Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp và sắn dạng hạt qua quá trình xử lý argon plasma ở áp suất thường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THỊ LÝ

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN TÍNH VÀ SỰ THAY ĐỔI VỀ ĐỘ
TIÊU HÓA IN VITRO CỦA TINH BỘT BẮP VÀ SẮN
DẠNG HẠT QUA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ
ARGON-PLASMA Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
Chuyên ngành : Công nghệ thực phẩm và đồ uống
Mã số
: 60 54 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


i

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :................................................................................
TS. Trịnh Khánh Sơn
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ......................................................................................
GS. TS. Lưu Duẩn
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ......................................................................................
TS. Phan Tại Huân
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 30 tháng 12 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch Hội đồng: PGS. TS. Ngô Kế Sương
2. Phản biện 1: GS. TS. Lưu Duẩn
3. Phản biện 2: TS. Phan Tại Huân
4. Ủy viên: TS. Trịnh Khánh Sơn
5. Thư ký: TS. Trần Thị Ngọc Yên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC


ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Thị Lý

MSHV: 11110206

Ngày, tháng, năm sinh: 24 – 08 – 1988

Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm và đồ uống

Mã số : 60 54 02

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột
bắp và sắn dạng hạt qua quá trình xử lý Argon-plasma ở áp suất thường
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu q trình biến tính tinh bột bắp, sắn dạng hạt bằng Argon-plasma
nhằm tạo ra tinh bột liên kết ngang.
2. Đánh giá sự thay đổi về cấu trúc hóa học, đặc điểm hình thái, màu sắc và khả
năng bền nhiệt của tinh bột trước và sau xử lý Argon-plasma ở áp suất thường thông
qua các phép đo FTIR, SEM, không gian màu Lab và TGA.
3. Nghiên cứu độ tiêu hóa in vitro của tinh bột trước và sau xử lý Argon-plasma ở
áp suất thường.
4. Mơ tả đặc điểm hình thái của tinh bột sau khi enzyme tiêu hóa tấn cơng bằng kính
hiển vi điện tử quét (SEM).
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24-06-2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22-11-2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trịnh Khánh Sơn
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2013.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
(Họ tên và chữ ký)


iii

LỜI CẢM ƠN
Con xin đƣợc khắc ghi công ơn cha mẹ và các thành viên trong gia đình,
những ngƣời đã nuôi dƣỡng, dạy dỗ, động viên và chia sẻ cùng con những vui buồn
trong cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trịnh Khánh Sơn đã tận tình hƣớng dẫn,
truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em và giúp em có điều kiện
thuận lợi để thực hiện luận văn.
Em xin trân trọng biết ơn quý thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm
thuộc Khoa Kỹ Thuật Hóa Học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình
giúp đỡ, truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong suốt q trình học tập tại
trƣờng.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật,
lãnh đạo và các anh chị thuộc Trung Tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Công Nghệ
Bức Xạ, Trung Tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Khu Công Nghệ Cao đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho em thực hiện luận văn này.
Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên cao học khoá 2011,
2012 đã giúp đỡ, động viên tơi trong q trình học tập và thực hiện luận văn.

Tp. HCM, tháng 12 năm 2013
Học viên cao học

iv

ABSTRACT
Tapioca and maize starches have been widely used in the food industry.
However, native starches have limited in industrial applications. Thus, food
scientists try to modify the properties of starch such as heat stability, theology,
texture… In our current study, granular tapioca and maize starches were treated by
atmospheric Argon-plasma from 5 to 40 minutes at 4 to 9 KV. Structural properties
of

starch

samples

were

characterized

using

FTIR

spectroscopy

and

thermalgravimetric analyzer. The positive correlations between the degree of crosslinking, morphological properties and digestibility (especially in RS content) were
investigated. The results showed that the highest degree of cross-linking of treated
tapioca starch (2.47 times higher than that of native starch), was reached under 10
minutes, and 8 kW of treatment. Besides, the highest degree of cross-linking of

treated maize starch, two times higher than that of native, were reached under 20
minutes, and 6 kW of treatment. The morphology of treated tapioca and maize
starches showed slight changes in shape, sizes and colour compared with that of
native starch. The behavior of native and treated starches under enzymatic digestion
was obviously different depending on starch sources. Argon-plasma treatment
prevents starch granules from the digestion reflected in high content of resistant
starch. In summary, atmospheric Argon-plasma treatment is possible for heat stable
RS production.


