Ảnh hưởng của độ ẩm lên các tính chất hóa lý của tinh bột sắn được chiếu xạ gamma

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung

Tinh bột là nguồn carbohydrate dự trữ phong phú có mặt trong các bộ phận của thực vật như củ, rễ, lá, quả và hạt, bao gồm gạo, lúa mì, ngô, khoai tây và sắn Đây là thực phẩm chính và cung cấp năng lượng chủ yếu trong chế độ ăn uống của con người (Jin, 2018).

Tinh bột là một thành phần quan trọng được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, dệt may, mỹ phẩm và dược phẩm Trong ngành công nghiệp thực phẩm, tinh bột có nhiều ứng dụng như chất làm đặc, chất tạo màng và chất ổn định cho đồ ăn nhẹ, sản phẩm thịt và nước ép trái cây Các ứng dụng chính của tinh bột bao gồm điều chỉnh độ nhớt, độ ổn định khi đông lạnh và rã đông, cũng như ảnh hưởng đến độ trong, màu sắc và tính chất phủ màng Những đặc tính này phụ thuộc vào cấu trúc và tỷ lệ amylose và amylopectin Tuy nhiên, tinh bột tự nhiên thường không đáp ứng được yêu cầu do độ ổn định nhiệt độ thấp và độ thoái hóa cao Để cải thiện các đặc tính này, tinh bột thường được biến đổi bằng hóa chất, vật lý hoặc enzyme.

Sắn, thuộc họ Spurge (Euphoriaceae), được chia thành hai loại Manihot dựa trên hàm lượng xyanua trong rễ: Manihot ultissima phol và Manihot palmata Tinh bột sắn chứa khoảng 18% đến 23% amylose, có trọng lượng lớn hơn và phân nhánh nhiều hơn so với amylose trong ngô, ảnh hưởng đến quá trình thoái hóa và tạo gel Sắn là lựa chọn lý tưởng cho thực phẩm dành cho trẻ em và được trồng phổ biến nhất ở Brazil và Thái Lan.

Bảng 2 1 So sánh tinh bột sắn với một số tinh bột thông thường khác (Breuninger, W F et al., 2009)

Cấu trúc của hạt tinh bột

Hạt tinh bột chủ yếu bao gồm amylose và amylopectin, chiếm 98-99% trọng lượng khô của tinh bột Amylopectin thường có mặt với tỷ lệ cao hơn amylose, ngoại trừ một số loại tinh bột amylose cao, tinh bột sáp và tinh bột biến đổi gen Tỷ lệ amylose và amylopectin phụ thuộc vào loại cây, với tinh bột tự nhiên thường chứa 20-30% amylose Tỷ lệ này ảnh hưởng đến các đặc tính hóa lý và chức năng của tinh bột; hạt tinh bột có hàm lượng amylose cao thường có độ thoái hóa cao và khả năng hấp thụ nước thấp khi nấu, trong khi hạt tinh bột có hàm lượng amylopectin cao (tinh bột sáp) thể hiện độ nhớt cao và độ thoái hóa thấp.

Amylose là một polysaccharide được hình thành từ 600 đến 3000 đơn vị glucose liên kết với nhau qua các liên kết α-1,4-glycoside và có cấu trúc xoắn ốc nhờ các liên kết hydro nội phân tử (Brander et al., 2012) Mặc dù amylose thường được coi là phân tử phân nhánh hoặc mạch thẳng với một số nhánh, nhưng nó vẫn có chuỗi dài hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị glycosyl Amylose đóng vai trò là thành phần nhỏ, mạch thẳng hoặc hơi phân nhánh của tinh bột, với phân tử amylose phân nhánh thường lớn hơn so với amylose mạch thẳng, mặc dù độ dài chuỗi trung bình lại ngắn hơn chuỗi đơn của amylose mạch thẳng.

Nguồn Đường kính nội nhũ

(àm) Đường kính trung bình (àm)

Hàm lượng amylose (%) Đề polymer hóa amylose

Bột mì 1–45 21 28 800 0.06 0.2 0.40 0.8 a Giá trị xấp xỉ b không áp dụng

Amylopectin là thành phần chính trong tinh bột, có cấu trúc phân nhánh cao và kích thước lớn hơn amylose Với khoảng 5% phân tử là các nhánh, amylopectin tạo ra cấu trúc phân tử phức tạp Các chuỗi ngắn của nó hình thành chuỗi xoắn kép, góp phần vào quá trình kết tinh và hình thành cấu trúc bán tinh thể của tinh bột (Bertoft, 2017).

Hình 2 1 Cấu tạo của amylose và amylopectin (Moorthy, 2004) Đơn vị cơ bản

Đặc điểm chung của tinh bột

2.3.1 Hình thái hạt tinh bột

Hạt tinh bột có kích thước từ 1 đến 100 mm và hình dạng đa dạng như đa giác, hình cầu và dạng thấu kính, chịu ảnh hưởng bởi hàm lượng, cấu trúc và tổ chức của amylose, amylopectin, cũng như mức độ kết tinh (Magallanes‐Cruz et al., 2017) Đặc biệt, sự thay đổi trong cấu trúc hạt tinh bột giữa các giống cây trồng rõ rệt hơn ở khoai tây, với kích thước trung bình từ 1 đến 7 µm cho hạt nhỏ và 15 đến 20 µm cho hạt lớn Hạt tinh bột gạo thường có kích thước từ 3 đến 5 µm, trong khi hạt tinh bột khoai tây có hình bầu dục và không đều hoặc hình khối (J Singh et al., 2007) Tinh bột sắn có hạt tròn hoặc cắt ngắn, còn hạt tinh bột ngô có hình dạng đa giác, với kích thước tương tự (5 - 20 µm cho tinh bột ngô và 3 - 32 µm cho tinh bột sắn) (Waterschoot et al., 2015).

Hạt nội nhũ tinh bột lúa mì, nội nhũ của tinh bột bắp, tinh bột của hạt gạo, tinh bột khoai tây, tinh bột củ sắn và tinh bột lá cây Arabidopsis đều là những nguồn tinh bột quan trọng trong thực phẩm và công nghiệp Các loại tinh bột này không chỉ cung cấp năng lượng mà còn có ứng dụng đa dạng trong chế biến thực phẩm và sản xuất.

2.3.2 Cấu trúc hạt tinh bột

Tinh bột được sinh tổng hợp dưới dạng hạt bán nguyệt, với hình dạng và kích thước phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật Các dạng tinh bột có cấu trúc đa dạng và được phân chia thành nhiều cấp bậc khác nhau Cấu trúc trung gian của tinh bột bao gồm các vùng vô định hình và khoảng cách vô định hình từ 9 - 10nm, các khối có kích thước từ 30 - 200nm, các vòng tăng trưởng từ 200 - 600nm, cùng với các sắp xếp siêu phân tử khác như siêu liên kết (Lourdin et al., 2015).

Hình 2 3 Cấu trúc của hạt tinh bột (Tang et al., 2006)

Cấu trúc tinh bột bao gồm các thành phần chính như vòng sinh trưởng, khối (blocklet) và lamen (lamellar) Vòng sinh trưởng tạo thành các vòng sáng, có độ dày khoảng vài trăm nanomet, với xu hướng dày hơn ở bên trong và mỏng dần ra ở bên ngoài (Atkin et al.).

Amylose chủ yếu tồn tại ở trạng thái vô định hình, trong khi các vòng tinh thể thường được gọi là vòng bán tinh thể Amylopectin được xem là hợp chất chính trong cấu trúc này, với amylose đóng vai trò là một phần của chúng (Koroteeva et al., 2007b; Koroteeva et al., 2007a).

Khối (blocklet) là thành phần cấu tạo của vỏ và hạt, được nghiên cứu trên các loại thực phẩm như khoai tây thường, khoai tây sáp, đậu và tinh bột ngô Các blocklet trên bề mặt hạt được phân tích thông qua kính hiển vi, giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của chúng.

Blocklet là một cấu trúc có kích thước từ 20 đến 300 nm, thường có hình dạng cầu hoặc elip, được tìm thấy trong cả vùng bán tinh thể và vòng vô định hình (Huang et al., 2017) Kích thước của một blocklet đơn có thể đại diện cho một hoặc vài phân tử amylopectin, trong khi amylose cũng có thể tham gia vào cấu trúc của blocklet, đóng vai trò như một vật liệu kết nối bên ngoài Hạt khoai tây có kích thước blocklet lớn hơn, dao động từ 50 đến 300 nm, so với hạt lúa mì chỉ từ 10 đến 60 nm (Bertoft, 2017).

