Tên đề tài: “KHẢO SÁT MƯỜI GIỐNG LÚA (Oryza sativa L.) ĐẶC SẢN DÙNG LÀM NGUYÊN LIỆU CHẾ BIẾN BÁNH MÌ KHÔNG GLUTEN”.

Tác giả: Lê Thị Kim Loan, Khóa: 2015

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học; Mã số: 62420201. Nhóm ngành: Khoa học sự sống

Người hướng dẫn chính: GS.TS. Nguyễn Minh Thủy - Trường Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

Sử dụng dấu phân tử kết hợp với các phương pháp hóa học để chọn giống lúa có hàm lượng amylose thấp, anthocyanin và protein cao để làm nguyên liệu thay thế bột mì trong sản xuất bánh mì không gluten. Mười giống lúa đặc sản được chọn để nghiên cứu bao gồm lúa Cẩm Cai Lậy, Jasmine 85, Nàng Thơm Chợ Đào, Huyết Rồng, Hồng Ngọc Óc Eo, Ngọc Đỏ Hương Dứa, ĐH6, VD20, Đại học Cần Thơ 1, D13. Các giống/dòng lúa được trồng khảo nghiệm trong nhà lưới cũng như ngoài đồng để xác định chỉ tiêu nông học, đánh giá chất lượng và mức độ phù hợp với các dấu phân tử. Kết quả cho thấy sử dụng RM190 đã phân biệt được các giống lúa có hàm lượng amylose cao và thấp hoặc rất thấp, RM21 có hiệu quả trong việc xác định hàm lượng protein cao hay thấp; CAPS-DFR có khả năng phân biệt gạo trắng với gạo màu, Indel-Rc và CAPS- OSB1 có thể xác định được màu đỏ và màu đen của hạt. Kết quả nghiên cứu đã chọn được giống lúa Cẩm Cai Lậy có hàm lượng protein, anthocyanin cao và amylose thấp, độ trở hồ cấp thấp, độ bền gel phù hợp để sản xuất bánh mì không gluten. Nguyên liệu lúa được bảo quản trong bao bì PA ở nhiệt độ 25^oC đã duy trì hàm lượng protein, anthocyanin và amylose trong 6 tháng.

Phương pháp bề mặt đáp ứng được sử dụng để xác định điều kiện tối ưu của các nhân tố chính ảnh hưởng đến cấu trúc và giá trị cảm quan của bánh mì không gluten. Thí nghiệm được thiết kế theo mô hình Box –Behnken nhằm tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn các nguyên liệu và thời gian lên men. Kết quả khẳng định tỷ lệ các nguyên liệu bột gạo, bột bắp, đậu nành và tinh bột khoai tây cần sử dụng lần lượt là 64,9%, 20,3%, 4,9% và 10,2%. Tỷ lệ HPMC, nấm men, nước, maltodextrin và thời gian lên men có giá trị tối ưu là 1,3%; 2,95%; 100,5%, 10,0% và 30 phút.

