MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Khoai lang là cây lương thực truyền thống đứng thứ tư sau lúa, ngô, sắn và đứng thứ hai về giá trị kinh tế sau khoai tây ở Việt Nam [1]. Khoai lang được chú trọng canh tác ở khắp mọi nơi trên cả nước từ đồng bằng đến miền núi, duyên hải miền Trung và vùng đồng bằng sông Cửu Long. Năm 2019, ước tính diện tích trồng khoai lang khoảng 116,7 nghìn ha với sản lượng hơn 1,4 triệu tấn [2].
Khoai lang rất giàu protein, carbohydrate, polyphenol, carotenoid và ít chất béo, nó cũng là nguồn cung cấp chất chống oxy hóa tốt trong chế độ ăn hàng ngày [3]. Phần lớn khoai lang Việt Nam được trồng để thu hoạch củ dùng làm thực phẩm ăn tươi, phục vụ xuất khẩu, chế biến thực phẩm và chế biến thức ăn gia súc. Trong nghiên cứu và ứng dụng, tinh bột khoai lang khoai lang được sử dụng chủ yếu như một nguyên liệu sản xuất mì sợi và miến nhờ khả năng kết dính tốt và dễ dàng kết hợp với các thành phần khác [4]. Bên cạnh đó, nó còn có mặt trong các quy trình sản xuất tinh bột biến tính có khả năng kháng tiêu hóa hay còn gọi là tinh bột kháng (phần tinh bột không bị tiêu hóa bởi hệ enzyme amylase trong ruột non và được lên men bởi hệ vi sinh vật trong ruột già) [5].
Việc nâng cao giá trị kinh tế cho khoai lang vẫn còn rất nhiều khả năng khai thác và cũng là bài toán cấp thiết cho một quốc gia phát triển nông nghiệp như Việt Nam. Các sản phẩm thực phẩm chức năng có nguồn gốc từ tinh bột là một hướng đi tiềm năng lớn do tinh bột là nguồn nguyên liệu giá thành thấp, dễ dàng sản xuất quy mô lớn. Dựa trên mục đích dinh dưỡng, tinh bột trong thực phẩm được phân loại thành tinh bột tiêu hóa nhanh (RDS), tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) và tinh bột kháng tiêu hóa (RS). Tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) có khả năng giải phóng năng lượng một cách chậm hơn đáng kể so với tinh bột tự nhiên [6] nhờ biến tính cấu trúc thông qua phương pháp vật lý, hóa học, enzyme hoặc kết hợp của các phương pháp.
Điển hình trong số đó là phương pháp sử dụng enzyme pullulanase khử nhánh kết hợp xử lý thoái hóa lặp lại mang lại hiệu suất tổng hợp SDS cao, an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó, isomaltooligosaccharides (IMO) vốn được biết đến là thành phần prebiotics [7], sản xuất từ tinh bột tự nhiên thông qua việc sử dụng kết hợp một số loại enzyme. Tinh bột tiêu hóa chậm và isomaltooligosaccharides đang được tập trung nghiên cứu, phát triển và sản xuất với sản lượng lớn trên thế giới do những đặc tính quý báu mà nó mang lại [8] [9]. Đặc biệt với những bệnh nhân tiểu đường, béo phì, cholesterol cao và các bệnh liên quan đến đường ruột.
Cả hai với những giá trị to lớn đã được chứng minh giúp cải thiện sức khỏe con người một cách an toàn và hiệu quả. Trong công nghệ thực phẩm, SDS được bổ sung vào thực phẩm chế biến giàu tinh bột nhằm điều chỉnh lượng glucose giải phóng sau khi dung nạp vào cơ thể; IMO lại được thay thế như một đường chức năng trong nhiều đồ uống, các sản phẩm từ sữa, bánh kẹo,… mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe đường ruột, giảm năng lượng hấp thu mà không ảnh hưởng đến cảm quan sản phẩm. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trong nước chưa quan tâm nhiều đến tạo ra SDS. Bên cạnh đó, tại Việt nam, một công trình duy nhất đã công bố nghiên cứu về quy trình sản xuất IMO từ tinh bột sắn của TS.
