Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa loại RS3 từ nguyên liệu gạo bằng thủy phân enzyme kết hợp xử lý nhiệt ẩm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:173

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa loại RS3 từ nguyên liệu gạo bằng thủy phân enzyme kết hợp xử lý nhiệt ẩm" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu phân tích và lựa chọn nguyên liệu thích hợp để sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa; Thực nghiệm quá trình tiền xử lý nguyên liệu bằng thủy phân enzyme pullulanase để sản xuất tinh bột RS3; Nghiên cứu công nghệ biến tính làm giàu hàm lượng tinh bột kháng tiêu hóa RS3 bằng phương pháp hấp nhiệt và làm nguội.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa loại RS3 từ nguyên liệu gạo bằng thủy phân enzyme kết hợp xử lý nhiệt ẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH ========================================== PHẠM CAO THĂNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT KHÁNG TIÊU HOÁ LOẠI RS3 TỪ NGUYÊN LIỆU GẠO BẰNG THUỶ PHÂN ENZYME KẾT HỢP XỬ LÝ NHIỆT ẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH ========================================== PHẠM CAO THĂNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT KHÁNG TIÊU HOÁ LOẠI RS3 TỪ NGUYÊN LIỆU GẠO BẰNG THUỶ PHÂN ENZYME KẾT HỢP XỬ LÝ NHIỆT ẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH MÃ SỐ: 954.01.04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN DUY LÂM 2. PGS.TS. PHẠM ANH TUẤN HÀ NỘI - 2024
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Duy Lâm và PGS.TS Phạm Anh Tuấn, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Lãnh đạo Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Phòng Khoa học, Đào tạo và HTQT, Trung tâm Nghiên cứu và Kiểm tra chất lượng nông sản thực phẩm cùng các Phòng, Ban khác trong Viện đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian, cơ sở vật chất cũng như hỗ trợ, chia sẻ những kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã quan tâm giúp đỡ và phê duyệt cho chúng tôi được thực hiện đề tài trọng điểm cấp Bộ về lĩnh vực mà tôi nghiên cứu, đấy chính là những tiền đề giúp tôi có thêm định hướng để thực hiện đề tài luận án của mình. Cuối cùng, xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình cùng bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, đồng hành trong quá trình tôi thực hiện và hoàn thành luận án này. Xin trân trọng cảm ơn! i
MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH x MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết 1 2. Mục tiêu 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2 3.1. Ý nghĩa khoa học 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn 3 4. Đóng góp mới của luận án 3 5. Bố cục của luận án 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5 1.1. Giới thiệu chung về tinh bột 5 1.1.1. Cấu trúc và thành phần của tinh bột 6 1.1.2. Tính chất chức năng của tinh bột 7 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của tinh bột 7 1.2. Biến tính tinh bột 8 1.2.1. Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý 10 1.2.2. Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học 10 1.3. Tinh bột kháng tiêu hóa 12 1.3.1. Đặc điểm của tinh bột theo thuộc tính tiêu hóa 12 1.3.2. Cấu trúc và phân loại tinh bột kháng tiêu hóa (RS) 13 1.3.2.1. Cấu trúc của tinh bột kháng tiêu hóa 13 1.3.2.2. Phân loại tinh bột kháng tiêu hóa 14 1.3.3. Cơ chế hình thành tinh bột kháng tiêu hóa (RS3) 16 1.3.3.1. Nguyên tắc chung 16 1.3.3.2. Cơ chế tác động của enzyme đến cấu trúc và chức năng của tinh bột 17 iii
