Quy trình sản xuất tinh bột khoai mỡ (Dioscorea alata) – 06 phương pháp

Tinh bột khoai mỡ (Dioscorea alata) được nhận định thuộc nhóm khó thu nhận do củ khoai mỡ chứa các thành phần polysaccharides phi tinh bột. Bài viết này sẽ cung cấp 06 phương pháp thu nhận tinh bột khoai mỡ và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất của quy trình.

1. Khoai mỡ và tinh bột khoai mỡ

Khoai mỡ có tên khoa học là Dioscorea alata L., một loài trong chi Dioscorea (họ Dioscoreaceae). Tại Việt Nam, khoai mỡ còn có tên khác là khoai vạc, củ cái, củ mỡ, củ cầm, củ đỏ, củ tía, củ đầu, khoai tía, khoai ngà, khoai long, khoai bướu, khoai trút, khoai ngọt.

Khoai mỡ có 02 loại: khoai mỡ trắng và khoai mỡ tím. Khoai mỡ ruột trắng có giống Mộng Linh, củ chùm, nặng ký (từ 4- 5 kg/củ), năng suất cao. Khoai mỡ ruột tím có loại tím than và tím bông lau, củ suông, dài và nhỏ hơn củ khoai mỡ ruột trắng nhưng hương vị ngon và được thị trường ưa chuộng hơn.

Khoai mỡ chứa hàm lượng carbohydrate cao, trong đó tinh bột chiếm tỷ lệ lớn so với các thành phần dinh dưỡng khác. Dưới đây là bảng thành phần dinh dưỡng của củ khoai mỡ tươi (% tính theo khối lượng củ):

Thành phần	Hàm lượng (% khối lượng củ tươi)*
Nước	66,99 ± 0,87
Tro	0,89 ± 0,007
Lipids	0,05 ± 0,006
Protein	2,29 ± 0,09
Chất xơ	3,44 ± 0,20
Tinh bột	23,35 ± 0,91

Mặc dù khoai mỡ chứa hàm lượng tinh bột cao, nhưng thành phần chất nhầy trong củ làm tăng độ nhớt, cản trở quá trình lọc và kéo dài thời gian lắng – gạn. Nhiều phương pháp tách tinh bột khoai mỡ đã được nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất cho quy trình, trong đó một số mang lại kết quả đáng chú ý sẽ được trình bày trong bài viết này.

2. Tính chất và ứng dụng của tinh bột khoai mỡ

Tinh bột khoai mỡ có màu trắng, hình bầu dục và hình elip không đều, bề mặt nhẵn không có rãnh hoặc lỗ rỗng, hạt tinh bột có đường kính trung bình 32,15 ± 4,57 μm đối với hạt lớn và đường kính 17,85 ± 3,18 μm đối với hạt nhỏ hơn.

Tinh bột khoai mỡ có nhiệt độ hồ hóa thấp hơn so với các loại tinh bột thông thường, do đó tiêu thụ ít năng lượng hơn trong quá trình hồ hóa. Tinh bột khoai mỡ cho thấy độ ổn định tốt qua các chu kỳ gia nhiệt – làm mát.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, tinh bột khoai mỡ có thể trở thành nguồn tinh bột quan trọng trong sản xuất thực phẩm, dùng trong sản phẩm kem, nước trái cây cô đặc, đồ ngọt và có thể thay thế tinh bột ngô, đặc biệt phù hợp cho các thực phẩm chiên giòn, nước sốt salad và món tráng miệng chế biến sẵn, cũng như các thực phẩm cần nhiệt độ chế biến cao như thực phẩm đóng hộp.

3. Quy trình sản xuất tinh bột khoai mỡ

Quy trình tách tinh bột khoai mỡ bao gồm các công đoạn chính: Rửa sạch; Gọt vỏ; Cắt miếng/ Thái lát; Nghiền mịn; Để lắng/ Ly tâm; Sấy khô; Nghiền mịn và thu thành phẩm tinh bột khoai mỡ. Trước tiên, củ khoai mỡ được rửa sạch, gọt vỏ và nghiền mịn với với nước hoặc dung dịch xử lý. Hỗn hợp thu được đem lọc để loại bỏ chất xơ và tạp chất thô, sau đó, trải qua quá trình lắng – gạn để tách tinh bột. Tinh bột thô thu được tiếp tục rửa sạch và sấy khô để thu được sản phẩm cuối cùng.

Để giảm độ nhớt và rút ngắn thời gian lắng, một số phương pháp xử lý như enzyme, thay đổi pH hoặc sử dụng dung dịch muối đã được nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất tách tinh bột khoai mỡ. Quy trình và kết quả của 06 phương pháp thử nghiệm bao gồm: Nước, Dung dịch bổ sung Pectinase, Dung dịch Natri hydroxit, Dung dịch Axit oxalic/ammonium oxalate, Dung dịch Kali metabisulfite và Dung dịch Amoniac sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.

