Luận án Tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu quá trình thuỷ phân tinh bột khoai lang bằng phương pháp enzyme tạo tinh bột tiêu hoá chậm và isomaltooligosaccharide nhằm ứng dụng trong thực phẩm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:165

Thêm vào BST

Báo xấu

69
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Công nghệ thực phẩm "Nghiên cứu quá trình thuỷ phân tinh bột khoai lang bằng phương pháp enzyme tạo tinh bột tiêu hoá chậm và isomaltooligosaccharide nhằm ứng dụng trong thực phẩm" trình bày xác định đặc điểm hình thái, cấu trúc và tính chất lý hoá của tinh bột khoai lang Việt Nam; Nghiên cứu xác định phương pháp thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) từ tinh bột khoai lang; Nghiên cứu xác định phương pháp thu nhận isomaltooligosaccharide (IMO) từ tinh bột khoai lang; Đánh giá khả năng ứng dụng SDS và IMO trong sản xuất thực phẩm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu quá trình thuỷ phân tinh bột khoai lang bằng phương pháp enzyme tạo tinh bột tiêu hoá chậm và isomaltooligosaccharide nhằm ứng dụng trong thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG HỒNG QUÂN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THUỶ PHÂN TINH BỘT KHOAI LANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME TẠO TINH BỘT TIÊU HOÁ CHẬM VÀ ISOMALTOOLIGOSACCHARIDE NHẰM ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM HÀ NỘI – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG HỒNG QUÂN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THUỶ PHÂN TINH BỘT KHOAI LANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME TẠO TINH BỘT TIÊU HOÁ CHẬM VÀ ISOMALTOOLIGOSACCHARIDE NHẰM ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 9540101 Người hướng dẫn khoa học 1. PGS. TS. LƯƠNG HỒNG NGA 2. PGS. TS. VŨ THU TRANG Hà Nội – 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của tôi và người hướng dẫn khoa học. Kết quả và số liệu trình bày trong luận án không trùng lặp với các công trình khoa học đã được công bố. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin tham khảo được trích dẫn đầy đủ, chính xác và có nguồn gốc rõ ràng. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh CBHD1: PGS. TS. Lương Hồng Nga Dương Hồng Quân CBHD2: PGS. TS. Vũ Thu Trang i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và cảm ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. LƯƠNG HỒNG NGA và PGS. TS. VŨ THU TRANG đã tận tình hướng dẫn, động viên, quan tâm và tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trì̀nh thực hiện và hoàn thành luận án nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Công nghê Sinh học và Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành và bảo vệ luận án. Tôi cũng xin dành lời cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp, người thân đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận án này. Nghiên cứu sinh Dương Hồng Quân ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ................................................................. x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án ............................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 2 3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................... 2 5. Những điểm mới của luận án ......................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................... 4 1.1. Tổng quan về cây khoai lang ........................................................................... 4 1.1.1. Nguồn gốc của cây khoai lang ................................................................. 4 1.1.2. Đặc điểm hình thái cây khoai lang ........................................................... 4 1.1.3. Giá trị dinh dưỡng của khoai lang ............................................................ 5 1.1.4. Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang ................................................ 7 1.1.5. Một số giống khoai phổ biến ở Việt Nam ................................................ 8 1.2. Tổng quan về tinh bột khoai lang ............................................................. 10 1.2.1. Hình dạng và kích thước của hạt tinh bột khoai lang ............................. 10 1.2.2. Cấu trúc của tinh bột khoai lang ............................................................. 11 1.2.3. Tính chất của tinh bột khoai lang ........................................................... 13 1.3. Các sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột khoai lang và tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm ..................................................................... 17 1.3.1. Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS): thu nhận và tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm ........................................................................................... 18 1.3.2. Isomaltooligosaccharide (IMO): thu nhận và khả năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm ........................................................................................... 24 1.4. Một số nhóm enzyme tác dụng lên tính chất tinh bột .............................. 31 1.4.1. Enzyme α- amylase ................................................................................ 31 iii