1.3.3.3. Sự hình thành tinh thể và cơ chế tạo tinh bột kháng tiêu hóa RS3 20 1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu về sản xuất tinh bột RS3 21 1.4.1. Tổng hợp các công nghệ biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lý 21 1.4.2. Công nghệ thủy phân enzyme trong sản xuất tinh bột RS3 26 1.4.3. Công nghệ xử lý nhiệt trong sản xuất tinh bột RS3 30 1.4.3.1. Công nghệ biến tính tinh bột bằng nhiệt ẩm 30 1.4.3.2. Công nghệ biến tính tinh bột bằng hấp nhiệt và làm nguội 32 1.4.4. Công nghệ làm sạch và thu hồi tinh bột RS3 38 1.5. Nguyên liệu sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá 39 1.5.1. Một số nguyên liệu chính để sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá 39 1.5.2. Nguyên liệu gạo trong sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa 42 1.6. Tình hình nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa tại 46 Việt Nam 1.7. Tổng hợp luận giải những vấn đề cần nghiên cứu 48 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50 2.1. Nguyên vật liệu nghiên cứu 50 2.1.1. Nguyên liệu nghiên cứu 50 2.1.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng 50 2.1.2.1. Hóa chất và vật liệu 50 2.1.2.2. Thiết bị sử dụng 51 2.2. Nội dung nghiên cứu 52 2.3. Phương pháp nghiên cứu 53 2.3.1. Phương pháp chuẩn bị mẫu 53 2.3.1.1. Chuẩn bị bột gạo 53 2.3.1.2. Chuẩn bị tinh bột gạo 53 2.3.2. Phương pháp công nghệ 54 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 55 2.3.3.1. Phương pháp thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến quá 55 trình tiền xử lý tinh bột gạo bằng thủy phân enzyme pullulanase 2.3.3.2. Phương pháp thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các yếu tố trong quá 57 trình hấp nhiệt/làm nguội đến hàm lượng RS3 2.3.3.3. Phương pháp thực nghiệm đa yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiền xử lý 58 nguyên liệu bằng thủy phân enzyme pullulanase kết hợp thủy nhiệt iv
2.3.3.4. Phương pháp tối ưu hóa bằng hàm mong đợi 60 2.3.4. Phương pháp sản xuất thử nghiệm tinh bột RS3 quy mô pilot 60 2.3.5. Phương pháp phân tích 61 2.3.5.1. Phương pháp phân tích hóa học 61 2.3.5.2. Phương pháp phân tích hóa lý 63 2.3.6. Phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái tinh bột 64 2.3.7. Phương pháp thủy phân enzyme đánh giá mức độ thủy phân và khả năng 64 tiêu hóa tinh bột in vitro 2.3.8. Phương pháp tinh chế bằng enzyme 65 2.3.9. Xác định tỷ lệ thu hồi và hiệu suất thu hồi tinh bột kháng tiêu hoá 65 2.3.10. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu 65 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 66 3.1. Kết quả nghiên cứu phân tích và lựa chọn nguyên liệu thích hợp để sản 66 xuất tinh bột kháng tiêu hóa 3.1.1. Đặc tính thành phần bột gạo của các loại giống lúa khảo sát 66 3.1.2. Đặc tính thành phần tinh bột gạo tự nhiên và xử lý thoái hóa 68 3.1.3. Các đặc trưng RVA của tinh bột gạo 70 3.1.4. Đặc điểm hình thái hạt tinh bột - hình ảnh SEM của tinh bột gạo giống 71 IR50404 3.1.5. Phổ nhiễu xạ tia X và độ kết tinh tương đối của tinh bột gạo giống IR50404 71 3.2. Kết quả thực nghiệm quá trình tiền xử lý nguyên liệu bằng thủy phân 73 enzyme pullulanase để sản xuất tinh bột RS3 3.2.1. Kết quả khảo sát đánh giá hiệu quả quá trình thủy phân bằng emzyme 73 pullulanase từ nguyên liệu tinh bột hồ hóa và thoái hóa đến khả năng tạo tinh bột RS3 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột đến khả năng tạo tinh bột RS3 74 3.2.