(Đồ án hcmute) ảnh hưởng của argon plasma lên sự thay đổi cấu trúc và độ tiêu hóa của tinh bột bắp đã qua xử lý nhiệt ẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA VÀ THỰC PHẨM

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ẢNH HƯỞNG CỦA ARGON-PLASMA LÊN SỰ THAY ĐỔI
CẤU TRÚC VÀ ĐỘ TIÊU HÓA CỦA TINH BỘT BẮP
ĐÃ QUA XỬ LÝ NHIỆT ẨM

GVHD: TS. TRỊNH KHÁNH SƠN
SVTH: NGUYỄN MINH SƠN
MSSV: 11116054

SKL 0 0 3 9 5 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
MÃ SỐ: 2015-11116054

ẢNH HƯỞNG CỦA ARGON-PLASMA LÊN SỰ
THAY ĐỔI CẤU TRÚC VÀ ĐỘ TIÊU HÓA CỦA

TINH BỘT BẮP ĐÃ QUA XỬ LÝ NHIỆT ẨM

GVHD: TS. TRỊNH KHÁNH SƠN
SVTH: Nguyễn Minh Sơn
MSSV: 11116054

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 07/2015

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Minh Sơn
Ngành: Công nghệ Thực phẩm
1. Tên khóa luận: Ảnh hưởng của argon-plasma lên sự thay đổi cấu trúc và độ tiêu
hóa của tinh bột bắp đã qua xử lý nhiệt ẩm.
2. Nhiệm vụ của khóa luận: Nghiên cứu sự hình thành liên kết chéo thơng qua
phương pháp phổ FTIR, sự thay đổi các mức độ tinh thể bằng phương pháp tán xạ
tia X, sự thay đổi độ tiêu hóa in vitro, mức độ thủy phân với enzyme α-amylase và
sự thay đổi các thuộc tính hydrat hóa gel tinh bột như độ hấp thụ nước, độ hòa tan
nước và khả năng trương nở của tất các mẫu tinh bột thô, xử lý nhiệt ẩm và Plasma
khác nhau.
3. Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 20/01/2015
4. Ngày hồn thành khóa luận: 16/07/2015
5. Họ tên người hướng dẫn 1: TS. Trịnh Khánh Sơn
Phần hướng dẫn: Tồn bộ khóa luận

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi
Trưởng Bộ môn Công nghệ Thực phẩm
Tp.HCM, ngày

tháng

năm 2015

Trưởng Bộ mơn

Người hướng dẫn chính

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

i

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, nhờ sự giúp đỡ tận tình và
động viên của thầy, cơ, nhà trường, các bạn sinh viên khóa 2011 và 2013 đã giúp e vượt
qua mọi khó khăn, thử thách để hồn thành bài khóa luận tốt nghiệp này.
Con xin ghi nhớ công ơn cha mẹ đã giúp sức, chu cấp con trong suốt quãng thời
gian học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ Mơn Cơng Nghệ Thực Phẩm- Khoa
Cơng Nghệ Hóa Thực Phẩm- Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình
truyền đạt kiến thức bổ ích, giúp em có cơ sỡ vững chắc đê thực hiện khóa luận tốt nghiệp

này.
Xin cảm ơn sự thầy TS. Trịnh Khánh Sơn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, truyền
đạt kinh nghiệm và kiến thức quý báu, giúp em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Xin cảm ơn TS. Trần Ngọc Đảm Khoa Cơ Khí Máy- Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hồn thành thí nghiệm
trong suốt thời gian làm luận văn.
Xin cảm ơn các thầy cô khoa Công Nghệ Thực Phẩm Trường Đại Học Cơng Nghệ
Sài Gịn đã ủng hộ và giúp đỡ.
Xin cảm ơn các anh chị tại Trung Tâm Nghiên Cứu Chiếu Xạ- Linh Trung đã tạo
điều kiện cho em hồn thành thí nghiệm.

ii

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung được trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là của
riêng tôi. Tôi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã
được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định.

Ngày 16 tháng 7 năm 2015
Ký tên

iii

Luan van


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ..............................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... x
TÓM TẮT KHÓA LUẬN ...................................................................................... xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 1
1.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 1
1.2. Cấu trúc hóa học tinh bột:........................................................................... 1
1.2.1. Amylose................................................................................................. 2
1.2.2. Amylopectin .......................................................................................... 3
1.3. Đặc điểm chung của hạt tinh bột ................................................................... 3
1.3.1. Hình thái hạt tinh bột ............................................................................. 3
1.3.2. Cấu trúc tinh thể..................................................................................... 4
1.3.3. Phổ FTIR của tinh bột ............................................................................ 6
1.4. Các tính chất của tinh bột .............................................................................. 7
1.4.1. Sự hồ hóa ............................................................................................... 8
1.4.2. Sự tái kết tinh tinh bột ............................................................................ 8
1.5. Tinh bột biến tính ......................................................................................... 9
1.5.1. Phương pháp hóa học: ............................................................................ 9
1.5.2. Phương pháp enzyme ........................................................................... 11
1.5.3. Phương pháp vật lí: .............................................................................. 11
1.6. Các phân đoạn tiêu hóa tinh bột .................................................................. 16
iv