v

TÓM TẮT
Tinh bột sắn và bắp đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực
phẩm. Tuy nhiên, tinh bột thô bị giới hạn trong các ứng dụng công nghiệp. Do đó,
các nhà khoa học thực phẩm cố gắng sửa đổi các thuộc tính của tinh bột nhƣ sự ổn
định nhiệt, kết cấu,... Trong nghiên cứu của chúng tôi, biến tính hạt tinh bột sắn và
bắp bằng xử lý Argon-plasma ở áp suất thƣờng với khoảng thời gian từ 5 đến 40
phút và điện áp xử lý từ 4 kV đến 9 kV. Đặc tính cấu trúc của mẫu tinh bột đƣợc
phân tích bằng quang phổ FTIR và nhiệt trọng lƣợng. Mối tƣơng quan giữa mức độ
liên kết ngang, đặc điểm hình thái và khả năng tiêu hóa (đặc biệt là hàm lƣợng RS )
đã đƣợc nghiên cứu. Kết quả cho thấy rằng ở tinh bột sắn mức độ liên kết ngang đạt
cao nhất khi xử lý mẫu ở 10 phút, 8kV (gấp 2,47 lần so với đối chứng). Bên cạnh đó
mức độ liên kết ngang đạt cao nhất trong tinh bột bắp xử lý gấp 2 lần mẫu thơ khi
xử lý mẫu ở 20 phút, 6 kV. Hình thái học của tinh bột sắn và bắp xử lý cho thấy
những thay đổi nhỏ trong hình dạng, kích thƣớc và màu sắc so với tinh bột thô .
Trạng thái của tinh bột thô và tinh bột xử lý khi tác dụng với enzyme tiêu hóa cho
thấy sự phụ thuộc vào nguồn gốc tinh bột. Xử lý Argon-plasma ngăn chặn hạt tinh
bột tiêu hóa điều này phản ánh hàm lƣợng tinh bột trơ trong tinh bột. Tóm lại, xử lý
Argon-plasma trong khí quyển có thể sản xuất ra tinh bột trơ (RS) bền nhiệt.

vi

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa
in vitro của tinh bột bắp và sắn dạng hạt qua quá trình xử lý Argon-plasma ở áp suất
thƣờng” là của riêng tôi. Luận văn đã sử dụng thông tin từ nhiều nguồn dữ liệu khác
nhau và đƣợc trích rõ nguồn gốc trong phần tài liệu tham khảo. Mọi kết quả ghi
nhận đƣợc trong luận văn là số liệu thật thu đƣợc từ các thí nghiệm.


vii

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
TÓM TẮT ...................................................................................................................v
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................x
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. xi
DANH MỤC BIỂU ĐỒ ........................................................................................... xii
CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................................... xiii
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.2. Cơ sở khoa học, tính thực tiễn và ý nghĩa của đề tài .......................................2
1.3. Nhiệm vụ của đề tài..........................................................................................3
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN.....................................................................................4

2.1. Giới thiệu chung ...............................................................................................4
2.2. Tinh bột ............................................................................................................5
2.2.1. Thành phần và cấu tạo hóa học .................................................................5
2.2.2. Hình dạng, kích thƣớc của hạt tinh bột tự nhiên .......................................9
2.3. Tinh bột biến tính ...........................................................................................10
2.3.1. Biến tính tinh bột bằng phƣơng pháp hóa học ........................................10
2.3.1.1. Tinh bột liên kết ngang ....................................................................11
2.3.1.2. Tinh bột ester....................................................................................11
2.3.1.3. Tinh bột ether ...................................................................................13
2.3.2. Biến tính tinh bột bằng phƣơng pháp enzyme ........................................13
2.3.3. Biến tính tinh bột bằng phƣơng pháp vật lý ............................................14
2.3.3.1. Xử lý nhiệt ẩm ..................................................................................15
2.3.3.2. Ủ .......................................................................................................15
2.3.3.3. Hồ hóa ..............................................................................................15
2.3.3.4. Xử lý plasma ....................................................................................16
2.4. Các phân đoạn tiêu hóa của tinh bột ..............................................................18
2.4.1. Tinh bột tiêu hóa nhanh (Rapidly Digestible Starch – RDS)..................19


viii

2.4.2. Tinh bột tiêu hóa chậm (Slowly Digestible Starch – SDS) ....................19
2.4.3. Tinh bột trơ (Resistant Starch – RS) .......................................................19
2.5. Các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây .............................................................21
2.5.1. Nghiên cứu về tinh bột biến tính bằng phƣơng pháp Argon-plasma ......21
2.5.2. Nghiên cứu về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột liên kết ngang ..............22
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ........................24
3.1. Địa điểm và thời gian tiến hành thí nghiệm ...................................................24
3.2. Nguyên liệu ....................................................................................................24
3.2.1. Tinh bột sắn .............................................................................................24

