TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Theo Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, khẩu phần ăn hợp lý cần có 45-65% năng lượng từ glucid Tinh bột là nguồn cung cấp năng lượng chính và cải thiện các đặc tính cảm quan của thực phẩm Tuy nhiên, tinh bột tự nhiên không đáp ứng đủ yêu cầu của ngành công nghiệp thực phẩm hiện đại Do đó, tinh bột biến tính đã được nghiên cứu và phát triển để cải thiện các tính chất như độ nhớt, độ tan, độ dày và độ kết dính Tinh bột biến tính được tạo ra bằng các phương pháp hóa học, vật lý hoặc sinh học nhằm tăng tính ổn định của sản phẩm thực phẩm trong môi trường nhiệt độ cao, kiềm hoặc acid, đồng thời thuận tiện hơn trong bảo quản Ngày nay, tinh bột biến tính đóng vai trò quan trọng trong công nghệ thực phẩm.
Tinh bột khoai mỡ, mặc dù có sản lượng lớn và giá thành rẻ, vẫn chưa được sử dụng phổ biến trong thực phẩm Khoai mỡ, hay còn gọi là Dioscorea alata, thuộc chi Củ nâu Dioscorea, là một loại dây leo thân mềm, được trồng lần đầu ở Đông Nam Á và sau này phổ biến hơn ở châu Phi Hiện nay, khoai mỡ có thể dễ dàng tìm thấy ở các quốc gia như Angola, Malawi, Mozambique và Zambia Để đạt năng suất tối đa, khoai mỡ cần điều kiện canh tác với nhiệt độ từ 25 – 35°C và môi trường ẩm cao với lượng mưa khoảng.
1000 – 1500mm (Coursey, 1967) Khoai mỡ có thành phần chất khô dao động trong khoảng 22.3 – 33.8% trên tổng khối lượng, hàm lượng ẩm khoảng 66.2 – 77.7% (Baah,
2009) Khoai mỡ là một loại lương thực có thành phần carbohydrates cao, khoảng từ 77
- 87,6% (Degras, 1993; Udensi, 2008; Onwueme, 1978) tính theo hàm lượng chất khô
Bảng 1.1: Chỉ tiêu các thành phần hóa học cơ bản của khoai mỡ (tính trên tổng hàm lượng chất khô) (Udensi, 2008)
Bảng 1.2: Hàm lượng khoáng chất của khoai mỡ (mg/kg) (tính trên tổng hàm lượng chất khô) (Udensi, 2008)
Khoáng chất Hàm lượng (mg/kg)
Khoai mỡ hiện nay được trồng phổ biến tại Long An (Việt Nam), Ấn Độ, Malaysia, Philippines, Mỹ và một số nước Tây Phi (Govaerts, 2013) Loại cây này không chỉ là nguồn lương thực giàu tinh bột mà còn được sử dụng trong y học cổ truyền ở Đông Nam Á, trong khi củ và rễ của nó cũng là nguồn thức ăn cho chăn nuôi (USDA-ARS, 2012) Với sự phổ biến này, nhóm nghiên cứu đã chọn khoai mỡ làm nguyên liệu chính cho nghiên cứu của mình.
Cấu tạo hóa học của tinh bột
Tinh bột là dạng đường dự trữ trong thực vật, được hình thành từ hỗn hợp amylose và amylopectin, hai loại polymer của glucose Thực vật tổng hợp glucose, và lượng dư thừa sẽ được lưu trữ dưới dạng tinh bột trong các bộ phận như rễ và hạt Tinh bột trong hạt cung cấp dinh dưỡng cho phôi khi nảy mầm và là nguồn thực phẩm quan trọng cho con người và động vật Khi tiêu thụ, tinh bột được phân giải bởi các enzyme.
Amylase nước bọt đóng vai trò quan trọng trong việc phân cắt tinh bột thành các phân tử nhỏ hơn như maltose và glucose, giúp các tế bào dễ dàng hấp thụ glucose (Perera, et al., 2010).
Tinh bột được hình thành từ các monome glucose kết nối qua các liên kết glycosidic α-1,4 và α-1,6, trong đó các số 1-4 và 1-6 chỉ ra vị trí carbon của hai dư lượng tạo thành liên kết Amylopectin là một polymer của glucose với cấu trúc mạch phân nhánh, sử dụng liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside, trong đó tỷ lệ liên kết α-1,6-glycoside lên đến 4%, cao hơn so với amylose Phân tử khối của amylopectin dao động từ 10^7 đến 10^8 (Veelaert, 1997).
