Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sử dụng cám lúa mì xử lý enzym để làm pasta giàu chất xơ

• Tác giả: Nguyen Si Nhat
• Người hướng dẫn: Prof. Le Van Viet Man
• Trường học: Vietnam National University System Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Food Technology
• Đề tài: Utilization of Enzyme-Treated Wheat Bran In Making Pasta With High Fiber Content
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• Declaration
• Acknowledgement
• Abstract
• Table of Contents
• List of Tables
• List of Figures
• List of Acronyms
• 1. Introduction
• 1.1. Definition, classification and physiological effects of dietary fiber
• 1.2. Wheat bran–A potential source of dietary fiber
• 1.3. Conversion of insoluble fiber into soluble fiber by enzymatic treatment
• 1.4. Application of cellulase and xylanase preparations in processing of cereal brans
• 2. Pasta with high fiber content
• 2.1. Technology of making pasta with high fiber content
• 2.2. Quality of fiber-enriched pasta
• 2.2.1. Quality improvement of fiber-enriched pasta
• 2.2.1.1. Methods for improving textural quality of fiber-enriched pasta
• 2.2.1.2. Improvement in pasta texture by addition of vital wheat gluten
• 2.2.1.3. Improvement in pasta texture by the use of transglutaminase preparation
• 2.3. Originality of this research
• 3. Materials and Methods
• 3.1. Materials for making high fiber pasta
• 4. Results and Discussion
• 4.1. Proximate composition, color, and antioxidant activity of raw materials
• 4.1.1. Proximate composition of raw materials
• 4.1.2. Color parameters of raw materials
• 4.1.3. Antioxidant activity of raw materials
• 4.2. Effects of wheat bran incorporation on the qualities of pasta
• 4.3. In vitro starch digestion and predicted glycemic index of pasta
• 4.4. Effects of vital gluten addition and transglutaminase (TG) treatment on the qualities of pasta
• 5. Conclusion and Suggestion
• Appendix: Supplementary data

I. Tổng quan về cám lúa mì và ứng dụng trong sản xuất pasta

Cám lúa mì là một sản phẩm phụ của quá trình xay xát lúa mì, chứa nhiều chất dinh dưỡng như protein, khoáng chất và đặc biệt là chất xơ. Việc sử dụng cám lúa mì trong sản xuất pasta không chỉ giúp tăng cường giá trị dinh dưỡng mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy cám lúa mì có thể được xử lý enzym để tăng cường hàm lượng chất xơ, từ đó tạo ra các sản phẩm pasta giàu chất xơ, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của người tiêu dùng.

1.1. Cám lúa mì Nguồn cung cấp chất xơ tiềm năng

Cám lúa mì chứa tới 63% chất xơ, nhưng phần lớn vẫn chưa được khai thác hiệu quả. Việc bổ sung cám lúa mì vào thực phẩm có thể giúp cải thiện sức khỏe tiêu hóa và giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường loại 2.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng cám lúa mì trong thực phẩm

Cám lúa mì không chỉ cung cấp chất xơ mà còn chứa nhiều vitamin và khoáng chất. Việc sử dụng cám lúa mì trong sản xuất pasta có thể giúp tăng cường giá trị dinh dưỡng và cải thiện sức khỏe tổng thể.

II. Thách thức trong việc sử dụng cám lúa mì trong sản xuất pasta

Mặc dù cám lúa mì mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc bổ sung cám lúa mì vào pasta cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là ảnh hưởng đến chất lượng kết cấu của pasta. Cám lúa mì có thể làm giảm độ đàn hồi và độ chắc của sản phẩm, dẫn đến sự không hài lòng của người tiêu dùng.

2.1. Ảnh hưởng của cám lúa mì đến chất lượng pasta

Việc bổ sung cám lúa mì có thể làm giảm độ chắc và độ đàn hồi của pasta, ảnh hưởng đến trải nghiệm ăn uống. Nghiên cứu cho thấy cần có các biện pháp cải thiện để khắc phục vấn đề này.

2.2. Giải pháp cải thiện chất lượng pasta giàu chất xơ

Sử dụng enzyme như cellulase và xylanase có thể giúp cải thiện chất lượng kết cấu của pasta. Những enzyme này giúp chuyển đổi chất xơ không hòa tan thành chất xơ hòa tan, từ đó cải thiện độ mềm và độ chắc của sản phẩm.