Cải tiến chất lượng của bánh mì không gluten bằng việc bổ sung enzyme, vi khuẩn lactic, gạo mầm, chiết xuất các hợp chất sinh học có trong cám gạo cẩm vào quy trình sản xuất. Kết quả xác định bánh mì có thể tích riêng cao nhất, cấu trúc tốt nhất và độ cứng thấp nhất khi sử dụng các enzyme β-amylase, protease, TGase ở tỷ lệ 0,11%; 0,16%; 0,21% so với tổng lượng bột sử dụng. Giá trị tối ưu của từng nhân tố pH, thời gian khuấy và nhiệt độ để trích ly protein trong cám gạo Cẩm là 9,02, 4,02 giờ, và 90,6^oC. Bột thu được có hàm lượng protein đạt 43,0%, độ tạo bọt và nhũ tương tương đương tốt. Thông số tối ưu của thí nghiệm trích ly anthocyanin có hỗ trợ của sóng siêu âm là pH 1,9, nồng độ ethanol 44,1%, nhiệt độ 35,7ᵒC và thời gian chiết 56,0 phút. Bột protein chiết xuất được dùng thay thế protein của đậu nành đạt hiệu quả cao trong sản xuất bánh mì. Mặc khác, khi sử dụng dịch trích anthocyanin ở tỷ lệ 4% đã tạo ra bánh có cấu trúc tốt, màu sắc đẹp. Điều kiện tối ưu để gạo Cẩm nảy mầm đạt hàm lượng anthocyanin cao bao gồm ngâm 2,6 giờ ở pH 3,1; nảy mầm 15,5 giờ ở nhiệt độ 34,2^oC. Gạo Cẩm nảy mầm thích hợp để làm bánh mì không gluten vì có hàm lượng enzyme amylase cao (64,2 UI/g), đường tổng cao (7%), protein tăng (10,4%), độ bền gel tăng và tinh bột giảm (69,3%). Sử dụng 20% bột chua có chủng 10⁸ CFU/mL vi khuẩn lactic vào bột nhào đã cải thiện cấu trúc của bánh mì. Kết quả phân tích sắc ký trao đổi ion hiệu năng cao và sắc ký bản mỏng đã chứng minh sự kết hợp 10g bột khoai tây với 1g bột lá gai sấy thăng hoa đã làm thay đổi cấu trúc của tinh bột và tạo ra bánh có thể tích riêng lớn, độ cứng giảm và cấu trúc tốt. Kết quả thí nghiệm đã khẳng định sử dụng enzyme, protein, anthocyanin trích ly từ cám gạo, vi khuẩn lactic, gạo mầm đều cải thiện được chất lượng bánh mì không gluten. Trong đó, bánh mì làm từ gạo mầm có cấu trúc tốt, giá trị dinh dưỡng cao và được người tiêu dùng đánh giá ở mức tốt.

2. Những kết quả mới của luận án

Nghiên cứu đã đánh giá được đặc điểm nông học và chất lượng của 10 giống/dòng lúa đặc sản được trồng tại tỉnh Tiền Giang. Trong đó, giống lúa cẩm Cai Lậy và dòng D13 có hàm lượng amylose thấp, cơm mềm, hàm lượng các chất có giá trị dinh dưỡng như anthocyanin, protein, sắt, chất xơ hòa tan cao.

Luận án xác định được các dấu chỉ thị phân tử để sử dụng trong chọn giống lúa có hàm lượng protein cao và amylose thấp phù hợp cho sản xuất bánh mì không gluten. Đồng thời, luận án cũng cung cấp các thông tin về phương pháp bảo quản lúa thích hợp nhằm duy trì hàm lượng anthocyanin, protein, amylose trong hạt.

Xác định được các thông số tối ưu để chế biến bánh mì không gluten thích hợp cho mọi người, đặc biệt là cho người bị bệnh celiac.

Xác định các thông số tối ưu trong quy trình trích ly protein và anthocyanin trong cám gạo cẩm bằng sóng siêu âm, sản xuất gạo mầm có hàm lượng anthocyanin cao để làm nguyên liệu trong sản xuất bánh mì không gluten.

Kết quả nghiên cứu xác định được 04 công thức chế biến bánh mì không gluten với các thông số tối ưu từ việc kết hợp các loại enzyme, vi khuẩn lactic, gạo mầm, các chất trích ly từ cám gạo cẩm nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng cao.

Khai thác các enzyme có sẵn trong thực vật (củ khoai tây, lá gai) trong công thức làm bánh mì không gluten vừa tận dụng được nguồn nguyên liệu phổ biến, rẻ tiền vừa đảm bảo môi trường, sức khỏe của người tiêu dùng.

Sử dụng các phương pháp hiện đại để phân tích, đánh giá chất lượng của nguyên liệu và sản phẩm như diện di, sắc ký lỏng hiệu năng cao, sắc ký trao đổi ion hiệu năng cao, sắc ký bản mỏng.

