Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành thực phẩm chức năng phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng các sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, giàu dinh dưỡng và có lợi cho sức khỏe ngày càng tăng. Gạo lứt, với thành phần giàu chất xơ, vitamin nhóm B, khoáng chất và các hợp chất sinh học như gamma-oryzanol, được xem là nguyên liệu tiềm năng để phát triển các sản phẩm thực phẩm chức năng. Tuy nhiên, gạo lứt còn tồn tại hạn chế về mặt cảm quan và khả năng tiêu hóa do lớp cám chứa nhiều cellulose, gây khó tiêu và chướng bụng nếu không được chế biến phù hợp. Trong khi đó, kefir là sản phẩm lên men truyền thống giàu vi khuẩn lactic và nấm men, chứa exopolysaccharide (EPS) đặc biệt là kefiran, có nhiều tác dụng sinh học như kháng khuẩn, chống oxy hóa và hỗ trợ miễn dịch. Sản phẩm kefir truyền thống thường chứa cồn, CO2 và lactose, không phù hợp với một số nhóm người tiêu dùng châu Á.

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu phổ biến tại Việt Nam, đồng thời khắc phục nhược điểm của sản phẩm kefir truyền thống. Mục tiêu cụ thể gồm tuyển chọn chủng vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng hợp kefiran cao trên môi trường dịch gạo lứt thủy phân, nghiên cứu điều kiện lên men tối ưu để tăng hàm lượng kefiran, và phát triển quy trình công nghệ phối chế, sấy tạo sản phẩm bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn năm 2019-2020 tại Hà Nội, với phạm vi tập trung vào vi sinh vật học và công nghệ lên men thực phẩm.

Việc phát triển sản phẩm bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran không chỉ góp phần đa dạng hóa sản phẩm từ gạo lứt, nâng cao giá trị nông sản trong nước mà còn đáp ứng nhu cầu thực phẩm chức năng an toàn, phù hợp với người tiêu dùng Việt Nam và khu vực. Sản phẩm dự kiến có hàm lượng kefiran cao, không chứa cồn và lactose, giàu dinh dưỡng và dễ tiêu hóa, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vi sinh vật học, đặc biệt là vi khuẩn lactic và quá trình sinh tổng hợp exopolysaccharide (EPS). Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về vi khuẩn lactic (LAB): LAB là nhóm vi khuẩn Gram dương, không sinh bào tử, có khả năng lên men lactic, chịu được pH thấp và có vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm lên men. LAB có nhu cầu dinh dưỡng phức tạp, bao gồm các axit amin, vitamin và khoáng chất, ảnh hưởng đến hiệu quả lên men và sản xuất EPS.

  2. Mô hình sinh tổng hợp exopolysaccharide (EPS): EPS, đặc biệt là kefiran, là polysaccharide ngoại bào do LAB sản xuất trong quá trình lên men. Quá trình sinh tổng hợp EPS gồm các bước vận chuyển đường vào tế bào, tổng hợp nucleotide đường, trùng hợp các đơn vị tiền chất và bài tiết EPS ra môi trường. EPS có vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cảm quan, chức năng sinh học và ứng dụng trong thực phẩm chức năng.

Các khái niệm chính bao gồm: gạo lứt và thành phần dinh dưỡng, vi khuẩn lactic, kefiran (exopolysaccharide), quá trình lên men lactic, và công nghệ sấy phun tạo sản phẩm bột.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mẫu gạo lứt Khang Dân tại Nam Định và vi khuẩn lactic phân lập từ hạt kefir thu thập tại Hà Nội. Enzyme thủy phân tinh bột và protein được sử dụng gồm Termamyl SC, Dextrozyme GA và Neutrase 0,8L. Hóa chất phân tích được cung cấp bởi các công ty uy tín.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn lactic: Sử dụng môi trường MRS bổ sung CaCO3 để phân lập vi khuẩn lactic từ hạt kefir, đánh giá hình thái khuẩn lạc, kiểm tra Gram, catalase và khả năng sinh khối.

  • Định danh chủng vi khuẩn: Xác định bằng phương pháp giải trình tự gen 16S rRNA, phân tích bằng phần mềm MEGA7 và so sánh với cơ sở dữ liệu EzBioCloud.

  • Phân tích hóa lý: Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp DNS, hàm lượng axit tổng theo axit lactic bằng chuẩn độ NaOH, hàm lượng chất khô hòa tan và kefiran bằng phương pháp kết tủa với ethanol và đo quang.

  • Nghiên cứu điều kiện lên men: Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, pH, tỷ lệ tiếp giống, nồng độ dịch gạo thủy phân, đường saccharose, cao nấm men và khoáng chất đến khả năng sinh tổng hợp kefiran.

