Nghiên cứu thu nhận sản phẩm giàu protein từ gạo nếp cẩm

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu thu nhận sản phẩm giàu protein từ gạo nếp cẩm, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Đỗ Thị Thanh Hường
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Thành
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Nghiên cứu thu nhận sản phẩm giàu protein từ gạo nếp cẩm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về protein từ gạo
• 1.2. Ứng dụng của protein gạo
• 1.3. Sự phân bố và thành phần của protein trong gạo
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Bố trí thí nghiệm
• 2.3. Phương pháp phân tích
• 2.4. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Phân tích thành phần nguyên liệu
• 3.2. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng tới sự thuỷ phân loại tinh bột thu nhận bã giàu protein
• 3.3. Đánh giá chất lượng sản phẩm rắn giàu protein
• 3.4. Ứng dụng sơ bộ sản phẩm giàu protein từ gạo nếp cẩm
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sản phẩm protein từ gạo nếp cẩm

Nghiên cứu sản phẩm protein từ gạo nếp cẩm tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chỉ ra rằng gạo nếp cẩm không chỉ là nguồn thực phẩm truyền thống mà còn là nguồn cung cấp protein quý giá. Gạo nếp cẩm chứa nhiều axit amin thiết yếu và có giá trị dinh dưỡng cao, giúp cải thiện sức khỏe con người. Việc nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành thực phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển sản phẩm dinh dưỡng từ gạo.

1.1. Lợi ích của protein từ gạo nếp cẩm

Protein từ gạo nếp cẩm có nhiều lợi ích cho sức khỏe, bao gồm khả năng chống oxy hóa và hỗ trợ hệ miễn dịch. Nghiên cứu cho thấy rằng protein từ gạo nếp cẩm có thể giúp cải thiện sức khỏe tim mạch và giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện nhiều nghiên cứu về gạo nếp cẩm, nhằm phát triển công nghệ chế biến và nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. Những nghiên cứu này không chỉ góp phần vào khoa học thực phẩm mà còn hỗ trợ phát triển kinh tế địa phương.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu protein từ gạo nếp cẩm

Mặc dù gạo nếp cẩm có nhiều lợi ích, nhưng việc thu nhận protein từ gạo nếp cẩm vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như quy trình chế biến, chi phí sản xuất và khả năng tiêu hóa của sản phẩm cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng và hiệu quả.

2.1. Quy trình chế biến protein từ gạo nếp cẩm

Quy trình chế biến protein từ gạo nếp cẩm bao gồm các bước như thủy phân và tách chiết. Việc tối ưu hóa quy trình này là rất quan trọng để đảm bảo hàm lượng protein cao và giữ nguyên các chất dinh dưỡng có lợi.

2.2. Chi phí sản xuất và khả năng tiêu hóa

Chi phí sản xuất protein từ gạo nếp cẩm có thể cao hơn so với các nguồn protein khác. Hơn nữa, khả năng tiêu hóa của sản phẩm cũng cần được cải thiện để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng.

III. Phương pháp nghiên cứu thu nhận protein từ gạo nếp cẩm

Nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để thu nhận protein từ gạo nếp cẩm, bao gồm thủy phân enzyme và các phương pháp tách chiết hiện đại. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả thu nhận protein.

3.1. Thủy phân enzyme trong thu nhận protein

Thủy phân enzyme là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để thu nhận protein từ gạo nếp cẩm. Phương pháp này giúp phân giải tinh bột và tăng cường hàm lượng protein trong sản phẩm cuối cùng.

3.2. Các phương pháp tách chiết hiện đại

Ngoài thủy phân enzyme, các phương pháp tách chiết hiện đại như siêu âm và áp suất cao cũng được áp dụng để nâng cao hiệu quả thu nhận protein từ gạo nếp cẩm.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của protein từ gạo nếp cẩm

Kết quả nghiên cứu cho thấy sản phẩm protein từ gạo nếp cẩm có hàm lượng protein cao và nhiều đặc tính công nghệ tốt. Sản phẩm này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm chức năng và dinh dưỡng thể thao.

4.1. Hàm lượng protein và đặc tính công nghệ

Sản phẩm protein từ gạo nếp cẩm đạt hàm lượng protein lên đến 58,62%. Đặc tính công nghệ của sản phẩm như khả năng tạo bọt và nhũ tương cũng rất tốt, phù hợp cho nhiều ứng dụng thực phẩm.

4.2. Ứng dụng trong thực phẩm chức năng

Protein từ gạo nếp cẩm có thể được sử dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, giúp cải thiện sức khỏe và đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của người tiêu dùng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu protein từ gạo nếp cẩm

Nghiên cứu về protein từ gạo nếp cẩm tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành thực phẩm. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều sản phẩm dinh dưỡng chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường.