Luan van


1.6.1. Tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS) ............................................................ 16
1.6.2. Tinh bột tiêu hoá chậm (SDS) .............................................................. 16

1.6.3. Tinh bột trơ (RS) .................................................................................. 16
1.7. Các cơng trình nghiên cứu trước đây........................................................... 19
1.8. Nội dung nghiên cứu................................................................................... 20
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ................................................... 21
2.1. Vật liệu ....................................................................................................... 22
2.2.1. Tinh bột bắp ......................................................................................... 22
2.2.2. Hóa chất ............................................................................................... 22
2.2. Phương pháp ............................................................................................... 22
2.2.1. Xác định các thông số ban đầu của tinh bột .......................................... 22
2.2.2. Xử lý nhiệt ẩm ..................................................................................... 22
2.2.3. Xử lí Plasma ........................................................................................ 23
2.2.4. Đo phổ FTIR của tinh bột .................................................................... 23
2.2.5. Đo tán xạ tia X (XRD) ......................................................................... 24
2.2.6. Đường cong thủy phân ......................................................................... 25
2.2.7. Tính chất hydrate hóa gel của tinh bột .................................................. 25
2.2.8. Độ tiêu hóa invitro ............................................................................... 26
2.2.9. Xử lý thống kê ..................................................................................... 26
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................ 27
3.1. Các thông số ban đầu của tinh bột bắp ........................................................ 27
3.2. Đồ thị phổ FTIR ........................................................................................ 27
3.3. Đồ thị tán xạ tia X (XRD) và mức độ tinh thể (DRC) ................................. 33
3.4. Đường cong thủy phân với Enzyme Termamyl LS120. .............................. 37

v

Luan van


3.5. Tính chất hydrate hóa gel của tinh bột......................................................... 40
3.6. Phân đoạn tiêu hóa của tinh bột................................................................... 43

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ..................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 48
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 52

vi

Luan van


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu tạo của amylose và amylopectin ............................................................. 2
Hình 1.2. Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột ...................................... 4
Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể loại A và loại B.................................................................... 5
Hình 1.4. Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B và C.............................................. 6
Hình 1.5. Phản ứng tạo liên kết chéo bằng phương pháp hóa học .................................. 10
Hình 1.6. Cấu tạo thiết bị Dielectric Barrier discharge Plasma ....................................... 14
Hình 1.7. Cơ chế tạo liên kết chéo trong tinh bột bằng phương pháp Plasma .................. 15
Hình 1.8. Cấu trúc tinh thể bột trơ RS1 .......................................................................... 17
Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể bột trơ RS2 .......................................................................... 17
Hình 1.10. Cấu trúc tinh thể bột trơ RS3 ........................................................................ 18
Hình 1.11. Tinh bột trơ RS4........................................................................................... 19
Hình 1.12. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 21
Hình 2.1. Hình minh họa cách tính DRC ...................................................................... 24
Hình 3.1: Phổ FTIR của các mẫu A: tinh bột thô (DC), tinh bột thô Plasma (DCP), tinh
29bột nhiệt ẩm 20 % (H20), tinh bột nhiệt ẩm 20% Plasma (HP20), B: tinh bột nhiệt ẩm
25% (H25), tinh bột nhiệt ẩm 25% Plasma (HP25) , tinh bột nhiệt ẩm 30% (H30) và tinh
bột nhiệt ẩm 30% Plasma (HP30). .................................................................................. 29
Hình 3.2: Đồ thị XRD của các mẫu A: tinh bột thô (DC), tinh bột thô Plasma (DCP), tinh
bột nhiệt ẩm 20 % (H20), tinh bột nhiệt ẩm 20% Plasma (HP20), B: tinh bột nhiệt ẩm 25%
(H25), tinh bột nhiệt ẩm 25% Plasma (HP25) ,tinh bột nhiệt ẩm 30% (H30) và tinh bột

nhiệt ẩm 30% Plasma (HP30). ........................................................................................ 35

vii

Luan van


Hình 3 .3. Đường cong thủy phân của các mẫu A: DC, H20, H25, H30, B: DC và DCP,
C:H20 và HP20, D: H25 và HP25, E: H30 và HP30 ....................................................... 39

viii

Luan van


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phổ FTIR của tinh bột ................................................................................... 6
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu chất lượng của tinh bột bắp nguyên liệu ...................................... 27
Bảng 3.2. Bảng kết quả tính liên kết chéo theo hai phương pháp (A) và (B)*của các mẫu
tinh bột thô (DC), tinh bột thô Plasma (DCP), tinh bột nhiệt ẩm 20 % (H20), tinh bột nhiệt
ẩm 20% Plasma (HP20), tinh bột nhiệt ẩm 25% (H25), tinh bột nhiệt ẩm 25% Plasma
(HP25), tinh bột nhiệt ẩm 30% (H30) và tinh bột nhiệt ẩm 30% Plasma (HP30). ............ 31
Bảng 3.3. Bảng tỉ lệ α-helix/vơ định hình của các mẫu tinh bột DC,DCP, H20, HP20, H25,
HP25, H30 và HP30. ...................................................................................................... 32
Bảng 3.4. Bảng kết quả DRC của các mẫu tinh bột DC,DCP, H20, HP20, H25, HP25, H30
và HP30. ........................................................................................................................ 36
Bảng 3.5. Giá trị của các đỉnh đặc trưng của tinh thể A .................................................. 36
Bảng 3.6. Các tính chất khả năng trương nở (SF), độ hòa tan (WSI), độ hấp thụ (WAI)
trong nước của các mẫu tinh bột DC,DCP, H20, HP20, H25, HP25, H30 và HP30. ........ 42
Bảng 3.7. Các phân đoạn tiêu hóa của các mẫu tinh bột DC, H20, H25, H30, DCP, HP20,