1.4.2. Enzyme β–amylase ................................................................................. 32 1.4.3. Enzyme pullulanase ................................................................................ 33 1.4.4. Enzyme transglucosidase........................................................................ 34 1.4.5. Enzyme glucanotransferase .................................................................... 36 1.5. Tính cấp thiết và nội dung nghiên cứu ..................................................... 37 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 39 2.1. Vật liệu nghiên cứu................................................................................... 39 2.1.1. Nguyên liệu tinh bột khoai lang ............................................................. 39 2.1.2. Chế phẩm enzyme .................................................................................. 39 2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 41 2.2.1. Phương pháp công nghệ ......................................................................... 41 2.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm ............................................................... 42 2.2.3. Phương pháp phân tích ........................................................................... 51 2.2.4. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu .................................................. 59 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 60 3.1. Đặc tính tinh bột khoai lang và khả năng thu hồi tinh bột của các giống khoai lang Việt Nam ............................................................................................. 60 3.1.1. Khả năng thu hồi tinh bột các giống khoai lang Việt Nam .................... 60 3.1.2. Thành phần amylose của tinh bột các giống khoai lang Việt Nam ........ 61 3.1.3. Đặc điểm hình thái và cấu trúc hạt tinh bột của các giống khoai lang Việt Nam .................................................................................................................. 61 3.1.4. Một số tính chất lý hóa của tinh bột khoai lang Việt Nam ..................... 64 3.2. Điều kiện thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm và đặc tính của tinh bột tiêu hóa chậm thành phẩm ........................................................................................... 70 3.2.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình thủy phân tinh bột khoai lang bằng enzyme pullulanase hướng tới sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm .......................................................................................................................... 71 3.2.2. Nghiên cứu chế độ thoái hóa tinh bột sau thủy phân pullulanase làm tăng hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm .................................................................... 77 iv
3.2.3. Đánh giá chất lượng sản phẩm và đưa ra quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh bột khoai lang ....................................................................... 82 3.3. Nghiên cứu điều kiện thu nhận isomaltooligosaccharide ......................... 86 3.3.1. Điều kiện thu nhận isomaltooligosaccharide bằng phương pháp phân đoạn .................................................................................................................. 86 3.3.2. Điều kiện thu nhận isomaltooligosaccharide bằng phương pháp đường hóa và gắn nhánh đồng thời ............................................................................ 106 3.4. Ứng dụng tinh bột tiêu hóa chậm và isomaltooligosaccharide trong sản xuất thực phẩm ................................................................................................... 112 3.4.1. Ứng dụng bổ sung tinh bột tiêu hóa chậm vào sản phẩm miến dong .. 112 3.4.2. Ứng dụng bổ sung isomaltooligosaccharide vào sản phẩm sữa tươi và nước quả ......................................................................................................... 