Đồ án: Khảo sát tạo nano tinh bột từ hạt bơ bằng acid và enzyme

Khóa luận khảo sát điều kiện xử lý acid kết hợp enzyme để tạo nano tinh bột từ hạt bơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng và hiệu suất của quy trình.

• Tác giả: Đinh Thiện Duy
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Trần Khánh Linh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Tạo nano tinh bột từ hạt bơ bằng acid và enzyme
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nano Tinh Bột Từ Hạt Bơ

Nano tinh bột là những hạt tinh bột có kích thước cực nhỏ, thường nằm trong khoảng nano mét, được tạo ra từ các nguồn tinh bột tự nhiên như hạt bơ. So với tinh bột thông thường, nano tinh bột sở hữu diện tích bề mặt lớn hơn, độ tan cao hơn và tính chất vật lý ổn định hơn. Hạt bơ, một phế phẩm của ngành công nghiệp nông sản, chứa lượng tinh bột dồi dào, làm cho nó trở thành nguyên liệu lý tưởng để sản xuất nano tinh bột. Quá trình tạo ra nano tinh bột không chỉ giải quyết vấn đề lãng phí mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao trong ứng dụng công nghiệp.

1.1. Định Nghĩa Và Đặc Tính Nano Tinh Bột

Nano tinh bột là hạt tinh bột có kích thước nhỏ dưới 100 nm. Đặc tính chính bao gồm: diện tích bề mặt lớn, độ tan cao hơn tinh bột nguyên vẹn, tính chất reology cải thiện và khả năng tương thích với các chất khác. Những tính chất này giúp nano tinh bột phù hợp với các ứng dụng trong vật liệu composite, chất ổn định nhũ tương và sản phẩm thực phẩm.

1.2. Lợi Thế Của Hạt Bơ Làm Nguyên Liệu

Hạt bơ chứa hàm lượng tinh bột cao, khoảng 60-70% trên cơ sở khô, và được xem là phế phẩm dễ khai thác. Sử dụng hạt bơ để sản xuất nano tinh bột vừa giải quyết vấn đề xử lý chất thải nông sản, vừa tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế cao, góp phần phát triển kinh tế nông thôn bền vững.

II. Phương Pháp Tạo Nano Tinh Bột Bằng Acid Và Enzyme

Quá trình tạo nano tinh bột kết hợp xử lý acid và xử lý enzyme là phương pháp hiệu quả được ứng dụng rộng rãi. Thủy phân acid phá vỡ cấu trúc tinh bột ban đầu, giảm kích thước hạt, trong khi enzyme glucoamylase tiếp tục phân hủy liên kết glucose một cách có kiểm soát. Sự kết hợp này cho phép kiểm soát chính xác kích thước hạt cuối cùng, tạo ra nano tinh bột với phân bố kích thước đồng đều. Các điều kiện như thời gian xử lý, nồng độ enzyme, pH và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Nguyên Lý Thủy Phân Acid

Thủy phân acid sử dụng các acid mạnh như axit clohidric hoặc axit sulfuric để tấn công vào liên kết glycosidic trong cấu trúc tinh bột. Quá trình này phá vỡ hạt tinh bột lớn thành những đoạn nhỏ hơn. Thời gian thủy phân acid thường từ 1-7 ngày, và kích thước hạt có thể giảm xuống 100-500 nm tùy theo điều kiện xử lý.

2.2. Vai Trò Của Enzyme Glucoamylase

Enzyme glucoamylase (GAs) từ Aspergillus Niger đặc biệt hiệu quả trong phân hủy tinh bột. Enzyme này tác động lên liên kết α-1,4 và α-1,6 glycosidic, giải phóng từng đơn vị glucose. Nồng độ enzyme (100-300 U/mL) và thời gian xử lý (3-24 giờ) quyết định mức độ phân hủy và kích thước cuối cùng của nano tinh bột.

III. Các Điều Kiện Tối Ưu Và Kết Quả Thực Nghiệm

Kết quả nghiên cứu cho thấy các điều kiện tối ưu để tạo ra nano tinh bột chất lượng cao từ hạt bơ. Thủy phân acid trong 3-4 ngày kết hợp với xử lý enzyme 24 giờ ở nồng độ 300 U/mL cho kích thước hạt trong khoảng 100-150 nm. Độ tan của nano tinh bột tăng đáng kể so với tinh bột nguyên vẹn, đặc biệt là khả năng hòa tan ở nước lạnh. Hiệu suất thu hồi tinh bột đạt 70-80%, chứng tỏ phương pháp này khả thi kinh tế. Phổ FTIR cho thấy cấu trúc hoá học của nano tinh bột được bảo toàn trong quá trình xử lý.