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng tạo tinh bột RS3 75 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến khả năng tạo tinh bột RS3 76 3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến khả năng tạo tinh bột RS3 77 3.2.6. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme pullulanase đến khả năng tạo tinh bột RS3 78 3.2.7. Thành phần hóa học và tính chất của sản phẩm tinh bột RS3 79 3.2.8. Đặc điểm cấu trúc và hình thái tinh bột kháng tiêu hoá trung gian 80 3.3. Kết quả nghiên cứu công nghệ biến tính làm giàu hàm lượng tinh bột 82 kháng tiêu hóa RS3 bằng phương pháp hấp nhiệt và làm nguội v
3.3.1. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và chu kỳ hấp nhiệt 82 đến hàm lượng RS3 3.3.2. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ làm nguội và thời gian lưu ủ 84 nhiệt đến hàm lượng RS3 3.4. Kết quả tối ưu hóa một số yếu tố công nghệ tiền xử lý bằng thủy phân 87 enzyme pullulanase kết hợp quá trình thủy nhiệt để sản xuất tinh bột kháng tiêu hóa RS3 từ nguyên liệu gạo 3.4.1. Cơ sở lập luận chọn biến và mục tiêu của quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố 87 3.4.2. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố 88 3.4.2.1. Khảo sát sự biến thiên của hàm Y1 89 3.4.2.2. Khảo sát sự biến thiên của hàm Y2 92 3.4.2.3. Khảo sát sự biến thiên của hàm Y3 94 3.4.3. Kết quả tối ưu hóa quá trình tiền xử lý bằng thủy phân enzyme pullulase 96 kết hợp quá trình thủy nhiệt 3.5. Kết quả sản xuất thử nghiệm tinh bột kháng tiêu hóa RS3 bằng thủy 100 phân enzyme kết hợp thủy nhiệt từ nguyên liệu gạo, quy mô pilot 3.5.1. Nguyên liệu và một số thiết bị chính sử dụng trong quá trình sản xuất thử 100 nghiệm 3.5.2. Phương pháp tiến hành sản xuất thử nghiệm 100 3.5.3. Kết quả sản xuất thử nghiệm 101 3.6. Đề xuất quy trình công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá RS3 110 3.6.1. Phạm vi và đối tượng áp dụng quy trình 110 3.6.2. Cơ sở để xây dựng quy trình 110 3.6.3. Các thiết bị chính sử dụng trong quy trình 110 3.6.4. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột RS3 110 3.6.5. Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất tinh bột RS3 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 PHỤ LỤC 128 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ Tiếng Anh Tên đầy đủ Tiếng Việt ANN Annealing Xử lý ủ nhiệt AOAC Association of Official Hội Khoa học phân tích Quốc tế Analytical ATTP An toàn thực phẩm cs Cộng sự DB Degree of branching Mức độ phân nhánh DCS Differential scanning Nhiệt lượng quét vi sai calorimetry DH Degree of hydrolysis Mức độ thủy phân DP Degree of polymerization Mức độ trùng hợp FTIR Fourier transform infrared Quang phổ hồng ngoại biến spectroscopy đổi Fourier GI Glycemic Index Chỉ số đường huyết Hàm lượng RS3 Hàm lượng tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 HT Hydrothermal Thủy nhiệt KPH Không phát hiện In vitro Thử nghiệm trong ống nghiệm In vivo Nghiên cứu trên động vật ISO International Organization for Tổ chức Tiêu chuẩn hóa quốc tế Standardization LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện NPn Average Degree of Mức độ trùng hợp trung bình Polymerization ppm Parts per million Phần triệu ppb Parts per billion Phần tỷ RDS Rapidly Digestible Starch Tinh bột tiêu hóa nhanh vii