HP25, HP30: (A) Khơng hồ hóa, (B) Hồ hóa ................................................................. 46

ix

Luan van


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier)
XRD: X-Ray diffraction (Tán xạ tia X)
DSC: Diffential Scanning Calorimetry (Nhiệt vi sai)
HMT: Heat – moisture Treatment (Xử lý nhiệt ẩm)
DRC: Degree of relative crystallinity (Mức độ tinh thể)
RDS: Rapidly digestible starch (Tinh bột tiêu hóa nhanh)
SDS: Slowly digestible starch (Tinh bột tiêu hóa chậm)
RS:

Resistant starch (Tinh bột trơ)

SF:

Swelling factor (Khả năng trương nở)

WAI: Water absorb index (Độ hấp thụ nước)
WSI: Water solube index (Độ hòa tan nước)
DNS: Dinitro Salicylic Acid

x

Luan van

TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Tinh bột bắp là một trong những nguyên liệu quan trọng được sử dụng rộng rãi
trong ngành công nghiệp thực phẩm và các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên những tính
chất của tinh bột tự nhiên khơng thể đáp ứng theo yêu cầu của một số ngành cơng nghiệp.
Vì vậy việc biến tính tinh bột nhằm cải biến tính chất của tinh bột tự nhiên là điều rất cần
thiết. Trong nghiên cứu của chúng tơi có sử dụng đồng thời hai phương pháp biến tính tinh
bột là phương pháp nhiệt ẩm và phương pháp rất mới ở Việt Nam là Plasma trên đối tượng
tinh bột bắp nhằm nghiên cứu sự thay đổi về cấu trúc và độ tiêu hóa của tinh bột. Tinh bột
bắp được xử lý nhiệt ẩm ở độ ẩm lần lượt là 20, 25 và 30%, sau đó các mẫu tinh bột được
xử lý Argon-plasma ở áp suất thường với các thông số cố định (điện áp 137.5 V, 1A trong
10 phút). Các mẫu sau đó được xác định mức độ liên kết chéo, mức độ tinh thể (DRC), tác
động của enzyme α-amylase, độ tiêu hóa in vitro, sự thay đổi các thuộc tính hydrat hóa gel
tinh bột bắp như độ hấp thụ nước, độ hòa tan nước và khả năng trương nở. Kết quả cho
thấy mức liên kết chéo, mức độ tinh thể, hàm lượng tinh bột trơ của các mẫu nhiệt ẩm tăng
lên sau xử lý Plasma, đặc biệt mẫu nhiệt ẩm 20% sau xử lý Plasma có hàm lượng tinh bột
trơ tăng 3.01 lần so với mẫu đối chứng. Ngoài ra các tính chất như độ hịa tan nước tăng,
độ hấp thụ nước và khả năng trương nở giảm sau khi xử lý Plasma.

xi

Luan van


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.Giới thiệu chung
Bắp còn gọi là ngô (Zea máy L), tiếng Anh là maize được gieo trồng rộng khắp trên
thế giới với sản lượng hàng năm rất cao. Bắp là một trong những loại cây lương thực quan
trọng của nước ta và trên thế giới. Nhờ có giá trị dinh dưỡng cao, có nơi bắp đã thay thế

