Một số đặc trưng hoá lý của tinh bột cacboxymetyl tách từ hạt mít

Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 178 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HOÁ LÝ CỦA TINH BỘT CACBOXYMETYL TÁCH TỪ HẠT MÍT 2,3,*Lê Thị Hồng Thuý; 1,2Nguyễn Thanh Tùng; 1,2Nguyễn Văn Khôi; 3Nguyễn Thị Hường; 1Nguyễn Thị Anh Thư; 2,3Nguyễn Thị Lương 1Viện Hóa học 2Học viện Khoa học và Công nghệ 3Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM Email: *thuylth@cntp.edu.vn TÓM TẮT Tinh bột hạt mít được biến tính nhằm cải thiện tính chất của tinh bột gốc để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành chế tạo tinh bột carboxymethyl (CMS) bằng phản ứng giữa tinh bột hạt mít (JS) với natri hydroxit và axit mono cloaxetic trong dung môi isopropanol ở 500C trong 2 giờ. Sản phẩm CMS có độ thế (DS) là 0,67. Một số thành phần chính và các đặc trưng hoá lý như kích thước, cấu trúc dạng hạt, phổ hồng ngoại, độ nhớt, độ hòa tan và khả năng trương nở của CMS đã được xác định. Kết quả cho thấy kích thước hạt trung bình của CMS dao động từ 13,74 đến 20,22 µm; ảnh kính hiển vi điện tử quét cho thấy có sự dạn nứt nhẹ trên bề mặt hạt; độ hòa tan và khả năng trương nở của CMS cao hơn hẳn so với JS. Từ khóa: tinh bột hạt mít, tinh bột biến tính, cacboxymetyl. GIỚI THIỆU Tinh bột là không những là nguồn thực phẩm nuôi sống con người mà còn là một trong những nguyên liệu quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp giấy, công nghiệp dệt, công nghiệp keo dán nhờ những tính chất đặc trưng của nó như khả năng tạo hình, tạo dáng, tạo khung, tạo độ dẻo, độ dai, độ đàn hồi, độ xốp và có khả năng tạo gel, tạo màng cho nhiều sản phẩm [1]. Tuy nhiên tinh bột tự nhiên vẫn còn hạn chế ở nhiều tính chất, chưa đáp ứng hoàn toàn trong nhiều lĩnh vực. Vì vậy, từ lâu các nhà khoa học đã tìm cách biến tính tinh bột để thay đổi cấu trúc, tính chất của tinh bột, nhờ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và hiệu quả kinh tế. Có rất nhiều cách biến tính tinh bột như xử lý nhiệt ẩm, biến tính bằng kiềm, axit, oxy hoá, ete hoá, este hoá, tạo lưới tuỳ thuộc mục đích sử dụng của sản phẩm cuối [2]. Bên cạnh đó, sự gia tăng nhu cầu tinh bột trong các sản phẩm thực phẩm cơ bản có ảnh hưởng lớn tới việc cung cấp các nguồn tài nguyên thiên nhiên này. Các nghiên cứu về tinh bột hiện nay có xu hướng tập trung vào việc tìm kiếm các nguồn tinh bột mới như tinh bột phân tách từ hạt, củ và rễ của các loại cây không phổ biến như cây họ đậu, một số loại trái cây và cây thân củ, cho Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 179 phép mở rộng phạm vi các tính chất mong muốn của tinh bột. Điều này rất cần thiết trong việc phát triển các sản phẩm mới trong lĩnh vực thực phẩm, dược phẩm và vật liệu. Chính vì vậy, số lượng các công trình nghiên cứu liên quan đến tách, thu nhận cũng như biến tính tinh bột từ những loại thực vật không phổ biến và ít được khai thác, có giá thành rẻ để làm nguyên liệu trong công nghiệp không ngừng tăng trong những năm gần đây [2-4]. Cây mít (Artocarpus heterophylius Lam.) thuộc họ Moraceae, là một loài thực vật ăn quả được trồng phổ biến ở Ấn Độ, Bangladesh và nhiều vùng Đông Nam Á [5], trong đó có Việt Nam. Hạt mít chiếm 10-15% tổng khối lượng quả, rất giàu cacbohydrat và protein nhưng chỉ được coi là phụ phẩm và thường bị loại bỏ trong quá trình sử dụng và sản xuất [3]. Nhằm tận