SDS Slowly Digestible Starch Tinh bột tiêu hóa chậm RS Resistant starch Tinh bột kháng tiêu hoá RVA Rapid Visco Analyzer Thiết bị phân tích độ nhớt nhanh SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope T Temperature Nhiệt độ TB Tinh bột Tinh bột RS3 Tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 TBHH Tinh bột hồ hóa TBTH Tinh bột thoái hóa TBTN Tinh bột tự nhiên TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Tg Glass Transition Temperature Nhiệt độ chuyển thủy tinh Tm Melting Temperature Nhiệt độ nóng chảy XRD X - Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X viii
DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1 Phương pháp biến tính bằng các kỹ thuật vật lý đến sự thay đổi 21 cấu trúc và tính chất của tinh bột Bảng 1.2 Hàm lượng tinh bột kháng của một số nguyên liệu sản xuất RS 40 Bảng 2.1 Bảng giá trị mã hóa của các biến số độc lập 59 Bảng 2.2 Ma trận thực nghiệm đa yếu tố theo biến mã hóa 59 Bảng 3.1 Đặc tính thành phần bột gạo của các loại giống lúa khảo sát 66 Bảng 3.2 Các thông số RVA của tinh bột gạo các giống lúa 70 Bảng 3.3 Số liệu nhiễu xạ tia X của tinh bột gạo giống IR50404 72 Bảng 3.4 Thành phần hóa học và một số thông số chất lượng của tinh bột RS3 79 Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả thực nghiệm đa yếu tố 88 Bảng 3.6 Kết quả phân tích hồi quy các hàm mục tiêu Y1, Y2, Y3 89 Bảng 3.7 Điều kiện ràng buộc của các yếu tố và mục tiêu thực nghiệm 96 Bảng 3.8 Giá trị dự đoán và thực nghiệm của các đáp ứng trong điều kiện 98 tối ưu Bảng 3.9 Các thông số chất lượng của tinh bột gạo và sản phẩm tinh bột RS3 102 Bảng 3.10 Các chỉ tiêu vi sinh và dư lượng kim loại nặng của sản phẩm 102 tinh bột RS3 Bảng 3.11 Số liệu nhiễu xạ tia X của tinh bột gạo giống IR50404 tự nhiên và 105 tinh bột RS3 Bảng 3.12 Thông số RVA của tinh bột gạo giống IR50404 tự nhiên và 106 tinh bột RS3 Bảng 3.13 Các thông số nhiệt của tinh bột gạo giống IR50404 tự nhiên và 107 tinh bột RS3 Bảng 3.14 Mức độ tương đồng và tỷ lệ hấp thụ tại bước sóng 1.047 cm-1/1.022 109 cm-1 của tinh bột gạo tự nhiên giống IR50404 và tinh bột RS3 ix
DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1 Cấu trúc của amylose và amylopectin trong tinh bột 6 Hình 1.2. Tổng hợp các phương pháp biến tính tinh bột bằng vật lý và hóa học 9 Hình 1.3 Mô phỏng cấu trúc của các loại tinh bột kháng tiêu hóa 13 Hình 1.4 Cơ chế tác động của enzyme đến cấu trúc để cải thiện chức năng của 17 tinh bột Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động của các enzyme thủy phân tinh bột 18 Hình 1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tạo mầm, phát triển mạng tinh thể 20 và kết tinh tổng thể Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột RS3 54 Hình 3.1 Hàm lượng RS3 và amylose trong bột gạo của 8 giống lúa có hàm 67 lượng amylose cao nhất Hình 3.2 Hàm lượng RS3 và amylose trong tinh bột gạo của 4 giống lúa 69 Hình 3.3 Hình thái tinh bột gạo giống IR50404 71 Hình 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X của tinh bột gạo giống IR50404 72 Hình 3.5 Hàm lượng RS3 sau quá trình thủy phân từ tinh bột hồ hóa và tinh bột 73 thoái hóa Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột đến hàm lượng RS3 74 Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng RS3 trong quá trình thủy phân 76 bằng enzyme pullulanase Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến hàm lượng RS3 76 Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hàm lượng RS3 77 Hình 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme pullulanase đến hàm lượng RS3 78 Hình 3.11 Phổ nhiễu xạ tia X của tinh bột gạo tự nhiên (TB-TN), tinh bột thoái 80 hóa (TB-TH) và sản phẩm tinh bột kháng tiêu hóa (TB-RS3) Hình 3.12 Hình thái tinh bột gạo giống IR50404 tự nhiên (trái) và sau khi xử lý 81 thủy phân và thoái hóa (phải). Độ phóng đại 6.000 lần Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và chu kỳ hấp nhiệt đến 82 hàm lượng RS3 x
Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và làm nguội theo chu kỳ đến 84 hàm lượng RS3 Hình 3.15 Biểu diễn 2D quan hệ giữa các yếu tố thực nghiệm đến hàm mục tiêu 91 Y1 Hình 3.16 Biểu diễn 3D quan hệ giữa các yếu tố thực nghiệm đến hàm mục tiêu 91 Y1 Hình 3.17 Biểu diễn 2D quan hệ giữa các yếu tố thực nghiệm đến hàm mục tiêu 93 Y2 Hình 3.18 Biểu diễn 3D quan hệ giữa các yếu tố thực nghiệm đến hàm mục tiêu 93 Y2 Hình 3.19 Biểu diễn 2D quan hệ giữa các yếu tố thực nghiệm đến hàm mục tiêu 95 Y3 Hình 3.20 Biểu diễn 3D quan hệ giữa các yếu tố thực nghiệm đến hàm mục tiêu 95 Y3 Hình 3.21 Mức độ đáp ứng sự mong đợi 97 Hình 3.22 Một số thiết bị chính dùng trong sản xuất thử nghiệm tinh bột RS3 100 Hình 3.23 Sản phẩm tinh bột kháng tiêu hoá RS3 101 Hình 3.24 Hình thái và kích thước hạt tinh bột gạo giống IR50404 tự nhiên (A) 104 và tinh bột RS3 (D). Độ phóng đại 2.500 X (cột bên trái) và 6.000 X (cột bên phải) Hình 3.25 Phổ nhiễu xạ tia X của tinh bột gạo giống IR50404 tự nhiên (A) 105 và tinh bột RS3 (D) Hình 3.26 Biểu đồ nhiệt lượng vi sai (DSC) của tinh bột gạo giống IR50404 tự 107 nhiên (A) và tinh bột RS3 (D) Hình 3.27 Phổ FT-IR của tinh bột gạo giống IR50404 tự nhiên (A) và tinh bột 108 RS3 (D) Hình 3.28 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột RS3 từ nguyên liệu tinh 111 bột gạo xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Tinh bột kháng tiêu hóa (Resistant starch - RS) là loại tinh bột không bị tiêu hóa trong ruột non trong vòng 120 phút. Khi đến ruột già, RS hoạt động như một nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn có lợi. Trong số các loại tinh bột kháng tiêu hóa, RS3, hay còn gọi là tinh bột tái tinh thể hóa, hình thành khi tinh bột được gia nhiệt và làm nguội. Tinh bột kháng tiêu hóa loại RS3 (tinh bột RS3) được coi là một loại chất xơ không tan và có tiềm năng nhất trong số các loại tinh bột kháng tiêu hóa, nhờ vào khả năng kháng lại quá trình tiêu hóa của enzyme trong ruột non và tính ổn định dưới các điều kiện chế biến thực phẩm như nhiệt độ cao và pH khác nhau. Do đó, tinh bột RS3 được coi như một thực phẩm chức năng có lợi cho sức khỏe con người, với những tác dụng tăng cường hệ vi sinh vật đường ruột, kiểm soát lượng đường trong máu, giảm nguy cơ mắc các bệnh về tim mạch, hỗ trợ quản lý cân nặng và phòng ngừa một số bệnh mạn tính [11]. Tùy thuộc vào nguồn gốc tinh bột và phương pháp biến tính mà các đặc tính cấu trúc, tính chất chức năng và hàm lượng tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 (hàm lượng RS3) cũng khác nhau. Do vậy, việc nghiên cứu tìm ra những nguyên liệu có hiệu quả để sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá là cần thiết. Gạo là một trong những loại ngũ cốc quan trọng nhất trên thế giới, đặc biệt là ở các nước châu Á. Cấu trúc và tính chất của gạo có nhiều lợi thế để sản xuất tinh bột RS3 như: Hàm lượng tinh bột cao; các hạt tinh bột có cấu trúc phức tạp với các phân nhánh và liên kết hydrogen giữa các chuỗi glucose, cấu trúc này là điều kiện lý tưởng cho quá trình biến đổi tinh bột thành các dạng tinh bột kháng tiêu hóa, đặc biệt là tinh bột RS3; tinh bột gạo có khả năng thủy phân tốt, cho phép tạo ra các sản phẩm RS3 thông qua các quá trình biến tính tinh bột, làm cho quá trình sản xuất RS3 từ gạo trở nên hiệu quả và dễ dàng điều chỉnh. Sử dụng gạo làm nguyên liệu để sản xuất tinh bột RS3 còn làm tăng giá trị gia tăng cho sản phẩm này, tận dụng được nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền. Việc sử dụng gạo cũng có thể cải thiện tính chấp nhận của 1