3. Khả năng ứng dụng trong thực tiễn, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu được công bố từ luận án đã cung cấp thông tin về khả năng sử dụng dấu phân tử để đánh giá giống lúa có chứa hàm lượng protein cao, amylose thấp;

Áp dụng mô hình tối ưu hóa để xác định các thông số trong quy trình sản xuất gạo cẩm nảy mầm, đây là nguồn nguyên liệu giàu các hợp chất sinh học như anthocyanin, protein, GABA để chế biến bánh mì không gluten;

Kết quả thu nhận cho thấy sản phẩm đạt chất lượng cao khi sử dụng các loại enzyme, vi khuẩn lactic, chiết xuất các hợp chất sinh học trong cám gạo cẩm nhằm tạo ra hướng đi mới cho ngành công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm;

Đây cũng là nguồn tài liệu quý phục vụ cho công tác nghiên cứu, học tập và giảng dạy.

Ý nghĩa thực tế

Kết quả nghiên cứu đã xác định được dấu phân tử để chọn giống lúa có chứa hàm lượng protein cao, amylose thấp và loại bao bì thích hợp để bảo quản lúa.

Ngoài ra, các quy trình sản xuất bánh mì không gluten đơn giản, dễ thực hiện ở quy mô hộ gia đình hay công nghiệp. Đồng thời, sử dụng nguồn enzyme sẵn có trong bột khoai tây, bột lá gai sấy thăng hoa để tạo ra sản phẩm bánh mì không gluten có chất lượng cao, an toàn cho người sử dụng.

Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Sản phẩm bánh mì không gluten đã được đánh giá về mặt dinh dưỡng, giá trị cảm quan và an toàn vệ sinh thực phẩm. Đồng thời, sản phẩm cũng đã được khảo sát thị hiếu của người tiêu dùng. Do vậy, để quy trình có thể đưa vào áp dụng thực tế cần tiếp tục sản xuất sản phẩm ở quy mô pilot lớn hơn cũng như tính toán hiệu quả kinh tế để sớm đưa sản phẩm ra thị trường.

1. Summary of dissertation

Molecular markers combined with chemical methods was used to select rice varieties with low amylose content, anthocyanin content and high protein content as a substitute for wheat flour in the production of gluten-free bread. Ten specialty rice varieties were selected for studying such as “Cẩm Cai Lậy”, “Jasmine 85”, “Nàng Thơm Chợ Đào”, “Huyết Rồng”, “Hồng Ngọc Óc Eo”, “Ngọc Đỏ Hương Dứa”, “Nếp DH6”, “VD20”, “Đại học Cần Thơ 1”, “D13”. Rice varieties/lines were grown in greenhouses as well as in the field to determine agronomical criteria, evaluate quality and match with molecular markers. The results showed that RM190 was suitable marker to distinguish rice varieties with high/low and vevy low amylose content; RM21 was effective in determining high or low protein content; CAPS-DFR could distinguish white rice from colored rice, Indel-Rc and CAPS- OSB1 could identify red and black color of grain. From the research results, "Cẩm Cai Lậy" rice had been selected with high protein, anthocyanin and low amylose content, low viscosity, and suitable gel strength for producing gluten-free bread. Paddy rice stored in PA vaccum packaging at 25^oC could maintain protein, anthocyanin and amylose content for 6 months.

The response surface methodology was used to determine the optimal conditions of the main factors affecting the texture and sensory value of gluten-free bread. The experiment was designed according to the Box-Behnken model to optimize the mixing ratio of ingredients and fermentation time. The results showed that the optimal ratio of rice flour, cornstarch, soybeans and potato starch were used 64.9%, 20.3%, 4.9% and 10.2%, respectively, to produce bread. The optimal parameters of HPMC, yeast, water, maltodextrin and fermentation time for the research were 1.3%; 2.95%; 100.5%, 10.0% and 30 min, respectively.

The quality of gluten-free bread were improved by adding enzymes, lactic acid bacteria, germinated rice, and extracting biological compounds from brown rice bran into the production process. The results determined that the bread had the highest specific volume, the best structure and the lowest hardness when using the enzymes β-amylase, protease and TGase at the concentration of 0.11%; 0.16% and 0.21%, respectively.

The optimal values of each factor of pH, mixing time and temperature for protein extraction in “Cẩm” rice bran were pH 9.02, 4.02 hours, and 90.6oC. The protein content of the powder ư approximately 43.0% with the foaming index and emulsification, which was almost the same to the control protein powder. In addition, the optimal parameters of the ultrasonic-assisted anthocyanin extraction were pH 1.9, ethanol concentration 44.1%, and temperature of 35.7^oC for 56 minutes. Extracted protein powder is used to replacing soy protein to achieve high efficiency in bread production. On the other hand, the sample with extracted anthocyanin of 4% created bread with good structure and beautiful color.

