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 (Phần 1)

Nội dung text: 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 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM KHÓA 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 S K L 0 0 3 9 5 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM KHÓA 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
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NHIỆM VỤ KHÓA 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 thông 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 hoàn thành khóa luận: 16/07/2015 5. Họ tên người hướng dẫn 1: TS. Trịnh Khánh Sơn Phần hướng dẫn: Toàn 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 môn Người hướng dẫn chính (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, nhờ sự giúp đỡ tận tình và động viên của thầy, cô, nhà trường, các bạn sinh viên khóa 2011 và 2013 đã giúp e vượt qua mọi khó khăn, thử thách để hoàn 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 Môn Công Nghệ Thực Phẩm- Khoa Công 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 hoàn thành thí nghiệm trong suốt thời gian làm luận văn. Xin cảm ơn các thầy cô khoa Công Nghệ Thực Phẩm Trường Đại Học Công Nghệ Sài Gòn 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 hoàn thành thí nghiệm. ii
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn 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
6. 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
7. 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 công 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
8. 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
9. 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
10. 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
11. 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/vô 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) Không hồ hóa, (B) Hồ hóa 46 ix
12. 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
13. 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 không thể đáp ứng theo yêu cầu của một số ngành công 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 tôi 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 hòa tan nước tăng, độ hấp thụ nước và khả năng trương nở giảm sau khi xử lý Plasma. xi
14. 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 còn là nguyên liệu quan trọng trong công 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 thông 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. Không 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 không có. Ngoài ra, tinh bột trơ (RS) không 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
15. 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. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ liên kết α- 1,6 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
16. 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, không 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 không 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 ngô, yến mạch và gạo có hình dạng đa giác hoặc hình tròn. 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
17. Hình 1.2. Ảnh quét hiển vi điện tử (SEM) của các hạt tinh bột: (a) ngô bình thường; (b) ngô sáp; (c) khoai tây; (d) lúa mì; (e) miến; (f) ngô 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 vô định hình . Các vùng tinh thể và vùng vô 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 không 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 vô định hình được sắp xếp với chiều dày theo chu kỳ 9-10nm. Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch thẳng liên 4
18. kết với nhau thành các sợi xoắn kép, xếp thành dãy và tạo thành chùm trong khi phần mạch nhánh nằm trong các lớp vô định hình (Anh Hoàng Kim, Sương Kế Ngô, 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
19. 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 vô 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
20. 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 cm- 1(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 -1 phân tử tinh bột đã nhận thấy sự hấp thu tại đỉnh 1242 cm 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. -1 -1 Sự hấp thu tại đỉnh 1344 cm là do nhóm CH2. Những dao động trong vùng 900-950 cm 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 vô 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. -1 Vùng phổ 3000-2800 cm : 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
21. 1.4.1. Sự hồ hóa Tinh bột tự nhiên không hòa tan trong nước lạnh nhưng lại tan tốt trong nước nóng. Khi hạt tinh bột được đun nóng trong môi trường nước thì hạt tinh bột sẽ xảy ra quá trình biến đổi từ cấu trúc hạt sắp xếp có trật tự thành dạng vô 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 hòa 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 vô định hình. Khi hàm lượng nước tăng lên và trở nên không đủ cho quá trình tan chảy hoàn toàn 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 loãng như theo dự đoán 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 vô định hình ban đầu sang dạng tinh thể có trật tự hơn (Eliasson & Gudmundsson, 2006). Quá 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 đôi trong suốt quá trình lưu trữ tinh bột hồ hóa (Cui, 2005). Những thay đổi này xảy ra do tinh bột hồ hóa luôn luôn 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 soát 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