gạo trong bữa ăn hàng ngày của người dân. Bên cạnh vai trò cung cấp lương thực cho con
người, bắp cịn là ngun liệu quan trọng trong cơng nghiệp chế biến thức ăn gia súc và
công nghệ sinh học, nhiều nước đang sử dụng bắp để chế biến ethanol-năng lượng sạch
cho tương lai (Moorthy, 2004).
Tinh bột là một polysaccharide dự trữ chính của cây xanh và là cacbohydrat phổ
biến thứ hai trong tự nhiên bên cạnh cellulose (Hizukiri, Abe, & Hanashiro, 2006). Tinh
bột có nhiều trong bắp, sắn,… với hàm lượng tinh bột từ 65 đến 90 % (hàm lượng chất
khô). Tinh bột từ nhiều nguồn khác nhau sẽ có hình dạng, kích thước và thành phần thay
đổi (Whistler, 2009). Nó ảnh hưởng sâu sắc đến kết cấu của nhiều loại thực phẩm, bao
gồm một số sản phẩm thơng dụng như bánh mì, mì, mì ống, gạo (Wrolstad, 2012). Trong
chế độ dinh dưỡng của con người, tinh bột đóng một phần quan trọng trong việc cung cấp
năng lượng chuyển hóa cho phép cơ thể thực hiện các chức năng khác nhau của nó. Các
nghiên cứu gần đây cho thấy tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột trơ (RS) có ý nghĩa
quan trọng đối với sức khỏe con người. Khơng giống như tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS),
tinh bột trơ (RS) giúp chống lại quá trình thủy phân enzyme trong đường tiêu hóa, dẫn đến
sự hấp thu glucose trực tiếp ít hoặc khơng có. Ngồi ra, tinh bột trơ (RS) khơng bị tiêu hóa
ở ruột non sẽ di chuyển đến ruột già, tại đây chúng sẽ được lên men ở các mức độ khác
nhau bởi hệ vi sinh đường ruột. Kết quả làm tăng thể tích khối chất thải và sản sinh ra các
acid béo mạch ngắn, một tác dụng tương tự việc ăn uống chất xơ (Cui, 2005).
1.2.Cấu trúc hóa học tinh bột:
Hạt tinh bột gồm hai loại alphaglucan: amylose và amylopectin, chúng chiếm
khoảng 98-99% trọng lượng khô. Tỉ lệ giữa hai loại polysaccharides này thay đổi tùy thuộc
vào các loại tinh bột khác nhau. Các loại tinh bột nghèo amylose chứa ít hơn 15% amylose,
tinh bột bình thường chứa 20-35% và tinh bột giàu amylose chứa nhiều hơn 40% amylose.

1

Luan van

Giữa amylose và amylopectin có sự khác nhau về hình dạng và cấu trúc (Tester, Karkalas,
& Qi, 2004).

Đơn vị cơ bản
α- D glucopyranose

Hình 1.1. Cấu tạo của amylose và amylopectin (Moorthy, 2004)
1.2.1. Amylose
Amylose là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các phân tử đường D-glucose
liên kết với nhau bởi liên kết α- 1,4 glucoside. Ngồi ra cịn có một lượng nhỏ liên kết α1,6 glucoside tạo nhánh chứa trong amylose nhưng lượng nhánh này xuất hiện rất ít và các
nhánh này dài vì vậy có thể xem amylose là một polyme mạch thẳng. Amylose có khối
lượng phân tử nhỏ hơn amylopectin, nằm trong khoảng 104 đến 105 ( mức độ polymer hóa
[DP] nằm trong khoảng từ 250-1000 gốc glucose) (Wrolstad, 2012). Mỗi phân tử amylose
có một đầu khử và một đầu không khử. Màu sắc của liên hợp amylose-iodine sẽ thay đổi
tùy vào chiều dài của chuỗi amylose. Nó thay đổi từ màu nâu (DP 21-24), đến màu đỏ (DP

2

Luan van


25-29), tím đỏ (DP 30-38), xanh tím (DP 39-40), và cuối cùng là màu xanh (DP> 47). Khi
DP thấp hơn 20, khơng có màu sắc được hình thành (Cui, 2005).
1.2.2. Amylopectin
Amylopectin có cấu tạo mạch nhánh và mạch thẳng kết hợp nhau do các phân tử
đường α – D-glucose liên kết nhau bằng liên kết α- 1,4 glucoside tạo các đoạn mạch thẳng,
còn liên kết α- 1,6 glucoside (chiếm khoảng 5 % số phân tử α – D-glucose) sẽ giúp tạo
mạch nhánh. Mỗi phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử duy nhất và rất nhiều đầu
khơng khử. Amylopectin có khối lượng phân tử lớn hơn amylose, và nằm trong khoảng
106-108 với mức độ DP nằm trong khoảng 5000 đến 50000 đơn vị glucose. Amylopectin sẽ

tạo phức màu đỏ nhạt với dung dịch iodine (Wrolstad, 2012).
1.3. Đặc điểm chung của hạt tinh bột
1.3.1. Hình thái hạt tinh bột
Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng vi hạt. Tùy thuộc vào nguồn gốc của các
hạt tinh bột mà chúng sẽ khác nhau về kích thước, hình dạng và vị trí tâm hạt. Các hạt tinh
bột củ thường có kích thước to và có dạng hình bầu dục. Các hạt tinh bột ngũ cốc như ngơ,
yến mạch và gạo có hình dạng đa giác hoặc hình trịn. Kích thước của các hạt tinh bột khác
nhau với đường kính nằm trong khoảng 2-100 m. Tinh bột khoai tây có hạt lớn nhất
trong số tất cả các tinh bột. Kích thước của hầu hết các hạt tinh bột ngũ cốc là nhỏ hơn so
với các loại củ và tinh bột đậu (Cui, 2005).

