Tổng quan nghiên cứu

Lúa gạo (Oryza sativa L.) là cây lương thực chủ lực toàn cầu với sản lượng khoảng 510 triệu tấn gạo xay xát trong năm 2021-2022, cung cấp nguồn protein quan trọng cho hơn một nửa dân số thế giới, đặc biệt tại khu vực châu Á. Protein từ gạo có giá trị sinh học và độ tiêu hóa cao nhất trong các protein ngũ cốc phổ biến, đồng thời chứa phổ axit amin cân bằng với hàm lượng lysine và methionine vượt trội. Gạo nếp cẩm, một loại gạo đặc sản có sắc tố anthocyanin cao, không chỉ giàu protein (khoảng 9-10%) mà còn chứa các hợp chất chống oxy hóa có lợi cho sức khỏe.

Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ thu nhận sản phẩm giàu protein từ gạo nếp cẩm bằng phương pháp thủy phân gián tiếp loại bỏ thành phần phi protein chủ yếu là tinh bột, dưới điều kiện nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa nhằm bảo toàn cấu trúc protein và anthocyanin. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân như lượng enzyme amylase, nồng độ chất khô, nhiệt độ, thời gian thủy phân, sử dụng enzyme bổ trợ và thủy phân hai lần để tối ưu hóa quy trình thu nhận sản phẩm giàu protein.

Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu gạo nếp cẩm thu mua tại Hà Nội, trong khoảng thời gian từ 2020 đến 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển sản phẩm protein thực vật chất lượng cao, góp phần đa dạng hóa nguồn nguyên liệu thực phẩm giàu protein, đồng thời nâng cao giá trị kinh tế cho gạo nếp cẩm và thúc đẩy ứng dụng trong ngành công nghệ thực phẩm.

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 protein thực vật, đặc biệt là protein gạo và công nghệ thủy phân tinh bột. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về cấu trúc và đặc tính protein gạo: Protein gạo được phân loại thành albumin, globulin, glutelin và prolamin, trong đó glutelin chiếm đa số. Các đặc tính chức năng như độ hòa tan, khả năng tạo bọt, tạo nhũ, hấp thụ nước và dầu được nghiên cứu để đánh giá chất lượng protein thu nhận.

  2. Mô hình thủy phân tinh bột dưới nhiệt hồ hóa thấp: Quá trình thủy phân tinh bột không hồ hóa sử dụng enzyme α-amylase và glucoamylase để phân giải tinh bột thành glucose, từ đó loại bỏ thành phần phi protein, làm giàu protein trong phần rắn còn lại. Cơ chế thủy phân bao gồm hấp phụ enzyme lên bề mặt hạt tinh bột, thủy phân tại điểm hấp phụ, tiến sâu vào trung tâm hạt và thủy phân từ bên trong.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: enzyme Stargen 002 (chứa α-amylase và glucoamylase), enzyme phụ trợ Viscozyme L và Cellulast 1.5L, độ hòa tan protein, khả năng tạo bọt (Foaming capacity - FC), độ ổn định bọt (Foam stability - FS), hoạt tính tạo nhũ (Emulsifying activity - EA), độ ổn định nhũ (Emulsion stability - ES), khả năng hấp thụ nước (Water absorption capacity - WAC) và dầu (Oil absorption capacity - OAC), cũng như phương pháp tiêu hóa in vitro INFOGEST 2.0.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nguyên liệu gạo nếp cẩm Điện Biên được nghiền mịn và bảo quản lạnh. Các enzyme thương mại Stargen 002, Viscozyme L, Cellulast 1.5L được sử dụng để thủy phân tinh bột. Nghiên cứu được tiến hành theo các bước:

  • Phân tích thành phần nguyên liệu: Xác định độ ẩm, protein tổng số (phương pháp Kjeldahl), tinh bột (thủy phân acid và đo glucose bằng kit GOPOD), chất béo (Soxhlet), xơ thô (phương pháp Ankom), tro (nung ở 550℃).

  • Khảo sát điều kiện thủy phân: Thử nghiệm các yếu tố ảnh hưởng gồm lượng enzyme Stargen 002 (1-4 ml/kg nguyên liệu), nồng độ chất khô (20-35%), nhiệt độ (30, 40, 50℃), thời gian thủy phân (lên đến 72 giờ), và bổ sung enzyme phụ trợ Viscozyme L, Cellulast 1.5L. Mẫu được lấy theo thời gian, ly tâm và đo hàm lượng glucose trong dịch nổi để đánh giá hiệu suất thủy phân.

  • Thủy phân lần hai: Thực hiện thủy phân tiếp phần rắn còn lại để giảm hàm lượng tinh bột sót lại.

  • Đánh giá sản phẩm rắn giàu protein: Phân tích thành phần dinh dưỡng, phổ protein bằng điện di SDS-PAGE, đánh giá đặc tính chức năng (WAC, OAC, FC, FS, EA, ES) và khả năng tiêu hóa in vitro theo mô hình INFOGEST 2.0.