3.2.2. Tinh bột bắp ............................................................................................24
3.2.3. Enzyme ....................................................................................................25
3.3. Thiết bị và dụng cụ .........................................................................................25
3.4. Hóa chất .........................................................................................................29
3.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................30
3.5.1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian và điện áp xử lý Argon-plasma lên cấu
trúc của tinh bột sắn và bắp ...............................................................................30
3.5.2. Mô tả đặc điểm cấu trúc tinh bột bằng phổ hồng ngoại FTIR ................31
3.5.3. Khảo sát ảnh hƣởng của liên kết ngang đến khả năng chịu nhiệt của mẫu
tinh bột sắn, bắp ................................................................................................32
3.5.4. Khảo sát ảnh hƣởng của xử lý Argon-plasma lên đặc điểm hình thái của
tinh bột sắn, bắp ................................................................................................33
3.5.5. Khảo sát ảnh hƣởng của xử lý Argon-plasma lên màu sắc của tinh bột
sắn, bắp ..............................................................................................................34
3.5.6. Xác định khả năng tiêu hóa in vitro của mẫu tinh bột sau xử lý plasma
bằng enzyme pancreatin và amyloglucosidase .................................................34
3.5.7. Khảo sát ảnh hƣởng của enzyme tiêu hóa lên đặc điểm hình thái của tinh
bột sắn, bắp........................................................................................................35
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................36
4.1. Biến tính tinh bột sắn và bắp bằng phƣơng pháp Argon-plasma ở áp suất
thƣờng ...................................................................................................................36
4.1.1. Mô tả đặc điểm của tinh bột bằng phổ FTIR ..........................................36
4.1.2. Mức độ liên kết ngang.............................................................................39
4.1.2.1. Mức độ liên kết ngang trong tinh bột sắn ........................................39
4.1.2.2. Mức độ liên kết ngang trong tinh bột bắp ........................................42
4.1.3. Nhiệt trọng lƣợng (TGA) của tinh bột ....................................................45


ix

4.1.3.1. Nhiệt trọng lƣợng (TGA) của tinh bột sắn .......................................45
4.1.3.2.Nhiệt trọng lƣợng (TGA) của tinh bột bắp .......................................47
4.1.4. Đặc điểm hình thái ..................................................................................49
4.1.4.1. Đặc điểm hình thái của tinh bột sắn .................................................49
4.1.4.2. Đặc điểm hình thái của tinh bột bắp ................................51
4.2. Mức độ tiêu hóa in vitro và đặc điểm hình thái của tinh bột .........................53
4.2.1. Mức độ tiêu hóa in vitro ..........................................................................53
4.2.1.1. Mức độ tiêu hóa in vitro của tinh bột sắn ........................................53
4.2.2.2. Mức độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp ........................................55
4.2.2. Đặc điểm hình thái hạt tinh bột sau khi do enzyme tiêu hóa tấn cơng ...58
4.2.2.1. Tinh bột sắn ......................................................................................58
4.2.2.2. Tinh bột bắp .....................................................................................59
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................61
5.1. Kết luận ..........................................................................................................61
5.2. Kiến nghị ........................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................63
PHỤ LỤC ............................................................... ...................................................70


x

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Cấu trúc của amylopectin. ...........................................................................6
Hình 2.2. Cấu tạo của amylose, amylopectin. .............................................................7
Hình 2.3. Tinh bột biến tính bằng phƣơng pháp hóa học .........................................10
Hình 2.4. Cấu trúc của hạt tinh bột liên kết ngang....................................................11
Hình 2.5. Tác động của các nhóm thế trên phân tử tinh bột biến tính ......................12
Hình 2.6. Cơ chế thủy phân mạch tinh bột của các enzyme .....................................14
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý tạo plasma ......................................................................17
Hình 2.8. Các loại tinh bột RS ..................................................................................20

Hình 3.9. Thiết bị chiếu plasma bề mặt ....................................................................25
Hình 3.10. Thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR............................................................26
Hình 3.11. Thiết bị đo UV-vis ..................................................................................26
Hình 3.12. Thiết bị đo nhiệt trọng lƣợng ..................................................................27
Hình 3.13. Thiết bị chụp kính hiển vi điện tử qt ...................................................27
Hình 3.14. Thiết bị sấy ..............................................................................................28
Hình 3.15. Thiết bị ly tâm .........................................................................................28
Hình 3.16. Bể điều nhiệt ...........................................................................................28
Hình 3.17. Cân ..........................................................................................................29
Hình 3.18. Sơ đồ nghiên cứu.....................................................................................30
Hình 3.19. Quy trình chiếu Argon-plasma trên tinh bột sắn, bắp .............................31
Hình 3.20. Quy trình đo phổ FTIR trên tinh bột sắn, bắp .........................................32
Hình 3.21. Quy trình đo TGA trên tinh bột sắn, bắp ................................................33
Hình 4.22. Quang phổ FTIR của tinh bột sắn ...........................................................37
Hình 4.23. Quang phổ FTIR của tinh bột bắp ...........................................................38
Hình 4.24. Đƣờng cong TGA của tinh bột sắn .........................................................46
Hình 4.25. Đƣờng cong TGA của tinh bột bắp .........................................................48
Hình 4.26. Hiển vi điện tử quét trên mẫu tinh bột sắn thơ ........................................50
Hình 4.27. Hiển vi điện tử qt trên mẫu tinh bột bắp thơ .......................................52
Hình 4.28. Hiển vi điển tử quét trên hạt tinh bột sắn tiêu hóa ..................................59
Hình 4.29. Hiển vi điển tử qt trên hạt tinh bột bắp tiêu hóa ..................................60


xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Phổ FTIR cho phân tử tinh bơt ...................................................................8
Bảng 2.2. Đƣờng kính của một số hạt tinh bột điển hình. ..........................................9
Bảng 3.3. Các chỉ tiêu chất lƣợng nguyên liệu bột sắn .............................................24
Bảng 3.4. Các chỉ tiêu chất lƣợng nguyên liệu bột bắp. ...........................................24