5.1. Tương lai của sản phẩm protein từ gạo nếp cẩm

Với sự phát triển của công nghệ chế biến, sản phẩm protein từ gạo nếp cẩm có thể trở thành một lựa chọn phổ biến trong ngành thực phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực dinh dưỡng thể thao và thực phẩm chức năng.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện quy trình chế biến và nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về protein từ gạo Giới thiệu Lúa gạo (Oryza sativa L.) là một trong những cây lương thực chính trên thế giới, với sản lượng khoảng khoảng 510 triệu tấn (gạo xay xát) trong năm 2021- 2022 (Hình 1-1) và được trồng tại hơn 100 các quốc gia, trên mọi lục địa ngoại trừ Nam Cực. Đây là thực phẩm chủ yếu của hơn một nửa dân số thế giới, đặc biệt gạo là nguồn cung cấp protein đáng kể cho hàng triệu người ở khu vực đói nghèo của châu Á [1]. Hình 1-1 Sản lượng ngũ cốc trên toàn thế giới năm 2021 - 2022 [2] Theo tính toán của tổ chức Y tế thế giới, nhu cầu tối thiểu về protein của mỗi người là 0,5 – 1 g/kg cân nặng/ngày tùy theo nhu cầu dinh dưỡng của từng đối tượng.

Một số đối tượng đặc biệt cần tỷ lệ protein cao hơn như trẻ em, người lớn tuổi, người sau phẫu thuật, phụ nữ mang thai hay vận động viên (1,5 – 2 g/kg cân nặng/ngày). Việc sử dụng kết hợp hài hòa giữa protein động vật và protein thực vật giúp cung cấp đầy đủ các thành phần axit amin thiết yếu cho cơ thể. Hiện nay, việc sử dụng các nguồn protein thực vật thay thế một phần protein động vật trong lĩnh vực thực phẩm đang là xu thế chung trên toàn thế giới. Protein từ gạo là nguồn protein quan trọng và có nhiều ưu điểm vượt trội khi so sánh với các protein thực vật khác như giá trị sinh học và độ tiêu hóa cao 1 nhất trong các protein ngũ cốc phổ biến (như lúa mì, ngô, lúa mạch), phổ axit amin cân bằng với hàm lượng lysine và methionine cao nhất trong các protein ngũ cốc, được coi là ít gây dị ứng, một số nghiên cứu còn cho thấy rằng các peptit thủy phân từ gạo có khả năng chống oxy hóa, chống tăng huyết áp, chống ung thư và chống béo phì [3].

Vì vậy, gạo là một nguồn protein tiềm năng để phát triển các thành phần làm giàu protein phục vụ cho sản xuất các sản phẩm dinh dưỡng. Ứng dụng của protein gạo Gạo là thực phẩm ít gây dị ứng, là một trong những thực phẩm rắn đầu tiên được đưa vào chế độ ăn của trẻ sơ sinh. Do đó, sữa công thức chứa protein từ gạo là một giải pháp thay thế phù hợp cho trẻ bị dị ứng với sữa bò. Trẻ sơ sinh được chẩn đoán bị dị ứng sữa bò (CMA) thường được cho ăn các loại sữa công thức sữa bò đã được thủy phân, sữa công thức dựa trên protein đậu nành hoặc công thức dựa trên axit amin.

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng công thức dựa trên protein gạo thủy phân đủ dinh dưỡng cho trẻ sơ sinh mắc CMA và do đó nó là lựa chọn thay thế phù hợp cho các công thức nói trên [4]. Protein từ gạo được sử dụng làm nguyên liệu thay thế nguyên liệu casein và sữa bột nguyên kem trong sản xuất thực phẩm. Đặc biệt là các ngành sản xuất bột kem không sữa và thức uống ngũ cốc, sản xuất bánh nướng và kẹo. Là một nguyên liệu không gây dị ứng và không chứa GMO, protein gạo là sự lựa chọn tối ưu cho các nhà sản xuất thực phẩm.