  • Ứng dụng sơ bộ: Thử nghiệm bổ sung sản phẩm vào bánh mì để đánh giá ảnh hưởng đến cảm quan.

Phương pháp chọn mẫu là sử dụng nguyên liệu gạo nếp cẩm đại diện, các thí nghiệm được thực hiện lặp lại để đảm bảo độ tin cậy. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh, với cỡ mẫu đủ để đánh giá các biến số chính trong quá trình thủy phân.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lượng enzyme Stargen 002 tối ưu: 2 ml/kg nguyên liệu cho hiệu suất tạo glucose cao nhất (khoảng 47 g/L glucose sau 72 giờ), đồng thời hàm lượng protein trong phần rắn đạt 58,62% chất khô, cao hơn so với các mức enzyme khác (Bảng 3-2, Hình 3-3).

  2. Nồng độ chất khô thích hợp: 30% w/w là nồng độ tối ưu, cân bằng giữa hiệu suất thủy phân glucose (khoảng 45 g/L) và hàm lượng protein trong phần rắn (trên 58%), đồng thời phù hợp với yêu cầu tiết kiệm năng lượng và thiết bị (Hình 3-4, 3-5).

  3. Nhiệt độ thủy phân: 50℃ cho hiệu suất thủy phân glucose cao nhất (khoảng 50 g/L sau 72 giờ), đồng thời bảo toàn hàm lượng anthocyanin tốt hơn so với nhiệt độ cao hơn, giúp duy trì đặc tính chức năng của sản phẩm (Hình 3-6, 3-7, 3-8).

  4. Tác động của enzyme phụ trợ: Bổ sung Viscozyme L (0,05% w/w) và Cellulast 1.5L (0,2 ml/kg) cùng với Stargen 002 làm tăng hiệu suất thủy phân glucose lên khoảng 60%, đồng thời giảm hàm lượng tinh bột sót lại trong phần rắn (Bảng 3-5).

  5. Thủy phân lần hai: Giảm đáng kể hàm lượng tinh bột còn sót lại, nâng cao hàm lượng protein trong sản phẩm rắn, đạt trên 58% protein tổng số, với khả năng tiêu hóa in vitro tăng lên trên 90% khi trích ly kiềm (Hình 3-10, 3-16).

Thảo luận kết quả

Hiệu suất thủy phân tinh bột đạt được trong nghiên cứu tương đương hoặc vượt trội so với các nghiên cứu trước đây về thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thấp, cho thấy quy trình thủy phân dưới nhiệt hồ hóa 50℃ là khả thi và hiệu quả. Việc lựa chọn lượng enzyme Stargen 002 2 ml/kg nguyên liệu tối ưu giúp cân bằng giữa chi phí enzyme và hiệu quả thủy phân.

Nồng độ chất khô 30% phù hợp với xu hướng công nghiệp Very High Gravity (VHG), giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí thiết bị. Nhiệt độ 50℃ vừa đủ để enzyme hoạt động hiệu quả, đồng thời hạn chế sự phân hủy anthocyanin, bảo toàn giá trị dinh dưỡng và chức năng của sản phẩm.

Sự bổ sung enzyme phụ trợ Viscozyme L và Cellulast 1.5L giúp phân giải các thành phần polysaccharide phức tạp, tăng hiệu quả thủy phân tinh bột và làm giàu protein trong phần rắn. Thủy phân lần hai là bước cần thiết để giảm tinh bột còn sót lại, nâng cao độ tinh khiết protein.

Phổ protein SDS-PAGE cho thấy sản phẩm rắn giàu protein có các băng protein tương tự nguyên liệu gạo nếp cẩm, chứng tỏ cấu trúc protein được bảo toàn. Đặc tính chức năng như khả năng hấp thụ nước (2,09 g/g), hấp thụ dầu (2,13 g/g), khả năng tạo bọt và tạo nhũ tương ở pH trung tính cao (FC lên đến 38,37%, EA 37,5%) cho thấy sản phẩm có tiềm năng ứng dụng trong thực phẩm.

Khả năng tiêu hóa in vitro đạt trên 90% khi trích ly kiềm, cao hơn nhiều so với khả năng tiêu hóa ban đầu (22%), phù hợp với yêu cầu dinh dưỡng và ứng dụng trong sản phẩm thực phẩm chức năng.

Kết quả cảm quan sơ bộ khi bổ sung sản phẩm vào bánh mì cho thấy không ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng, mở ra hướng ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai quy trình thủy phân tinh bột dưới nhiệt hồ hóa 50℃ với nồng độ chất khô 30% và lượng enzyme Stargen 002 2 ml/kg nguyên liệu nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu nhận protein giàu dinh dưỡng, giảm chi phí năng lượng và thiết bị. Thời gian thực hiện khoảng 72 giờ. Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến gạo và thực phẩm.

  2. Bổ sung enzyme phụ trợ Viscozyme L và Cellulast 1.5L trong quy trình thủy phân để nâng cao hiệu quả loại bỏ tinh bột và tăng hàm lượng protein trong sản phẩm rắn. Liều lượng lần lượt 0,05% w/w và 0,2 ml/kg nguyên liệu. Thời gian áp dụng đồng thời với thủy phân chính.