Bảng 4.5. Đỉnh hấp thu các nhóm chủ yếu của tinh bột sắn .....................................37
Bảng 4.6. Đỉnh hấp thu các nhóm chủ yếu của tinh bột bắp .....................................38
Bảng 4.7. Ảnh hƣởng của điện áp và thời gian xử lý Argon-plasma đến mức độ hình
thành liên kết ngang trong sản phẩm tinh bột sắn biến tính ......................................41
Bảng 4.8. Ảnh hƣởng của điện áp và thời gian xử lý Argon-plasma đến mức độ hình
thành liên kết ngang trong sản phẩm tinh bột bắp biến tính .....................................44
Bảng 4.9. Mức độ hao hụt khối lƣợng của tinh bột sắn khi phân tích TGA .............47
Bảng 4.10. Mức độ hao hụt khối lƣợng của tinh bột bắp khi phân tích TGA ..........49
Bảng 4.11. Màu sắc của tinh bột sắn .........................................................................50
Bảng 4.12. Màu sắc của tinh bột bắp ........................................................................52
Bảng 4.13. Mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng RDS, SDS và RS và mức độ liên kết
ngang của tinh bột sắn ...............................................................................................54
Bảng 4.14. Mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng RDS, SDS và RS và mức độ liên kết
ngang của tinh bột bắp ..............................................................................................57


xii

DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 4.1. Cƣờng độ đỉnh của mẫu tinh bột sắn theo mức độ liên kết ngang .......42
Biểu đồ 4.2. Đỉnh OH ở các nghiệm thức với mức độ liên kết ngang khác nhau ....45
Biểu đồ 4.3. Mối tƣơng quan giữa mức độ liên kết ngang và hàm lƣợng RS trong
tinh bột sắn ................................................................................................................55
Biểu đồ 4.4. Mối tƣơng quan giữa mức độ liên kết ngang và hàm lƣợng RS trong
tinh bột bắp ................................................................................................................58


xiii

CHỮ VIẾT TẮT

FTIR:

Fourier transform infrared spectroscopy

SEM:

Scanning Electron Microscope

TGA:

Thermogravimetric analysis

RDS:

Rapidly digestible starch

SDS:

Slowly digestible starch

RS:

Resistant starch

FDA:

Food and Drug Administration

DS:

Degree of substitution

STMP:

Sodium trimetaphosphate

STPP:

Sodium tripolyphosphate

DNS:

Dinitro Salicylic Acid


1

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Nƣớc ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa rất thuận lợi cho phát triển nhiều
loại cây trồng. Trong đó, cây lƣơng thực chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất
nơng nghiệp và là nguồn nguyên liệu chủ yếu của ngành công nghiệp sản xuất tinh
bột.
Hàng năm, trên thế giới ƣớc tính có khoảng sáu mƣơi triệu tấn tinh bột đƣợc
sản xuất ra từ các loại ngũ cốc, cây lấy củ để sử dụng trong nhiều loại sản phẩm
khác nhau nhƣ: chất ổn định trong soup, chất kết dính, nguồn carbon trong sản xuất
ethanol,…[62]. Ở nƣớc ta theo niên giám thống kê năm 2011, diện tích trồng bắp là
1081,5 nghìn ha và sản lƣợng đạt 4646,4 nghìn tấn; diện tích trồng sắn là 559,8
nghìn ha và sản lƣợng đạt 9875,2 nghìn tấn. Mặc dù nguồn tinh bột bắp và sắn dồi
dào nhƣ vậy nhƣng đời sống của nơng dân vẫn cịn rất khó khăn do sản phẩm có giá

trị thƣơng mại thấp và chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu trong các ứng dụng và gia cơng.
Do đó, việc biến tính nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn là một nhu cầu bức
thiết [63].
Tính đến nay, đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc về
biến tính tinh bột. Trong đó phƣơng pháp tạo tinh bột liên kết ngang là một trong
các hƣớng đi rất đƣợc quan tâm. Liên kết ngang nhƣ là “mối hàn điểm” ở các vị trí
ngẫu nhiên bên trong cấu trúc của tinh bột, làm cấu trúc tinh bột thêm vững chắc,
bền với thời gian nấu kéo dài, bền với môi trƣờng acid và hạn chế khả năng bị thủy
phân bởi các enzyme amylase [3,4].
Biến tính tinh bột bằng phƣơng pháp Argon-plasma đang đƣợc các nhà khoa
học trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhờ vào khả năng tạo liên kết ngang mà
không sử dụng các hợp chất hóa học độc hại. Argon là một khí khơng màu, khơng
mùi, khơng gây phản ứng hóa học với mẫu xử lý nhƣng lại có khả năng truyền tải
phản ứng lên bề mặt mẫu thông qua các điện tử, ion trong q trình xử lý plasma.
Bên cạnh đó loại khí này khá phổ biến, chi phí thấp, sẵn có và cho năng suất cao khi