3

Luan van


Hình 1.2. Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột: (a) ngơ bình thường;
(b) ngơ sáp; (c) khoai tây; (d) lúa mì; (e) miến; (f) ngơ đường (Whistler, 2009).
1.3.2. Cấu trúc tinh thể
Hạt tinh bột có cấu trúc bán tinh thể gồm các vùng tinh thể, vùng vơ định hình .
Các vùng tinh thể và vùng vơ định hình được sắp xếp xen kẽ nhau (Cheetham & Tao,
1998). Khả năng tạo tinh thể của tinh bột gắn liền với thành phần amylopectin, tinh bột
không chứa amylose có một mức độ tinh thể hóa khơng thay đổi. Lớp tinh thể của hạt tinh
bột được tạo thành từ mạch xoắn kép amylopectin, sắp xếp theo phương tiếp tuyến với bề
mặt hạt, đầu không khử hướng vào bề mặt của hạt. Các lớp tinh thể và vơ định hình được
sắp xếp với chiều dày theo chu kỳ 9-10nm. Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch thẳng liên

4

Luan van

kết với nhau thành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chùm trong khi phần mạch
nhánh nằm trong các lớp vơ định hình (Anh Hồng Kim, Sương Kế Ngơ, 2004)
Dựa trên kết quả phân tích nhiễu xạ tia X, tinh bột có các kiểu cấu trúc tinh thể loại
A, B và C. Tinh thể loại A có chiều dài chuỗi amylopectin từ 23-29 đơn vị glucose, phổ
biến trong các loại tinh bột của hạt ngũ cốc. Trong khi đó các tinh thể loại B có cấu tạo từ
các chuỗi amylopectin với chiều dài 30-44 đơn vị glucose, thường được chứa trong các
loại tinh bột lấy từ củ. Tinh bột loại C là một hỗn hợp của tinh thể loại A và loại B, nhưng
nó cũng thường có nhiều trong các loại tinh bột lấy từ đậu. Tinh thể loại V là kết quả tạo
thành giữa phức amylose với các chất khác như acid béo, chất nhũ hóa, butanol và iodine.
Sự khác biệt chính giữa loại A và loại B chính là loại B có cấu trúc xoắn kép được sắp xếp
tạo nên các khoảng trống để phân tử nước thâm nhập vào bên trong còn cấu trúc xoắn kép
của loại A rất dày đặc (Sarko & Wu, 1978). Tinh bột loại A có nhiệt độ nóng chảy cao hơn
do đó bền với nhiệt hơn so với loại B (Cui, 2005).

A

B

Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể loại A và loại B(Cui, 2005)

5

Luan van


Hình 1.4. Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B và C.
1.3.3. Phổ FTIR của tinh bột
Hấp thu (cm-1)

Nhóm

< 800

Pyranose

860

C-H, CH2

930

Liên kết - 1,4 glycosidic (C-O-C)

993

C-O-H

1016

C-O, C-C, C-O-H

1242

CH2OH

1344

C-O-H, CH2

1415

CH2, C-O-O

1642

Hấp thụ phân tử nước vào vùng vơ định hình của tinh bột

3000-2800

CH2

3000-3600

O-H

Bảng 1.1. Phổ FTIR của tinh bột (Kizil, Irudayaraj, & Seetharaman, 2002).

6

Luan van


Trong phân tích, vùng phổ có ý nghĩa thực tiễn quan trọng là giữa 4000 và 400 cm-1
gồm bốn vùng nhỏ: < 800 cm-1, 1500-800 cm-1, 3000-2800 cm-1 và vùng 3600-3000 cm1

(Kizil et al., 2002).
Vùng < 800 cm-1: chứa những giao động phức tạp đặc trưng nhất là của đường

pyranose mạch vòng.
Vùng 1500-800 cm-1: dạng hấp thu trong vùng này thường phức tạp, với các dải có
liên quan đến tương tác của các dao động. Trong vùng này sự rung động chiếm ưu thế là
dao động của khung pyranose trong phân tử glucose của tinh bột. Đây cũng là lí do mà
thông tin thu được từ phổ glucose được xem như tần số dao động của phân tử tinh
bột.(Cael, Koenig, & Blackwell, 1975), (Kizil et al., 2002) trong quá trình nghiên cứu trên
phân tử tinh bột đã nhận thấy sự hấp thu tại đỉnh 1242 cm-1 là do các CH2OH. Các dao
động liên quan đến nguyên tử carbon và hydro được quan sát ở vùng phổ 1500-1300 cm-1.
Sự hấp thu tại đỉnh 1344 cm-1 là do nhóm CH2. Những dao động trong vùng 900-950 cm-1
có nguồn gốc từ liên kết glycosis C-O-C (Cael et al., 1975), (Kizil et al., 2002).
Phân tử nước hấp thu trong vùng vơ định hình của tinh bột có thể được xác định tại
tần số 1637 cm-1. Vùng này liên quan đến sự kết tinh của tinh bột. Khi mức độ kết tinh của
tinh bột tăng, độ hấp thu của đỉnh 1637 cm-1 trong quang phổ hồng ngoại trở nên yếu và
hầu như không thể quan sát được. Nghiên cứu trên tinh bột khoai tây tần số này dịch
chuyển đến tần số 1642 cm-1 điều đó theo tác giả là do sự khác biệt về loại tinh thể trong
tinh bột.
Vùng phổ 3000-2800 cm-1: hấp thu ánh sáng giao động biến dạng CH2 (Kizil et al.,
2002).
1.4. Các tính chất của tinh bột
Hiện tượng hồ hóa và tái kết tinh là hai hiện tượng quan trọng của tinh bột được
ứng dụng nhiều trong ngành công nghệ thực phẩm. Nghiên cứu về đặc điểm, cơ chế, các
yếu tố ảnh hưởng giúp ta hiểu thêm về mối liên hệ giữa cấu trúc và các tính chất của tinh
bột (Cui, 2005).