3.1. Phân Bố Kích Thước Hạt Nano Tinh Bột

Kích thước hạt nano tinh bột được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích độ phân tán ánh sáng động (DLS). Với điều kiện tối ưu, kích thước trung bình từ 100-150 nm với phân bố đối xứng. Thời gian thủy phân acid dài hơn và nồng độ enzyme cao hơn làm giảm kích thước hạt nhưng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.

3.2. Khả năng Hòa tan Và Độ Truyền Suốt

Nano tinh bột có khả năng hòa tan trong nước lạnh đáng kể, từ 15-25%, cao hơn tinh bột thô (1-2%). Độ truyền suốt của dịch huyền phụ nano tinh bột đạt 80-90% tại bước sóng 600 nm, cho phép ứng dụng trong sản phẩm thực phẩm trong suốt và vật liệu quang học.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Triển Vọng Phát Triển

Nano tinh bột tạo từ hạt bơ có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong ngành thực phẩm, nano tinh bột được sử dụng làm chất ổn định nhũ tương, cải thiện cấu trúc sản phẩm, hoặc chất thay thế chất béo trong các sản phẩm ít calo. Trong công nghiệp dược phẩm, nano tinh bột hoạt động như chất vận chuyển thuốc hiệu quả nhờ diện tích bề mặt lớn. Trong vật liệu, nó được ứng dụng làm chất tăng cứng trong composite sinh học và bao bì có thể phân hủy sinh học. Giá trị kinh tế cao cùng tính bền vững của phương pháp này hứa hẹn một tương lai sáng sủa cho ngành công nghiệp xử lý phế phẩm nông sản.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Thực Phẩm Và Đồ Uống

Nano tinh bột cải thiện độ nhớt, ổn định nhũ tương và tạo cảm giác trong miệng mượt mà. Sản phẩm này phù hợp cho sữa chua, nước sốt, nước chấm, và các sản phẩm không calo. Khả năng hòa tan cao của nano tinh bột cho phép tạo ra các sản phẩm trong suốt, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng hiện đại.

4.2. Triển Vọng Phát Triển Và Kinh Tế Bền Vững

Sản xuất nano tinh bột từ hạt bơ thể hiện mô hình kinh tế vòng tròn, biến phế phẩm thành sản phẩm có giá trị cao. Chi phí sản xuất thấp nhờ nguyên liệu rẻ, lợi suất cao khoảng 70-80%, và nhu cầu thị trường ngày càng tăng. Nghiên cứu tiếp tục tối ưu quy trình để giảm chi phí, cải thiện chất lượng, và mở rộng ứng dụng sẽ giúp ngành công nghiệp nano tinh bột phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về hạt tinh bột: 2. Giới thiệu 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. Tỷ lệ của mỗi thành phần sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào độ chín của thực vật, loại thực vật và các khu vực trồng trọt khác nhau (Gonçalves và cộng sự, 2014).

Nano tinh bột là những hạt tinh bột có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với hạt tinh bột thông thường, cải thiện được đặc tinh để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như làm vật liệu composite, chất ổn định nhũ tương, … 2. Đặc tính của hạt nano tinh bột a. Hình thái Nhìn chung, các tinh thể nano được sản xuất từ tinh bột loại A (ví dụ: ngô sáp, ngô bình thường, tinh bột lúa mì) tạo ra hạt có hình vuông, trong khi các tinh thể sản xuất từ tinh bột loại B (ví dụ như ngô có hàm lượng amylose cao, khoai tây) tạo ra tinh bột có hình tròn. Các hạt nano đại diện các khối giữa tinh bột loại A và B có hình thái khác nhau thì sự khác biệt trong cách sắp xép các chuỗi xoắn amylopectin trong mạng tinh thể có thể tạo ra các khối khác nhau (Kim và cộng sự, 2015).

Đặc tính biến đổi nhiệt Phương pháp đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hành vi nhiệt của tinh bột. Sự thay đổi dòng nhiệt được quan sát có sự chuyển tiếp bậc một (nóng chảy) và chuyển tiếp bậc hai (chuyển tiếp tinh thể) của các polyme. Nhiều nhà khoa học quan sát thấy rằng thủy phân axit có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ nóng chảy và entanpy của tinh bột gốc như nhiệt độ đầu (To) của các hạt nano tinh bột được tạo ra bởi quá trình thủy phân axit thấp hơn so với các hạt tinh bột gốc trong khi nhiệt độ cực đại (Tp), nhiệt độ nóng chảy cuối (Tc) và entanpy nóng chảy (∆H) cao hơn so với các hạt nano gốc của chúng, nhiệt độ chuyển hóa tinh thể (Tg) thấp hơn đối với các hạt nano tinh bột đã được quan sát so với các loại tinh bột gốc. Nó chỉ ra rằng sự phân tách của các chuỗi tinh bột có thể dẫn đến sự sắp xếp lại của nó làm tăng độ kết tinh (Nain, 2017).