2

xử lý [5,6]. Các nghiên cứu về tinh bột liên kết ngang đƣợc tạo thành bởi phƣơng
pháp Argon-plasma trƣớc đây chỉ mới tập trung mơ tả các tính chất hóa học mà ít đề
cập đến tính chất hóa lý và độ tiêu hóa [7].
Từ những lý do nêu trên chúng tôi lựa chọn vấn đề : “Nghiên cứu sự biến tính
và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp và sắn dạng hạt qua quá trình
xử lý bằng Argon-plasma ở áp suất thường” làm luận văn thạc sỹ của mình.
1.2. Cơ sở khoa học, tính thực tiễn và ý nghĩa của đề tài
Trong điều kiện thƣờng các chất khí ở trạng thái trung hịa về điện. Khi có
một dịng điện (dịng các điện tử tự do) chạy qua chất khí thì tình trạng cân bằng sẽ
biến mất. Các điện tử tự do va chạm với các nguyên tử khí làm cho các điện tử ở
lớp vỏ ngồi cùng của ngun tử đó bắn ra. Khi bị mất một hoặc vài điện tử, nguyên

tử trở thành phần tử mang điện dƣơng (ion dƣơng). Khi đó, chất khí trở thành
plasma. Tinh bột dƣới tác dụng của các hạt electron, nguyên tử, phân tử, và ion
đƣợc phát ra từ plasma sẽ bị thay đổi cấu trúc trong đó có sự tạo thành các liên kết
ngang [5,8,9].
Tao tinh bột liên kết ngang bằng phƣơng pháp Argon-plasma là phƣơng pháp
còn khá mới với một số cơng trình nghiên cứu đã đƣợc công bố của các tác giả nhƣ
Deeyai và cộng sự (2012), Cheng-yi Lii và cộng sự (2001). Đây là nền tảng và cơ
sở khoa học để chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Thơng qua đề tài
“Nghiên cứu sự biến tính và sự thay đổi về độ tiêu hóa in vitro của tinh bột bắp và
sắn dạng hạt qua quá trình xử lý Argon-plasma ở áp suất thường” chúng tôi sẽ làm
sáng tỏ hơn cấu trúc, tính chất hóa lý và độ tiêu hóa của tinh bột liên kết ngang từ
đó đề xuất một phƣơng pháp sản xuất tinh bột có hàm lƣợng RS cao.
Nghiên cứu này có thể làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên ngành công
nghệ thực phẩm và những ngƣời quan tâm.


3

1.3. Nhiệm vụ của đề tài
- Nghiên cứu quá trình biến tính tinh bột bắp, sắn dạng hạt bằng Argon-plasma nhằm
tạo ra tinh bột liên kết ngang.
- Đánh giá sự thay đổi về cấu trúc hóa học, đặc điểm hình thái, màu sắc và khả năng
bền nhiệt của tinh bột trƣớc và sau xử lý Argon-plasma ở áp suất thƣờng thông qua
các phép đo FTIR, SEM, không gian màu Lab và TGA.
- Nghiên cứu độ tiêu hóa in vitro của tinh bột trƣớc và sau xử lý Argon-plasma ở áp
suất thƣờng.
- Mơ tả đặc điểm hình thái của tinh bột sau khi enzyme tiêu hóa tấn cơng bằng kính
hiển vi điện tử quét (SEM).