Lamem (lamellar) chủ yếu được cấu tạo từ amylopectin, với các tinh thể lamellar được hình thành từ các chuỗi ngắn xoắn kép amylopectin có từ 11 đến 15 đường khử glucose Amylose đóng vai trò trong cấu trúc và có khả năng can thiệp vào cách sắp xếp tinh thể của chuỗi xoắn amylopectin Các phân tử amylose có thể xen kẽ với các chuỗi bên trong của amylopectin, kéo dài vào các tinh thể lamellar hoặc qua nhiều lớp lamellar (Koroteeva et al., 2007b), (Koroteeva et al., 2007a).

Quá trình thủy phân đã xác định sự phân bố giữa vùng tinh thể và vùng vô định hình của tinh bột Phản ứng thủy phân diễn ra nhanh chóng ở vùng vô định hình, nơi có chứa các phân nhánh α - 1,6 - glycoside trong giai đoạn đầu, sau đó tiếp tục ở khu vực kết tinh (Q Liu, 2005).

2.3.3 Các kĩ thuật biến tính tinh bột

2.3.3.1 Kĩ thuật biến tính bằng phương pháp hóa học a) Liên kết ngang (Cross-linking)

Khi tinh bột được xử lý bằng tác nhân hóa học, liên kết ngang hình thành giữa các phân tử, làm tăng trọng lượng trung bình của hạt tinh bột Các hạt tinh bột liên kết ngang củng cố các liên kết hydro, tạo ra sự thay đổi đáng kể về tính chất hồ hóa và trương nở, hạn chế sự trương nở trong quá trình hồ hóa, phụ thuộc vào số lượng liên kết ngang (Rutenberg et al., 1984) Sự gia tăng số lượng tinh bột liên kết ngang khiến tinh bột trở nên kháng hồ hóa, từ đó cung cấp sự ổn định về acid, nhiệt và cắt cho tinh bột tự nhiên (Eliasson).

8 b) Tinh bột oxy hóa (Oxidation)

Oxy hóa carbohydrate thành vật liệu chứa carboxyl là phương pháp hiệu quả cho các vật liệu phân hủy sinh học Quá trình này sử dụng hypochlorite kiềm để tạo ra các nhóm chức carboxyl (COOH) và carbonyl (C=O), góp phần vào việc khử trùng hợp mạch tinh bột (Eliasson, 2004) Tinh bột oxy hóa thường có độ trong suốt và tính ổn định cao hơn so với tinh bột biến tính bằng acid, nhờ vào sự hiện diện của các nhóm carboxylate lớn hơn hydroxymethyl, tạo ra cản trở không gian cho quá trình thoái hóa và tích điện âm của các nhóm carboxylate (Bertolini, 2009) Tinh bột oxy hóa được biết đến với khả năng tạo màng tốt, góp phần cải thiện độ bền và khả năng in của giấy, đồng thời cũng được ứng dụng rộng rãi trong ngành dệt may (Zhang et al.).

2012) c) Tinh bột dextrin hóa (dextrinization)

Tinh bột dextrin được sản xuất bằng cách đun nóng tinh bột, có thể có hoặc không thêm acid Có ba loại pyrodextrin: dextrin trắng, dextrin vàng và British gum Dextrin vàng được hình thành ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, trong khi British gum được tạo ra ở nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn nhưng không hoặc ít sử dụng acid (Bertolini, 2009).

Quá trình cation truyền điện tích dương cho chuỗi tinh bột thông qua việc tạo ra các dẫn xuất từ thuốc thử chứa imino, amino, ammonium, amoni, sulfonium hoặc phosphonium Các dẫn xuất này được sử dụng làm chất phụ gia và chất ướt bề mặt trong ngành công nghiệp giấy, nhằm tăng cường độ bền, cũng như làm chất kết tụ trong khử nước bùn và khai thác khoáng sản (Bertolini, 2009).

2.3.3.2 Kỹ thuật biến tính bằng phương pháp vật lý a) Tinh bột tiền hồ hóa (Pregelatinization)

Phương pháp tiền hồ hóa tinh bột bao gồm việc áp dụng nhiệt để hồ hóa, sau đó sấy khô và nghiền, nhằm tạo ra các thành phần tinh bột có khả năng hòa tan trong nước lạnh và làm đặc (Bertolini, 2009) Có ba dạng tinh bột tiền hồ hóa: sấy khô (phổ biến), ép đùn (hiếm gặp) và sấy phun (thường được sử dụng) (Eliasson, 2004) Tinh bột tiền hồ hóa thường được dùng làm chất làm đặc cho các sản phẩm như bánh, bánh pudding, nước sốt và thức ăn cho trẻ em, đồng thời tạo ra kết cấu giòn, giúp cải thiện độ sánh của súp, nước thịt và nước sốt (Xie et al., 2005).

9 b) Xử lý nhiệt ẩm (Heat - moisture treatment)

Phương pháp xử lý nhiệt ẩm là một kỹ thuật vật lý giúp duy trì cấu trúc hạt mà không bị phá vỡ, yêu cầu kiểm soát tỉ lệ tinh bột và độ ẩm, cũng như nhiệt độ và thời gian gia nhiệt (da Rosa Zavareze et al., 2011) Phương pháp này không chỉ làm tăng nhiệt độ hồ hóa mà còn giảm nhiệt độ hồ hóa của tinh bột Tinh bột khoai tây qua xử lý nhiệt ẩm có thể thay thế tinh bột ngô và nâng cao chất lượng sản phẩm nướng (Lorenz et al., 1981) Ngoài ra, xử lý nhiệt ẩm còn giúp giảm độ nhạy của tinh bột với quá trình thủy phân bằng acid, đặc biệt là đối với tinh bột ngô và đậu (Xie et al., 2005).

Tác dụng của gamma đến tinh bột

Tia gamma truyền năng lượng qua hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton, dẫn đến việc giải phóng năng lượng tương tự như các gia tốc electron Khi năng lượng này được hấp thụ bởi vật chất, các electron tương tác với nó, gây ra hai hiệu ứng chính: ion hóa và kích thích các nguyên tử, phân tử của chất, như thể hiện trong Hình 1.4.

Chiếu xạ có thể ảnh hưởng đến polymer tinh bột bằng cách gây ra sự phân giải hoặc tạo liên kết chéo giữa các chuỗi tinh bột (Bhat et al., 2009).

Ion hóa là quá trình mà nguyên tử hoặc phân tử trung tính trở nên tích điện, tạo ra các ion thông qua việc mất hoặc bắt giữ electron Khi một electron chưa ghép cặp được giải phóng, nó tạo ra gốc tự do, một hóa chất có khả năng phản ứng cao Các phản ứng thứ cấp có thể dẫn đến sự phân ly của phân tử bị kích thích thành hai gốc hoặc hai phân tử khác nhau Những gốc tự do này có thể tái hợp, hình thành lại phân tử ban đầu hoặc tạo ra các phân tử mới (Brașoveanu et al, 2018).

Tinh bột khi được xử lý bằng chiếu xạ gamma sẽ tương tác với phân tử nước trong thực phẩm, dẫn đến sự phân hủy của các phân tử nước thành các gốc tự do (ãOH và ãH) có năng lượng cao.

Các hạt nhân tự do có năng lượng cao gây ra sự thay đổi trong cấu trúc tinh bột thông qua việc tạo liên kết chéo, đặc biệt khi có sự hiện diện của oxy Tia gamma làm phá vỡ liên kết glycoside ở đầu chuỗi, dẫn đến những thay đổi về tính chất hóa lý và chức năng của tinh bột (Bashir & Aggarwal, 2019) Các polymer chịu bức xạ ion hóa có thể gia tăng hoặc giảm trọng lượng phân tử, làm thay đổi tính chất cơ học của vật liệu (Ramos‐Ballesteros et al., 2019) Ứng dụng bức xạ ion hóa, bao gồm gamma và chùm tia electron, tạo ra các gốc tự do có khả năng làm thay đổi cấu trúc phân tử và phân mảnh tinh bột, dẫn đến giảm độ nhớt và tăng độ hòa tan trong nước Trong quá trình này, các liên kết glycoside bị phá vỡ, gây phân hủy đại phân tử và tạo ra các chuỗi nhỏ hơn, đồng thời giảm số lượng pha tinh thể cũng như hàm lượng amylose và amylopectin Bức xạ cũng thúc đẩy sự hình thành liên kết ngang trong tinh bột khi có oxy Sản phẩm chính của quá trình chiếu xạ carbohydrate bao gồm acid formic, acetaldehyde và formaldehyde (Bhat et al, 2009).