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 119 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 1 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu và Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt chữ viết tắt %w/w % weight/ weight Phần trăm khối lượng/ khối lượng ×g Relative centrifugal force Đơn vị tốc độ ly tâm BE Branching Enzyme Blocked p-nitrophenyl BPNPG7 maltoheptaoside cP centipoise Đơn vị đo độ nhớt Đơn vị hoạt độ enzyme alpha amylase được xác định bằng CU Ceralpha Unit phương pháp Ceralpha, Megazyme DE Dextrose equivalent Đương lượng dextrose DMSO Dimethyl sulfoxide DNS 3,5-Dinitrosalicylic acid G1 Glucose G10 Maltodecaose G2 Maltose Tổng hàm lượng G2, G3, G4, G5, G2-10 G6, G7, G8, G9, G10 Tổng hàm lượng G2, G3, G4, G5, G2-6 G6 G3 Maltotriose G4 Maltotetraose G5 Maltopentaose G6 Maltohexaose G7 Maltoheptaose G8 Maltooctaose G9 Maltononaose GH Glycoside Hydrolase Giống khoai lang Hoàng Long cũ, HLC thu hoạch tại Việt Yên, Bắc Giang vi
Giống khoai lang Hoàng Long HLM mới, thu hoạch tại Yên Dũng, Bắc Giang IMO Isomaltooligosaccharide IMO2 Isomaltose Tổng hàm lượng IMO2, IMO3 và IMO234 IMO4 IMO3 Isomaltotriose IMO4 Isomaltotetraose Giống khoai lang Nhật, thu hoạch NDL tại Đà Lạt, Lâm Đồng Giống khoai lang Nhật, thu hoạch NGL tại Gia Lai Giống khoai lang Nhật ruột trắng, NRT thu hoạch tại Nam Trực, Nam Định Giống khoai lang Nhật ruột vàng, NRV thu hoạch tại Nam Trực, Nam Định p-nitrophenyl-β–D- PNPβ-G3 maltotrioside RAE Retinol activity equivalents Đơn vị đo lường của vitamin A RDS Rapidly digestible starch Tinh bột tiêu hóa nhanh rpm Revolutions per minute vòng/ phút RR Reducing residue Hàm lượng gốc khử RS Resistant starch Tinh bột kháng tiêu hóa RVA Rapid Viscosity Analyzer Máy phân tích độ nhớt nhanh SDS Slowly digestible starch Tinh bột tiêu hóa chậm Hàm lượng carbonhydrate tổng TC Total Carbohydrate số TLC Thin layer chromatography Sắc ký bản mỏng U Unit Đơn vị hoạt độ enzyme vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần dinh dưỡng của khoai lang (tính trên 100 g củ khoai lang) [23].............................................................................................................................. 5 Bảng 1.2. Tên gọi, công thức phân tử và tên hóa học của các maltooligosaccharides (MO) và isomaltooligosacchrides (IMO) có DP=2-9............................................... 24 Bảng 1.3. Sản phẩm tạo thành của các các nhóm enzyme pullulanase .................... 34 Bảng 2.1. Đặc điểm của sáu giống khoai lang nguyên liệu...................................... 39 Bảng 2.2. Thông số các chế phẩm enzyme sử dụng trong nghiên cứu .................... 40 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của giống đến tỉ lệ thu hồi tinh bột khoai lang ..................... 60 Bảng 3.2. Hàm lượng amylose trong các loại tinh bột khoai lang ........................... 61 Bảng 3.3. Kích thước hạt tinh bột của sáu giống khoai lang.................................... 63 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của giống khoai lang đến độ dài trung bình của mạch tinh bột .................................................................................................................................. 64 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của giống đến khả năng hút nước của hạt tinh bột khoai lang .................................................................................................................................. 65 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của giống đến độ nhớt tinh bột khoai lang............................ 66 Bảng 3.7. Khả năng hòa tan và mức độ thoái hóa gel của tinh bột sáu giống khoai lang ........................................................................................................................... 68 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 1 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (thời gian thoái hóa 48 giờ)............................................................................. 77 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 1 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (nhiệt độ 4℃) .................................................................................................. 78 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ thoái hóa lần 2 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (thời gian 48 giờ) ............................................................................................ 79 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 2 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (nhiệt độ 4℃) .................................................................................................. 80 Bảng 3.12. Ảnh hưởng của thời gian thoái hóa lần 3 tới hàm lượng tinh bột tiêu hóa chậm (nhiệt độ 4℃) .................................................................................................. 81 Bảng 3.13. Đánh giá chất lượng sản phẩm ............................................................... 83 viii