Độ kết tinh của nano tinh bột Phần lớn các nghiên cứu về nano tinh bột tập trung chủ yếu vào sự thay đổi cấu trúc kết tinh của tinh bột trong quá trình điều chế nano tinh bột. Mặc dù nano tinh bột vẫn được thu nhận thông qua thuỷ phân acid thông thường nhưng có nhiều hạn chế chưa giải quyết: thời gian thuỷ phân dài (lâu hơn 5 ngày) và hiệu suất thực tế thấp (<20%). Cũng vì vậy nhiều phương pháp mới để thay thế đã được nghiên cứu như phương pháp vật lý (đồng hoá áp suất cao, ép đùn, và dùng sóng siêu âm), thuỷ phân enzyme, … (Kim và cộng sự, 2015). Tính lưu biến của nano tinh bột Tính lưu biến của các hạt trong hỗn dịch nước là một thông số quan trọng cần được đánh giá để xác định các ứng dụng công nghiệp của nó.

Một số hạt nano tinh bột cho thấy độ nhớt của chúng tương tự như tinh bột gốc của chúng. Mặc dù một số thay đổi về nhiệt độ hồ hóa đã được quan sát nhưng biểu hiện/kiểu hình vẫn giữ nguyên. Nói chung, tinh bột tự nhiên khi đun nóng cho thấy sự gia tăng độ nhớt trong các nghiên cứu tính nhớt với độ nhớt cao nhất và độ nhớt thấp nhất, nhưng các hạt nano tinh bột cho thấy không có sự tăng độ nhớt trong các nghiên cứu dán và đường cong đặc trưng dường như bị làm phẳng, điều này có thể do mất tính toàn vẹn của hạt tinh bột xảy ra trong quá trình hình thành hạt nano (Nain, 2017). Hình 1: Đồ thị biểu hiện độ nhớt của hạt nano tinh bột khoai tây 2.

Các phương pháp tạo ra hạt nano tinh bột 2. Phương pháp thuỷ phân bằng acid Thuỷ phân bằng acid là một phương pháp thông dụng để điều chế nano tinh bột bởi sự đơn giản và dễ kiểm soát. Những vùng tinh thể trong hạt tinh bột có khả năng chống thuỷ phân axit cao hơn các vùng vô định hình, do đó các tinh thể có thể được phân lập bằng cách 5 thuỷ phân acid nhẹ như HCl hay H2SO4. Tuy nhiên sử dụng acid để thuỷ phân thường cần thời gian dài dẫn đến hiệu suất thu hồi thấp.

Một vấn đề nữa là số lượng gốc hydroxyl quá nhiều, sẽ có xu hướng tái hình thành các liên kết đại phân tử như là một tính chất của tinh bột, sự tái kết tụ (Kim và cộng sự, 2015). Gallent và cộng sự (1996) đã kết luận rằng kích thước các phân tử acid nhỏ hơn nhiều so với các enzyme cho phép acid thuỷ phần được dùng nhiều hơn enzyme, bất kể mức độ thuỷ phân hạt tinh bột bởi acid và sự nhạy cảm của liên kết glycosidic với acid bị ảnh hưởng bởi nhiều tác nhân như nồng độ acid, nhiệt độ, sự hiện diện của các hợp chất khác như alcohols (Gallant và cộng sự, 1997). Alain Dufresne và cộng sự (1996) đã sử dụng phương pháp acid để điều chế nano tinh bột. Đầu tiên họ cho 50 gam tinh bột hoà vào 1 lít dung dịch HCl 2.2 N và ủ ở 35oC trong 15 ngày để loại bỏ phần vô định hình nhiều nhất có thể mà không ảnh hưởng đến phần tinh thể.

Dịch huyền phù được khuấy mỗi ngày để giữ được độ đồng nhất. Sau đó, thể huyền phù được pha loãng với lượng nước cất tương đương và được ly tâm liên tục (4000 vòng/phút) cho đến khi loại được hết thành phần acid để thu được các nanocrystal. Các nanocrystal này có đường kính khoảng vài chục nanomét (Dufresne và cộng sự, 1996). Jean-Luc Putaux và cộng sự (2003) đã điều chế nano tinh bột bằng cách thuỷ phân bằng acid đối với tinh bột ngô sáp.