người tiêu dùng đối với các sản phẩm chế biến từ tinh bột RS3, vì gạo là một thực phẩm quen thuộc và được ưa chuộng [12, 13]. Phương pháp sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá hiện nay chủ yếu bằng các phương pháp biến tính vật lý và hóa học [14]. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá ngày càng được quan tâm, đã có những nghiên cứu bước đầu trên các đối tượng nguyên liệu như đậu xanh, khoai lang, khoai môn, gạo, chuối… với các phương pháp biến tính khác nhau, trong đó định hướng nghiên cứu phát triển các công nghệ tiên tiến và thân thiện môi trường đang là đề tài được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm . Xuất phát từ xu hướng phát triển và nhu cầu thị trường, từ năm 2016 Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã phê duyệt thực hiện đề tài “Nghiên cứu sản xuất tinh bột từ gạo tấm làm nguyên liệu cho chế biến thực phẩm” thuộc Chương trình KH&CN trọng điểm cấp Bộ, chủ nhiệm là PGS.TS Nguyễn Duy Lâm và Nghiên cứu sinh là thành viên chính, chủ trì các nội dung có liên quan đến hướng nghiên cứu phát triển của đề tài luận án “Nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 từ nguyên liệu gạo bằng thủy phân enzyme kết hợp xử lý nhiệt ẩm”. 2. Mục tiêu Xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 từ nguồn nguyên liệu gạo phổ biến tại Việt Nam bằng phương pháp thủy phân enzyme kết hợp xử lý nhiệt ẩm để tạo ra sản phẩm tinh bột RS3 đảm bảo chất lượng, ATTP và có khả năng ứng dụng ở quy mô công nghiệp. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học - Đã xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 từ nguyên liệu gạo IR50404 bằng quá trình tiền xử lý thủy phân enzyme pullulanase kết hợp kỹ thuật hấp nhiệt/làm nguội 3 chu kỳ. - Công trình nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung bộ cơ sở dữ liệu khoa học về quy trình công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3. Luận án là tài 2
liệu tham khảo có giá trị đối với các nhà khoa học, các nghiên cứu sinh, doanh nghiệp sản xuất chế biến thuộc lĩnh vực nghiên cứu về tinh bột nói chung và tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 nói riêng. Trong đó, các thông số của quá trình công nghệ được thiết lập có hệ thống từ yếu tố nguyên liệu gạo đến sơ chế, tiền xử lý và biến tính thoái hóa tinh bột tạo tinh bột RS3 đảm bảo tính kế thừa, phát triển, logic và khoa học. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả của đề tài luận án góp phần đa dạng hóa sản phẩm, nâng cao chất lượng và gia tăng giá trị sản phẩm gạo Việt Nam. - Bước đầu tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 được tạo ra từ nguyên liệu gạo IR50404 có thể mở rộng cho một số giống lúa gạo có tiềm năng đã được lựa chọn. Sản phẩm tinh bột RS3 đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng và ATTP là nguồn thực phẩm chức năng và phụ gia thực phẩm phục vụ cho ngành công nghệ chế biến góp phần bảo vệ sức khỏe, nâng cao chất lượng cuộc sống con người và cộng đồng. 4. Đóng góp mới của luận án 1) Đã lựa chọn giống lúa IR50404 là thích hợp cho sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 với hàm lượng amylose cao (29,14%), khả năng hình thành RS3 cao (8,39%), độ nhớt thấp (5020 