dụng nguồn phụ phẩm rẻ tiền, sẵn có, hạn chế phát thải gây ô nhiễm môi trường trong quá trình chế biến, nhóm nghiên cứu đã tách và thu hồi nguồn tinh bột phong phú trong hạt mít làm nguyên liệu chế tạo tinh bột biến tính cacboxymetyl thay thế cho các nguồn tinh bột nguyên liệu phổ biến như ngũ cốc, ngô, sắn Trong khuôn khổ bài báo, chúng tôi đưa ra kết quả nghiên cứu một số đặc trưng hoá lý của tinh bột biến tính cacboxymetyl từ hạt mít làm cơ sở để lựa chọn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu, hóa chất Hạt mít tươi được thu gom tại các cơ sở chế biến mít ở huyện Tân Phú, Đồng Nai. Axít mono cloaxetic, natri hydroxit, natri cacbonat, axit clohydric, axit axetic, ethanol và isopropanol là hóa chất thuộc loại tinh khiết phân tích cấp từ phòng thí nghiệm. Phương pháp tiến hành Tách và thu hồi tinh bột hạt mít (JS) Tinh bột được trích ly theo phương pháp của Mehnaz Sarmin và cộng sự có sửa đổi cho phù hợp với điều kiện thực nghiệm [3]. Lựa chọn hạt mít còn tươi, nguyên hạt, đem tách bỏ lớp vỏ trắng và ngâm trong dung dịch NaOH 0,25% trong 2 giờ, để bóc tách hết phần vỏ nâu. Rửa sạch phần thịt hạt và đem nghiền cùng nước có chứa NaHSO3 0,1%, tỷ lệ nguyên liệu/nước dùng để nghiền là 1:5 (kg/L). Tiến hành phân ly tách dịch bào ngay sau khi nghiền, tách rửa tinh bột bằng rây để loại bỏ bã. Sau khi để dịch bào lắng khoảng 16 giờ, thu phần tinh bột lắng cặn thành khối đem hoà tan vào nước đạt nồng độ 30Bx, ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút trong 15 phút. Lặp lại quá trình ly tâm thêm 3 lần để rửa sạch tinh bột. Tinh bột được sấy khô ở 500C trong 10 giờ. Nghiền mịn và rây sản phẩm để có c� hạt đồng đều. Chế tạo tinh bột cacboxymetyl (CMS) Cho 50 g tinh bột vào 250 mL dung dịch NaOH 5% (trong isopropanol) khuấy đều để tạo huyền phù trong 30 phút. Thêm 250 mL dung dịch axit mono cloaxetic 6% (trong isopropanol). Phản ứng thực hiện trong 120 phút ở 500C và khuấy liên tục. Kết thúc phản ứng, trung hoà hỗn hợp Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 180 bằng CH3COOH. Lọc và rửa sản phẩm bằng etanol 85% cho tới khi nước rửa sạch ion Cl- (thử bằng dung dịch AgNO3), sấy khô sản phẩm trong tủ sấy ở 500C trong 10 giờ. Nghiền mịn và rây sản phẩm để có c� hạt đồng đều. Phân tích các thành phần chính của tinh bột Hàm lượng tro được xác định bằng phương pháp nung ở nhiệt độ 5500C; Protein tổng số được xác định theo phương pháp Kjeldahl (Pts = Nts x 6,25); Lipit được xác định theo phương pháp Soxhlet; Độ ẩm được xác định theo tiêu chuẩn ISI 01-1e của Viện tinh bột quốc tế; Xơ thô được xác định theo tiêu chuẩn ISI 09-2e của Viện tinh bột quốc tế; Hàm lượng carbohydrate tổng được tính theo công thức sau: % Carbohydrate = 100 - (% độ ẩm +% tro +% protein +% chất béo) Đặc trưng lý hóa của tinh bột Chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope – SEM) bề mặt hạt tinh bột được thực hiện trên thiết bị FM-6510LV (JEOL - Japan). Xác định kích thước và sự phân bố kích thước hạt tinh bột được thực hiện bằng phương pháp tán xạ laser trên thiết bị Horiba LA-950. Độ nhớt: Hoà tan chính xác một lượng mẫu tinh bột khô vào nước cất sao cho tổng khối lượng nu ̛ớc và tinh bột là 200g. Hỗn hợp này được đun sôi trong 20 phút để hồ hóa hoàn toàn. Sau đó, dung dịch hồ tinh bột được làm nguội đến nhiệt độ 380C và tiến hành đo độ nhớt bằng nhớt kế quay Brookfield. Khả năng trương