Tính chất công nghệ của tinh bột

2.5.1 Độ truyền suốt của tinh bột Độ truyền suốt của tinh bột được ứng dụng trong thực phẩm và dệt may và phụ thuộc vào lực liên kết giữa các phân tử tinh bột trong hạt Tinh bột sắn có lực liên kết yếu giữa các phân tử so với các tinh bột ngũ cốc và có độ truyền suốt tốt hơn (Moorthy, 2004)

2.5.2 Độ hòa tan và khả năng trương nở

Polysaccharide có nhiều khả năng hòa tan, với một số loại hòa tan trong nước lạnh, một số khác chỉ hòa tan trong nước nóng, và một số hòa tan trong cả hai Những chất không hòa tan trong nước sôi (Cui, 2005) Các yếu tố như tỉ lệ amylose - amylopectin, chiều dài chuỗi, sự phân bố khối lượng phân tử, mật độ và chiều dài của nhánh ảnh hưởng đến khả năng trương nở và độ hòa tan Tinh bột sắn có độ trương nở trung bình cao hơn so với khoai tây và ngũ cốc, đồng thời có độ hòa tan cao nhất trong các loại tinh bột củ Giá trị độ hòa tan cho thấy tinh bột tan tốt trong dung môi.

Môi phân cực, như nước, có khả năng hòa tan cao với tinh bột khi được đun nóng Quá trình này làm phá vỡ cấu trúc tinh thể của tinh bột, nhờ vào sự bẻ gãy các liên kết hydro Các phân tử nước kết hợp với nhóm hydroxyl của amylose và amylopectin, dẫn đến sự tăng độ trương nở và độ hòa tan của tinh bột (Alford et al, 2004).

Khả năng trương nở của tinh bột, chủ yếu là amylopectin, thể hiện khả năng giữ nước và có thể đo ở nhiệt độ từ 50 - 95 độ C (Kong, 2018) Quá trình trương nở bắt đầu từ vùng ít tổ chức và vô định hình, khi các hạt tinh bột phồng lên, chúng tạo ra lực căng lên các tinh thể lân cận, dẫn đến hiện tượng bóp méo Nhiệt độ cao làm giảm sự kết dính và phân ly các vùng xoắn ốc, phá vỡ cấu trúc tinh thể của amylopectin Cuối cùng, các chuỗi amylopectin trở nên ngậm nước và tiếp tục làm suy yếu cấu trúc tinh bột (French, 1984).

2.5.3 Độ ổn định lạnh đông và rã đông (Freeze-thaw stability)

Trong quá trình lạnh đông, việc vận chuyển và phân phối thực phẩm đông lạnh và rã đông thường dẫn đến sự suy giảm chất lượng so với thực phẩm không đông Quá trình này có thể ảnh hưởng đến thành phần dinh dưỡng của thực phẩm (P Wang et al., 2018).

Nghiên cứu của Szymońska et al (2003) chỉ ra rằng độ ổn định trong quá trình lạnh đông và rã đông ảnh hưởng đến tính chất gel, khả năng hấp thụ nước và giữ nước của hạt tinh bột Sự chuyển đổi từ trạng thái vô định hình sang trạng thái kết tinh hoặc có trật tự hơn được gọi là thoái hóa, điều này chỉ xảy ra khi có một lượng nước tối thiểu và hàm lượng nước cùng nhiệt độ lưu trữ đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát tốc độ và mức độ thoái hóa Nhiều chất như lipid và chất hoạt động bề mặt có thể can thiệp vào quá trình này Xu hướng thoái hóa của các loại tinh bột thực vật khác nhau không chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ amylose - amylopectin (Eliasson et al., 1996) Thoái hóa diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu tiên là sự hình thành vùng kết tinh amylose bị thoái hóa, trong khi giai đoạn thứ hai liên quan đến việc hình thành cấu trúc có trật tự trong amylopectin (Xie et al., 2005).

Tính chất hóa lý của tinh bột

2.6.1 Khả năng tạo phức với iodine

Amylose là một polysaccharide có cấu trúc xoắn ốc, được xác nhận qua phức hợp màu xanh đậm hình thành khi tiếp xúc với iodine Nghiên cứu của Hanes (1937) đã chỉ ra mối liên hệ giữa cấu trúc xoắn ốc của amylose và phản ứng với iodine, khẳng định vai trò quan trọng của nó trong hóa sinh.

Màu sắc và tỉ trọng của hỗn hợp phụ thuộc vào chiều dài của amylose (CL) Khi CL vượt quá 80, bước sóng cực đại để hấp thu ánh sáng sẽ lớn hơn 610nm Sự thay đổi của λmax dẫn đến sự thay đổi nhỏ trong bước sóng và làm biến đổi màu sắc thành màu đỏ cho các chuỗi ngắn.

Phương pháp đo quang phổ 2 bước sóng đã được sử dụng để xác định tỉ lệ amylose/amylopectin trong mô lá và củ khoai tây Quá trình này bao gồm việc đo phổ ở 6 bước sóng khác nhau: 504nm, nơi sự khác biệt giữa phổ amylose và amylopectin đạt mức cao nhất với độ hấp thụ của amylopectin lớn hơn; 548nm, tại đây độ hấp thụ của amylopectin đạt cực đại; 580nm, nơi có độ hấp thụ cực đại cho tỷ lệ 20% amylose và 80% amylopectin; 630nm, với độ hấp thụ cực đại của amylose; 700nm, tại đây độ hấp thụ của amylose vượt trội hơn so với amylopectin; và cuối cùng, 800nm, nơi amylose có độ hấp thụ tốt nhất và độ hấp thụ của amylopectin bằng không (Peris-Tortajada, 2018).

2.6.2 Đo quang phổ hồng ngoại FTIR ( Fourier-transform infrared spectroscopy)

Quang phổ FTIR là công cụ hữu ích trong việc định lượng và mô tả sự thay đổi tổ chức, cấu trúc của tinh bột Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng FTIR có thể phân tích đặc tính của tinh bột liên kết ngang và sự thay đổi hình dạng do chuyển pha Thông tin trong phổ FTIR rất quan trọng cho việc phân loại và dự đoán tính chất hóa lý của mẫu tinh bột (Movasaghi et al., 2008) Ngoài ra, FTIR còn được sử dụng để nghiên cứu thành phần carbohydrate, định hướng phân tử, tương tác phân tử và chuyển đổi cấu trúc polysaccharide trong dung dịch hoặc hydrate hóa (Shigel K.I., 2002).

Các đỉnh FTIR thường hẹp và thường liên quan đến sự rung động của các liên kết hóa học cụ thể trong phân tử Hiệu ứng vật lý của hồng ngoại được sinh ra từ sự hấp thụ, chủ yếu ảnh hưởng đến các dải lưỡng cực và ion như O-.

H, N - H và C = O (Kang, 2003) Phương pháp hồng ngoại quang phổ Fourier được sử dụng như đầu dò để phát hiện sự thay đổi do quá trình gây ra để đo chất lượng thực phẩm (Li-Chan,

Nghiên cứu của Hrebicik (1995) cho thấy sự thay đổi phân tử trong gạo và yến mạch khi sử dụng phổ FTIR, với sự gia tăng cường độ của dải 1734 cm -1 được ghi nhận là do tác nhân chiếu xạ.

Nghiên cứu của Raman Kizil (2002) đã sử dụng phổ FTIR để mô tả đặc điểm và phân loại các loại tinh bột dựa trên mức độ chiếu xạ (Kizil et al., 2002).

2.6.3 Hàm lượng acid tự do (FA)

Quá trình chiếu xạ tinh bột dẫn đến sự hình thành nhóm -COOH, làm tăng tính acid của nó Theo Sokhey et al (1992), sự phân hủy phân tử của tinh bột tạo ra dạng COOH, trong khi Radley (1960) cho rằng sự phá vỡ các liên kết glycoside do hoạt động của các gốc tự do là nguyên nhân chính gây ra tính acid này.

Các tính chất hình thái, cấu trúc của bột

2.7.1 Độ nhớt nội tại Độ nhớt là một tính chất quan trọng được áp dụng rất nhiều Các nghiên cứu về độ nhớt được thực hiện một cách chuyên sâu và hầu hết các nghiên cứu đã đưa ra độ nhớt của tinh bột sắn cao hơn các tinh bột loại cũ và ngũ cốc (Moorthy, 2004) Độ nhớt liên quan đến chiều dài phân tử và sự sắp xếp không gian phân tử và được quyết định bởi lực liên kết liên phân tử như liên kết hydro và lực liên kết Van der Waals (Joslyn, 1970) Các tác nhân ảnh hưởng tới độ nhớt gồm nhiệt độ, nồng độ các chất có trong dung dịch, khối lượng phân tử của dung dịch, áp suất, trạng thái huyền phù (Malcolm Bourne, 2002) Độ nhớt nội tại (intrinsic viscosity) được xem là một thông số về cấu trúc và được sử dụng để nghiên cứu các tính chất lưu biến liên quan đến cấu trúc phân tử của các chất phân tán, cấu trúc của các loại gel và đặc biệt là các loại polysaccharide Độ nhớt nội tại được xác định dựa trên nồng độ, có đơn vị nghịch đảo với đơn vị nồng độ chất lỏng (Lapasin, 2015)

Có 4 loại loại tinh thể chính của tinh bột: A, B, C, V Loại A đặc trưng của hầu hết các tinh bột có nguồn gốc từ ngũ cốc, loại B đặc trưng của các tinh bột rễ, tinh bột amylomaize và tinh bột thoái hóa, loại C có nguồn gốc từ loại đậu và loại V chỉ có thể được tìm thấy trong tinh bột xoắn ốc amyloza sau khi hồ hóa tinh bột và tạo phức với lipid hoặc các hợp chất liên quan (Q Liu,

Cấu trúc loại A của amylopectin có chuỗi dài từ 23 đến 29 đơn vị glucose Các liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl trong chuỗi phân tử amylopectin tạo ra cấu trúc xoắn đặc trưng.