III. Phương pháp xử lý enzym cám lúa mì trong sản xuất pasta

Xử lý enzym cám lúa mì là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hàm lượng chất xơ và chất lượng của pasta. Các enzyme như cellulase và xylanase được sử dụng để phân hủy các liên kết glycosidic trong cám lúa mì, giúp tăng cường hàm lượng chất xơ hòa tan.

3.1. Quy trình xử lý enzym cám lúa mì

Quy trình xử lý enzym bao gồm việc thêm enzyme vào cám lúa mì và để chúng hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định. Kết quả là cám lúa mì sẽ có hàm lượng chất xơ hòa tan cao hơn, cải thiện chất lượng pasta.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng enzyme trong sản xuất pasta

Việc sử dụng enzyme không chỉ giúp cải thiện chất lượng kết cấu mà còn tăng cường hoạt tính chống oxy hóa và giảm chỉ số đường huyết của pasta. Điều này làm cho sản phẩm trở nên hấp dẫn hơn đối với người tiêu dùng.

IV. Kết quả nghiên cứu về pasta giàu chất xơ từ cám lúa mì

Nghiên cứu cho thấy pasta được sản xuất từ cám lúa mì xử lý enzym có hàm lượng chất xơ cao hơn và hoạt tính chống oxy hóa tốt hơn so với pasta truyền thống. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp thực phẩm trong việc phát triển sản phẩm dinh dưỡng.

4.1. Đánh giá chất lượng pasta giàu chất xơ

Các chỉ tiêu như độ chắc, độ đàn hồi và hoạt tính chống oxy hóa của pasta được cải thiện đáng kể khi sử dụng cám lúa mì xử lý enzym. Điều này cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển sản phẩm mới.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của pasta giàu chất xơ

Pasta giàu chất xơ có thể được sử dụng trong chế độ ăn uống hàng ngày, giúp cải thiện sức khỏe tiêu hóa và giảm nguy cơ mắc các bệnh mãn tính. Sản phẩm này cũng phù hợp với xu hướng tiêu dùng hiện đại.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của pasta từ cám lúa mì

Việc sử dụng cám lúa mì xử lý enzym trong sản xuất pasta giàu chất xơ không chỉ mang lại lợi ích dinh dưỡng mà còn mở ra cơ hội mới cho ngành thực phẩm. Tương lai của sản phẩm này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng nhu cầu về thực phẩm chức năng.

5.1. Tương lai của sản phẩm pasta giàu chất xơ

Với sự gia tăng nhận thức về sức khỏe, pasta giàu chất xơ từ cám lúa mì sẽ trở thành lựa chọn phổ biến trong chế độ ăn uống. Ngành công nghiệp thực phẩm cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu này.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm. Việc khám phá các loại enzyme mới và phương pháp xử lý sẽ giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng của pasta.

Tổng quan nghiên cứu

Pasta là một thực phẩm phổ biến trên toàn thế giới, được đánh giá cao về giá trị dinh dưỡng nhờ hàm lượng chất béo thấp và carbohydrate có chỉ số đường huyết thấp. Tuy nhiên, hàm lượng chất xơ trong pasta truyền thống rất thấp, chỉ khoảng 1%. Việc bổ sung chất xơ vào pasta nhằm nâng cao giá trị dinh dưỡng và cải thiện sức khỏe người tiêu dùng đang là xu hướng nghiên cứu quan trọng. Cám lúa mì, một sản phẩm phụ của quá trình xay xát, chứa hàm lượng chất xơ tổng lên đến 63% nhưng chủ yếu được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi hoặc phân bón. Tỷ lệ chất xơ không hòa tan so với hòa tan (IDF/SDF) trong cám lúa mì rất cao, khoảng 7:1, không cân bằng và chưa tối ưu cho lợi ích sức khỏe. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng cám lúa mì đã xử lý enzyme cellulase để chuyển đổi một phần chất xơ không hòa tan thành chất xơ hòa tan, từ đó cải thiện tỷ lệ IDF/SDF và nâng cao hoạt tính chống oxy hóa cũng như giảm chỉ số đường huyết của sản phẩm pasta giàu chất xơ. Ngoài ra, nghiên cứu còn khảo sát tác động của việc bổ sung gluten thiết yếu và xử lý bằng enzyme transglutaminase nhằm cải thiện các đặc tính công nghệ, cơ lý và mức độ ưa thích của sản phẩm. Thời gian nghiên cứu từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2019 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển sản phẩm pasta giàu chất xơ, góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng thông qua chế độ ăn uống lành mạnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về chất xơ dinh dưỡng, phân loại và tác dụng sinh lý của chất xơ hòa tan và không hòa tan. Chất xơ hòa tan có khả năng lên men trong ruột già, kích thích vi sinh vật có lợi và làm giảm cholesterol máu, chỉ số đường huyết; trong khi chất xơ không hòa tan chủ yếu hỗ trợ tiêu hóa và nhuận tràng. Tỷ lệ IDF/SDF là chỉ số quan trọng đánh giá chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm, với tỷ lệ lý tưởng khoảng 3:1 hoặc 2:1. Cám lúa mì là nguồn giàu chất xơ nhưng tỷ lệ này chưa cân bằng. Enzyme cellulase và xylanase được sử dụng để chuyển đổi chất xơ không hòa tan thành hòa tan, cải thiện tính chất dinh dưỡng và công nghệ của sản phẩm. Mô hình nghiên cứu bao gồm việc bổ sung cám lúa mì đã xử lý enzyme vào bột semolina để sản xuất pasta giàu chất xơ, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của việc bổ sung gluten thiết yếu và xử lý bằng transglutaminase nhằm cải thiện cấu trúc mạng lưới protein tinh bột trong pasta.