4

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Giới thiệu chung
Tinh bột là chất dinh dƣỡng dự trữ của thực vật, có nhiều trong tự nhiên, đƣợc
tạo thành do kết quả quá trình quang hợp của cây xanh. Nó là nguồn cung cấp
carbohydrate quan trọng trong chế độ dinh dƣỡng của ngƣời cũng nhƣ nhiều lồi
động vật [10]. Polymer sinh học này có nhiều trong bắp, sắn,…với hàm lƣợng tinh
bột từ 65 đến 90% (hàm lƣợng chất khô). Tinh bột từ nhiều nguồn khác nhau sẽ có
hình dạng, kích thƣớc và thành phần thay đổi. Các nguồn tinh bột tự nhiên nói
chung và sắn, bắp nói riêng hiện đều có sẵn trên thị trƣờng [11].
Sắn cịn gọi là khoai mì (Manihot esculenta Crantz), tiếng Anh là cassava hoặc
tapioca, có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới châu Mỹ La Tinh và đƣợc trồng cách đây
khoảng 5000 năm. Hiện nay, sắn đã có mặt trên 100 nƣớc vùng nhiệt đới, cận nhiệt
đới. Năm 2006 và 2007, sản lƣợng sắn thế giới đạt 226,34 triệu tấn củ tƣơi so với
2005 là 211,26 triệu tấn. Nƣớc có sản lƣợng sắn nhiều nhất là Nigeria (45,72 triệu
tấn), kế đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn). Việt Nam
đứng thứ mƣời về sản lƣợng sắn và là nƣớc thứ ba sau Thái Lan và Indonesia về
xuất khẩu tinh bột sắn trên thế giới. Sắn có nhiều công dụng trong chế biến công
nghiệp, thức ăn gia súc và lƣơng thực thực phẩm [1]. Trong số các loại cây lƣơng
thực có khả năng cho tinh bột thì sắn cung cấp carbohydrate lớn nhất cho ngƣời và
động vật cao hơn khoảng 40% so với gạo và 25% so với bắp [12]. Trong sắn,
protein chiếm 0,1 g/100 g và lipid 0,1 g/100 g [13].
Bắp cịn gọi là ngơ (Zea mays L), tiếng Anh là maize đƣợc gieo trồng rộng
khắp thế giới với sản lƣợng hàng năm rất cao. Bắp là một trong những loại cây
lƣơng thực quan trọng của nƣớc ta và thế giới. Nhờ giá trị dinh dƣỡng cao, có nơi
bắp đã thay thế gạo trong bữa ăn hàng ngày của ngƣời dân. Bên cạnh vai trò cung
cấp lƣơng thực cho con ngƣời, bắp còn là nguyên liệu quan trọng của công nghiệp
chế biến thức ăn gia súc và công nghệ sinh học, nhiều nƣớc đang sử dụng bắp để
chế biến ethanol - năng lƣợng sạch cho tƣơng lai [14]. Trong bắp hàm lƣợng protein

chiếm khoảng 0,3 g/100 g và lipid 0,8 g/100 g [13].


5

Cân bằng đƣờng huyết, tính tồn vẹn và chức năng của hệ tiêu hóa đƣợc duy
trì bởi chế độ ăn uống. Chế độ ăn uống nhiều carbohydrate làm tăng khả năng phát
bệnh béo phì và một số bệnh liên quan. Để tránh béo phì, tiểu đƣờng và tim mạch
việc duy trì cân bằng năng lƣợng là cần thiết. Nguồn carbohydrate cung cấp cho con
ngƣời khoảng 50-55% năng lƣợng cho mục đích dinh dƣỡng [15]. Bằng nghiên cứu
của mình Englyst đã giúp ta phân tích động học tiêu hóa tinh bột. Trong đó có ba
loại tinh bột là tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh
bột trơ (RS). Trong đó sự hình thành SDS và RS đóng vai trị nhƣ thực phẩm chức
năng, các nghiên cứu về cấu trúc của chúng đang thu hút nhiều nhà khoa học trên
thế giới [16].
Tinh bột tự nhiên có nhiều bất lợi trong các ứng dụng công nghiệp cũng nhƣ
dinh dƣỡng. Tuy nhiên, nhƣợc điểm này có thể đƣợc khắc phục bằng các phƣơng
pháp biến tính tinh bột nhƣ vật lý, hóa học và enzyme [17]. Các nghiên cứu ngày
nay tập trung vào phƣơng pháp tạo ra tinh bột biến tính khơng sử dụng các chất hóa
học. Phƣơng pháp vật lý có thể tạo tinh bột liên kết ngang một cách độc lập hoặc
kết hợp với một số phƣơng pháp khác để đạt đƣợc mục đích mong muốn. Xử lý
Argon-plasma đƣợc coi là phƣơng pháp an toàn hơn so với sử dụng hóa chất vì
khơng để lại dƣ lƣợng chất hóa học trong thực phẩm [5]. Để đat đƣợc hiệu quả xử lý
cao nhất, không làm phá hủy cấu trúc dạng hạt, tinh bột cần đƣợc duy trì ở mức ẩm
độ thấp, thời gian và điện áp xử lý nhất định.
Ngồi phƣơng pháp hóa học và vật lý ta có thể sử dụng enzyme để biến tính
tinh bột. Tùy thuộc vào mục đích khác nhau mà có thể sử dụng những loại enzyme
sau: amylases (thủy phân liên kết α-D(1-4) glucosidic), iso-amylase (thủy phân liên
kết α-D(1-6) glucosidic) và glucosyltransferases (chuyển liên kết α-D(1-4)
glucosidic),…[14].

