức độ tái kết tinh lên khả năng hình thành liên kết chéo của tinh bột sắn được xử lý bằng Argon-Plasma ở áp suất thường”. Từ đó, phần nào làm sáng tỏ ảnh hưởng của mức độ tái kết tinh trong tinh bột đối với tính chất lý hóa, các phân đoạn tinh bột (tinh bột tiêu hóa nhanh, tiêu hóa chậm, tinh bột trơ) sau khi xử lý plasma. 4 CHƯƠNG II.
TỔNG QUAN TINH BỘT SẮN 2. Cấu trúc hóa học: Tinh bột sắn là sản phẩm công nghiệp chính của sắn [3]. Đặc điểm quan trọng nhất của tinh bột sắn là chúng không mùi, tạo độ nhớt và tính kết dính [18]. Tinh bột sắn được cấu tạo từ hai loại polymer khác nhau của đường glucose là phân tử amylose và amylopectin.
Amylose: Amylose là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các phân tử đường glucose liên kết nhau theo liên kết α-1,4 glucoside [3] [1] tạo nên một chuỗi dài từ 200-1000 gốc glucose [1]. Mỗi phân tử amylose có một đầu khử và một đầu không khử [5]. Phân tử amylose gồm một số chuỗi xếp song song nhau trong đó các gốc glucose của từng chuỗi cuộn xoắn ốc [2], mỗi vòng xoắn là 6 đơn vị glucose [1]. Amylose cho màu xanh với iot Khối lượng phân tử amylose khoảng 5x105 đến 5x106.
[3] Liên kết α-1,4 Hình 2. Cấu tạo amylose [5] 2. Amylopectin: Amylopectin có cấu tạo mạch nhánh và mạch thẳng kết hợp nhau do các phân tử đường glucose liên kết nhau bằng liên kết α-1,4 glucoside tạo các đoạn mạch thẳng, còn liên kết α-1,6 glucoside tạo nhánh [1]. Do đó, mỗi phân tử amylopectin có một đầu 5 khử duy nhất và rất nhiều đầu không khử [2].
Tỉ lệ liên kết α-1,6 glucoside chiếm khoảng 4% trong phân tử amylopectin [3]. Amylopectin có phân tử lượng khoảng 107 đến 108 thông thường có 20-30 gốc glucose giữa hai điểm phân nhánh [2]. Amylopectin tạo phức màu tím đỏ với iot [2]. Liên kết α-1,4 Liên kết α-1,6 Hình 2.
Cấu tạo amylopectin [5] 2. Cấu trúc tinh thể: 2. Hình thái hạt tinh bột: Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng vi hạt. Các hạt tinh bột có thể khác nhau về kích thước, hình dạng và vị trí tâm hạt.
Hạt tinh bột có cấu trúc vi tinh thể gồm các vùng tinh thể và phi tinh thể và các vùng chuyển tiếp [7]. Tinh bột có bản chất bán tinh thể với nhiều mức độ khác nhau, khoảng 15-45% khi ở dạng hạt [3]. Lớp tinh thể của hạt tinh bột được tạo thành từ mạch xoắn kép phân tử amylopectin, xếp theo phương tiếp tuyến với bề mặt hạt, đầu không khử hướng vào bề mặt hạt. Các lớp tinh thể và lớp vô định hình được xắp xếp xen kẽ nhau với chiều dày theo chu kỳ là 9-10nm [3].
6 Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch thẳng liên kết nhau thành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chùm trong khi phần mạch nhánh nằm ở lớp vô định hình [3]. Hạt tinh bột được cấu tạo từ các lớp tinh thể và bán tinh thể. Các lớp tinh thể được tạo thành từ các hạt hình cầu có kích thước 50-500 nm, lớp bán tinh thể được tạo thành từ các hạt hình cầu có kích thước nhỏ hơn 20-50 nm. Sự xen kẽ giữa lớp tinh thể và bán tinh thể từ lớp này đến lớp khác là những lớp sinh trưởng.
Độ dày của các lớp tinh thể càng ở phía ngoài bề mặt hạt thì càng mỏng [3]. Vòng tinh thể cứng Vòng bán tinh thể mềm Lỗ xốp Bề mặt hạt Tâm hạt Hạt tinh bột Vòng tinh thể cứng Vòng bán tinh thể mềm Hạt lớn Hạt nhỏ Rãnh xốp Lớp tinh thể Lớp vô định hình Cấu trúc hình cầu Lát cắt tinh thể Lớp bán tinh thể của Vòng vô định hình Lát cắt vô định hình vòng sinh trưởng Lớp vô định hình của vòng sinh trưởng Hình 2. Cấu trúc hạt tinh bột. (A) Ở mức độ thấp nhất của tổ chức hạt tinh bột cho thấy lớp tinh thể cứng và lớp bán tinh thể mềm.
Lớp vỏ bên ngoài mỏng hơn và 7 tâm hạt thì nằm lệch ra khỏi trung tâm hạt. Ở mức độ cao hơn của cấu trúc hạt là cấu trúc hình cầu cho thấy các rãnh xuyên tâm vô định hình, kích thước của cấu trúc hình cầu nhỏ hơn trong lớp bán tinh thể so với lớp tinh thể.