Bột protein gạo được sử dụng phổ biến cho người tập thể hình, khi sử dụng protein này giúp cho việc phát triển các khối cơ nhanh hơn. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chế phẩm protein từ gạo có thể được sử dụng làm thành phần giá trị gia tăng trong sản xuất bánh mì, bánh quy và màng ăn được với các đặc tính dinh dưỡng và chức năng được cải thiện [5]. Mặt khác bổ sung protein trong sản xuất bánh kẹo còn làm tăng chất lượng sản phẩm. Protein được bổ sung như phụ gia dinh dưỡng để duy trì chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm, cải thiện hoặc ngăn ngừa sự thiếu hụt dinh dưỡng của các nhóm người có nguy cơ bị thiếu hụt một số loại chất dinh dưỡng nhất định (ví dụ, phụ nữ người cao tuổi, người ăn chay, mang thai, vv); đồng thời để tăng giá trị dinh dưỡng của một sản phẩm thương mại; và để bổ trợ cho những chức năng công nghệ nhất định trong chế biến thực phẩm.

2 Sự phân bố và thành phần của protein trong gạo Trong gạo hàm lượng protein không cao, tùy thuộc giống lúa, điều kiện canh tác mà hàm lượng protein thay đổi trong một khoảng khá rộng, thông thường trong khoảng 6 - 10% khối lượng. Hình 1-2 Phân bố protein gạo trong lớp subaleurone [6] Protein gạo chủ yếu được quan sát dưới dạng các bào quan dự trữ (protein bodies - PBs). Hai loại PB khác biệt về hình thái đã được xác định trong nội nhũ lúa, đó là loại I (PB - I) và loại II (PB - II). PB - I có cấu trúc dạng phiến, hình cầu và giàu prolamin, trong khi PB - II có cấu trúc tinh thể, có hình dạng không đều và chứa chủ yếu là glutelin.

Protein dự trữ nội nhũ bao gồm 60–65% PB - II, 20–25% PB - I và 10–15% albumin và globulin trong tế bào chất [7]. Protein gạo được phân loại dựa trên độ hòa tan bao gồm bốn loại chính là: albumin (tan trong nước), globulin (tan trong muối), glutelin (tan trong kiềm/axit), và prolamin (tan trong cồn) [8], trong đó glutelin hay còn gọi là oryzenin chiếm đa số. Các phân đoạn xay xát gạo khác nhau về thành phần protein (Bảng 1-1). Dữ liệu được báo cáo trong các tài liệu liên quan đến % các thành phần protein trong gạo là tương đối khác nhau, tùy thuộc vào giống lúa và quy trình tách chiết.

Albumin, globulin, glutelin và prolamin đã được báo cáo lần lượt chiếm 5– 10, 7–17, 75–81 và 3–6% tổng lượng protein trong gạo lứt, 4–6, 6–13, 79–83 và 2–7% tương ứng trong tổng lượng protein gạo trắng, và 24–43, 13–36, 22–45 và 1–5% tương ứng trong tổng lượng protein cám gạo. Glutelin là phần protein chính trong gạo lứt và gạo trắng, trong khi prolamin (thành phần chính trong hầu hết các loại ngũ cốc khác) lại chiếm rất ít. 3 Bảng 1-1 Sự phân bố (%) của protein gạo giữa các phân đoạn xay xát gạo [9] Gạo lứt Gạo trắng Cám Albumin 5–10 4–6 24–43 Globulin 7–17 6–13 13–36 Glutelin 75–81 79–83 22–45 Prolamin 3–6 2–7 1–5 Protein nội nhũ gạo và cám gạo có hàm lượng tổng số axit amin thiết yếu tương tự nhau (41,1 – 41,7 g/100 g protein) xấp xỉ chiết xuất chiết xuất protein đậu nành (41,2 g/100 g protein), nhưng những giá trị này thấp hơn đáng kể so với những giá trị quan sát được đối với casein và chiết xuất whey protein (50,6–55,2 g/100 g protein) (Bảng 1-2). Bảng 1-2 So sánh thành phần axit amin thiết yếu (EAA) (g/100 g protein) từ các nguồn khác nhau [10] Axit amin REP RBP SPI Casein WPI Histidine 2,46 4,48 2,58 2,97 1,97 Isoleucine 3,80 3,61 4.15 9,96 Methionine + Cysteine 3,88 2,70 2,55 2,94 5,36 Phenylalanin+Tyrosine 10.57 Tổng số EAA 41.1 41,7 41,2 50,6 55,2 *REP: protein nội nhũ gạo, RBP: protein cám gạo, SPI: chiết xuất protein đậu nành, WPI: chiết xuất whey protein 4 Phân tích tỷ lệ axit amin của các hợp phần protein gạo (Bảng 1-3) cho thấy prolamin có hàm lượng lysine thấp nhất, axit amin giới hạn đầu tiên trong số các protein ngũ cốc.