Cấu trúc loại B của tinh bột bao gồm amylopectin với chuỗi dài từ 30 đến 44 phân tử glucose, thường thấy trong khoai tây sống và chuối Trong khi đó, cấu trúc loại C được tạo thành từ amylopectin có chuỗi dài từ 26 đến 29 phân tử glucose, đặc trưng cho đậu và đậu Hà Lan (Sajilata et al., 2006).

Bảng 2 2 Độ kết tinh của tinh bột với cấu trúc loại A,B,C và khác nhau về hàm lượng amylose (Zobel, 1988), (Tang et al., 2001)

Tinh bột Độ kết tinh (%) Amylose (%)

Tinh bột với cấu trúc A

Hình 2 5 X-ray từ quang phổ nhiễu xạ kế (A) loại A từ tinh bột từ ngũ cốc, (B) loại B từ tinh bột củ, (C) loại C từ tinh bột hạt, (V) loại

C từ phức hợp amylose xoắn (Liu Q , 2005)

Tinh bột với cấu trúc B

Tinh bột với cấu trúc C

Các công trình nghiên cứu về tinh bột chiếu xạ

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã khảo sát tác động của chiếu xạ đến các tính chất hóa lý, cơ lý, cấu trúc và tính chất công nghệ của các loại tinh bột.

Nghiên cứu của Sandeep và cộng sự (2010) đã chỉ ra rằng tia gamma với các liều xạ khác nhau (0,01, 0,05, 0,1, và 0,5 kGy) có tác động đáng kể đến hình thái và cấu trúc của tinh bột Cụ thể, ở liều xạ 0,5 kGy, sự hỗn loạn trong cấu trúc tinh thể và hàm lượng cacboxyl từ 0,09 – 0,11% được quan sát thấy Tinh bột chiếu xạ cũng làm tăng nhiệt độ hồ hóa được đo bằng DSC, trong khi độ nhớt cuối cùng và độ cứng của gel giảm, đồng thời độ kết dính tăng lên theo liều xạ Những thay đổi này cho thấy chiếu xạ ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ dẻo, độ dai và độ kết dính của tinh bột.

Y.Yung và cộng sự (2005) đã khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý trước chiếu xạ lên đặc tính sấy và chất lượng của hạt gạo Kết quả của công trình cho thấy liều lượng, nhiệt độ không khí, độ ẩm ban đầu của tinh bột ảnh hưởng đến đặc tính sấy và tỉ lệ mất nước tăng lên khi các yếu tố này tăng lên Nhiệt độ bề mặt tăng khi tăng liều lượng khi cùng tỉ lệ mất nước, nhiệt độ bề mặt giảm khi tăng liều chiếu xạ khi cùng hàm lượng ẩm, sự chiếu xạ không ảnh hưởng tới chất lượng xay xát, nhưng cải thiện chất lượng nấu

Năm 2014, Adil Gani và cộng sự đã nghiên cứu tác động của chiếu xạ gamma lên cấu trúc hạt và tính chất của tinh bột từ hai loại khoai tây trồng ở Jammu & Kashmir, Ấn Độ Nghiên cứu cho thấy chiếu xạ gamma làm thay đổi các đặc tính hóa lý của tinh bột, bao gồm tăng hàm lượng carboxyl, độ hòa tan, khả năng truyền qua, đồng thời giảm độ trương nở, hàm lượng amylose biểu kiến và ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông của tinh bột.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Vật liệu

Tinh bột sắn của công ty GOODPRICE VIET NAM được sử dụng cho nghiên cứu này Tinh bột được sản xuất tại Việt Nam

Bảng 3.1 trình bày các chỉ tiêu hóa lý của tinh bột sắn theo TCVN 10456:2014 Độ hòa tan của tinh bột sắn được kiểm nghiệm với dung dịch Iodine, đạt yêu cầu tuân thủ Độ ẩm tối đa của sản phẩm không vượt quá 13%, với kết quả thực tế nằm trong khoảng 11 – 14% Cuối cùng, độ trắng của bột tinh bột sắn cần đạt trên 90%, với kết quả kiểm nghiệm thực tế là 92%.

Tinh bột (% w/w DB) > 85 Tối thiểu 85%*

*Số liệu do nhà sản xuất cung cấp (công ty GOODPRICE VIETNAM)

** Đo bằng phương pháp Kjeldahl quang phổ của Nkonge (1982)

Phương pháp

Hình 3 1 Sơ đồ nghiên cứu

3.2.2 Chuẩn bị mẫu tinh bột trước khi chiếu xạ GS

Tinh bột sắn với độ ẩm ban đầu 6,68% (w/v) được sấy đối lưu ở nhiệt độ 45 o C trong 24 giờ để điều chỉnh độ ẩm về 6,88% (w/v) Sau đó, nước cất đã khử khí được bổ sung để tạo ra 5 mức độ ẩm khác nhau, dao động từ 10% đến 30% (w/v).

Lượng nước thêm vào được tính toán theo công thức (2.3) (Bajpai et al., 2020):

Dựa vào sự bảo toàn khối lượng tinh bột khan trước và sau khi thêm nước ta có:

Trong đó: mtbk1: khối lượng tinh bột khan ban đầu (g) mtbk2: khối lượng tinh bột khan sau khi hiệu chỉnh độ ẩm (g) m: khối lượng mẫu bột ban đầu (g)

W1: độ ẩm ban đầu của nguyên liệu (%)

W2: đô ẩm cần đạt được (% w/v) mn: Khối lượng nước thêm vào để đạt được độ ẩm mong muốn (g)

Sau khi điều chỉnh độ ẩm, tinh bột được bảo quản trong bao bì chân không (bao bì plastic, gép mí hút chân không) trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng nhằm cân bằng độ ẩm Sau đó, tinh bột sẽ được kiểm tra lại độ ẩm trước khi tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.

Sau quá trình hiệu chỉnh độ ẩm, thu được 4 mẫu tinh bột có độ ẩm khác nhau lần lượt với các độ ẩm khác nhau thể hiện qua Bảng 2.1:

Bảng 3 1 Quy ước mã hóa mẫu tinh bột sắn chiếu xạ trong nghiên cứu

Kí hiệu Điều kiện khảo sát

So Mẫu tinh bột tự nhiên không chiếu xạ với độ ẩm 6,68%

GS 10,3 Mẫu tinh bột có độ ẩm 10,3%

3.2.3 Phương pháp phân tích ẩm

Hàm lượng ẩm của mẫu được xác định theo phương pháp AOAC 925,10 (AOAC, 1990) Đầu tiên, một đĩa petri được sấy khô ở nhiệt độ 105°C cho đến khi đạt khối lượng không đổi, sau đó được chuyển vào bình hút ẩm để nguội và ghi lại trọng lượng Tiếp theo, khoảng 3g bột được cân và trải đều trên đĩa petri để tiến hành phân tích.

Mẫu được đặt trong 21 đĩa petri và sấy khô ở nhiệt độ 105 độ C cho đến khi đạt khối lượng ổn định Sau quá trình sấy, các đĩa sẽ được chuyển vào bình hút ẩm và trọng lượng của chúng sẽ được ghi lại như đã nêu (Rajkumar et al., 2014).

Các mẫu tinh bột sau khi hiệu chỉnh độ ẩm sẽ được xử lý bằng thiết bị Gamma Chamber 5000 (GC-5000) tại Trung tâm Công nghệ Sinh học Thành phố Hồ Chí Minh, địa chỉ số 2374, Quốc lộ 1, khu phố 2, phường Trung Mỹ Tây, quận 12, TP Hồ Chí Minh Thiết bị này do Ban Công nghệ phóng xạ và đồng vị (BRIT) thuộc Bộ Năng Lượng Nguyên Tử Ấn Độ cung cấp, với các thông số kỹ thuật được trình bày trong Bảng 2.2.

Bảng 3 2 Các thông số kĩ thuật của thiết bị GS -5000

Công suất nguồn Co-60 cực đại 518 TBq (14000 Curies)

Tốc độ liều chiếu đạt công suất cực đại ~9 kGy/h tại tâm của hộp chứa mẫu Độ đồng đều liều chiếu ±25%

Thể tích bức xạ Gần 5000cc

Hộp chứa mẫu có kích thước đường kính 17,2 cm và chiều cao 20,5 cm, được làm từ nguyên liệu bảo vệ là chì và thép không gỉ, với trọng lượng gần 5600kg Kích thước tổng thể của thiết bị là 125 cm (d) × 106,5 cm (r) × 150 cm (c) Thiết bị bấm giờ có giới hạn tối thiểu 6 giây và yêu cầu nguồn điện 220/230V, 50Hz, 10 Amps, một pha.