2.2. Tinh bột
2.2.1. Thành phần và cấu tạo hóa học
Tinh bột là một polysaccharide có hai thành phần chính là amylose và
amylopectin. Phân tử amylose có dạng mạch thẳng ít phân nhánh đƣợc tạo thành
bởi các đơn phân glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-D(1-4) glycosidic. Hàm


6

lƣợng amylose chiếm khoảng 20 - 30% khối lƣợng tinh bột. Amylose có mức độ
polymer hóa (DP) từ 500 - 600, khối lƣợng phân tử trong khoảng 107- 109 g/mol.
Mạch phân tử amylose dài có thể hình thành cấu trúc xoắn helix dạng đơn hoặc đôi.
Nhiều phân tử nhƣ iodine, lipid, các acid béo và các hydroxycarboxylic có khả năng
tạo thành phức dạng mắt lƣới với amylose [18].
Tỷ lệ giữa lƣợng amylose và amylopectin khác nhau giữa các loại tinh bột.
Trong tinh bột thƣờng, hàm lƣợng amylopectin khoảng 75% [19]. Phân tử
amylopectin ngồi liên kết α-D(1-4) glycosidic cịn có liên kết α-D(1-6) glycosidic
với tỷ lệ 4 - 5% ( hình 2.1 và 2.2) [11,20]. Amylopectin là một trong số các đại phân
tử sinh học lớn nhất trong tự nhiên với mức độ polymer hóa (DP) trung bình là
2×106 và khối lƣợng phân tử lớn gấp vài lần so với phân tử amylose. Trong phân tử
amylopectin giữa các điểm phân nhánh có khoảng 20 - 25 phân tử glucose. Hầu hết
phân tử amylopectin có 3 loại mạch khác nhau về chiều dài. Mạch nhánh ngoài
cùng đƣợc gọi là chuỗi A, chuỗi A đƣợc gắn lên chuỗi B, chuỗi B đƣợc gắn lên
chuỗi B (B1, B2, B3 và B4) khác hoặc đƣợc gắn lên chuỗi C. Mỗi phân tử
amylopectin chỉ có 1 chuỗi C duy nhất hình 2.1 [21].

Hình 2.1. Cấu trúc của amylopectin [19].


7

Tinh bột có hàm lƣợng amylose cao làm giảm khả năng thủy phân của enzyme
amylase. Các nghiên cứu trƣớc đây cho thấy mối tƣơng quan cao giữa hàm lƣợng
amylose trong tinh bột và tỷ lệ RS [22]. Tỷ lệ amylose/amylopectin có mối liên hệ
chặt chẽ với chỉ số đƣờng huyết và lƣợng insulin [24]. Chỉ số glyacemic và insulin
sau bữa ăn đối với tinh bột bắp đã đƣợc nghiên cứu và nhận thấy bữa ăn nhiều tinh
bột bắp có hàm lƣợng amylose cao (70%) thì có RS 20 g/100 g chất khơ cao hơn so
với bột bắp bình thƣờng (25% amylose) chỉ có 3 g/100 g chất khơ [23].

Hình 2.2. Cấu tạo của (a) amylose, (b) amylopectin [17].


8

Ngày nay bằng phƣơng pháp phổ FTIR các nhà khoa học có thể định tính,
định lƣợng và mơ tả cấu trúc trong phân tử từ đó giúp phân loại và dự báo các tính
chất lý hóa của tinh bột [2]. Trong phân tích, vùng phổ có ý nghĩa thực tiến 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 cm-1 [24].
Vùng < 800 cm-1: chứa những giao động phức tạp đặc trƣng nhất là của đƣờng
pyranose mạch vòng.
Vùng 1500 - 800 cm-1: dạng hấp thu trong vùng này thƣờng phức tạp, với các
dải có liên quan đến tƣơng tác của các dao động. Trong vùng này sự rung động
chiến ƣu thế là dao động của khung pyranose trong phân tử glucose của tinh bột.
Đây cũng là lý do mà thông tin thu đƣợc từ phổ glucose đƣợc xem nhƣ tần số dao
động của phân tử tinh bột. Cael và cộng sự (1885), Kizil và cộng sự (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 giao động liên quan đến nguyên tử carbon và
hydro đƣợc quan sát ở vùng phổ 1500 - 1300 cm-1. Sự hấp thu tại đỉnh 1344 cm-1 là
do nhóm CH2. Những giao động trong vùng 900 - 950 cm-1 có nguồn gốc từ liên kết

glycosis C-O-C [25,26].
Phân tử nƣớc hấp thu trong vùng vô định hình của tinh bột có thể đƣợc 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 nhƣ không thể quan sát đƣợc. 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.
Ngồi ra các nhà khoa học cũng có thể xác định đƣợc sự thay đổi về tính chất
vật lý, hóa học của vật liệu bằng cách phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) thông qua
hàm nhiệt độ hoặc hàm thời gian. TGA có thể cung cấp thơng tin về các hiện tƣợng
vật lý nhƣ: sự chuyển pha bao gồm thăng hoa, hấp thụ, hấp phụ,… hoặc các hiện
tƣợng hóa học nhƣ hiện tƣợng mất nƣớc, phân hủy, các quá trình oxy hóa [53].