Đỗ Trọng Hưng năm 2012 [10] mới dừng lại ở xác định tổng IMO mà chưa phân định 1 được các IMO thành phần, ngoài ra chưa có công trình nào nghiên cứu về quy trình sản xuất IMO từ các loại tinh bột khác, cũng như từ tinh bột khoai lang nói riêng. Do đó, đề tài “Nghiên cứu quá trình thuỷ phân tinh bột khoai lang bằng phương pháp enzyme tạo tinh bột tiêu hoá chậm và isomaltooligosaccharide nhằm ứng dụng trong thực phẩm” đã tiến hành nghiên cứu các đặc tính của tinh bột các giống khoai lang Việt Nam và biến tính tinh bột khoai lang tạo SDS và IMO nhằm giúp các nhà khoa học và nhà sản xuất có định hướng nghiên cứu và sản xuất ứng dụng các sản phẩm này. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định đặc điểm hình thái, cấu trúc và tính chất lý hoá của tinh bột khoai lang Việt Nam - Nghiên cứu xác định phương pháp thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) từ tinh bột khoai lang - Nghiên cứu xác định phương pháp thu nhận isomaltooligosaccharide (IMO) từ tinh bột khoai lang - Đánh giá khả năng ứng dụng SDS và IMO trong sản xuất thực phẩm 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu đặc tính tinh bột khoai lang và khả năng thu hồi tinh bột của các giống khoai Việt Nam - Nghiên cứu điều kiện thu nhận SDS và đặc tính của SDS thành phẩm - Nghiên cứu điều kiện thu nhận IMO và đặc tính của IMO thành phẩm - Ứng dụng SDS và IMO trong sản xuất thực phẩm 4.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a) Ý nghĩa khoa học - Kết quả có hệ thống về tính chất hóa lý của tinh bột khoai lang các giống khoai lang phổ biến ở Việt nam là đóng góp đáng tin cậy cho nguồn tư liệu khoa học về các giống khoai lang Việt Nam - Xác lập giải pháp công nghệ thu nhận tinh bột tiêu hóa chậm và isomaltooligosaccharide từ tinh bột khoai lang Hoàng Long - Kết quả nghiên cứu về tác động của các enzyme trong nghiên cứu sản xuất IMO đã chỉ rõ hơn sự phân cắt và gắn nhánh trên mạch tinh bột khoai lang dưới tác dụng của enzyme tạo ra những sản phẩm tương ứng khác nhau, là tiền đề giúp các nhà nghiên cứu và sản xuất đánh giá rõ hơn về sản phẩm này. - Kết quả nghiên cứu đã chỉ rõ kết hợp giữa enzyme và tác động nhiệt thấp làm thoái hóa tinh bột giúp làm tăng hàm lượng SDS từ tinh bột khoai lang. b) Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu về tính chất lý hóa của tinh bột các giống khoai lang Việt Nam là cơ sở giúp các nhà khoa học, nông nghiệp, sản xuất trong lựa chọn giống trồng trọt và chế biến. - Tạo sản phẩm mới từ tinh bột khoai lang với các đặc tính có lợi sức khỏe, phù hợp với xu thế thị trường thế giới, và là giải pháp giúp nâng cao giá trị thương mại cho khoai lang Việt Nam - Kết quả nghiên cứu tạo IMO và SDS từ tinh bột khoai lang cùng các đặc tính của chúng giúp các nhà sản xuất có sự lựa chọn phù hợp khi muốn sản xuất các sản phẩm này hoặc ứng dụng những sản phẩm này vào sản xuất thực phẩm.