Hình 3 2 Nguồn xạ Gamma champer (GC-5000)

3.2.5 Độ truyền suốt của tinh bột Độ truyền suốt của tinh bột được đo bằng cách đo phần trăm ánh sáng truyền qua mẫu tinh bột với các nồng độ tinh bột khác nhau (0,5 - 5%) tại bước sóng 660nm (Singhal et al., 1990)

3.2.6 Độ hòa tan và độ trương nở của tinh bột

Thêm 0,2g tinh bột vào 10mL nước cất và cho vào ống ly tâm Huyền phù tinh bột được giữ trong bể điều nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau từ 30 đến 95 độ C Sau 30 phút, tinh bột được làm lạnh về nhiệt độ phòng và ly tâm với tốc độ 1000×g trong 20 phút Cuối cùng, phần nổi được thu thập và sấy khô.

105 o C trong 24h (Amini et al., 2015) Độ hòa tan (SI,%) = Phần nổi sau sấy

Khối lương tinh bột ban đầu ×100 (3.3) Độ trương nở (SP,%) = Khối lượng phần cặn

Khối lượng tinh bột ban đầu−khối lượng phần nổi sau sấy

3.2.7 Độ ổn định lạnh đông và rã đông (Freeze-thaw stability) Độ ổn định lạnh đông và rã đông thể hiện qua khả năng tách nước, được đo bằng cách luân phiên lạnh đông và rã đông Huyền phù tinh bột (6% trong nước cất) được hồ hóa 95 o C trong

Trong nghiên cứu này, quá trình làm nguội hồ tinh bột trong 20 phút đến nhiệt độ phòng và ly tâm ở tốc độ 1000g trong 15 phút đã được thực hiện Tỷ lệ phần trăm nước bị tách ra sau mỗi chu kỳ được tính toán bằng công thức (2,5) (Singhal et al., 1990), với 5 chu kỳ được thiết lập, bao gồm 21 giờ ở -10°C và 3 giờ ở nhiệt độ phòng.

Khả năng tách nước (%) =𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑛ướ𝑐 𝑡á𝑐ℎ 𝑟𝑎 (𝑔)

3.2.8 Khả năng tạo phức giữa tinh bột với iodine

Một lượng 100 ± 0,1mg tinh bột khô được cân và chuyển vào bình định mức 100mL, sau đó thêm 10ml dung dịch NaOH 1N, lắc đều và để yên trong 1 giờ để dung dịch hoàn toàn trong Tiếp theo, định mức lên 100mL bằng nước cất Hút 2mL dung dịch từ bình định mức ban đầu cho vào bình định mức 100mL khác, thêm 50mL nước cất và 2 giọt chỉ thị phenolphtalein Dung dịch HCl 0,1M được sử dụng để chuẩn độ đến trung tính Tiếp theo, thêm 2ml dung dịch iodine 0,2% (2g KI và 0,2g iodine pha loãng trong 100mL nước cất) và định mức lên 100mL bằng nước cất, để yên trong 30 phút để tạo màu hoàn chỉnh Cuối cùng, mẫu được quét ở vùng hồng ngoại (400 – 800 nm với khoảng cách 2nm).

Hàm lượng amylose biểu kiến được tính dựa trên độ hấp thụ theo công thức sau

Với ABS620 , ABS510 lần lượt là độ hấp thu của mẫu ở bước sóng đỉnh 620 và bước sóng 510 nm (Zhu et al., 2008)

3.2.9 Độ nhớt nội tại Độ nhớt nội tại (intrisic viscosity) của tinh bột được đo theo phương pháp của Ljubica và cộng sự (2004) và Harding Stephen E (1997) Hòa tan mẫu tinh bột được pha loãng với KOH 1M thành dãy nồng độ 1, 2, 3, 4, 5 mg/ml Tiếp theo dung dịch được khuấy đều bằng máy khuấy từ trong 24h trước khi đo, sau đó được xác định độ nhớt () bằng nhớt kế mao dẫn Ostwald có ∅

The starch solutions are thermally stabilized in a temperature-controlled bath at 30°C (Harding, 1997) The kinematic viscosity (η, m²/s) is calculated using the formula η = 0.004 × t - 0.12/t (Operation Instruction, Schott – Gerate GmbH, Germany).

Tỉ trọng của dung dịch tinh bột được tính bằng công thức p = m/V, trong đó m là khối lượng (g) và V là thể tích (ml) Để xác định độ nhớt tương đối (rel), ta sử dụng phương trình rel = (độ nhớt của dung dịch)/(độ nhớt của dung môi).

𝜌 𝑜; với: ηo: độ nhớt động học của KOH 1M(m 2 /s),

Thời gian chảy của dung dịch trong nhớt kế được ký hiệu là t, trong khi thời gian chảy của KOH 1M được ký hiệu là to Tỉ trọng của mẫu ở từng mức nhiệt độ được biểu thị bằng ρ, và tỉ trọng của nước ở các mức nhiệt độ tương ứng được ký hiệu là ρo.

Sau đó, độ nhớt reduce được xác định theo công thức

Trong đó: c: nồng độ của dung dịch (mg/ml) Độ nhớt nội tại (ηi, ml/g) của mẫu tinh bột được xác định theo công thức sau:

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Hàm lượng acid tự do (FA)

Bảng 3.1 cho thấy hàm lượng FA trong các mẫu tinh bột chiếu xạ cao hơn so với mẫu tinh bột tự nhiên khi độ ẩm tăng từ 10,3% đến 24,52% Nghiên cứu của Pimpa et al (2007) chỉ ra rằng tia chiếu xạ tạo ra các gốc tự do, làm tăng tính acid Các acid như formic, pyruvic, acetic và glucuromic acid được hình thành trong quá trình chiếu xạ (Gani et al., 2012) Tuy nhiên, khi độ ẩm tiếp tục tăng từ 19,54% đến 24,52%, hàm lượng FA giảm do sự chuyển đổi của các gốc carboxylic thành aldehyde hoặc ketone, dẫn đến giảm dần hàm lượng acid cacboxylic (Sokhey et al., 1993).

Bảng 4 1 Acid tự do (FA) của các mẫu tinh bột

FA(Free acid): acid tự do

(+) Các giá trị trong bảng biểu thị giá trung bình  sai số Các chữ cái (a – b – c ) biểu diễn sự khác nhau có ý nghĩa (với mức ý nghĩa α = 0,05)

So: Mẫu tinh bột không chiếu xạ Gamma độ ẩm 6,68%

GS 10,3: Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma độ ẩm 10,3%

Độ truyền suốt của mẫu tinh bột

Độ truyền suốt là lượng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ qua mẫu ở bước sóng xác định (Gani et al., 2012) Theo Hình 4.1, độ truyền suốt của các mẫu tinh bột chiếu xạ cao hơn so với tinh bột sắn không chiếu xạ Tất cả các mẫu chiếu xạ đều cho thấy độ truyền suốt giảm theo nồng độ Sự giảm này được cho là do chuỗi amylose và amylopectin bị phân giải, dẫn đến tăng cường các vùng phân tán ánh sáng (Moorthy, 2004).

Trong 4 mẫu tinh bột chiếu xạ, mẫu tinh bột GS 10,3 có độ truyền suốt cao nhất, tiếp theo là mẫu tinh bột GS 14,8 và mẫu tinh bột GS 24,52 có độ truyền suốt nhỏ nhất Kết quả này phù hợp với việc giảm độ nhớt nội tại của tinh bột chiếu xạ khi tăng độ ẩm (ở mục 3.7) Ngoài ra liên kết ngang chặn các chuỗi tinh bột khỏi sự phân ly.Do đó, tinh bột liên kết ngang có cấu trúc phức tạp hơn so với tinh bột tự nhiên cho nên độ truyền suốt giảm (Wongsagonsup, Deeyai, et al.,

2014) Tinh bột có độ truyền suốt cao là nguyên liệu dùng trong sản xuất như thạch và nhân trái cây (Sujka et al., 2015)

Hình 4 1 Độ truyền suốt của tinh bột sắn chiếu xạ

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Độ tr uy ền s uố t ( T )

Độ hòa tan và khả năng trương nở của tinh bột

Độ hòa tan và khả năng trương nở của tinh bột phụ thuộc vào sự tương tác giữa các chuỗi trong vùng vô định hình và tinh thể Các mẫu tinh bột chiếu xạ cho thấy độ hòa tan cao hơn so với mẫu không chiếu xạ, điều này do tia bức xạ gây ra phản ứng depolymer hóa, làm giảm liên kết hydro giữa các chuỗi và tăng cường liên kết hydro với nước Sự gia tăng số lượng phân tử sau khi phá vỡ liên kết glycoside trong môi trường oxy cũng dẫn đến khả năng hòa tan tăng đột ngột Trong khoảng nhiệt độ từ 30 o C - 50 o C, độ hòa tan không thay đổi, nhưng bắt đầu tăng khi nhiệt độ đạt 60 o C do sự phân ly liên kết hydro trong amylose và amylopectin Trong số các mẫu tinh bột chiếu xạ, tinh bột GS 14,8 có độ hòa tan cao nhất, trong khi GS 24,52 có độ hòa tan thấp nhất Khi nhiệt độ đạt 60 - 70 o C, các hạt không hòa tan bị phá vỡ, dẫn đến sự giảm độ hòa tan khi độ ẩm tăng, do liên kết ngang cao hơn cản trở quá trình rửa trôi các phân tử tinh bột.