Các khái niệm chính bao gồm: chất xơ hòa tan và không hòa tan, enzyme cellulase, transglutaminase, gluten thiết yếu, chỉ số đường huyết dự đoán (pGI), hoạt tính chống oxy hóa (TPC, DPPH, FRAP), và các chỉ số công nghệ của pasta như thời gian nấu tối ưu, độ mất mát khi nấu, độ cứng, độ đàn hồi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu nguyên liệu (cám lúa mì, semolina, gluten), sản phẩm pasta được chế biến tại phòng thí nghiệm với các biến thể: cám lúa mì chưa xử lý và đã xử lý enzyme cellulase, bổ sung gluten thiết yếu với các tỷ lệ 0-15%, xử lý transglutaminase với các liều lượng 0-0.75 U/g gluten, và kết hợp cả hai phương pháp. Cỡ mẫu gồm nhiều lô pasta được sản xuất theo từng công thức cụ thể, mỗi mẫu được phân tích ít nhất ba lần.

Phương pháp phân tích bao gồm: xác định thành phần hóa học (protein, lipid, tinh bột, chất xơ hòa tan và không hòa tan), đo hoạt tính chống oxy hóa (Tổng hàm lượng phenol TPC, khả năng ức chế gốc tự do DPPH, khả năng khử sắt FRAP), đánh giá chỉ số đường huyết dự đoán qua phương pháp tiêu hóa in vitro và mô hình hóa động học thủy phân tinh bột, đo các chỉ số công nghệ pasta (thời gian nấu tối ưu, độ mất mát khi nấu, chỉ số hấp thụ nước, độ phồng), phân tích cấu trúc cơ lý (độ cứng, độ dai, độ đàn hồi, độ bám dính, độ bền kéo), đo màu sắc theo hệ CIELAB, và đánh giá cảm quan mức độ ưa thích chung bởi 60 người tham gia không chuyên.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2019, với các bước xử lý enzyme, sản xuất pasta, phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học và hoạt tính chống oxy hóa của nguyên liệu: Cám lúa mì có hàm lượng protein ≥14%, chất xơ tổng ≥33%, cao hơn nhiều so với semolina (protein ≥12%, chất xơ ~1%). Sau xử lý enzyme cellulase, hàm lượng chất xơ hòa tan tăng 14.5%, chất xơ không hòa tan giảm 23%, làm giảm tỷ lệ IDF/SDF xuống khoảng 30.6%. Hoạt tính chống oxy hóa (TPC, DPPH, FRAP) của cám lúa mì cao gấp 3 lần semolina, và xử lý enzyme làm tăng 18.7% khả năng ức chế gốc tự do DPPH.

2. Ảnh hưởng của bổ sung cám lúa mì lên hoạt tính chống oxy hóa và chỉ số đường huyết của pasta: Khi tăng tỷ lệ cám lúa mì (từ 0 đến 30%) trong công thức, tổng hàm lượng phenol, khả năng ức chế DPPH và khả năng khử sắt FRAP của pasta tăng lần lượt 44%, 38% và 35%. Pasta bổ sung cám lúa mì xử lý enzyme có hoạt tính chống oxy hóa cao hơn so với cám chưa xử lý ở cùng tỷ lệ. Chỉ số đường huyết dự đoán (pGI) giảm 14% khi tăng tỷ lệ cám lúa mì lên 30%, với pasta chứa cám lúa mì xử lý enzyme có pGI thấp hơn so với cám chưa xử lý, nhờ hàm lượng chất xơ hòa tan cao hơn.