Hàm lượng lysine cao nhất được tìm thấy trong albumin, tiếp theo là glutelin và globulin. Cám gạo chứa nhiều albumin nên có hàm lượng lysine cao hơn so với gạo lứt và gạo trắng. Ngoài ra, do có hàm lượng prolamin thấp nên gạo có lượng lysine cao hơn các loại ngũ cốc khác. Liên quan đến các axit amin thiết yếu khác, hàm lượng histidine và threonine cao nhất được tìm thấy trong albumin; isoleucine, leucine, phenylalanin cao nhất trong prolamin.

Hơn nữa, các axit amin chứa lưu huỳnh như cysteine và methionine được tìm thấy nhiều nhất trong globulin, trong khi prolamin có hàm lượng thấp nhất. Dựa trên thành phần axit amin, albumin đã được ước tính có giá trị sinh học (biological value - BV) cao nhất và prolamin có chỉ số BV thấp nhất trong số các phần protein gạo [11]. Bảng 1-3 Thành phần axit amin (g/16,8 g nitơ) của các phần protein gạo [9] Axit amin Albumin Globulin Glutelin Prolamin Alanine 7,1–8,5 5,6–6,3 5,6–5,9 6,7–7,6 Arginine 7,9–10 7,2–14 9,0–11 6,1–6,9 Axit aspartic 10–11 7,1–14 10–11 8,3–8,7 Cysteine 1,9–2,3 3,3–4,0 1,2–1,8 0 - 0,8 Axit glutamic 13–18 17–19 19–21 23–33 Glycine 6,3–8,4 5,8–6,4 4,3–5,3 3,0–3,7 Histidine 2,9–3,4 1,7–2,7 2,6–2,7 1,3–2,1 Isoleucine 3,5–3,8 2,4–4,1 4,3–4,7 4,6–5,2 Leucine 6,6–8,0 6,6–6,8 7,3–9,3 13–15 Lysine 5,1–6,4 1,9–3,7 2,7–4,5 0,3–1,2 Methionine 1,9–2,1 3,0–5,4 2,0–3,1 0,5–0,9 Phenylalanin 3,7–4,6 3,3–4,8 5,4–6,0 5,8–6,7 Proline 4,5–7,1 3,8–7,5 4,9–6,2 5,0–6,7 5 Axit amin Albumin Globulin Glutelin Prolamin Serine 4,2–5,4 5,5–6,5 4,5–6,2 4,2–6,1 Threonine 4,2–5,2 2,5–2,7 2,8–5,1 2,5–2,8 Tryptophan 1,5–1,8 1,4–1,5 1,0–1,6 0,5–2,6 Tyrosine 4,4–5,1 5,5–6,3 5,3–5,5 9,2–9,9 Valine 5,9–7,8 5,4–6,5 6,3–6,9 6,5–7,1 Đặc tính chức năng của protein gạo 1. Độ hòa tan Độ hòa tan của protein, trong một số điều kiện nhất định, là biểu hiện nhiệt động học của trạng thái cân bằng giữa tương tác protein - protein và protein - dung môi, có liên quan trực tiếp đến bản chất hóa lý của bề mặt protein.

Các yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ muối và hằng số điện môi của dung môi làm thay đổi độ hòa tan của protein, vì sự thay đổi trong các điều kiện này dẫn đến thay đổi cấu trúc cấu trúc protein, do đó ảnh hưởng đến chức năng của protein. Protein gạo thể hiện độ hòa tan tối thiểu trong phạm vi pH 4–5 và tăng lên khi độ kiềm hoặc axit tăng lên [12]. Độ hòa tan của protein gạo chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của glutelin, vì nó phần protein chiếm ưu thế trong nội nhũ và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong tổng số protein trong cám gạo (Bảng 1-1). Glutelin gạo không có khả năng hòa tan tốt trong nước chủ yếu là do nó được tạo bởi các polypeptide liên kết với nhau qua cầu nối disulfide thành các polyme phân tử lượng cao tiếp tục được liên kết với nhau bởi liên kết disulfide liên chuỗi.

Các điều kiện axit và kiềm thúc đẩy sự phân ly của glutelin và do đó làm tăng khả năng hòa tan của nó. Trong nghiên cứu của Cao và cộng sự, độ hòa tan của protein cám gạo cao hơn so với protein từ gạo lứt và gạo trắng trong phạm vi pH 4–7, trong khi protein gạo trắng có độ hòa tan cao hơn so với protein cám gạo và gạo lứt ở các giá trị pH dưới 4 và trên 7, đặc biệt là lớn hơn 80% ở pH 10 [12]. Một sản phẩm protein gạo cô đặc (Leuven-Wijgmaal, Bỉ) chứa chủ yếu glutelin, có khả năng hòa tan kém (25–55%) trong khoảng pH 2–10, và hoà tan ít nhất ở pH 5.