nở và độ hoà tan: Cân 2 g tinh bột vào bình định mức và dùng nước cất định mức tới 100 ml, đưa vào nồi cách thuỷ ở các nhiệt độ: 400C, 500C, 600C, 700C, 800C và 900C trong 30 phút, khuấy đều. Sau đó ly tâm với tốc độ 4000 vòng/phút trong 15 phút thu được hai phần: tinh bột không hoà tan và nước dịch, đem sấy khô xác định khả năng trương nở và độ hoà tan của tinh bột. + Khả năng trương nở (g/g mẫu) của tinh bột tính theo công thức: 1 2 m W m = Trong đó: m1 là khối lượng tinh bột và nước trong phần lắng sau ly tâm; m2 là khối lượng tinh bột sau ly tâm đã sấy khô. + Độ hoà tan (%) tính theo công thức: 3 m 100 L m  = Trong đó: m3 là khối lượng chất hoà tan có trong dung dịch sau ly tâm; m là khối lượng mẫu thử. Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 181 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thành phần chính của tinh bột Hiệu suất thu hồi JS khoảng 27,11% tính theo khối lượng phần thịt hạt sau khi đã bỏ các lớp vỏ. CMS tạo thành có độ thế DS là 0,67. Thành phần chính của các mẫu JS và CMS được trình bày trong Bảng 1. Bảng 1: Thành phần chính của các mẫu tinh bột STT Thông số JS(%) CMS(%) 1 Độ ẩm 9,40 ± 0,17 9,87 ± 0,31 2 Tro 2,34 ± 0,03 2,71 ± 0,19 3 Protein tổng số 0,71 ± 0,14 - 4 Lipit 0,19 ± 0,03 - 5 Xơ thô 0,71 ± 0,18 0,58 ± 0,02 6 Carbohydrate 87,25 ± 0,46 87,42 ± 0,14 Kết quả cho thấy độ ẩm của cả JS và CMS đều nhỏ hơn giá trị tiêu chuẩn của tinh bột sắn công nghiệp (13%). Hàm lượng protein trong CMS hầu như không còn do protein đã bị lọc ra trong quá trình trích ly thu nhận tinh bột. Hàm lượng tro, protein tổng số và lipit của cả 2 loại tinh bột đều tương đối thấp chứng tỏ độ tinh sạch của tinh bột có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật dùng trong công nghiệp và có thể thay thế các sản phẩm tinh bột được chế tạo từ các nguồn thực vật truyền thống (ngũ cốc, ngô, sắn). Đặc trưng lý hóa của tinh bột Vi ảnh và kích thước hạt a. b. Hình 1: Ảnh SEM của JS nguyên liệu: a: Tinh bột hạt mít nguyên liệu (×1000); b: Tinh bột hạt mít nguyên liệu (×5000) Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) (hình 1) của JS nguyên liệu và CMS cho thấy: hầu hết các hạt JS nguyên liệu có dạng hình cầu hoặc nửa oval chảy tự do, các hạt tách rời nhau và không thấy bất kỳ khối nhầy nào, bề mặt hạt tương đối nhẵn không thấy khuyết tật chứng tỏ phương Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 182 pháp trích ly và làm khô không gây phá hủy tinh bột. Đường kính trung bình của hạt tinh bột là 9,22 ± 3,4 µm. Các hạt CMS (hình 2) có hình oval hoặc tròn, vẫn tách rời nhau như các hạt JS nguyên liệu nhưng kích thước lớn hơn rất nhiều (16,98 ± 3,24 µm) và đặc biệt có sự giạn nứt nhẹ trên bề mặt (hình 2b). a. b. Hình 2: Ảnh SEM của JS nguyên liệu và CMS: a: Tinh bột hạt mít CMS (×1000); b: Tinh bột hạt mít CMS (×5000) Độ tan và Khả năng trương nở Độ tan của tinh bột trong nước là một trong những tính chất quan trọng và cần thiết cho phép đánh giá khả năng tạo gel, thủy phân, tạo màng,... của tinh bột. Khả năng trương nở cao là một thuận lợi khi sử dụng các loại tinh bột này như một phụ gia làm đầy trong công nghiệp thực phẩm. Ngoài ra, khả năng trương nở và độ tan còn được sử dụng để đánh giá mức độ tương tác giữa các mạch tinh bột trong vùng vô định hình và vùng kết tinh của hạt tinh bột [2]. Từ kết quả hình 3 cho thấy khi nhiệt độ tăng, khả năng trương nở và độ hòa tan của cả hai loại tinh bột đều tăng, trong đó, CMS có độ trương nở và độ tan cao hơn hẳn so với JS khi xét ở cùng một nhiệt độ. Điều này được giải thích là do nhóm cacboxymetyl của các hạt CMS có tính thấm nước cao [7]. Hình 3: Đồ thị kết quả khảo sát độ hoà tan và khả năng trương nở Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 183 Độ nhớt Độ nhớt là tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm. Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có độ nhớt cao. Chúng tôi khảo sát độ nhớt ở ba nồng độ khác nhau. Kết quả được trình bày ở Bảng 2. Bảng 2: Kết quả xác định độ nhớt của tinh bột STT Nồng độ tinh bột (%) JS (ps) CMS(ps) 1 2 118 145 2 4 256 323 3 5 477 538 Theo kết quả bảng 2 cho thấy độ nhớt của CMS cao hơn JS và thể hiện rõ khi tăng khối lượng mẫu tinh bột. Điều này chứng tỏ rằng nhóm cacboxymetyl đã được gắn vào mạch của tinh bột hạt mít trong quá trình biến tính, bởi vì với sự có mặt nhóm cacboxymetyl mang tích điện âm làm tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi polysaccarit của CMS, các phân tử có xu hướng giãn dài ra, dẫn đến giá trị độ nhớt của CMS tăng so với JS ở cùng nồng độ [8]. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy có sự tương đồng với các nghiên cứu trước đây về độ nhớt của CMS khi tiếp tục khẳng định nồng độ CMS ảnh hưởng mạnh đến giá trị độ nhớt. Yaacob et al. [9] nghiên cứu cho kết quả độ nhớt của dung dịch CMS (DS 1,05) chế tạo từ tinh bột cọ tăng lên khi hàm lượng chất rắn tăng lên. Volkert et al [10] cũng kết luận tương tự về độ nhớt của CMS chế tạo từ tinh bột ngô và khoai tây. Một số nghiên cứu khác còn kết luận CMS chế tạo từ nguồn nguyên liệu tinh bột khác nhau có giá trị DS tương tự có thể có độ nhớt lại khác nhau. Nguyên nhân là do tỷ lệ amylose/amylopectin trong tinh bột nguyên liệu. Khi nghiên cứu tính chất của các CMS chế tạo từ các loại tinh bột gạo có hàm lượng amylopectin khác nhau, Tatongjai và Lumdubwong [8] đã kết luận rằng các dung dịch CMS 5% (có DS tương tự) với hàm lượng amylopectin cao thì có độ nhớt cao. Volkert et al. [10] so sánh độ nhớt của dung dịch 2% CMS (DS 1,1–1,3) được chế biến từ khoai tây, ngô, lúa mì và tinh bột có hàm lượng amylose cao cho thấy giá trị độ nhớt CMS của khoai tây, lúa mì là tương tự (khoảng 1000 mPa.s), trong khi độ nhớt của tinh bột ngô CMS cao gấp 9,2 lần (9200 mPa.s), còn CMS chế tạo từ tinh bột có hàm lượng amylose cao lại có có độ nhớt rất thấp (khoảng 1 mPa.s). Phổ hồng ngoại Trên hình 4a và 4b là phổ FTIR của JS nguyên liệu chưa biến tính và của mẫu CMS. Trên phổ IR của JS, đỉnh 3413,23 cm-1 đặc trưng cho các dao động hoá trị của các nhóm -OH và -CH. Các đỉnh 1642,71 cm-1, 1369,35 cm-1 ứng với các dao động biến dạng của nhóm -OH và -CH. So với tinh bột JS nguyên liệu, tinh bột CMS có dải hấp thụ ở khoảng 1636,43 cm-1, ứng với dao động của nhóm -C=O của muối cacboxylat (-COONa). Dữ liệu này đã chứng minh rằng, phản ứng giữa các nhóm hydroxyl bậc 1 trong phân tử JS với axit mono cloaxetic tạo thành tinh bột cacboxymetyl. Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 184 a. 52 6. 73 57 6. 27 76 3. 17 85 6. 84 93 0. 21 10 19 .7 7 10 80 .8 1 11 54 .6 7 13 69 .3 5 16 42 .7 1 29 31 .3 0 34 13 .2 3 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 % T 1000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1) b. 52 5. 05 57 5. 05 76 5. 24 85 6. 48 93 1. 