7

Luan van


1.4.1. Sự hồ hóa

Tinh bột tự nhiên khơng hịa tan trong nước lạnh nhưng lại tan tốt trong nước nóng.
Khi hạt tinh bột được đun nóng trong mơi trường nước thì hạt tinh bột sẽ xảy ra quá trình
biến đổi từ cấu trúc hạt sắp xếp có trật tự thành dạng vơ định hình. Hồ hóa tinh bột là sự
phá vỡ tính trật tự của các phân tử bên trong hạt tinh bột theo đó là sự thay đổi tương thích
và bất thuận nghịch của các tính chất của tinh bột như sự trương nở của hạt tinh bột, sự
phân rã của vùng tinh thể, mất tính lưỡng chiết, sự gia tăng độ nhớt và tính hịa tan của tinh
bột. Cơ chế sự hồ hóa của tinh bột đã được nghiên cứu dựa trên các đồ thị nhiệt vi sai
(DSC). Có nhiều giả thiết về cơ chế hồ hóa của tinh bột như Donovan (1979) cho rằng có
hai cơ chế riêng biệt quyết định bởi các vùng xắp xếp có trật tự trong hạt tinh bột trải qua
giai đoạn chuyển tiếp trong một dãy hàm lượng ẩm. Sự thu nhiệt ở nhiệt độ thấp phản ánh
sự mất dần các lớp vỏ của hạt tinh bột và sự mất định hướng của các chuỗi polymer của
vùng tinh thể của tinh bột. Quá trình tạo điều kiên cho hoạt động trương nở xảy ra trong
vùng vơ định hình. Khi hàm lượng nước tăng lên và trở nên khơng đủ cho q trình tan
chảy hồn tồn ở trên thì vùng tinh thể bị hydrate hóa một phần sẽ có xu hướng tan chảy ở
nhiệt độ cao hơn bởi giá trị phụ thuộc vào thể tích pha lỗng như theo dự đốn của thuyết
Flory (Cui, 2005).
1.4.2. Sự tái kết tinh tinh bột
Sự tái kết tinh tinh bột là sự thay đổi tính chất vật lý theo sau sự hồ hóa tinh bột
(Cui, 2005), từ trạng thái vơ định hình ban đầu sang dạng tinh thể có trật tự hơn (Eliasson
& Gudmundsson, 2006). Q trình tái kết tinh xảy ra khi các phân tử tinh bột sắp xếp lại
và định hình thành cấu trúc có trật tự như các xoắn đơi trong suốt q trình lưu trữ tinh bột
hồ hóa (Cui, 2005). Những thay đổi này xảy ra do tinh bột hồ hóa ln ln ở trạng thái
mất cân bằng nhiệt động lực học. Tính chất hóa lý bị thay đổi, như sự gia tăng độ cứng,
mất tính giữ nước và phục hồi cấu trúc tinh thể (Eliasson & Gudmundsson, 2006). Sự tái
kết tinh sẽ không xảy ra nếu thiếu một hàm lượng nhỏ nước và hàm lượng nước cùng với
nhiệt độ lưu trữ là hai yếu tố quan trọng vì chúng kiểm sốt tỉ lệ và mức độ tái kết tinh . Sự
tái kết tinh chịu ảnh hưởng rất lớn từ nhiệt độ. Lưu trữ gel tinh bột với hàm ẩm 45-50% ở
nhiệt độ lạnh nhưng lớn -50C sẽ làm tăng sự tái kết tinh so với tái kết tinh ở nhiệt độ
phòng, đặc biệt là trong những ngày đầu tiên của lưu trữ mẫu. Lưu trữ tinh bột ở nhiệt độ
dưới -50C thì sự tái kết tinh bị ức chế. Nhiệt độ cao (trên 32-400C) có tác dụng làm giảm