Amylose là một loại tinh bột được cấu tạo từ các chuỗi đơn phân glucose không phân nhánh với liên kết α 1-4, trong khi amylopectin là polysaccharide phân nhánh với liên kết α 1-6 tại các điểm nhánh.
Hình 1.1: Cấu tạo hóa học của tinh bột (Sanyang, 2018)
Đặc điểm hạt tinh bột
Tinh bột trong tự nhiên xuất hiện dưới dạng các hạt siêu nhỏ, với kích thước hạt tinh bột từ các loại củ thường lớn hơn và có hình dáng bầu dục hoặc tròn Kích thước, hình dạng và vị trí của các hạt tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc của chúng (Whistler, et al., 2009).
Kích thước của các hạt tinh bột khác nhau và có đường kính nằm trong khoảng 5-
90 àm Tinh bột khoai tõy cú hạt lớn nhất trong số tất cả cỏc tinh bột (Matsushima, et al.,
Hình 1.2: Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các hạt tinh bột (a) Bắp bình thường; (b) Bắp sáp; (c) Khoai tây; (d) Lúa mì; (e) Miến; (f) Bắp đường (Whistler, et al., 2009)
Vùng tinh thể của tinh bột bao gồm các vòng xoắn kép của amylopectin, trong khi vùng vô định hình được hình thành từ chuỗi amylose và các đoạn phân nhánh của amylopectin Các chuỗi amylose xen kẽ giữa các chuỗi amylopectin, tạo nên cấu trúc tinh bột Hình thái, hình dạng, kích thước, mức độ kết tinh và khả năng phản ứng của tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc và thành phần của nguyên liệu thô chứa tinh bột.
Sự kết tinh trong các chất rắn phụ thuộc vào cấu trúc sắp xếp của chúng, với độ kết tinh của hạt tinh bột thường dao động từ 14% đến 45% Điều này giải thích những khó khăn trong việc sử dụng và xử lý tinh bột (Singh, et al., 2006) Bảng dưới đây cung cấp các ví dụ cụ thể về tinh bột được chiết xuất từ các nguồn khác nhau cùng với độ kết tinh điển hình của chúng.
5 Hình 1.3: Giản đồ tán xạ tia X của tinh thể loại A, B và C (Cui, 2005)
Bảng 1.3: Các dạng tinh thể của một số loại tinh bột
Dạng tinh thể Nguồn tinh bột Phần trăm tinh thể (%) Trích dẫn
A lúa mì 27-36 (Alay, et al., 2015)
B khoai tây 23-25 (Nara, et al., 1978)
C đậu nành 27-36 (Purohit, et al., 2019)
Chuỗi xoắn kép của amylopectin được hình thành từ hai chuỗi polyglucoside, với nhiều dạng đa hình khác nhau Các dạng này được phân loại dựa trên cấu trúc tinh thể, bao gồm tinh bột loại A, B và C (Zobel, 1988).
Cấu trúc tinh thể loại A là đặc trưng của tinh bột ngũ cốc, như tinh bột từ ngô, lúa mì và gạo (Katsumi, et al., 2015) Trong khi đó, cấu trúc tinh thể loại B thường thấy ở tinh bột amylose cao có nguồn gốc từ củ, quả và thân cây, bao gồm tinh bột chiết xuất từ khoai tây, chuối, dong riềng và cao lương (Katsumi, et al., 2015).
Tinh bột loại C được chiết xuất từ cây họ đậu hoặc rễ cây như hạt đậu và củ sắn, có cấu trúc đặc trưng với lõi loại B được bao quanh bởi các tinh thể loại A Các thông số mạng tinh thể của tinh bột loại C bao gồm a = b = 18,50 Å, c = 10,47 Å, α = β = 90 °, và γ = 120 ° Phân tích nhiễu xạ tia X là phương pháp chính được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của loại tinh bột này.
1.3.3 Phổ FTIR của tinh bột
Vùng phổ trong khoảng từ 4000 – 400 cm -1 đóng vai trò quan trọng trong phân tích phổ FTIR Đặc biệt, bốn vùng phổ nhỏ hơn bao gồm < 800 cm -1 và 1500 – 4000 cm -1 có giá trị thực tiễn đáng kể trong việc xác định các đặc tính của vật liệu.
800 cm -1 , 3000 – 2800 cm -1 và 3600 – 3000 cm -1 (Kizil, et al., 2002) Vùng phổ