2 - Kết quả của nghiên cứu là có thể là tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu, là cơ sở cho các thử nghiệm ứng dụng trong quy mô công nghiệp, từ đó đa dạng hóa các con đường chế biến tạo thành phẩm có giá trị thương mại cao cho tinh bột khoai lang nói riêng và củ khoai lang tươi Việt Nam nói chung. Những điểm mới của luận án - Luận án là công trình nghiên cứu đầy đủ về các tính chất lý hóa và cấu trúc của tinh bột các giống khoai lang Việt nam, là cơ sở giúp các nhà khoa học, nông nghiệp, sản xuất trong lựa chọn giống trồng trọt và chế biến. - Luận án là công trình đầu tiên tại Việt nam đã đưa ra giải pháp công nghệ sản xuất tinh bột tiêu hóa chậm (SDS) sử dụng enzyme kết hợp thoái hóa, cụ thể là tinh bột khoai lang. Đồng thời là công trình đầu tiên nghiên cứu về tính chất của SDS tại Việt Nam.
- Luận án là công trình đầu tiên đưa ra giải pháp công nghệ sản xuất IMO từ tinh bột khoai lang tại Việt nam. Hỗn hợp isomaltooligosaccharide sản phẩm được tinh chế và định lượng dựa vào HPLC-RID mang lại kết quả có độ chính xác cao. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về cây khoai lang 1.
Nguồn gốc của cây khoai lang Khoai lang có tên La tinh là Ipomoea batatas (L.) Lam, thuộc họ Covolvulus, chi Impomoea, loài Ipomoea batatas. Theo hầu hết các nguồn tài liệu, cây hai lá mầm này có nguồn gốc và sự thuần hóa từ Trung Mỹ hoặc Nam Mỹ cách đây ít nhất 5000 năm [11]. Sau đó, khoai lang được đưa tới các vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới khác trên thế giới và trở thành cây lương thực phổ biến ở các đảo của Thái Bình Dương [12]. Tàn tích lịch sử của khoai lang được các nhà khảo cổ học tìm thấy ở Polynesia, do đó, giả thiết được đưa ra là người Polynesia cổ đại đã giao lưu với những người ở bờ biển phía tây Nam Mỹ và mang khoai lang đến các đảo ở Thái Bình Dương.
Vào khoảng thế kỷ 16, cây khoai lang được du nhập vào Philippines và Indonesia thông qua người dân, khách du lịch từ Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha [13]. Và sau đó, tiếp tục được các thương nhân địa phương, du khách châu Âu phân phối sang phần còn lại của châu Á. Tại Trung Quốc, nơi có diện tích cây trồng này lớn nhất thế giới hiện nay, khoai lang được du nhập từ Philippines đến Phúc Kiến như một loại cây lương thực vào khoảng năm 1387 [14]. Khoai lang nhanh chóng lan rộng khắp các nước châu Á, châu Mỹ La Tinh, châu Phi trong thế kỷ 17 và 18 do có khả năng thích nghi cao.
Hiện nay, khoai lang được trồng rộng rãi trên khắp các vùng nhiệt đới và ôn đới ấm áp [15]. Đặc điểm hình thái cây khoai lang Khoai lang thuộc nhóm thực vật hai lá mầm, là cây thân thảo lâu năm. Thân cây có màu xanh lục hoặc tía, dài 1,2 đến 8 mét tùy thuộc vào giống cây trồng. Cây có hoa màu trắng hoặc tím, lá hình trái tim hoặc hình thùy xen kẽ nhau.
Một số rễ của chúng là củ giàu tinh bột và đường, đây là bộ phận quan trọng nhất của cây [13]. Củ khoai lang có hình dạng và màu sắc khác nhau: dài và thon, hình trứng hoặc tròn, tùy thuộc vào giống được trồng, vỏ nhẵn có màu vàng, cam, đỏ, nâu, tím và trắng. Thịt củ có màu từ trắng đến kem nhạt, đỏ, hồng, tím, vàng, cam và tím (Hình 1.1: Màu sắc khác nhau của vỏ và ruột củ khoai lang [13] 4 Cấu tạo củ khoai lang gồm ba phần: vỏ lụa, vỏ cùi và thịt củ.