  • Quy trình công nghệ: Thủy phân bột gạo lứt bằng enzyme, lên men lactic với chủng vi khuẩn lựa chọn, sấy phun sản phẩm bột gạo lứt lên men giàu kefiran, đánh giá chất lượng và hiệu suất thu hồi.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019-2020, sử dụng các thiết bị hiện đại như tủ ấm, máy đo pH, máy quang phổ, máy sấy phun và thiết bị lên men.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và lựa chọn chủng vi khuẩn lactic: Từ 20 chủng vi khuẩn lactic phân lập được từ hạt kefir, 6 chủng có khả năng sinh trưởng tốt với mật độ sinh khối OD600 dao động từ 1,135 đến 1,153 và lượng axit tổng tạo thành trong khoảng 1,15-1,28 g/l. Chủng LK2 đạt lượng kefiran cao nhất 2,76 g/l trên môi trường dịch gạo lứt thủy phân, vượt trội so với các chủng còn lại (1,81-2,16 g/l).

  2. Định danh chủng vi khuẩn lactic: Chủng LK2 được xác định là Leuconostoc mesenteroides với độ tương đồng gen 16S rRNA 100% so với chủng chuẩn ATCC 8293, phù hợp với các báo cáo về vi khuẩn lactic trong hạt kefir.

  3. Ảnh hưởng của điều kiện lên men đến sinh tổng hợp kefiran: Nhiệt độ lên men tối ưu là 30°C, pH ban đầu thích hợp khoảng 4,4-4,5. Tỷ lệ tiếp giống 5% (v/v) cho hiệu quả sinh khối và kefiran cao nhất. Nồng độ dịch gạo thủy phân 5°Bx, bổ sung 1% peptone và 0,5% cao nấm men giúp tăng hàm lượng kefiran lên đến 2,76 g/l.

  4. Quy trình công nghệ sản xuất bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran: Gạo lứt được rang ở nhiệt độ 165°C trong 30 phút để tạo mùi thơm và tăng hiệu suất thủy phân. Quá trình thủy phân enzyme gồm 4 bước với Termamyl SC, Neutrase và Dextrozyme GA cho dịch gạo thủy phân giàu đường khử. Lên men với chủng Leuconostoc mesenteroides LK2 trong 48 giờ đạt hàm lượng kefiran cao. Sấy phun với maltodextrin làm chất mang, tốc độ bơm 5 ml/phút, nhiệt độ sấy 140°C cho sản phẩm bột có chất lượng tốt, hàm lượng kefiran ổn định và hiệu suất thu hồi trên 85%.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân lập và lựa chọn chủng vi khuẩn lactic phù hợp cho thấy Leuconostoc mesenteroides là chủng có khả năng sinh tổng hợp kefiran cao trên môi trường dịch gạo lứt thủy phân, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vi khuẩn lactic trong hạt kefir. Hàm lượng kefiran đạt được (2,76 g/l) cao hơn nhiều so với các nghiên cứu sử dụng môi trường sữa hoặc lactose, chứng tỏ dịch gạo lứt thủy phân là môi trường thích hợp và giàu dinh dưỡng cho quá trình lên men.

Điều kiện lên men được tối ưu hóa giúp tăng hiệu quả sinh tổng hợp kefiran, phù hợp với đặc tính sinh học của vi khuẩn lactic, đặc biệt là nhiệt độ và pH. Việc sử dụng enzyme thủy phân đa giai đoạn giúp chuyển hóa tinh bột gạo lứt thành đường khử dễ hấp thu, tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn phát triển và sản xuất kefiran.

Quy trình sấy phun được thiết kế phù hợp giúp bảo toàn kefiran và các thành phần dinh dưỡng, đồng thời tạo ra sản phẩm bột có độ mịn, màu sắc và mùi vị hấp dẫn, dễ sử dụng. So sánh với các sản phẩm kefiran nhập khẩu từ sữa, sản phẩm bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran không chứa cồn, lactose, phù hợp với người tiêu dùng châu Á và nhóm dị ứng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng kefiran của các chủng vi khuẩn, bảng phân tích điều kiện lên men và biểu đồ hiệu suất thu hồi sản phẩm sau sấy phun, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển sản phẩm bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình đã xây dựng để sản xuất thử nghiệm quy mô lớn, kiểm soát chất lượng sản phẩm, hướng tới thị trường thực phẩm chức năng trong vòng 1-2 năm.

  2. Nâng cao hiệu quả lên men và tăng hàm lượng kefiran: Nghiên cứu bổ sung các yếu tố dinh dưỡng như khoáng chất, vitamin hoặc phối hợp chủng vi khuẩn để tăng sinh tổng hợp kefiran, cải thiện tính ổn định sản phẩm trong 6-12 tháng tiếp theo.