Bảng 3.14. Thành phần dịch hóa tinh bột khoai lang sử dụng các chế phẩm enzyme α- amylase ................................................................................................................. 89 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến quá trình dịch hóa ....................... 90 Bảng 3.16. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình dịch hóa .................................... 91 Bảng 3.17. Ảnh hưởng của pH đến quá trình dịch hóa ............................................ 91 Bảng 3.18. Ảnh hưởng nhiệt độ đến sự hoạt động của enzyme β-amylase và pullulanase trong giai đoạn đường hóa..................................................................... 94 Bảng 3.19. Ảnh hưởng pH đến sự hoạt động của enzyme β-amylase và pullulanase trong giai đoạn đường hóa ........................................................................................ 95 Bảng 3.20. Ảnh hưởng nồng độ enzyme β-amylase đến quá trình đường hóa ........ 96 Bảng 3.21. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme pullulanase đến quá trình đường hóa 97 Bảng 3.22. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình đường hóa bằng enzyme β-amylase và pullulanase ............................................................................ 97 Bảng 3.23. Ảnh hưởng của nồng độ các enzyme đến sự tạo thành IMO bằng đường hóa – gắn nhánh đồng thời ..................................................................................... 109 Bảng 3.24. Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột SDS bổ sung tới chất lượng miến dong ........................................................................................................................ 113 Bảng 3.25. Hàm lượng IMO trong sản phẩm sau thanh trùng và tiệt trùng ........... 115 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Màu sắc khác nhau của vỏ và ruột củ khoai lang [13] ............................... 4 Hình 1.2. Sản lượng khoai lang tại các châu lục trên thế giới năm 2019 ................... 7 Hình 1.3: Các giống khoai lang phổ biến được tại Việt Nam (a. Khoai lang Hoàng Long; b. Khoai lang Hưng Lộc 4; c. Khoai lang Nhật đỏ; d. Khoai lang Nhật tím; e. Khoai lang Nhật trắng; f. Khoai lang KB1) ............................................................. 10 Hình 1.4. Hình ảnh SEM của tinh bột một số giống khoai lang Việt Nam. WSPS: tinh bột khoai lang trắng, YSPS: tinh bột khoai lang vàng và PSPS: tinh bột khoai lang tím [5] ............................................................................................................... 11 Hình 1.5. Cấu trúc kiểu A và kiểu B của tinh bột .................................................... 12 Hình 1.6. Một đoạn trisaccharide của phân tử amylose ........................................... 12 Hình 1.7. Cấu trúc amylopectin. ............................................................................... 13 Hình 1.8: Giản đồ biểu diễn những thay đổi xảy ra trong hỗn hợp tinh bột và nước trong quá trình đun nóng, làm lạnh và bảo quản. ..................................................... 16 Hình 1.9. Mô hình đề xuất tạo phức của amylose và (A) iốt, (B) axit béo .............. 17 Hình 1.10. Đặc tính sinh học của các loại tinh bột. .................................................. 19 Hình 1.11: Cấu trúc của các loại IMO [135] ............................................................ 27 Hình 1.12. Tâm xúc tác của enzyme α – amylase [158] .......................................... 32 Hình 1.13: Sản phẩm thủy phân amylose của enzyme β – amylase......................... 33 Hình 1.14. Cơ chế gắn nhánh của enzyme transglucosidase [148] ......................... 36 Hình 2.1: Quy trình sản xuất miến dong .................................................................. 42 Hình 2.2: Bố trí thí nghiệm thu hồi SDS từ tinh bột khoai lang .............................. 43 Hình 2.3: Bố trí thí nghiệm thu hồi IMO từ tinh bột khoai lang bằng phương pháp phân đoạn .................................................................................................................. 45 Hình 2.4: Bố trí thí nghiệm thu hồi IMO từ tinh bột khoai lang bằng phương pháp đường hóa – gắn nhánh............................................................................................. 49 Hình 2.5: Cơ sở lý thuyết phương pháp Ceralpha xác định hoạt độ enzyme α- amylase [206] ........................................................................................................... 54 x