3.1. Phương pháp sử dụng Nước

Củ khoai mỡ sau khi cắt miếng đem nghiền nhỏ với nước, tỷ lệ củ: nước là 1: 2. Sau đó, hỗn hợp được lọc qua rây 0,250 mm. Giữ huyền phù tinh bột thu được trong buồng lạnh (2°C) trong 8 giờ để quá trình lắng diễn ra. Đổ gạn bỏ lớp nước bên trên và đem lọc qua rây 0,075 mm, tiếp tục để lắng thêm 8 giờ nữa. Đổ bỏ lớp nước bên trên, thu được tinh bột khoai mỡ ướt. Tổng thời gian lắng và thu tinh bột là 16 giờ. Độ pH của tinh bột thu được tương ứng với độ pH tự nhiên của củ khoai mỡ.

3.2. Bổ sung enzyme Pectinase

Củ khoai mỡ sau khi cắt miếng được nghiền nhỏ với dung dịch pectinase theo tỷ lệ 1: 2. Trong đó, chế phẩm Pectinex cung cấp bởi Novozyme (Bagsvaerd, Đan Mạch) được sử dụng với nồng độ 8 mg/kg củ. Không cần điều chỉnh pH dung dịch vì khoai mỡ nghiền có pH = ~5.6 – điều kiện pH hoạt động của enzyme được Novozyme khuyến nghị. Hỗn hợp sau khi nghiền được khuấy liên tục ở 45°C trong 2 giờ. Sau đó, hỗn hợp được lọc qua rây 0,250 mm thu được huyền phù tinh bột khoai mỡ.

Giữ huyền phù tinh bột thu được trong buồng lạnh (2°C) trong 8 giờ để quá trình lắng diễn ra. Đổ gạn bỏ lớp nước bên trên và đem hỗn hợp lọc qua rây 0,075 mm. Tiếp tục để lắng thêm 8 giờ nữa. Đổ bỏ lớp nước bên trên để thu được tinh bột khoai mỡ ướt. Tổng thời gian của quy trình lắng- gạn là 16 giờ và tổng thời gian để tách tinh bột là 18 giờ.

3.3. Bổ sung Natri hydroxit

Tiến hành ngâm khoai mỡ trong dung dịch NaOH 0,03 M trong 1 giờ. Sau đó, khoai mỡ được nghiền với dung dịch NaOH 0,03 M (tỷ lệ củ: dung dịch = 1: 2). Độ pH của hỗn hợp gần bằng 11,0. Sau đó, huyền phù được điều chỉnh pH đến khoảng 6,0 bằng HCl 0,1 M để tránh làm thay đổi tính chất tinh bột, và lọc qua rây 0,250 mm.

Giữ huyền phù tinh bột thu được trong buồng lạnh (2°C) trong 8 giờ để quá trình lắng diễn ra. Đổ gạn bỏ lớp nước bên trên và đem hỗn hợp lọc qua rây 0,075 mm. Tiếp tục để lắng thêm 8 giờ nữa. Đổ bỏ lớp nước bên trên để thu được tinh bột khoai mỡ ướt. Tổng thời gian lắng – gạn là 16h và tổng thời gian tách tinh bột là 17h.

Đọc thêm bài viết liên quan: Quy trình công nghệ tách tinh bột kháng chuối xanh; Tinh bột kháng tiêu hóa: thành phần thực phẩm chức năng tiềm năng.

3.4. Bổ sung Axit oxalic/ammonium oxalate

Chuẩn bị dung dịch Axit oxalic/ammonium oxalate 10%, với tỷ lệ của hai thuốc thử là 1:1. Khoai mỡ được nghiền trong máy xay với dung dịch, tỷ lệ củ: dung dịch là 1: 2. Độ pH của huyền phù thu được là 2,0 và duy trì trong 30 phút.

Huyền phù được trung hòa đến khoảng pH 6,0 bằng NaOH 0,1 M để tránh sự thay đổi tính chất của tinh bột khoai mỡ tự nhiên. Giữ huyền phù tinh bột thu được trong buồng lạnh (2°C) trong 8 giờ để quá trình lắng diễn ra. Đổ gạn bỏ lớp nước bên trên và đem hỗn hợp lọc qua rây 0,075 mm. Tiếp tục để lắng thêm 8 giờ nữa. Đổ bỏ lớp nước bên trên để thu được tinh bột khoai mỡ ướt. Tổng thời gian lắng – gạn là 16h.