cP), độ kết tinh cao (42,1%) và là giống lúa trồng rất phổ biến ở Nam bộ và Nam Trung bộ Việt Nam. 2) Đã xác định được giải pháp công nghệ thích hợp để sản xuất tinh bột RS3 sử dụng enzyme pullulanase tiền thủy phân tinh bột gạo IR50404 kết hợp kỹ thuật hấp nhiệt/làm nguội 3 chu kỳ với chế độ công nghệ tối ưu: Hàm lượng tinh bột/nước 15%, pH 5,5 với nồng độ enzyme 2,2 %, nhiệt độ 54,4oC, thời gian thủy phân 10,4 giờ. Tiếp theo là quá trình hấp nhiệt/làm nguội 3 chu kỳ với nhiệt độ hấp nhiệt 130oC trong thời gian 60 phút và làm nguội xuống 4oC, lưu trữ sau 18 giờ trước khi tinh chế làm sạch, thu hồi sản phẩm tinh bột RS3. Sản phẩm thu được có hàm lượng RS3 47,4 ± 0,66%; hàm lượng đường khử đạt 14,18 ± 0,15%; độ hòa tan 68,31 ± 0,27%; độ trương nở 2,11 ± 0,04 %; tỷ lệ thu hồi 88,5 3
± 1,2%, hàm lượng amylose 49,78 ± 0,88%; độ thủy phân 8,91 ± 0,18 %; độ trùng hợp 235 ± 4,8. 3) Đã đề xuất được quy trình công nghệ sản xuất tinh bột kháng tiêu hoá loại RS3 từ tinh bột gạo IR50404 bằng tiền xử lý thủy phân enzyme pullulanase kết hợp kỹ thuật hấp nhiệt/làm nguội 3 chu kỳ, đảm bảo độ tin cậy trong điều kiện ứng dụng quy mô công nghiệp. 5. Bố cục của luận án Bố cục của luận án được trình bày trong 115 trang bao gồm: Mở đầu; Chương 1. Tổng quan; Chương 2. Nguyên vật liệu và Phương pháp nghiên cứu; Chương 3. Kết quả và thảo luận; Kết luận và kiến nghị. Luận án bao gồm 18 bảng, 35 hình/đồ thị và 121 tài liệu tham khảo. Các phần phụ chương: Mục lục; Danh mục các công trình đã công bố; Tài liệu tham khảo; Danh mục bảng; Danh mục hình; Danh mục các chữ viết tắt và Phụ lục kèm theo. 4
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về tinh bột Tinh bột là polysaccharid quan trọng và cũng là một polyme dự trữ chính của thực vật, chủ yếu được tìm thấy trong hạt, củ, rễ của nhiều loại cây khác nhau. Tinh bột được tạo ra trong lục lạp và amyloplast của tế bào thực vật nhờ quá trình quang hợp, được dự trữ như một nguồn thức ăn và năng lượng. Nó được lưu trữ trong tế bào thực vật trong quá trình nảy mầm của củ, nảy mầm của hạt và sự trưởng thành của quả [10]. Các nguồn cung cấp tinh bột chính bao gồm hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa mạch, gạo và ngô; hạt của các loại đậu như đậu nành, đậu Hà Lan, đậu xanh và đậu lăng; các loại củ như khoai tây, khoai lang, gừng, nghệ và lạc; cũng như một số loại trái cây và rau quả non [15]. Tinh bột có ý nghĩa lớn về mặt dinh dưỡng, dược phẩm và công nghiệp do các đặc tính vật lý, hóa học và chức năng dinh dưỡng độc đáo của nó. Tinh bột là một nguồn dinh dưỡng tốt nhờ thủy phân thành glucose trong quá trình tiêu hóa bởi α-amylose. Quá trình oxy hóa trao đổi chất của glucose cung cấp năng lượng tức thời được sử dụng trong các hoạt động trao đổi chất và các hoạt động tế bào khác nhau [11]. Do hàm lượng amylose cao hơn, tinh bột được sử dụng như một tá dược để hoạt hóa thuốc và hoạt động như một chất bao bọc tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa thuốc đến cơ quan đích của nó [16]. Là một polyme tự nhiên, tinh bột được sử dụng để thay thế nhựa trong lớp phủ vật liệu thực phẩm và sản xuất màng ăn được trong ngành công nghiệp thực phẩm. Nó thường được trộn với các thành phần thực phẩm để bảo vệ chúng khỏi bị hư hỏng cơ học, kéo dài thời gian bán hủy và cải thiện vẻ ngoài của chúng. Nó cũng được sử dụng như một thành phần có thể tái chế để sản xuất khuôn mẫu trong ngành công nghiệp thực phẩm. Nó được thêm vào như một chất tạo phồng trong các công thức thực phẩm và dược phẩm để tăng cường khả năng xử lý và ổn định cũng như bảo quản kết cấu các thành phần và tăng cường 5