Hình 2.6: Cơ sở lý thuyết của phương pháp Betamyl-3 xác định hoạt độ enzyme β- amylase [207] ........................................................................................................... 55 Hình 3.1. Hình ảnh SEM của sáu loại tinh bột khoai lang. ...................................... 62 Hình 3.2. Phân bổ kích thước hạt tinh bột của sáu giống khoai lang ....................... 63 Hình 3.3. Đồ thị độ nhớt RVA của tinh bột sáu giống khoai lang Việt Nam .......... 67 Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột tới sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm .................................................................................................................................. 72 Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme tới sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm .................................................................................................................................. 73 Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH tới sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm .................. 74 Hình 3.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân bởi pullulanase tới sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm ...................................................................................................... 75 Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân pullulanase tới sự hình thành tinh bột tiêu hóa chậm ............................................................................................................ 76 Hình 3.9. Ảnh hưởng của số lần thoái hóa tới hàm lượng SDS (nhiệt độ 4℃) ....... 82 Hình 3.10. Ảnh hưởng của quy trình sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm tới hình dạng của hạt tinh bột khoai lang tự nhiên (a,b) và tinh bột tiêu hóa chậm (c,d) lần lượt tại độ phóng đại 1000 và 5000 ...................................................................................... 84 Hình 3.11. Quy trình công nghệ thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm từ tinh bột khoai lang ........................................................................................................................... 85 Hình 3.12. Ảnh hưởng của mức độ thủy phân đến hàm lượng IMO tạo thành........ 87 Hình 3.13. Thành phần dịch sau thủy phân sử dụng các chế phẩm enzyme α- amylase ..................................................................................................................... 88 Hình 3.14. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến quá trình dịch hóa ....................... 92 Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình dịch hóa ................... 93 Hình 3.16: Ảnh hưởng của thời gian đường hóa thành phần oligosaccharide ......... 98 Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian đường hóa đến quá trình gắn nhánh tạo IMO 99 Hình 3.18. Ảnh hưởng pH gắn nhánh đến hàm lượng IMO tạo thành ................... 100 Hình 3.19. Ảnh hưởng nhiệt độ gắn nhánh đến hàm lượng IMO tạo thành........... 101 xi
Hình 3.20. Ảnh hưởng nồng độ enzyme transglucosidase đến hàm lượng IMO tạo thành ....................................................................................................................... 102 Hình 3.21. Ảnh hưởng của thời gian gắn nhánh đến hàm lượng IMO tạo thành ... 103 Hình 3.22. Quy trình sản xuất IMO từ tinh bột khoai lang bằng phương pháp phân đoạn ........................................................................................................................ 104 Hình 3.23. Thành phần đường trong dịch sau đường hóa và sau đường hóa - gắn nhánh đồng thời ...................................................................................................... 106 Hình 3.24. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến sự tạo thành IMO bằng đường hóa - gắn nhánh đồng thời ............................................................................................... 107 Hình 3.25. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến sự tạo thành IMO bằng đường hóa - gắn nhánh đồng thời ...................................................................................... 