Hình 4.2 Độ hòa tan SI của tinh bột chiếu xạ và tinh bột không chiếu xạ x

Khả năng trương nở của các loại tinh bột thường bắt đầu từ các vùng ít tổ chức như vùng vô định hình và vùng kết tinh giữa các hạt Khi các vùng này phồng lên, chúng làm căng các vùng tinh thể và gây biến dạng Quá trình đun nóng dẫn đến việc phân ly các chuỗi xoắn kép và phá vỡ cấu trúc tinh thể amylopectin Các chuỗi xoắn kép giải phóng sẽ ngậm nước và phồng lên, tiếp tục phá vỡ cấu trúc tinh thể Theo quan sát, khả năng trương nở của tinh bột tự nhiên cao hơn so với các mẫu tinh bột tạo ẩm, do amylopectin là yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng này.

Nghiên cứu của Sudheesh et al (2019) chỉ ra rằng việc giảm khả năng trương nở của tinh bột sau khi xử lý bằng chiếu xạ là do sự phá hủy chuỗi anylopectin bởi các gốc tự do Bên cạnh đó, chiếu xạ cũng kích thích phản ứng polymer hóa, dẫn đến sự hình thành các phân đoạn có trọng lượng phân tử thấp Những đoạn nhỏ này không thể liên kết với nước, do đó không có khả năng trương nở hay tạo gel (de Lima Barizão et al., 2020) Hơn nữa, khả năng trương nở của tinh bột sau chiếu xạ cũng liên quan đến sự thay đổi trong các liên kết hydrogen.

31 phân tử tinh bột bị bẻ gãy sau quá trình hồ hóa và được thay thế bằng liên kết hydrogen với nước

Khả năng trương nở nhanh của tinh bột phụ thuộc vào việc phá vỡ các liên kết giữa các phân tử trong vùng vô định hình Mẫu tinh bột thô với chỉ số GS 10,3 cho thấy khả năng trương nở cao nhất, trong khi mẫu tinh bột GS 24,52 có độ trương nở thấp nhất Nghiên cứu của Choi và cộng sự chỉ ra rằng các hạt tinh bột liên kết ngang có khả năng chịu nhiệt và thời gian gia nhiệt tốt Sự gia tăng liên kết ngang củng cố mối liên kết giữa các chuỗi tinh bột, làm giảm khả năng trương nở khi mức độ liên kết ngang tăng lên.

Hình 4 3 Độ trương nở SP của tinh bột chiếu xạ so với tinh bột không chiếu xa

Độ ổn định lạnh đông và rã đông ( Freeze-thaw stabilily)

Khả năng tách nước là quá trình gel co lại và tiết ra chất lỏng, được sử dụng để đánh giá độ ổn định lạnh đông bằng cách đo lượng nước tách ra sau khi đông và rã đông (S Wang et al., 2015) Nó cũng là chỉ số cho mức độ phân hủy tinh bột ở nhiệt độ thấp (Ashwar et al., 2014) Yếu tố này rất quan trọng trong việc xây dựng công thức cho thực phẩm đông lạnh và lạnh đông, đặc biệt là đối với các mẫu tinh bột.

32 được lạnh đông và rã đông qua 5 chu kì Hình 4.4 thể hiện chu kì lạnh đông và rã đông của tinh bột

Hình 4 4 Khả năng tách nước của tinh bột sau 5 chu kì

Quá trình lạnh đông và rã đông khiến các phân tử nước kết tinh thành đá, tạo ra pha riêng biệt Khi rã đông, nước chuyển sang pha lỏng và dễ dàng thoát khỏi mạng lưới polymer và gel tinh bột, hình thành cấu trúc giống bọt biển (Wani et al., 2015) Sự kết tụ và kết tinh amylose xảy ra nhanh chóng trong vài giờ đầu bảo quản, trong khi amylopectin diễn ra ở giai đoạn sau (Sofi et al., 2013) Theo Hình 4.5, khả năng tách nước của các mẫu chiếu xạ thấp hơn so với mẫu tự nhiên Đối với các mẫu có độ ẩm cao, khả năng tách nước giảm do sự hình thành nhóm cacboxyl cản trở sắp xếp amylose và liên kết hydro, làm giảm thoái hóa Nhóm cacboxyl có tính ưa nước mạnh, ngăn nước trong hồ tinh bột bị loại bỏ, cải thiện khả năng giữ nước của tinh bột (Liu et al., 2014) Trong các mẫu chiếu xạ, khả năng tách nước tăng theo chu kỳ lạnh đông và rã đông, do tương tác giữa các chuỗi amylose và amylopectin bị rửa trôi, dẫn đến hình thành các vùng tiếp xúc.

Khi gel tinh bột đông lại ở nồng độ cao, các phân tử tinh bột sẽ liên kết chặt chẽ với nhau, tạo ra một cấu trúc vững chắc (Ashwar et al., 2014) Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng giải phóng nước trong quá trình sử dụng.

Khả năng tạo phức với iodine

Hàm lượng amylose là yếu tố quyết định các đặc tính và ứng dụng của tinh bột (Atrous et al., 2017) Tương tác giữa amylose và iodine tạo ra hợp chất với màu sắc đặc trưng (Q Liu, 2005) Hình 4.5 minh họa đường cong hấp thụ của phức tinh bột với iodine ở các mẫu chiếu xạ khác nhau, cho thấy sự thay đổi không đáng kể của đường cong hấp thụ khi chịu tác động của tia chiếu xạ và độ ẩm Tuy nhiên, sự thay đổi đường cong hấp thụ cùng với độ hấp thụ cực đại cho thấy sự hình thành các chất polymer trong quá trình chiếu xạ và cấu trúc liên kết chéo Độ hấp thụ cực đại chuyển từ 618 nm (đỉnh amylose tinh khiết) đến 536 nm (đỉnh amylopectin tinh khiết) (Ciesla et al., 2011), chứng tỏ rằng chiếu xạ đã làm thay đổi cấu trúc mạch amylose của tinh bột.

Hình 4 5 Phổ hấp thụ phức iodine với các mẫu tinh bột chiếu xạ và tinh bột thô

So GS 10,3 GS 14,8 GS 19,54 GS 24,52

Hàm lượng amylose biểu kiến (AAC) giữa các mẫu có sự khác biệt có ý nghĩa, với AAC của các mẫu trải qua quá trình chiếu xạ thấp hơn so với mẫu tinh bột tự nhiên Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Chung và cộng sự (2010) về sự khác biệt giữa các mẫu tạo ẩm chiếu xạ và tinh bột tự nhiên.

Theo nghiên cứu của Sokhey và cộng sự (1993), việc giảm độ hấp thụ của amylose là do sự phân giải mạch amylose, điều này ảnh hưởng đến khả năng liên kết của chuỗi amylose với iodine sau khi chiếu xạ.

Chiếu xạ amylose và amylopectin tạo ra một lượng nhỏ acid carboxylic, dẫn đến việc giảm chỉ số AAC (Gani et al., 2012) Quá trình chiếu xạ tinh bột làm xuất hiện các tiểu phân tử nhỏ không tạo phức với iodine, gây ra sự giảm cường độ màu và giảm AAC (Polesi et al., 2016) Khi độ ẩm tăng từ 14,8% lên 19,54%, chỉ số AAC cũng tăng từ 16,71% lên 18,58% Sự gia tăng này là do sự phân cắt của chuỗi amylopectin, dẫn đến sự hình thành các phân tử tinh bột dạng mạch thẳng, từ đó làm tăng khả năng tạo phức với iodine và tăng AAC (Trinh et al.).