độ nhớt [17]. Mặt khác, do tính chất chịu nước của amylose, nó có khả năng tạo màng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong công nghiệp [18]. 1.1.1. Cấu trúc và thành phần của tinh bột Về mặt hóa học, tinh bột là một polysaccharide được tạo thành từ các đơn vị α-glucopyranose, với công thức hóa học (C6H10O5)n. Tinh bột bao gồm hai loại chuỗi polyme: amylose, có cấu trúc tuyến tính với các liên kết glycosidic α-1,4; và amylopectin, có cấu trúc phân nhánh, với liên kết chính là α-1,4 và liên kết phân nhánh là α-1,6 glycosidic (Hình 1.1) [10, 19]. Hình 1.1. Cấu trúc của amylose và amylopectin trong tinh bột [10] Thông thường, tinh bột bao gồm lượng amylose tương đối thấp (20 - 30%) so với lượng amylopectin (70 - 80%). Tỷ lệ amylose và amylopectin ảnh hưởng đến cấu trúc tinh bột về độ kết tinh, kích thước của hạt, bản chất hóa học và sự sắp xếp của các polyme trong hạt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc mịn của amylopectin đóng một vai trò quan trọng trong chức năng của tinh bột. Nồng độ tương đối của amylose và amylopectin quyết định tính chất vật lý và chức năng của tinh bột. Các loại tinh bột có chứa amylopectin thấp đã được phát hiện cho thấy sự 6
khởi đầu nhanh chóng của quá trình gel hóa so với các loại tinh bột có hàm lượng amylose thấp. Các loại tinh bột có chứa hàm lượng amylose tương đối cao đã được phát hiện để tạo thành gel tương đối cứng và màng có tính cơ học cao trong khi tinh bột có hàm lượng amylopectin cao phân tán dễ dàng trong nước và tạo thành gel mềm và màng có tính cơ học thấp [18, 20]. Tỷ lệ amylose/amylopectin cũng ảnh hưởng đến chất lượng dinh dưỡng của tinh bột được đánh giá bằng tốc độ tiêu hóa và chỉ số đường huyết (GI) như một chỉ số để kiểm tra chất lượng của carbohydrate [21]. 1.1.2. Tính chất chức năng của tinh bột Dựa trên cấu trúc nhỏ gọn, tinh bột có các đặc tính chức năng đa dạng và ứng dụng trong lĩnh vực y sinh và công nghiệp. Với bản chất cao phân tử và phân nhánh, tinh bột có khả năng hòa tan kém trong nước và có khả năng hấp thụ nước và dầu tương đối thấp. Tinh bột cho thấy khả năng liên kết tốt với iốt, có độ nhớt tương đối cao và khả năng trương nở, hồ hóa hiệu quả. Ngoài ra, tinh bột có đặc tính tạo màng mỏng tùy thuộc vào độ mịn và độ trong. Đặc biệt, tinh bột còn có tính ổn định trong quá trình đông lạnh - rã đông và bảo quản lạnh, giúp nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các công thức chế biến thực phẩm cũng như nhiều ứng dụng khác trong các ngành công nghiệp. Tinh bột chịu được nhiệt độ và áp suất vừa phải nhưng dễ bị phản ứng thủy phân bằng axit và enzyme. Tuy nhiên, tinh bột tự nhiên cho thấy giá trị tương đối thấp hơn về khả năng tiêu hóa của enzyme [22]. Để nâng cao khả năng ứng dụng trong các ngành thực phẩm dinh dưỡng, y sinh và công nghiệp, các đặc tính chức năng của tinh bột có thể được cải thiện dưới tác động của các yếu tố vật lý và hóa học khác nhau. 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của tinh bột Các loại tinh bột tự nhiên có cấu trúc dạng hạt và tinh thể phức tạp, kích thước khác nhau ở các loại thực vật khác nhau [10]. Một số yếu tố ảnh hưởng đến các đặc tính cấu trúc, vật lý, hóa học và chức năng của tinh bột đã được công bố. Tinh bột nhạy cảm với pH rất cao và rất thấp, nhiệt độ cao, áp suất cao và áp suất thẩm thấu, ánh sáng, bức xạ, ứng suất cơ học và sóng siêu âm. Xử lý gia nhiệt tinh 7