8

Luan van


sự tái kết tinh (Eliasson & Gudmundsson, 2006). Cơ chế tái kết tinh gồm ba bước: tạo
mầm ban đầu, phát triển tinh thể và hoàn chỉnh tinh thể. Trong khoảng nhiệt độ -50C đến
600C với lượng ẩm là 50%, cả hai quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể cho thấy sự phụ
thuộc vào nhiệt độ theo cấp số nhân như tốc độ tạo mầm gia tăng khi nhiệt độ giảm thấp
dưới -50C thì tốc độ phát triển tinh thể tăng khi nhiệt độ tăng trên 600C. Điều này giải
thích tại sao sự tạo tinh thể xảy ra ở nhiệt độ thấp nhưng ở một mức độ giới hạn ở nhiệt độ
cao (>300C) vì sự hình thành mầm tinh thể sau đó bị dừng lại. Trong thời gian lưu trữ lâu
hơn, sự tái kết 12 tinh ở mức độ cực đại đạt được khi nhiệt độ nằm giữa -50C C và 600C
khi cả quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể xảy ra đồng thời ở tốc độ vừa phải (Eliasson
& Gudmundsson, 2006).
1.5. Tinh bột biến tính
Biến tính tinh bột là làm thay đổi cấu trúc và tác động đến các liên kết hydro một
cách có kiểm sốt nhằm nâng cao và mở rộng các ứng dụng của nó. Những thay đổi này
diễn ra ở cấp độ phân tử, có rất ít và hầu như khơng có sự thay đổi nào xuất hiện bề mặt
hạt tinh bột (Moorthy, 2004).
Tinh bột biến tính đã khắc phục được những yếu tố bất lợi của tinh bột tự nhiên như
không tan trong nước, độ nhớt thấp, q trình thối hóa xảy ra sau khi tinh bột đã qua hồ
hóa nhờ các phương pháp vật lý, hóa học và enzyme (Cui, 2005).
1.5.1. Phương pháp hóa học:
Phương pháp hóa học liên quan đến các biến đổi về tính chất hóa lý khi có hóa chất
tác động lên lên tinh bột. Tùy loại hóa chất, mức độ thay thế, điều kiện phản ứng (nồng độ
chất phản ứng, thời gian phản ứng, pH và sự hiện diện của chất xúc tác). Phương pháp hóa
học tuy được sử dụng rộng rãi trong sản xuất tinh bột biến tính nhưng lại gây ra các vấn đề
về mơi trường và sự quan tâm của người tiêu dùng về sức khỏe (Neelam, Vijay, & Lalit,

2012). Các biến đổi hóa học phổ biến gồm oxy hóa, ester hóa, ether hóa và liên kết ngang
(Cui, 2005).
1.5.1.1. Tinh bột liên kết chéo
Tinh bột chứa nhóm hydroxyl, quan trọng nhất là gốc hydroxyl ở vị tri C-6, kế tiếp
là C-2 và C-3. Các nhóm hydroxyl này sẽ phản ứng với hóa chất tạo liên kết chéo trong

9

Luan van


tinh bột. Liên kết chéo này giúp củng cố cấu trúc hạt tinh bột, hạn chế sự trương nở, chịu
được các q trình gia cơng khắc nghiệt như nhiệt độ cao, khuấy trộn mạnh hay môi
trường acid (Cui, 2005). Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành liên kết chéo gồm thành
phần chất hóa học tạo liên kết, nồng độ chất phản ứng, pH, thời gian và nhiệt độ phàn ứng
(Neelam et al., 2012). Cơ chế tạo liên kết chéo theo phương pháp hóa học là sự thay thế
liên kết hydro giữa các mạch tinh bột bằng cầu nối cộng hóa trị bền chặt hơn.

Hình 1.5. Phản ứng tạo liên kết chéo bằng phương pháp hóa học (Panakamol Deeyai,
Jitsomboonmit, Soonthonchaikul, & Suphantharika, 2010).
Hóa chất được sử dụng trong tạo liên kết chéo là phosphoryl chloride, sodium
trimetaphosphate, hỗn hợp sodium trimetaphosphate và tripolyphosphate. Phương pháp tạo
liên kết chéo hiện vẫn đang được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm tinh bột liên kết
chéo (Cui, 2005)
1.5.1.2. Tinh bột oxy hóa
Tinh bột oxy hóa được tạo ra bằng cách phản ứng với chất oxy hóa trong điều kiện
nhiệt độ, pH nhất định. Sự oxy hóa làm phân hủy mạch tinh bột, tạo các nhóm chức mới
carbonyl và carboxyl giúp sản phẩm khơng bị tái kết tinh và có độ nhớt thấp (Neelam et
al., 2012).
1.5.1.3. Tinh bột ester và ether hóa

Phương pháp dựa trên sự thay thế các nhóm hydroxyl ưa nước trong tinh bột bằng
các nhóm kị nước tạo thành các sản phẩm tinh bột hydroxypropyl, carboxymethyl và
acetyl hóa… Sự thay thế nhóm carboxymethyl giúp tinh bột biến tính có thể hịa tan trong
nước lạnh, ngăn cản sự hồ hóa. Trong tinh bột acetyl hóa, nhóm hydroxyl ưa nước bị thay
bằng nhóm acetyl kị nước. Kết quả là làm cho tinh bột kị nước hơn và ngăn ự hình thành
liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl và phân tử nước. Tinh bột liên kết chéo phosphate
có tính chịu nhiệt độ cao, pH thấp, lực cắt mạnh, làm gia tăng sự ổn định của hạt tinh bột

10

Luan van


khi trương nở, cải thiện độ nhớt và chất làm đặc, ngăng sự tạo gel và tái kết tinh (Neelam
et al., 2012).
1.5.2. Phương pháp enzyme
Sử dụng enzyme để thủy phân tinh bột là phương pháp biến tính tinh bột bằng
enzyme. Tùy thuộc vào mức độ thủy phân enzyme, tạo nên các chuỗi dài ngắn khác nhau
mà tạo ra các sản phẩm tương ứng khác nhau như glucose, maltose, oligosacharide,
polysacharide (Moorthy, 2004).Một số enzyme thường được dùng để thủy phân:
1.5.2.1. α-Amylase (1, 4-α-D-Glucan Glucanohydrolase, EC 3.2.1.1):
α-Amylase sẽ tấn công vào liên kết α-1,4 glucoside của tinh bột và cắt một cách
ngẫu nhiêu tạo thành maltodextrin, maltose, glucose cà dextrin phân tử thấp. Do đó tính
chất của tinh bột thay đổi và được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm, dược
phẩm, chất tẩy rửa và chất kết dính(Cui, 2005).
1.5.2.2. β-Amylase (1, 4-α-D-Glucan Maltohydrolase, EC 3.2.1.2):
β-amylase thủy phân ngoại mạch từ đầu không khử của mạch tinh bột. Amylose bị
thủy phân hoàn toàn thành đường maltose. Sản phẩm thủy phân là syrup giàu maltose (Cui,
2005)..
1.5.2.3. Cyclomaltodextrinase (CDase, EC 3.2.1.54):