The optimal conditions for germination of "Cẩm" rice to produce high anthocyanin content were obtained, including soaking for 2.6 hours at pH 3.1; germinating for 15.5 hours at 34.2^oC. The germinated Cam rice was suitable for making gluten-free bread because of its higher content of amylase (64.2 UI/g), protein (10.4%), total sugars (7%), gel strength and lower values of starch (69.3%).

Using 20% sourdough with a density of 108 CFU/mL of lactic acid bacteria in the dough improved the texture of gluten-free bread. The results of high performance ion exchange chromatography and thin plate chromatography demonstrated that when mixing 10 g of potato flour and 1 g of freeze-dried ramie leaf powder into bread, the bread had a large specific volume, reduced hardness and good structure. The obtained results confirmed that the use of enzymes (amylase, protease, TGase), protein, anthocyanin extracted from rice bran, lactic acid bacteria, and rice germ all improved the quality of gluten-free bread. In particular, bread made from germinated rice had good structure, high nutritional value and acceptance of the panellists.

2. The innovation of the dissertation

The study evaluated the agronomic and quality characteristics of 10 specialty rice varieties/lines grown in Tien Giang province. In particular, the “Cẩm Cai Lậy” rice variety and the D13 line have low amylose content, soft rice, and high content of valuable nutrients such as anthocyanins, protein, iron, and soluble fiber.

The dissertation identified molecular markers for use in selecting rice varieties with high protein and low amylose content suitable for gluten-free bread production. The thesis also provides information on appropriate rice preservation methods to maintain anthocyanin, protein, and amylose content in grain.

Identify the optimal parameters to make gluten-free bread suitable for all consumers, especially for people with celiac disease.

The research found the optimal parameters in the extraction process of protein and anthocyanins in brown rice bran by ultrasonic waves, production of germ rice with high anthocyanin content as raw material in gluten-free bread production.

Research results have identified 04 formulas for high-quality gluten-free bread with optimal parameters from the combination of enzymes, lactic bacteria, rice germ, and extracts from brown rice bran. In particular, gluten-free bread products made from germ rice have good sensory value, high nutritional value as well as appreciated by consumers.

The research was exploited and utilized enzymes available in plants (potato tubers, ramie leaves) in gluten-free bread formula, that not only takes advantage of popular, cheap ingredients but also ensuring the consumers' health.

Using modern methods to analyze and evaluate the quality of raw materials and products such as electrophoresis, high performance liquid chromatography, high performance ion exchange chromatography, thin plate chromatography.

3. Applicability in practice, future insights

The scientific of the dissertation

The published research results from the dissertation have provided information on the ability to use molecular markers to evaluate rice varieties containing high in protein content and low in amylose content;

Applying the optimization model to determine the parameters in the production process of germinated "Cẩm" rice as a high quality source for making gluten-free bread;

The obtained results showed that the high quality product could be made when using enzymes, lactic acid bacteria, and extracting biological compounds in "Cẩm" rice bran, that create a new direction for the biotechnology and food industry;

This is also a valuable resource for research, study and teaching.

The actual meaning of the dissertation

Research results have selected molecular markers to find rice varieties with high in protein content, low in amylose content, and also found suitable packaging to store rice after harvest.

In addition, the process for making gluten-free bread are simple, easy to implement on a household or industrial scale. Moreover, using the available enzyme source in potato flour and freeze-dried ramie leaf powder could apply and create high-quality gluten-free bread product.

Future insights

Gluten-free bread products have been evaluated in terms of nutrition, sensory value and food safety. The product has also been surveyed about consumer tastes. Therefore, in order for the process to be applying into practice, it is necessary to continue to produce products on a larger pilot scale as well as calculate the economic efficiency to bring the product to market soon.

• Xem chi tiết nội dung luận án
• Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo. (Nhập tên NCS vào ô tìm kiếm)