27 10 14 .7 9 10 82 .1 3 11 57 .3 4 14 06 .6 3 16 36 .4 3 29 30 .9 6 34 39 .1 3 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 % T 1000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1) Hình 4: Phổ hồng ngoại của JS nguyên liệu và CMS: a: Tinh bột hạt mít; b: Tinh bột cacboxymetyl KẾT LUẬN Thực hiện biến tính JS bằng tác nhân axit mono cloaxetic tạo ra sản phẩm CMS đã cải thiện một số tính chất lý của JS nguyên liệu như: độ hòa tan trong nước, khả năng trương nở, độ nhớt và cấu trúc bề mặt hạt tinh bột. Sự thay đổi này làm mở rộng phạm vi ứng dụng của tinh bột biến tính trong nhiều lĩnh vực khác nhau của ngành công nghiệp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yiu P.H., S.L.Loh, A.Rajan, S.C.Wong, C.F.J.Bong (2008). Physiochemical Properties of Sago Starch Modified by Acid Treatment in Alcohol. American Journal of Applied Sciences 5(4): 307-311. [2] Meireles M. A. A., Santana A. L.(2014). New starches are the Trend for Industry Applications: A Review. Food and Public Health 4(5): 229-241. [3] Mehnaz Sarmin, Aditi Roy Chowdhury (2014). Isolation of starch from a non-conventional source (Jackfruit seeds) as an alternative to conventional starch for pharmaceutical and food industries, Annals of Pharma Research 2(01): 47-54. [4] Karmakar R., Ban D. K. and Ghosh U. (2014). Comparative study of native and modified starches isolated from conventional and nonconventional sources. International Food Research Journal 21(2): 597-602. [5] Akinmutimi A. H (2006). Nutritive value of raw and processed jack fruit seeds (Artocarpus heterophyllus): Chemical analysis. Agricultural Journal 1(4): 266-271. [6] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10546:2014 về Tinh bột sắn [7] Chen J., Jane J. (1994). Preparation of granular cold-water-soluble starches by alcoholic- alkaline treatment. Cereal Chem 71: 618–622. [8] Tatongjai J., Lumdubwong N.( 2010), Physicochemical properties and textile utilization of low- and moderate-substituted carboxymethyl rice starches with various amylose content. Carbohydr. Polym. 81: 377–384. Hội nghị Khoa học An toàn dinh dưỡng và An ninh lương thực lần 2 năm 2018 185 [9] Yaacob B., Amim, M. C. I. M., Hashim, K., Bakar, B. A. (2011). Optimization of reaction conditions for carboxymethylated sago starch. Iran. Polym. J. 20: 195–204. [10] Volkert B., Loth F., Lazik W.,Engelhardt,J. (2004). Highlysubstituted carboxymethyl starch. Starch/Stärke. 56: 307–314. SOME PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF CARBOXYMETHYL STARCH ISOLATED FROM JACKFRUIT SEEDS ABSTRACT Jackfruit seeds starch is modified to improve the properties of native starch so that it can find application in many areas of industry. In this study, the carboxymethyl starch was produced by reacting jackfruit seeds starch with sodium hydroxide and sodium monochloroacetate in isopropanol solvent at 500 C for 2 hour. The results showed that DS value of CMS was 0,67. The chemical compositions, morphology and size of starch granules, infrared spectroscopy, viscosity, solubility and welling capacity of CMS were observed. Average size of CMS ranged from 13,74 to 20,22µm; Images under light microscope revealed some light internal fissures on the surface of starch granules; solubility and welling capacity of CMS is higher JS. Key words: jackfruit seeds starch, modified starch, carboxymethyl.