Họ cho 10 gam hạt tinh bột hoà tan trong 200 ml dung dịch HCl 2.2 N và ủ ở 36oC, mỗi ngày, mẫu được khuấy 4 lần với thời gian một lần khuấy là 1 phút, để dịch huyền phù đồng nhất. Sau một khoảng thời gian nhất định, dịch huyền phù được lấy ra và pha loãng với thể tích nước tương ứng, sau đó đem đi ly tâm liên tục để loại thành phần không hoà tan. Viên tinh bột sau đó được tái phân tán lại vào nước và giữ ở 6oC (Putaux và cộng sự, 2003). Angellier và cộng sự (2005) đã thay thế dung dịch HCl bằng dung dịch H2SO4 loãng và cho thấy rằng khi sử dụng H2SO4 sẽ rút ngắn thời gian thuỷ phân từ 14 ngày nếu dùng HCl xuống còn 10 ngày.

Họ cũng đã chứng minh được rằng hiệu suất thuỷ phân nhanh chóng bị giảm xuống thấp hơn hệ số kết tinh của hạt tinh bột tự nhiên và hệ số này giảm xuống còn 0.5% sau 40 ngày thuỷ phân (Angellier và cộng sự, 2005). (Shabana và cộng sự, 2019) cũng đã chứng minh được rằng kích thước khi xử lý acid của hạt tinh bột là rất lớn, lên đến trên 1 mm. Phương pháp xử lý bằng enzyme: Không có nhiều nghiên cứu được thực hiện về quá trình sử dụng enzyme để điều chế nano tinh bột nếu so với thuỷ phân bằng acid. Hee-Young Kim và cộng sự (2014) đã báo cáo rằng đường kính trung bình của hạt vẫn còn khá lớn (khoảng 500 nm).

Hiện nay xử lý bằng enzyme thường được sử dụng kết hợp chung với phương pháp thuỷ phân acid dưới dạng tiền xử lý (Kim và cộng sự, 2015). Déborah LeCorre và công sự (2011) đã điều chế dựa trên phương pháp thuỷ phân acid của Angellier và cộng sự (2004) nhưng ngoài ra có bổ sung thêm phương pháp xử lý sơ bộ với enzyme. LeCorre đã khảo sát ảnh hưởng của ba loại enzyme tác động lên tinh bột là α-amylase, β-amylase và glucoamylase và chứng minh được rằng việc xử lý sơ bộ với enzyme glucoamylase làm giảm đáng kể thời gian điều chế tinh bột bằng cách tạo ra một con đường để acid khuếch tán vào trong hạt tinh bột, từ đó làm cho các vùng vô định hình trong hạt tinh bột dễ bị thuỷ phân hơn (LeCorre và cộng sự, 2012). Ở cùng một mức độ thuỷ phân, nano tinh bột từ tinh bột được xử lý trước với enzyme có thể thu được với năng suất cao hơn nhưng có kích thước lớn hơn (⁓145 nm) khi so với nano tinh bột có từ tinh bột chưa xử lý ( kích thước từ 50 – 100 nm) (Kim và cộng sự, 2015; LeCorre và cộng sự, 2012).

Xử lý theo phương pháp vật lý a. Đồng hoá áp suất cao: Dagang Liu và cộng sự (2009) đã tạo nano tinh bột bằng cách sử dụng kỹ thuật đồng hoá áp suất cao. Một lượng tinh bột được cho vào nước cất để tạo ra thể huyền phù với 5% khối lượng tinh bột khô. Sau đó thể huyền phù được khuấy trộn trong vòng 5 phút trước khi được đưa vào thùng chứa mẫu bằng thép của thiết bị đồng hoá.

Mẫu sẽ được đưa qua một thùng tương tác ở áp suất 207 MPa với tốc độ dòng là 133ml/phút trước khi được làm lạnh và đưa về lại thùng chứa. Kết quả cho thấy kích thước hạt tinh bột giảm từ 2-6 µm xuống chỉ còn 5-20 nm sau khi trải qua 30 chu kỳ (Liu và cộng sự, 2009). Phương pháp dùng sóng siêu âm Siêu âm được định nghĩa là sóng âm thanh ở tần số cao hơn ngưỡng nghe thông thường của con người (>15-20 kHz). Thường được tạo ra với các đầu dò áp điện hoặc từ tính tạo ra các rung động có năng lượng cao.

Những rung động này sẽ được khuếch đại và truyền đến các đầu dò, nơi sẽ tiếp xúc trực tiếp với dòng chất lỏng (Kim và cộng sự, 2015). 7 Sihem Bel Haaj và cộng sự (2012) đã tiến hành thí nghiệm cho 100ml dịch tinh bột huyền phù với hàm lượng rắn là 1.5% vào một hộp thuỷ tinh và ủ trong bồn nước ở nhiệt độ ổn định tại 8 ± 1 oC. Sau đó, sóng âm được truyền với 80% công suất trong vòng 75 phút.