  3. Áp dụng thủy phân lần hai cho phần rắn còn lại nhằm giảm tối đa tinh bột sót lại, nâng cao độ tinh khiết protein và cải thiện khả năng tiêu hóa. Thời gian thủy phân lần hai tương tự lần một, khoảng 72 giờ.

  4. Phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng và thực phẩm bổ sung protein từ sản phẩm rắn giàu protein gạo nếp cẩm với các đặc tính chức năng đã được chứng minh như khả năng tạo bọt, tạo nhũ, hấp thụ nước và dầu. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp thực phẩm, nhà nghiên cứu phát triển sản phẩm.

  5. Nghiên cứu mở rộng về bảo quản và ổn định anthocyanin trong sản phẩm protein giàu anthocyanin nhằm duy trì giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học trong quá trình lưu trữ và chế biến tiếp theo. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm, Công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp thực nghiệm chi tiết về thu nhận protein thực vật từ gạo nếp cẩm, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và thực phẩm bổ sung protein: Tham khảo quy trình công nghệ thủy phân tinh bột dưới nhiệt hồ hóa để phát triển sản phẩm protein giàu dinh dưỡng, ít dị ứng, có giá trị gia tăng cao.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp chế biến lương thực: Tài liệu giúp đánh giá tiềm năng phát triển sản phẩm giá trị gia tăng từ gạo nếp cẩm, góp phần nâng cao giá trị nông sản đặc sản vùng miền.

  4. Chuyên gia dinh dưỡng và y tế cộng đồng: Thông tin về đặc tính dinh dưỡng, khả năng tiêu hóa và ứng dụng protein gạo nếp cẩm trong chế độ ăn cho các nhóm đối tượng đặc biệt như trẻ em dị ứng sữa bò, người cao tuổi, vận động viên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Protein từ gạo nếp cẩm có ưu điểm gì so với các nguồn protein thực vật khác?
    Protein gạo nếp cẩm có giá trị sinh học cao, phổ axit amin cân bằng với hàm lượng lysine và methionine cao, ít gây dị ứng và có khả năng tiêu hóa tốt. Ngoài ra, chứa anthocyanin giúp tăng cường hoạt tính chống oxy hóa.

  2. Tại sao chọn phương pháp thủy phân tinh bột dưới nhiệt hồ hóa thấp?
    Phương pháp này giúp loại bỏ tinh bột hiệu quả mà không làm biến tính protein và giữ được anthocyanin nhạy cảm với nhiệt, đồng thời tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí thiết bị so với phương pháp truyền thống.

  3. Lượng enzyme Stargen 002 tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu xác định lượng enzyme tối ưu là 2 ml/kg nguyên liệu, cho hiệu suất thủy phân glucose cao nhất và hàm lượng protein trong phần rắn đạt trên 58%.

  4. Sản phẩm giàu protein thu được có thể ứng dụng trong những sản phẩm thực phẩm nào?
    Sản phẩm có thể dùng làm nguyên liệu bổ sung protein trong bánh mì, bánh quy, thực phẩm chức năng, bột kem không sữa, thức uống ngũ cốc và các sản phẩm dành cho người dị ứng sữa bò.

  5. Khả năng tiêu hóa của sản phẩm protein giàu từ gạo nếp cẩm như thế nào?
    Khả năng tiêu hóa in vitro của sản phẩm đạt khoảng 22% ban đầu và tăng lên trên 90% sau khi trích ly kiềm, cho thấy sản phẩm có tiềm năng dinh dưỡng cao và phù hợp cho các ứng dụng thực phẩm.

Kết luận

  • Đã thiết lập quy trình thủy phân tinh bột dưới nhiệt hồ hóa 50℃, nồng độ chất khô 30%, lượng enzyme Stargen 002 2 ml/kg nguyên liệu, kết hợp enzyme phụ trợ Viscozyme L và Cellulast 1.5L, cho hiệu suất thủy phân glucose cao và sản phẩm rắn giàu protein đạt 58,62%.
  • Thủy phân lần hai giúp giảm tinh bột sót lại, nâng cao độ tinh khiết và khả năng tiêu hóa protein lên trên 90%.
  • Sản phẩm giàu protein giữ được phổ protein tương tự nguyên liệu, có đặc tính chức năng tốt như khả năng hấp thụ nước, dầu, tạo bọt và tạo nhũ, phù hợp ứng dụng trong thực phẩm.
  • Ứng dụng sơ bộ trong sản xuất bánh mì cho kết quả tích cực về cảm quan, mở rộng tiềm năng thương mại.
  • Đề xuất triển khai quy trình công nghiệp và nghiên cứu bảo quản anthocyanin để phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng giàu protein và chất chống oxy hóa.

Hành động tiếp theo: Các nhà sản xuất và nghiên cứu nên phối hợp để thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời phát triển các sản phẩm thực phẩm đa dạng từ protein gạo nếp cẩm giàu dinh dưỡng và chức năng sinh học.