3. Ảnh hưởng của bổ sung gluten thiết yếu và xử lý transglutaminase lên chất lượng pasta: Bổ sung gluten làm tăng protein lên đến 55.5% ở mức 15% gluten, đồng thời giảm nhẹ chất xơ tổng (13.1%). Gluten làm tăng thời gian nấu tối ưu (tăng 31.8%) và giảm độ mất mát khi nấu (giảm 19%). Độ cứng, độ dai, độ bền kéo của pasta tăng lần lượt 188%, 150% và 44.4% khi tăng gluten từ 0 đến 15%. Xử lý transglutaminase cũng cải thiện các chỉ số này nhưng mức độ thấp hơn gluten, với độ cứng tăng 69% và độ bền kéo tăng 10%. Kết hợp cả hai phương pháp làm tăng độ cứng và độ bền kéo lần lượt 80.5% và 25% so với chỉ dùng một phương pháp.

4. Màu sắc và cảm quan: Pasta bổ sung cám lúa mì xử lý enzyme có màu tối hơn, đỏ hơn do phản ứng Maillard trong quá trình xử lý. Gluten và transglutaminase không ảnh hưởng đáng kể đến màu sắc. Đánh giá cảm quan cho thấy pasta kết hợp gluten và transglutaminase có mức độ ưa thích chung cao hơn, nhờ cải thiện kết cấu và độ dai.

Thảo luận kết quả

Việc xử lý cám lúa mì bằng enzyme cellulase giúp chuyển đổi một phần chất xơ không hòa tan thành hòa tan, làm giảm tỷ lệ IDF/SDF, phù hợp với khuyến nghị dinh dưỡng nhằm tối đa hóa lợi ích sức khỏe như kiểm soát cân nặng, giảm nguy cơ tiểu đường và bệnh tim mạch. Hoạt tính chống oxy hóa tăng lên nhờ giải phóng các phenolic liên kết trong thành tế bào và sự hình thành các sản phẩm phản ứng Maillard có khả năng bắt gốc tự do. Giảm chỉ số đường huyết của pasta bổ sung cám lúa mì được giải thích bởi sự hạn chế tiếp xúc của enzyme tiêu hóa với tinh bột do mạng lưới protein và chất xơ tạo thành, đồng thời chất xơ hòa tan làm tăng độ nhớt trong ruột, làm chậm hấp thu glucose.

Bổ sung gluten thiết yếu và xử lý transglutaminase giúp tái cấu trúc mạng lưới protein tinh bột, tăng cường liên kết chéo giữa các phân tử protein, cải thiện độ cứng, độ dai và độ đàn hồi của pasta. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của gluten và enzyme transglutaminase trong việc nâng cao chất lượng thực phẩm chứa gluten. Sự kết hợp hai phương pháp tạo ra hiệu quả cộng hưởng, làm tăng đáng kể các chỉ số cơ lý và cảm quan, đồng thời giảm độ mất mát khi nấu, giúp sản phẩm có chất lượng công nghệ và dinh dưỡng cao hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh hoạt tính chống oxy hóa, chỉ số đường huyết, và các chỉ số cơ lý giữa các mẫu pasta khác nhau, cũng như bảng tổng hợp thành phần hóa học và kết quả cảm quan.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng enzyme cellulase trong xử lý cám lúa mì nhằm tăng hàm lượng chất xơ hòa tan và cải thiện hoạt tính chống oxy hóa của nguyên liệu, từ đó nâng cao giá trị dinh dưỡng của pasta. Thời gian xử lý enzyme khoảng 2 giờ ở 50°C, do nhà sản xuất hoặc cơ sở chế biến thực phẩm thực hiện.

2. Bổ sung gluten thiết yếu vào công thức pasta với tỷ lệ từ 5-15% để tăng cường cấu trúc mạng lưới protein, cải thiện độ cứng, độ dai và độ đàn hồi của sản phẩm. Các nhà sản xuất pasta nên áp dụng trong quy trình trộn bột.