Biến đổi tinh bột gạo thành sản phẩm tinh bột có hàm lượng amylose thấp. Hàm
lượng amylose giảm đáng kể từ 28,5% còn 9% trong khi đó khơng có thay đổi đáng kể
trong chiều dài chuỗi amylopectin. Bảo quản tinh bột ở 40C trong 7 ngày cho thấy tỉ lệ tái
kết tinh giảm so với mẫu đối chứng (Moorthy, 2004).
1.5.3. Phương pháp vật lí:
Phương pháp vật lý chủ yếu được ứng dụng để biến đổi cấu trúc hạt của tinh bột và
chuyển đổi tinh bột dạng tự nhiên không tan thành dạng tinh bột có thể hịa tan trong nước
lạnh hay tinh bột có vùng tinh thể nhỏ. Phương pháp vật lý có ưu điểm là khơng sử dụng
các hóa chất gây hại cho người sử dụng. Các phương pháp vật lý dùng trong biến tính tinh
bột thường dùng là xử lý nhiệt ẩm, hồ hóa, ủ(anneling), thối hóa (Neelam et al., 2012).

11

Luan van


1.5.3.1. Hồ hóa
Q trình hồ hóa làm thay đổi đáng kể tính chất hóa học và vật lí của tinh bột do sự
sắp xếp lại trong nội bộ phân tử và giữa các phân tử với nhau nhờ đó tinh bột có thể tan
trong nước. Với tinh bột bắp hàm lượng amylose đóng vai trị quan trọng trong giai đoạn
đầu q trình hồ hóa. Tinh bột hồ hóa được sử dụng rộng rãi trong các thực phẩm bảo quản
ở tủ lạnh và đông lạnh (Ratnayake & Jackson, 2006)
1.5.3.2. Phương pháp ủ (anneling)
Ủ là phương pháp xử lý tinh bột trong một lượng dư nước (> 60% w/w) hay một
lượng nước vừa phải (40 - 55%) dưới nhiệt độ hồ hóa. Mục đích của phương pháp này
nhằm làm tăng tính linh động của các phân tử trong tinh bột mà không xảy ra hiện tượng
hồ hóa, làm tăng mức độ hồn chỉnh tinh thể và tăng tính tương tác giữa mạch amyloseamylose và amylose-amylopectin. Tinh bột sau khi ủ có các tính chất như giảm tính trương
nở, tăng nhiệt độ hồ hóa, tính bền nhiệt và dễ bị thủy phân bởi α-amylase. Phương pháp ủ
làm thay đổi tính chất lý hóa của tinh bột nhưng không phá hủy cấu trúc hạt. Với tinh bột
lúa mì và khoai tây thì khơng có sự thay đổi trong loại tinh thể và mức độ kết tinh (Tester

& Debon, 2000).
1.5.3.3. Xử lí nhiệt ẩm (HMT)
Xử lý nhiệt ẩm là phương pháp vật lý trong đó tinh bột được điều chỉnh đến các độ
ẩm khác nhau (< 35 %) trong một khoảng thời gian nhất định ở nhiệt độ cao (100-1200C)
(Sarko & Wu, 1978). Tinh bột xử lý nhiệt ẩm có các đặc tính tiêu biểu như: giảm tính
trương nở tinh bột, giảm độ nhớt, tăng nhiệt độ hồ hóa, tính mẫn cảm trong thủy phân bằng
acid hay enzyme. Các đặc tính trên được quyết định bởi các yếu tố sau: hàm lượng
amylose, tương tác giữa các chuỗi tinh bột, sự xắp xếp chuỗi amylose trong vùng vơ định
hình, phức hợp amylose-lipid (Neelam et al., 2012). Hoover và Manuel (1996), Kweon và
đồng sự (2000) đã thử nghiệm trên nhiều loại tinh bột khác nhau và cho thấy rằng xử lý
nhiệt ẩm không những làm thay đổi vùng tái kết tinh mà còn làm thay đổi cả vùng vơ định
hình của hạt tinh bột. Họ cho rằng, hàm lượng amylose và chiều dài chuỗi tinh bột là hai
yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của sản phẩm. Ngồi ra cịn có sự
hình thành phức hợp giữa amylose và lipid trong quá trình xử lý nhiệt ẩm đối với tinh bột
hạt ngũ cốc (Jiranuntakul et al., 2013). Xử lý nhiệt ẩm tinh bột ngơ, lúa mì, khoai lang, đậu

12

Luan van