Bảng 4 2 Vị trí đỉnh, độ hấp thu cực đại của phức iodine và hàm lượng (%) amylose biểu kiến của các mẫu tinh bột sắn chiếu xạ và tự nhiên

Mẫu Đỉnh hấp thụ Độ hấp thụ cực đại AAC (%) *(+)

*Được suy ra từ công thức (3.6)

AAC (apparent amylose content): Hàm lượng amylose biểu kiến

(+) Các giá trị trong bảng biểu thị giá trung bình  sai số Các chữ cái (a – b – c - d) biểu diễn sự khác nhau có ý nghĩa (với mức ý nghĩa α = 0,05)

Độ nhớt nội tại

Độ nhớt là đặc tính kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu lực giữa các phân tử, phụ thuộc vào trọng lượng và cấu trúc chuỗi của polymer trong dung môi Nó liên quan đến chiều dài chuỗi phân tử, cùng với các yếu tố như liên kết hydro nội phân tử và lực liên kết Van der Waals.

Sau khi tiến hành thực nghiệm, phương trình hồi quy tuyến tính độ nhớt reduced (ƞred) của các mẫu tinh bột được xây dựng ở Hình 4.6

Hình 4 6 Độ nhớt reduce (ƞ red ) của các mẫu tinh bột sắn theo nồng độ (mg/ml) y(GS 24,52)= 297.45x + 320.36

Nồng độ dung dịch (mg/ml)

So GS 10,3 GS 14,8 GS 19,54 GS 24,52

Các phương trình hồi quy tuyến tính cho phép xác định gián tiếp các giá trị độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử và mức độ polymer hóa thông qua các công thức cụ thể Kết quả nghiên cứu cho thấy độ nhớt giảm của mẫu tinh bột tự nhiên cao hơn so với các mẫu tinh bột tạo ẩm và chiếu xạ, đồng thời tăng theo nồng độ tinh bột do sự gia tăng liên kết hydro với các nhóm hydroxyl Tuy nhiên, ở nồng độ nhất định, độ nhớt giảm rõ rệt do sự tấn công của các gốc OH lên đại phân tử tinh bột, dẫn đến cắt đứt liên kết α - 1,4 - glycoside và phân giải chuỗi.

Kết quả từ Bảng 4.3 cho thấy độ nhớt nội tại của tinh bột tự nhiên vượt trội so với tinh bột tạo ẩm chiếu xạ Nguyên nhân là do bức xạ ion hóa làm phân tử nước và hạt tinh bột bị ion hóa, dẫn đến phản ứng dây chuyền khiến các hạt vỡ thành mảnh nhỏ (Xue et al., 2017) Theo Pimpa (2007), độ nhớt liên quan đến sự ion hóa của amylose và amylopectin Đối với các mẫu tinh bột chiếu xạ ở các mức độ ẩm khác nhau, độ nhớt nội tại tăng dần theo độ ẩm, với mẫu GS 10,3 có độ nhớt thấp nhất (261,02) và mẫu GS 24,52 có độ nhớt cao nhất (320,96).

Nghiên cứu của Mukisa et al (2012) chỉ ra rằng sự thay đổi độ nhớt liên quan đến các gốc tự do, với độ nhớt giảm do các gốc tự do phân cắt liên kết glycoside trong amylose và amylopectin, dẫn đến trọng lượng phân tử polymer giảm, giảm khả năng trương nở và tăng độ hòa tan Kết quả này phù hợp với chỉ tiêu độ hòa tan và khả năng trương nở giữa các mẫu tinh bột chiếu xạ và mẫu tự nhiên Thêm vào đó, sự giảm độ nhớt cũng do khoảng cách giữa các hạt tinh bột giảm, tạo ra cấu trúc chặt chẽ hơn nhờ liên kết ngang, khiến các mẫu có độ nhớt nội tại thấp hơn do ít ma sát với dung môi (Majzoubi et al., 2009) Việc giảm giá trị polymer hóa (DP) cho thấy sự phân hủy của chuỗi polymer tinh bột giữa các mẫu chiếu xạ và tự nhiên, với phân tử amylopectin có DP cao hơn, do đó xác suất phân hủy amylopectin cũng cao hơn (Polesi et al., 2016) Tuy nhiên, độ nhớt nội tại chỉ cung cấp thông tin sơ bộ về DP của tinh bột mà không cho biết độ dài chuỗi amylose và amylopectin.

Bảng 4 3 Độ nhớt nội tại, khối lượng phân tử, mức độ polymer hóa của các mẫu tinh bột chiếu xạ và tinh bột thường ở 30 o C

GS 24,52 320,96 d 12,77 d 2375,104 d Ƞ i ( Intrinsic viscosity): Độ nhớt nội tại

M w (Molecular weight): Khối lượng phân tử trung bình

DP (Degree of depolymerization): Mức độ đề polymer hóa

*Kết quả tính toán từ công thức (3.11)

** Két quả tính toán từ công thức (3.12), (3.13)

Các chữ cái (a – b – c – d - e ) biểu diễn sự khác nhau có ý nghĩa (với mức ý nghĩa α = 0,05) So: Mẫu tinh bột không chiếu xạ Gamma độ ẩm 6,68%

GS 14,8 Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma độ ẩm 14,8%

Đo quang phổ hồng ngoại FTIR ( Fourier-transform infrared spectroscopy), xác định các nhóm chức trong tinh bột

Nghiên cứu về cấu trúc của tinh bột tự nhiên và tinh bột chiếu xạ được thực hiện thông qua phương pháp FTIR nhằm xác định đặc tính và phân loại mẫu tinh bột đã chiếu xạ (Teixeira et al., 2018) Kết quả cho thấy rằng phổ FTIR của các mẫu trước và sau khi chiếu xạ không có sự khác biệt, không xuất hiện đỉnh mới hay mất đi đỉnh cũ, điều này chứng tỏ rằng không có sự hình thành các nhóm chức mới trong các mẫu sau xử lý.

Hình 4 7 Quang phổ FTIR của mẫu tinh bột chiếu xạ và không chiếu xạ

Dựa vào Hình 4.7, có 11 đỉnh hấp thụ được thể hiện qua Bảng 4.4

Bảng 4 4 Bảng thể hiện các hợp chất tương ứng với đỉnh Đỉnh (cm -1 ) Các liên kết, hợp chất tương ứng Tài liệu

522 Dao động khung sườn vòng pyranose (Kizil et al., 2002)

763 Dao động kéo dãn C - C (Kizil et al., 2002)

861 Dao động biến dạng CH2, C(1)-H (Kizil et al., 2002)

927 Khung C - O - C của liên kết α -1,4 - glycoside

998 Dao động uốn C - O - H (Deeyai et al.,

1079 Liên kết biến dạng C – O, C – C và

1149 Liên kết glycoside kéo dãn bất đối xứng C - O - C

1335 Dao động uốn C - O - H, dao động xoắn CH2

1630 Dao động do nước hấp thụ trong vùng vô định hình của hạt tinh bột (Kizil et al., 2002)

2889 Dao động C - H, CH2 biến dạng (Deeyai et al.,

3280 Dao động kéo dãn của liên kết

Nghiên cứu FTIR được phân chia thành bốn vùng bước sóng chính, mỗi vùng giúp giải thích các đặc điểm riêng của các dải bước sóng Các vùng này bao gồm: dưới 800 cm-1, từ 1500 đến 800 cm-1 (vùng đặc trưng).

Trong nghiên cứu về phổ FTIR, các vùng hấp thụ quan trọng được xác định như sau: vùng 3000 - 2800 cm -1 liên quan đến dao động kéo dãn C - H, và vùng 3600 - 3000 cm -1 tương ứng với dao động O - H (Kizil et al., 2002) Dưới 800 cm -1, các dao động phức tạp xuất hiện do sự dao động của khung sườn vòng pyranose (Sekkal et al., 1995) Trong khoảng 1500 - 800 cm -1, sự hấp thụ tại 924 cm -1 được ghi nhận là do liên kết glycoside trong tinh bột, tuy nhiên, trong nghiên cứu này, bước sóng đã được điều chỉnh về phía 927 cm -1 Dải bước sóng 1149 cm -1 liên quan đến các liên kết C - O - C và cầu glycoside, với kết quả tương đồng tại bước sóng này (Deeyai et al., 2013) Hơn nữa, sự hiện diện của liên kết α -1,6 - glycoside của amylopectin đã làm dịch chuyển các dải sóng glycoside lên các tần số cao hơn.

2002) Ngoài ra, ngay tại vùng 1075 - 950 cm -1 , tỉ lệ giữa độ hấp thụ của đỉnh 1047 cm -1 và đỉnh

Giá trị 1022 cm-1 được sử dụng để xác định sự thay đổi giữa vùng tinh thể và vùng vô định hình, phản ánh mức độ mất trật tự trên bề mặt tinh bột (Chung et al., 2009) Hai bước sóng này đã được ghi nhận cho tất cả các mẫu tinh bột, và tỷ số giữa các giá trị hấp thụ tại các bước sóng 1047/1022 được trình bày trong Bảng 4.5.