3. Sử dụng enzyme transglutaminase trong quá trình nhào bột và ủ để tạo liên kết chéo protein, tăng cường kết cấu và giảm độ mất mát khi nấu. Liều lượng enzyme khoảng 0.25-0.75 U/g gluten, thời gian ủ 10 phút ở 40°C.

4. Kết hợp bổ sung gluten và xử lý transglutaminase để đạt hiệu quả tối ưu về chất lượng cơ lý và cảm quan của pasta giàu chất xơ. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phát triển quy trình sản xuất phù hợp để ứng dụng đồng thời hai phương pháp này.

5. Khuyến khích phát triển sản phẩm pasta giàu chất xơ từ cám lúa mì đã xử lý enzyme nhằm đáp ứng nhu cầu thực phẩm lành mạnh, giảm nguy cơ bệnh mãn tính liên quan đến chế độ ăn nhiều đường và ít chất xơ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về ứng dụng enzyme trong xử lý nguyên liệu và cải thiện chất lượng sản phẩm, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và pasta: Tham khảo quy trình công nghệ mới giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng và chất lượng sản phẩm, đáp ứng xu hướng tiêu dùng thực phẩm lành mạnh.

3. Chuyên gia dinh dưỡng và y tế công cộng: Hiểu rõ tác động của chất xơ hòa tan và không hòa tan trong thực phẩm lên sức khỏe, từ đó tư vấn chế độ ăn phù hợp cho người tiêu dùng.

4. Cơ quan quản lý và xây dựng chính sách thực phẩm: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn chất lượng và khuyến nghị dinh dưỡng cho sản phẩm pasta giàu chất xơ trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải xử lý cám lúa mì bằng enzyme cellulase?
   Xử lý enzyme cellulase giúp chuyển đổi một phần chất xơ không hòa tan thành hòa tan, làm tăng tỷ lệ chất xơ hòa tan, cải thiện hoạt tính chống oxy hóa và giảm chỉ số đường huyết của sản phẩm pasta, từ đó nâng cao giá trị dinh dưỡng và lợi ích sức khỏe.

2. Bổ sung gluten thiết yếu có tác động gì đến chất lượng pasta?
   Gluten thiết yếu tăng hàm lượng protein, cải thiện cấu trúc mạng lưới protein tinh bột, làm tăng độ cứng, độ dai và độ đàn hồi của pasta, đồng thời giảm độ mất mát khi nấu, giúp sản phẩm có kết cấu và cảm quan tốt hơn.

3. Enzyme transglutaminase hoạt động như thế nào trong sản xuất pasta?
   Transglutaminase xúc tác tạo liên kết chéo giữa các phân tử protein (lysine và glutamine), làm tăng độ bền và tính đàn hồi của mạng lưới protein, cải thiện kết cấu và giảm sự mất mát chất khi nấu pasta.

4. Chỉ số đường huyết dự đoán (pGI) của pasta giàu chất xơ có ý nghĩa gì?
   pGI thấp cho thấy sản phẩm làm chậm quá trình tiêu hóa và hấp thu glucose, giúp kiểm soát đường huyết tốt hơn, phù hợp với người tiểu đường hoặc muốn duy trì cân nặng lành mạnh.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này trong sản xuất công nghiệp không?
   Có, quy trình xử lý enzyme, bổ sung gluten và sử dụng transglutaminase có thể được điều chỉnh và áp dụng trong quy mô công nghiệp để sản xuất pasta giàu chất xơ với chất lượng và giá trị dinh dưỡng cao.

Kết luận

• Cám lúa mì đã xử lý enzyme cellulase làm tăng hàm lượng chất xơ hòa tan, cải thiện hoạt tính chống oxy hóa và giảm chỉ số đường huyết của pasta.
• Bổ sung gluten thiết yếu và xử lý transglutaminase giúp tăng cường cấu trúc protein, nâng cao độ cứng, độ dai và độ đàn hồi của pasta giàu chất xơ.
• Kết hợp hai phương pháp trên mang lại hiệu quả cải thiện chất lượng cơ lý và cảm quan vượt trội so với từng phương pháp đơn lẻ.
• Sản phẩm pasta giàu chất xơ có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong thị trường thực phẩm lành mạnh, góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình sản xuất công nghiệp và đánh giá tác động lâu dài của sản phẩm đến sức khỏe người tiêu dùng.

Hành động ngay: Các nhà sản xuất và nghiên cứu nên áp dụng kết quả này để phát triển sản phẩm pasta giàu chất xơ, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về thực phẩm dinh dưỡng và bảo vệ sức khỏe.