110 Hình 3.26. Quy trình sản xuất IMO từ tinh bột khoai lang bằng phương pháp đường hóa – gắn nhánh đồng thời ..................................................................................... 111 xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Khoai lang là cây lương thực truyền thống đứng thứ tư sau lúa, ngô, sắn và đứng thứ hai về giá trị kinh tế sau khoai tây ở Việt Nam [1]. Khoai lang được chú trọng canh tác ở khắp mọi nơi trên cả nước từ đồng bằng đến miền núi, duyên hải miền Trung và vùng đồng bằng sông Cửu Long. Năm 2019, ước tính diện tích trồng khoai lang khoảng 116,7 nghìn ha với sản lượng hơn 1,4 triệu tấn [2]. Khoai lang rất giàu protein, carbohydrate, polyphenol, carotenoid và ít chất béo, nó cũng là nguồn cung cấp chất chống oxy hóa tốt trong chế độ ăn hàng ngày [3]. Phần lớn khoai lang Việt Nam được trồng để thu hoạch củ dùng làm thực phẩm ăn tươi, phục vụ xuất khẩu, chế biến thực phẩm và chế biến thức ăn gia súc. Trong nghiên cứu và ứng dụng, tinh bột khoai lang khoai lang được sử dụng chủ yếu như một nguyên liệu sản xuất mì sợi và miến nhờ khả năng kết dính tốt và dễ dàng kết hợp với các thành phần khác [4]. Bên cạnh đó, nó còn có mặt trong các quy trình sản xuất tinh bột biến tính có khả năng kháng tiêu hóa hay còn gọi là tinh bột kháng (phần tinh bột không bị tiêu hóa bởi hệ enzyme amylase trong ruột non và được lên men bởi hệ vi sinh vật trong ruột già) [5]. Việc nâng cao giá trị kinh tế cho khoai lang vẫn còn rất nhiều khả năng khai thác và cũng là bài toán cấp thiết cho một quốc gia phát triển nông nghiệp như Việt Nam. Các sản phẩm thực phẩm chức năng có nguồn gốc từ tinh bột là một hướng đi tiềm năng lớn do tinh bột là nguồn nguyên liệu giá thành thấp, dễ dàng sản xuất quy mô lớn. Dựa trên mục đích dinh dưỡng, tinh bột trong thực phẩm được phân loại thành tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột kháng tiêu hóa (RS). Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) có khả năng giải phóng năng lượng một cách chậm hơn đáng kể so với tinh bột tự nhiên [6] nhờ biến tính cấu trúc thông qua phương pháp vật lý, hóa học, enzyme hoặc kết hợp của các phương pháp. Điển hình trong số đó là phương pháp sử dụng enzyme pullulanase khử nhánh kết hợp xử lý thoái hóa lặp lại mang lại hiệu suất tổng hợp SDS cao, an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó, isomaltooligosaccharides (IMO) vốn được biết đến là thành phần prebiotics [7], sản xuất từ tinh bột tự nhiên thông qua việc sử dụng kết hợp một số loại enzyme. Tinh bột tiêu hóa chậm và isomaltooligosaccharides đang được tập trung nghiên cứu, phát triển và sản xuất với sản lượng lớn trên thế giới do những đặc tính quý báu mà nó mang lại [8] [9]. Đặc biệt với những bệnh nhân tiểu đường, béo phì, cholesterol cao và các bệnh liên quan đến đường ruột. Cả hai với những giá trị to lớn đã được chứng minh giúp cải thiện sức khỏe con người một cách an toàn và hiệu quả. Trong công nghệ thực phẩm, SDS được bổ sung vào thực phẩm chế biến giàu tinh bột nhằm điều chỉnh lượng glucose giải phóng sau khi dung nạp vào cơ thể; IMO lại được thay thế như một đường chức năng trong nhiều đồ uống, các sản phẩm từ sữa, bánh kẹo,… mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe đường ruột, giảm năng lượng hấp thu mà không ảnh hưởng đến cảm quan sản phẩm. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trong nước chưa quan tâm nhiều đến tạo ra SDS. Bên cạnh đó, tại Việt nam, một công trình duy nhất đã công bố nghiên cứu về quy trình sản xuất IMO từ tinh bột sắn của TS. Đỗ Trọng Hưng năm 2012 [10] mới dừng lại ở xác định tổng IMO mà chưa phân định 1
được các IMO thành phần, ngoài ra chưa có công trình nào nghiên cứu về quy trình sản xuất IMO từ các loại tinh bột khác, cũng như từ tinh bột khoai lang nói riêng. Do đó, đề tài “Nghiên cứu quá trình thuỷ phân tinh bột khoai lang bằng phương pháp enzyme tạo tinh bột tiêu hoá chậm và isomaltooligosaccharide nhằm ứng dụng trong thực phẩm” đã tiến hành nghiên cứu các đặc tính của tinh bột các giống khoai lang Việt Nam và biến tính tinh bột khoai lang tạo SDS và IMO nhằm giúp các nhà khoa học và nhà sản xuất có định hướng nghiên cứu và sản xuất ứng dụng các sản phẩm này. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định đặc điểm hình thái, cấu trúc và tính chất lý hoá của tinh bột khoai lang Việt Nam - Nghiên cứu xác định phương pháp thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) từ tinh bột khoai lang - Nghiên cứu xác định phương pháp thu nhận isomaltooligosaccharide (IMO) từ tinh bột khoai lang - Đánh giá khả năng ứng dụng SDS và IMO trong sản xuất thực phẩm 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu đặc tính tinh bột khoai lang và khả năng thu hồi tinh bột của các giống khoai Việt Nam - Nghiên cứu điều kiện thu nhận SDS và đặc tính của SDS thành phẩm - Nghiên cứu điều kiện thu nhận IMO và đặc tính của IMO thành phẩm - Ứng dụng SDS và IMO trong sản xuất thực phẩm 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a) Ý nghĩa khoa học - Kết quả có hệ thống về tính chất hóa lý của tinh bột khoai lang các giống khoai lang phổ biến ở Việt nam là đóng góp đáng tin cậy cho nguồn tư liệu khoa học về các giống khoai lang Việt Nam - Xác lập giải pháp công nghệ thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm và isomaltooligosaccharide từ tinh bột khoai lang Hoàng Long - Kết quả nghiên cứu về tác động của các enzyme trong nghiên cứu sản xuất IMO đã chỉ rõ hơn sự phân cắt và gắn nhánh trên mạch tinh bột khoai lang dưới tác dụng của enzyme tạo ra những sản phẩm tương ứng khác nhau, là tiền đề giúp các nhà nghiên cứu và sản xuất đánh giá rõ hơn về sản phẩm này. - Kết quả nghiên cứu đã chỉ rõ kết hợp giữa enzyme và tác động nhiệt thấp làm thoái hóa tinh bột giúp làm tăng hàm lượng SDS từ tinh bột khoai lang. b) Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu về tính chất lý hóa của tinh bột các giống khoai lang Việt Nam là cơ sở giúp các nhà khoa học, nông nghiệp, sản xuất trong lựa chọn giống trồng trọt và chế biến. - Tạo sản phẩm mới từ tinh bột khoai lang với các đặc tính có lợi sức khỏe, phù hợp với xu thế thị trường thế giới, và là giải pháp giúp nâng cao giá trị thương mại cho khoai lang Việt Nam - Kết quả nghiên cứu tạo IMO và SDS từ tinh bột khoai lang cùng các đặc tính của chúng giúp các nhà sản xuất có sự lựa chọn phù hợp khi muốn sản xuất các sản phẩm này hoặc ứng dụng những sản phẩm này vào sản xuất thực phẩm. 2
- Kết quả của nghiên cứu là có thể là tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu, là cơ sở cho các thử nghiệm ứng dụng trong quy mô công nghiệp, từ đó đa dạng hóa các con đường chế biến tạo thành phẩm có giá trị thương mại cao cho tinh bột khoai lang nói riêng và củ khoai lang tươi Việt Nam nói chung. 5. Những điểm mới của luận án - Luận án là công trình nghiên cứu đầy đủ về các tính chất lý hóa và cấu trúc của tinh bột các giống khoai lang Việt nam, là cơ sở giúp các nhà khoa học, nông nghiệp, sản xuất trong lựa chọn giống trồng trọt và chế biến. - Luận án là công trình đầu tiên tại Việt nam đã đưa ra giải pháp công nghệ sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) sử dụng enzyme kết hợp thoái hóa, cụ thể là tinh bột khoai lang. Đồng thời là công trình đầu tiên nghiên cứu về tính chất của SDS tại Việt Nam. - Luận án là công trình đầu tiên đưa ra giải pháp công nghệ sản xuất IMO từ tinh bột khoai lang tại Việt nam. Hỗn hợp isomaltooligosaccharide sản phẩm được tinh chế và định lượng dựa vào HPLC-RID mang lại kết quả có độ chính xác cao. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về cây khoai lang 1.1.1. Nguồn gốc của cây khoai lang Khoai lang có tên La tinh là Ipomoea batatas (L.) Lam, thuộc họ Covolvulus, chi Impomoea, loài Ipomoea batatas. Theo hầu hết các nguồn tài liệu, cây hai lá mầm này có nguồn gốc và sự thuần hóa từ Trung Mỹ hoặc Nam Mỹ cách đây ít nhất 5000 năm [11]. Sau đó, khoai lang được đưa tới các vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới khác trên thế giới và trở thành cây lương thực phổ biến ở các đảo của Thái Bình Dương [12]. Tàn tích lịch sử của khoai lang được các nhà khảo cổ học tìm thấy ở Polynesia, do đó, giả thiết được đưa ra là người Polynesia cổ đại đã giao lưu với những người ở bờ biển phía tây Nam Mỹ và mang khoai lang đến các đảo ở Thái Bình Dương. Vào khoảng thế kỷ 16, cây khoai lang được du nhập vào Philippines và Indonesia thông qua người dân, khách du lịch từ Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha [13]. Và sau đó, tiếp tục được các thương nhân địa phương, du khách châu Âu phân phối sang phần còn lại của châu Á. Tại Trung Quốc, nơi có diện tích cây trồng này lớn nhất thế giới hiện nay, khoai lang được du nhập từ Philippines đến Phúc Kiến như một loại cây lương thực vào khoảng năm 1387 [14]. Khoai lang nhanh chóng lan rộng khắp các nước châu Á, châu Mỹ La Tinh, châu Phi trong thế kỷ 17 và 18 do có khả năng thích nghi cao. Hiện nay, khoai lang được trồng rộng rãi trên khắp các vùng nhiệt đới và ôn đới ấm áp [15]. 1.1.2. Đặc điểm hình thái cây khoai lang Khoai lang thuộc nhóm thực vật hai lá mầm, là cây thân thảo lâu năm. Thân cây có màu xanh lục hoặc tía, dài 1,2 đến 8 mét tùy thuộc vào giống cây trồng. Cây có hoa màu trắng hoặc tím, lá hình trái tim hoặc hình thùy xen kẽ nhau. Một số rễ của chúng là củ giàu tinh bột và đường, đây là bộ phận quan trọng nhất của cây [13]. Củ khoai lang có hình dạng và màu sắc khác nhau: dài và thon, hình trứng hoặc tròn, tùy thuộc vào giống được trồng, vỏ nhẵn có màu vàng, cam, đỏ, nâu, tím và trắng. Thịt củ có màu từ trắng đến kem nhạt, đỏ, hồng, tím, vàng, cam và tím (Hình 1.1) [13]. Hình 1.1: Màu sắc khác nhau của vỏ và ruột củ khoai lang [13] 4