  3. Đa dạng hóa sản phẩm từ bột gạo lứt lên men: Phát triển các dạng sản phẩm mới như viên nang, thức uống hòa tan, thực phẩm bổ sung nhằm mở rộng đối tượng người tiêu dùng, dự kiến trong 1 năm.

  4. Tăng cường truyền thông và quảng bá sản phẩm: Hướng tới nhóm người ăn kiêng, người cao tuổi, người bệnh tiểu đường và người ăn chay, phối hợp với các cơ sở y tế và cửa hàng thực phẩm chức năng để nâng cao nhận thức về lợi ích sản phẩm trong 6 tháng.

  5. Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng và an toàn thực phẩm: Thiết lập quy trình kiểm tra định kỳ hàm lượng kefiran, vi sinh vật và các chỉ tiêu an toàn, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn quốc tế trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vi sinh vật học, công nghệ thực phẩm: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về phân lập, tuyển chọn vi khuẩn lactic và quy trình lên men sản xuất kefiran từ gạo lứt, hỗ trợ nghiên cứu phát triển sản phẩm lên men mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và đồ uống lên men: Thông tin về quy trình công nghệ, điều kiện lên men và sấy phun giúp doanh nghiệp ứng dụng công nghệ sản xuất bột gạo lứt lên men giàu kefiran, đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị gia tăng.

  3. Chuyên gia dinh dưỡng và y tế cộng đồng: Cung cấp cơ sở khoa học về lợi ích sức khỏe của kefiran và gạo lứt lên men, hỗ trợ tư vấn chế độ ăn uống cho nhóm người bệnh tiểu đường, béo phì, người cao tuổi và người ăn kiêng.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm: Thông tin về tiềm năng phát triển sản phẩm từ gạo lứt và vi khuẩn lactic giúp xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển ngành thực phẩm chức năng, nâng cao giá trị nông sản trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gạo lứt lên men lactic giàu kefiran có lợi ích gì cho sức khỏe?
    Sản phẩm giàu kefiran giúp tăng cường miễn dịch, kháng khuẩn, chống oxy hóa, hỗ trợ tiêu hóa và phòng ngừa các bệnh mãn tính như tiểu đường, tim mạch. Kefiran còn có tác dụng làm lành vết thương và chống ung thư theo nhiều nghiên cứu.

  2. Quy trình lên men lactic sử dụng chủng vi khuẩn nào?
    Chủng vi khuẩn được lựa chọn là Leuconostoc mesenteroides phân lập từ hạt kefir, có khả năng sinh tổng hợp kefiran cao trên môi trường dịch gạo lứt thủy phân.

  3. Sản phẩm có chứa cồn hoặc lactose không?
    Sản phẩm bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran không chứa cồn và lactose, phù hợp với người không dung nạp lactose và nhóm người tiêu dùng châu Á.

  4. Điều kiện lên men ảnh hưởng thế nào đến hàm lượng kefiran?
    Nhiệt độ 30°C, pH ban đầu khoảng 4,4, tỷ lệ tiếp giống 5% và bổ sung dinh dưỡng như peptone, cao nấm men giúp tối ưu hóa sinh tổng hợp kefiran, tăng hàm lượng lên đến 2,76 g/l.

  5. Sản phẩm có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Ngoài thực phẩm chức năng, bột gạo lứt lên men giàu kefiran có thể dùng trong dược phẩm, làm nguyên liệu cho sản phẩm chăm sóc sức khỏe, thực phẩm bổ sung và các sản phẩm dinh dưỡng đặc biệt.

Kết luận

  • Đã phân lập và lựa chọn thành công chủng Leuconostoc mesenteroides có khả năng sinh tổng hợp kefiran cao trên môi trường dịch gạo lứt thủy phân.
  • Xây dựng được quy trình công nghệ thủy phân, lên men và sấy phun tạo sản phẩm bột gạo lứt lên men lactic giàu kefiran với hàm lượng kefiran đạt 2,76 g/l và hiệu suất thu hồi trên 85%.
  • Sản phẩm không chứa cồn, lactose, giàu dinh dưỡng và phù hợp với nhu cầu người tiêu dùng Việt Nam và khu vực.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần đa dạng hóa sản phẩm từ gạo lứt, nâng cao giá trị nông sản và phát triển ngành thực phẩm chức năng trong nước.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển quy mô công nghiệp, đa dạng hóa sản phẩm và tăng cường truyền thông để mở rộng thị trường.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong lĩnh vực công nghệ lên men thực phẩm, khuyến khích các nhà khoa học và doanh nghiệp tiếp tục khai thác tiềm năng của gạo lứt và vi khuẩn lactic trong sản xuất thực phẩm chức năng.