Bảng 4 5 Tỷ lệ dao động h 1047 /h 1022 ( tỷ lệ α-helix/ vô định hình)

Chữ cái (a – b – c) biểu diễn sự khác nhau có ý nghĩa (với mức ý nghĩa α = 0,05)

GS 24.52: Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma độ ẩm 24,52%

Theo Bảng 4.5, các mẫu chiếu xạ có tỉ lệ h1047/h1022 cao hơn so với mẫu tinh bột tự nhiên Xu hướng này cũng được xác nhận trong nghiên cứu của Chung và cộng sự (2010).

Mẫu tạo ẩm chiếu xạ cho thấy tỉ lệ h1047/h1022 tăng dần từ độ ẩm 10,3 (0,749) đến 19,54 (0,758) trước khi giảm nhẹ ở độ ẩm 24,52 (0,756), cho thấy sự thay đổi tỉ lệ này là không đáng kể Nguyên nhân chính là do mức độ kết tinh trong hạt tinh bột liên quan đến các chuỗi amylopectin và amylose, chịu trách nhiệm cho các vùng vô định hình (N Singh et al., 2006) Ảnh hưởng của bức xạ gamma đối với amylose và các mạch nhánh của amylopectin là hạn chế, do đó bức xạ gamma có thể làm thay đổi cấu trúc tinh bột mà không gây ra biến đổi đa hình đáng kể trong vùng tinh thể, mặc dù các đại phân tử tinh bột có thể bị phân hủy thành các phân tử nhỏ hơn (Atrous).

Theo nghiên cứu của P Deeyai và cộng sự (2013), hai đỉnh tại 1163 cm -1 và 1094 cm -1 cho thấy hàm lượng amylopectin trong tinh bột phụ thuộc vào loại bột.

Trong nghiên cứu của Kizil R (2002), đỉnh 1630 cm-1 xuất hiện trong phổ FTIR được giải thích là do dao động của nước hấp thụ trong vùng vô định hình của hạt tinh bột Đặc biệt, dao động kéo dãn của liên kết O - H cũng được thể hiện trong vùng này.

Trong nghiên cứu của P Deeyai và cộng sự (2013), dao động kéo dãn của liên kết O-H được ghi nhận tại đỉnh 3272 cm -1, trong khi nghiên cứu của chúng tôi cho thấy đỉnh này lệch sang phải tại 3280 cm -1 Đỉnh hấp thụ của nước xuất hiện ở 1640 cm -1 và 3300 cm -1, đặc trưng bởi nhóm chức H và OH Nước hấp thụ mạnh trong vùng quang phổ hồng ngoại do dao động kéo dãn của OH và dao động uốn của H, nhưng việc lượng tử hóa gặp khó khăn do nhiễu quang phổ từ các hợp chất chứa OH và liên kết hydro (Amir et al., 2011) Theo báo cáo của Ramazan Kizil và cộng sự (2002), phổ hấp thụ từ liên kết kéo dãn C-H (3000 - 2800 cm -1) được sử dụng để xác định tinh bột chiếu xạ, nhờ vào các gốc hydroxyl hình thành từ quá trình phóng xạ nước tấn công hydro của các liên kết C-H.

Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD)

Nhiễu xạ tia X là kỹ thuật xác định loại tinh bột (A, B hoặc C) và mức độ kết tinh của chúng (Stute, 1992) Hình 4.8 trình bày đồ thị XRD của tất cả các mẫu tinh bột.

Hình 4 8 Phổ tán xạ tia X của các mẫu tinh bột

GS 24.52: Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma độ ẩm 24,52%

Phổ tán xạ tia X cho thấy mẫu tinh bột thô (So) và các mẫu tinh bột chiếu xạ GS 10,3, GS 14,8,

GS 19,54 và GS 24,52 không có sự thay đổi về dạng tinh thể, cho thấy rằng việc thay đổi độ ẩm không làm mất đi cấu trúc của tinh bột Kết quả XRD tương tự như phổ FTIR, cho thấy rằng các mẫu tinh bột vẫn giữ nguyên cấu trúc sau khi chiếu xạ Đồ thị XRD chỉ ra phổ tán xạ tia X của các mẫu tinh bột, với tinh bột sắn có các đỉnh tại 2θ= 15,1°, 17,1°, 17,92° và 23,2°, trong đó đỉnh chính nằm ở 2θ= 17,09° Các đỉnh này tương đồng với tinh bột loại A theo nghiên cứu của Claudio Pozo và cộng sự (Pozo et al., 2018).

Cấu trúc tinh thể của tinh bột, xác định qua tia nhiễu xạ, có thể bị phá vỡ thành vùng tinh thể và vô định hình, với mức độ phá vỡ phụ thuộc vào hình thái của tinh thể (A, B, C) Cụ thể, tinh thể loại A có cấu trúc chặt chẽ, loại B mở với các lỗi xoắn ngậm nước, và loại C bao gồm các vùng tinh thể B bên trong và A bên ngoài Tinh thể loại B nhạy cảm với chiếu xạ, dẫn đến giảm độ kết tinh dễ hơn (Chung et al., 2010) Nghiên cứu của Othman et al (2015) chỉ ra rằng chiếu xạ gamma làm giảm độ kết tinh của tinh bột cao lương do phá hủy trật tự phân bố chuỗi polysaccharide, đặc biệt là amylopectin Liu et al (2012) cũng cho thấy giảm độ kết tinh liên quan đến giảm hàm lượng amylopectin và mất trật tự chuỗi xoắn kép sau chiếu xạ Đối với các mẫu chiếu xạ, có sự khác biệt ý nghĩa giữa các cặp mẫu về độ ẩm, cho thấy hàm lượng nước ảnh hưởng đến DRC Kong et al (2016) khẳng định rằng nguồn xạ dưới 7 kGy làm tăng DRC, trong khi Trinh et al (2020) phát hiện sự hình thành liên kết ngang dẫn đến gia tăng DRC.

Bảng 4 6 Mức độ DRC và loại tinh thể của tinh bột chiếu xạ

Mẫu DRC * (%) Loại tinh thể

Các giá trị trong bảng thể hiện giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (n=3) Các giá trị có ký hiệu khác nhau trong cùng một cột cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p˂0,05) Các chữ cái (a – b – c) chỉ ra sự khác nhau có ý nghĩa với mức ý nghĩa α = 0,05.

DRC (Degree of relative crystallinity): Mức độ tinh thể tương đối

*Kết quả được tính toán từ công thức (3.13)

Đặc điểm hình thái hạt tinh bột

Hình 4.9 trình bày ảnh quét kính hiển vi điện tử (SEM) của các mẫu tinh bột với tiêu cự 50.0 µm Các mẫu bao gồm: a) Mẫu tinh bột không chiếu xạ Gamma với độ ẩm 6,68%; b) Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma có độ ẩm 10,3%; c) Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma với độ ẩm 14,8%; d) Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma có độ ẩm 19,54%; và e) Mẫu tinh bột chiếu xạ Gamma với độ ẩm 24,52%.

Nghiên cứu về đặc điểm hình thái học và kích thước của hạt tinh bột trước và sau khi chiếu xạ với các mức độ ẩm khác nhau đã được thực hiện thông qua ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hình 4.9 minh họa sự khác biệt giữa các hạt tinh bột thô và tinh bột chiếu xạ ẩm, cho thấy tinh bột sắn có hình dạng tròn và bầu dục Các mẫu chiếu xạ xuất hiện nhiều vết nứt trên bề mặt, điều này cũng được xác nhận bởi nghiên cứu của Chung và cộng sự (2010) Những vết nứt này xuất hiện do tác động của bức xạ năng lượng cao, phụ thuộc vào nguồn tinh bột, liều lượng chiếu xạ, liều suất và hàm lượng nước Sau khi chiếu xạ, các hạt tinh bột liên kết với nhau thông qua liên kết chéo ở liều lượng thấp (Kong, 2018) Kết quả từ SEM cho thấy các hạt tinh bột nhỏ tụ tập lại, kết nối với các hạt tinh bột lớn hơn, và chiếu xạ gamma đã làm phân cắt các hạt tinh bột lớn cũng như làm đứt một số hạt tinh bột.

Tia gamma có khả năng phá vỡ các đại phân tử tinh bột, làm hỏng cả vùng tinh thể và vùng vô định hình, dẫn đến sự hình thành các hạt tinh bột nhỏ hơn (Ashwar et al., 2014) Sau khi bị phân hủy, những cấu trúc nhỏ này có thể liên kết với nhau thông qua các liên kết chéo, tạo thành các mảnh cấu trúc liên kết với hạt tinh bột (Polesi, L F et al., 2016).

Tiêu đề	Ảnh Hưởng Của Độ Ẩm Lên Các Tính Chất Hóa Lý Của Tinh Bột Sắn Được Chiếu Xạ Gamma
Tác giả	Hồ Lê Minh
Người hướng dẫn	PGS.TS. Trịnh Khánh Sơn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Thực Phẩm
Thể loại	khóa luận tốt nghiệp
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	4,74 MB