Cấu tạo củ khoai lang gồm ba phần: vỏ lụa, vỏ cùi và thịt củ. Vỏ lụa gồm những tế bào chứa sắc tố, cấu tạo thành tế bào chủ yếu là cellulose có tác dụng bảo vệ củ hạn chế khỏi các tác động bên ngoài và hạn chế việc mất nước. Lớp vỏ cùi gồm những tế bào thành mỏng chứa tinh bột, mủ (dịch thể) và nguyên sinh chất. Thịt củ chứa các tế bào giàu tinh bột hơn tế bào ở vỏ củ. Do đó, khoai lang có thể được dùng làm nguồn lương thực thay cho các loại cây lương thực chính khác như gạo, lúa mì và ngô [16]. 1.1.3. Giá trị dinh dưỡng của khoai lang Khoai lang là cây trồng tiềm năng giúp ngăn ngừa và giảm thiểu tình trạng mất an ninh lương thực, thiếu dinh dưỡng ở các nước đang phát triển và kém phát triển nhờ có thành phần dinh dưỡng phong phú. Củ khoai lang rất giàu tinh bột, protein, chất xơ, lipid, polyphenol, carotenoid, vitamin (B1, B2, B3, B5, B6, H, C, E) và các nguyên tố khoáng (P, K, Ca, Mg, Fe, Zn, Na, Cu) (Bảng 1.1). Thành phần dinh dưỡng của khoai lang thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào yếu tố di truyền và điều kiện nuôi trồng. Carbohydrate là thành phần dinh dưỡng chính, chiếm 80 – 90% chất khô trong củ khoai lang, bao gồm tinh bột, cellulose, hemicellulose, pectin và đường. Trong đó, tinh bột chiếm 60 – 70% khối lượng khô, hoặc thấp hơn đáng kể [19]. Hàm lượng tinh bột biến đổi tùy thuộc vào điều kiện trồng trọt cũng như đặc tính giống cây [20]. Bên cạnh đó, tinh bột khoai lang cũng là nguyên liệu phổ biến cho các quá trình biến tính vật lý và hóa học nhằm cải thiện đặc tính hóa lý và khả năng kháng enzyme tiêu hóa trong cơ thể con người, biến tinh bột khoai trở thành chất phụ gia chức năng được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm [21], [22]. Bảng 1.1. Thành phần dinh dưỡng của khoai lang (tính trên 100 g củ khoai lang) [23] Thành phần Hàm lượng Nước (g) 73,52 - 81,89 Carbohydrate (g) 20,12 Đường tự do (g) 4,18 Saccarose (g) 1,88 - 3,34 Glucose (dextrose) (g) 0,3 - 1,88 Fructose (g) 0,24 - 1,13 Tinh bột (g) 7,2 - 20,1 Chất xơ (g) 3 Protein (g) 1,37 - 1,99 Lipid (g) 0,02 - 0,15 Tro (g) 0,84 - 1,1 Canxi (mg) 24 - 40 Sắt (mg) 0,54 - 0,75 5
Thành phần Hàm lượng Magie (mg) 19 - 30 Phosphorus (mg) 38 - 62 Kali (mg) 282 - 370 Natri (mg) 21 - 107 Kẽm (mg) 0,25 - 0,37 Vitamin C, tổng acid ascorbic (mg) 0,1 - 4,9 Vitamin B6 (mg) 0,183 - 0,247 Vitamin B9 (µg) 8,0 - 15,0 Carotene, beta (µg) 4030 - 16000 Carotene, alpha (µg) 0 - 133 Vitamin A, IU 14187 Vitamin K (phylloquinone) (µg) 1,5 - 2 Năng lượng (kcal) 86 Trong củ khoai lang tươi, thành phần đường chủ yếu là saccarose, glucose và fructose. Trong đó, thành phần lớn nhất là saccarose, tiếp theo là glucose và fructose với tổng hàm lượng dao động trong khoảng 0,38% đến 5,64% [24]. Tuy nhiên, sau khi luộc hoặc nướng củ, tinh bột được thủy phân thành maltose, tạo nên hương vị ngọt ngào cho củ đã nấu chín [25]. Các polysaccharide phi tinh bột hay chất xơ khoai lang bao gồm cellulose, hemicellulose và pectin. Phân tích bột khoai lang cho thấy hỗn hợp chứa 49,7% chất xơ, trong đó, pectin chiếm 39,5%, cellulose 33,6%, hemicellulose 23,4% và lignin 3,5% [26]. Chất xơ thực phẩm với rất nhiều lợi ích cho sức khỏe đường ruột, góp phần phòng ngừa ung thư ruột kết, tiểu đường, bệnh tim và tình trạng béo phì. Do đó, khoai lang được xem như một thực phẩm giúp tăng cường sức khỏe con người [15]. Phần lớn protein dự trữ trong khoai lang là sporamin, chiếm 75–80% tổng lượng protein trong củ [27] và rất giàu axit amin thiết yếu. Do đó, protein khoai lang được cho là có chất lượng tương đồng với các protein thực vật chất lượng cao khác [28]. Các kết quả về thành phần protein được nghiên cứu và báo cáo có hàm lượng axit amin trong 100 g protein thay đổi đáng kể [30]. Nguyên nhân được đưa ra bên cạnh sự khác nhau về giống cây trồng là tập quán canh tác và ảnh hưởng của môi trường cũng tác động đến hàm lượng protein trong khoai lang [31]. Polyphenol là nhóm các hợp chất có hoạt tính sinh học, bảo vệ cơ thể con người khỏi quá trình oxy hóa đã được chứng minh là nguồn gốc gây ra bệnh tật như ung thư, lão hóa và các vấn đề tim mạch. Trong khoai lang, hàm lượng polyphenol cao gấp 2 đến 3 lần so với một số loại rau thông thường [32]. Dạng tồn tại chính của polyphenol trong khoai lang gồm: Flavonoid và axit phenolic. Flavonoid được tìm 6