3.5. Bổ sung Kali metabisulfite

Tiến hành ngâm khoai mỡ trong dung dịch kali metabisulfite (5 g/L) và nghiền với nước (1: 2 m/v). Sau khi nghiền, lọc hỗn hợp qua rây 0,149 mm và 0,053 mm, rửa với nước cho đến khi không còn tinh bột đi qua rây. Hỗn hợp đã rây được giữ ở nhiệt độ 4°C trong 24 giờ. Sau đó, phần nước nổi phía trên được đổ bỏ, lớp tinh bột lắng ở dưới được hòa lại với nước và sau đó lặp lại quá trình lắng – gạn một lần nữa.

3.6. Bổ sung Amoniac

Khoai mỡ sau khi cắt thành miếng nhỏ được ngâm trong dung dịch amoniac 0,03 M trong 2-3 phút. Sau đó, nghiền ở tốc độ thấp với lượng dung dịch amoniac loãng vừa đủ. Hỗn hợp sau khi nghiền được giữ trong khoảng 2 giờ trước khi lọc. Quá trình lọc được thực hiện lần lượt qua rây 80 mesh và 260 mesh. Dịch lọc thu được đem để lắng trong 48 giờ. Phần chất lỏng phía trên được đổ gạn và thu tinh bột khoai mỡ lắng ở đáy.

Sấy khô: Tinh bột khoai mỡ ướt được sấy khô trong tủ sấy tuần hoàn không khí ở 45°C đến độ ẩm 12%. Sau đó, các hạt tinh bột được nghiền và rây qua sàng 0,250 mm.

Công thức đánh giá hiệu suất quá trình tách tinh bột: Lượng tinh bột thu hồi hoặc năng suất tinh bột trong mỗi lần xử lý được biểu thị bằng g tinh bột (khối lượng khô)/100 g củ. Để tính toán độ thu hồi trong quá trình tách tinh bột, độ ẩm và hàm lượng tinh bột của nguyên liệu thô, và khối lượng tinh bột thành phẩm được phân tích.

4. Kết quả đánh giá tinh bột

Hàm lượng tinh bột trong củ được tính là 100%. Hiệu suất thu hồi được tính toán và thống kê trong Bảng dưới đây.

Kết quả nghiên cứu cho thấy quy trình tách tinh bột khoai mỡ sử dụng NaOH 0,03 M và pectinase không làm giảm độ nhớt của polysaccharides phi tinh bột. Do đó, gặp phải những khó khăn tương tự trong quá trình xử lý với nước.

Tỷ lệ thu hồi khoảng 10% (g tinh bột khô trên 100 g củ tươi) đối với phương pháp sử dụng nước, pectinase và NaOH [1]. Phương pháp sử dụng dung dịch Kali metabisulfite thu được 12,34% tinh bột [2]. Trong khi, phương pháp xử lý bằng axit oxalic/amoni oxalate (AO/AC) cho tỷ lệ thu hồi tốt hơn đáng kể, đạt 18% [1]. Tỷ lệ thu hồi này lớn hơn mức thu được 16% của nghiên cứu sử dụng dung dịch amoniac [3].

Polysaccharides phi tinh bột làm tăng mạnh độ nhớt của dung dịch chiết, cản trở quá trình gạn tinh bột. Kết quả từ Bảng trên cho thấy hiệu quả tách tinh bột thấp khi xử lý bằng nước, NaOH và pectinase. Điều này có thể được giải thích là do sự thất thoát phần lớn tinh bột vào pha nước. Polysaccharides phi tinh bột hòa tan trong nước, tạo dung dịch nhớt đã mang theo các hạt tinh bột. Trong quá trình xử lý bằng NaOH và pectinase, hiệu suất chiết tương tự như xử lý với nước, tuy nhiên độ nhớt dung dịch đã giảm, dẫn đến sự thất thoát trong nước thải thấp hơn.

Như vậy, thu nhận tinh bột khoai mỡ với ammonium oxalate/axit oxalic cho kết quả tốt nhất, làm giảm độ nhớt ngay khi nghiền củ. Quá trình chiết xuất diễn ra thuận lợi và nhanh hơn đáng kể, mang lại tỷ lệ thu hồi 18%, cao nhất trong số các phương pháp được thử nghiệm và trình bày trong bài viết này.

TỪ VỰNG TIẾNG ANH CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM:

• Starch isolation; starch extraction: Chiết/tách tinh bột;
• Yam tubers/ yam rhizome: Củ khoai mỡ;
• Starch characterizations: Đặc tính tinh bột;
• Starch extraction yield: Hiệu suất tách tinh bột;
• Chemical, physical and physicochemical properties of starch: Tính chất hóa học, vật lý và hóa lý của tinh bột;
• Yam starch granule: Hạt tinh bột khoai mỡ;
• Proximal composition: Thành phần dinh dưỡng của một chất (như protein, lipid, tro, carbohydrate và độ ẩm);
• Dry weight; dry basis: Khối lượng khô;
• Fresh weight basis: Khối lượng tươi.