9

Bảng 2.1. Phổ FTIR cho phân tử tinh bơt
Hấp thu
(cm-1)

Nhóm

< 800

pyranose

860

C-H, CH2

930

Liên kết α-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 nƣớc vào vùng vơ định hình của tinh bột

3000 - 2800

CH2

3000 - 3600

O-H

2.2.2. Hình dạng, kích thƣớc của hạt tinh bột tự nhiên
Hình dạng của hạt tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật. Điều này cho
thấy yếu tố di truyền có ảnh hƣởng rất lớn. Các hạt có kích thƣớc rất nhỏ đƣợc tìm
thấy trong tinh bột gạo, yến mạch; kích thƣớc lớn hơn đƣợc tìm thấy trong tinh bột
chuối, khoai tây [13]. Hạt tinh bột nhỏ thì khả năng thủy phân bởi enzyme cao hơn
so với hạt tinh bột có kích thƣớc lớn do diện tích tiếp xúc lớn hơn [30]. Đƣờng kính
một số hạt tinh bột điển hình đƣợc thể hiện ở bảng 2.2.
Bảng 2.2. Đƣờng kính của một số hạt tinh bột điển hình [29].
Loại tinh bột

Kích thƣớc
(µm)

Bắp

5 - 25

Khoai tây

15 - 100

Gạo

3-8

Sắn

5 - 35

Bột mì

2 - 38


10

Ngày nay, bằng phƣơng pháp chụp hình nhờ hiển vi điện tử qt, hình dạng và
kích thƣớc của tinh bột đã đƣợc quan sát rõ ràng. Tinh bột sắn có màu rất trắng, bề
mặt nhẵn, có hình nón hay hình trứng vát đầu, có một chỗ lõm và núm ở giữa [13].
2.3. Tinh bột biến tính
Biến tính tinh bột là cách để làm thay đổi cấu trúc nhằm nâng cao và mở rộng
ứng dụng của nó. Những thay đổi diễn ra ở cấp độ phân tử có ít hoặc khơng có sự
thay đổi xuất hiện bên ngồi hạt tinh bột [3].
Tinh bột biến tính đã khắc phục đƣợc những yếu tố bất lợi của tinh bột tự
nhiên nhƣ không tan trong nƣớc, độ nhớt thấp, q trình thối hóa xảy ra sau khi
tinh bột đã qua hồ hóa nhờ các phƣơng pháp vật lý, hóa học và enzyme.
2.3.1. Biến tính tinh bột bằng phƣơng pháp hóa học
Biến tính bằng phƣơng pháp hóa học đƣợc thực hiện trên ba trạng thái của tinh
bột là huyền phù, bột nhão và rắn. Các biến đổi hóa học phổ biến nhất gồm: q
trình oxy hóa, ester hóa, ether hóa, và liên kết ngang. Kết quả làm tăng cƣờng sự ổn
định của các phân tử tinh bột trƣớc các tác động của cơ học, acid, nhiệt độ [31].

Este hóa

Ether hóa

Oxi hóa

Liên kết ngang

Hình 2.3. Tinh bột biến tính bằng phƣơng pháp hóa học [32]


11

2.3.1.1. Tinh bột liên kết ngang
Tinh bột chứa nhóm hydroxyl, quan trọng nhất là ở vị trí C-6 kế tiếp là C-2 và
C-3. Những nhóm hydroxyl này có thể phản ứng với các tác nhân đa chức năng trên
cùng một phân tử hay trên các phân tử tinh bột khác nhau kết quả hình thành lên
liên kết ngang trong tinh bột. Liên kết ngang giúp củng cố cấu trúc hạt tinh bột, hạn
chế sự trƣơng nở, chịu đƣợc các quá trình gia cơng khắc nghiệt nhƣ nhiệt độ cao,
khấy trộn mạnh hay môi trƣờng acid [31]. Tinh bột liên kết ngang với tỷ lệ hồ hóa
chậm đƣợc sử dụng trong thực phẩm đóng hộp, trong súp, nƣớc thịt, nƣớc sốt, bánh,
và các loại thực phẩm chiên. Các nhân tố quan trọng trong việc tạo các liên kết
ngang gồm: thành phần hóa chất, nồng độ hóa chất sử dụng, thời gian và nhiệt độ
phản ứng [33].
Tác nhân tạo liên kết ngang đƣợc FDA cho phép gồm: phosphorous
oxychloride (POCl3), sodium trimetaphosphate (Na3P3O9) và hỗn hợp sodium
trimetaphosphate và sodium tripolyphosphate để tạo ra các sản phẩm distarch
phosphate, hỗn hợp adipic alhydride và acetic alhydride để tạo distarch adipate [17].

Hình 2.4. Cấu trúc của hạt tinh bột liên kết ngang
2.3.1.2. Tinh bột ester

Tinh bột este là tinh bột biến tính trong đó một số nhóm hydroxyl đã đƣợc
thay thế bởi các nhóm este. Mức độ thế (DS) có thể đạt tối đa là 3,0 khi cả ba nhóm
hydroxyl đƣợc thay thế trên mỗi phân tử đƣờng glucose của cùng một chuỗi tinh
bột. DS có thể đƣợc tính bằng phƣơng trình sau đây [31]: