Luận án Tiến sĩ Khảo sát mười giống lúa (oryza sativa l.) đặc sản dùng làm nguyên liệu chế biến bánh mì không gluten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ LÊ THỊ KIM LOAN KHẢO SÁT MƯỜI GIỐNG LÚA (Oryza sativa L.) ĐẶC SẢN DÙNG LÀM NGUYÊN LIỆU CHẾ BIẾN BÁNH MÌ KHƠNG GLUTEN NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC Mã ngành: 62 42 02 01 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ LÊ THỊ KIM LOAN MSNCS: P0915011 KHẢO SÁT MƯỜI GIỐNG LÚA ĐẶC SẢN (Oryza sativa L.) DÙNG LÀM NGUYÊN LIỆU CHẾ BIẾN BÁNH MÌ KHƠNG GLUTEN NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC Mã ngành: 62 42 02 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN GS TS NGUYỄN MINH THỦY 2022 Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án tiến sĩ, ngồi cố gắng khơng ngừng thân, nhận giúp đỡ tận tình từ Q Thầy Cơ, đơn vị em sinh viên Có thành này, tơi kính gửi lời cảm ơn chân thành đến: GS.TS Nguyễn Minh Thủy, Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp, Trường Đại học Cần Thơ, Người truyền đạt kiến thức mới, chia nhiều kinh nghiệm quý báu, đồng hành suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực từ luận văn chương trình đào tạo Đại học đến luận án PGS TS Nguyễn Văn Thành, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ sinh học, Trường Đại học Cần Thơ tận tình hướng dẫn tơi q trình học tập thực chuyên đề, tiểu luận PGS TS Lê Việt Dũng, Trường Đại học Cần Thơ, TS Lê Hữu Hải, ThS Trần Lê Vinh, ThS Phạm Thị Minh Hoàng, ThS Nguyễn Mai Hạnh, Sinh viên ngành Khoa học trồng Võ Chí Đang, Nguyễn Nhật Hào, Nguyễn Hồng Thái, trường Đại học Tiền Giang nhiệt tình giúp đỡ tơi nguồn ngun liệu thực thí nghiệm giống lúa PGS.TS Trương Trọng Ngôn, TS Nguyễn Phạm Anh Thi, CN Trần Văn Bé Năm, TS Trương Thị Bích Vân, Trường Đại học Cần Thơ, ThS Huỳnh Thị Huế Trang, ThS Trần Ngọc Chi, Trường Đại học Tiền Giang hỗ trợ giúp tơi hồn thành nội dung nghiên cứu sinh học phân tử GS Kwan Hwa Park, nguyên chủ tịch Hội Lương thực Thực phẩm Hàn Quốc, TS Park Sunghoon, SPC Group, Hàn Quốc, TS Lê Quang Trí, Sở Giáo dục Tiền Giang, ThS Đàm Thị Kim Yến, sinh viên Nguyễn Thị Thùy Trang, Lê Vĩnh Khanh, Trần Thị Mỹ Tiên, Bùi Thị Thanh Trúc, Hạ Thị Hồng Hạnh, Trần Thị Minh Hiếu, Hồ Thị Thúy Vân, Nguyễn Thị Thảo Nhi, Nguyễn Thị Kim Hằng, Trần Thị Thúy Nga, Nguyễn Thị Tường Vi, Nguyễn Thị Thọ giúp tơi hồn thành nghiên cứu phần bánh mì khơng gluten Nghiên cứu viên Ngơ Văn Tài tồn thể em MT’s Research Team đồng hành hết lịng hỗ trợ tơi thời thực luận án Viện Lúa Đồng Sông Cửu Long, Hợp tác xã Đồng Tháp, Long An, An Giang, Thanh Hóa, cho tơi giống lúa thí nghiệm, Trường Đại học Quốc gia Seoul Hàn Quốc, Công ty Novozymes, ShinEtsu tài trợ Ngành Công nghệ Sinh học i Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ hóa chất, enzyme Chú tạo điều kiện thử nghiệm quy trình sản xuất bánh mì Ban Giám hiệu, Thầy, Cô Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ sinh học, Khoa Sau đại học phòng ban chức thuộc Trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Ban Giám hiệu, đồng nghiệp Khoa Nông nghiệp Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Tiền Giang quan tâm giúp đỡ để tơi hồn thành tốt cơng tác giảng dạy học tập Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, ba mẹ hai bên em, đặc biệt ông xã hai đồng hành ủng hộ để tơi n tâm học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Trân trọng Ngành Công nghệ Sinh học ii Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ TÓM TẮT Nguyên liệu thay bột mì sản xuất bánh mì khơng gluten chọn cách sử dụng dấu phân tử kết hợp với phương pháp hóa học để xác định giống lúa có hàm lượng amylose thấp, anthocyanin protein cao Mười giống lúa đặc sản 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 lúa trồng khảo nghiệm nhà lưới đồng để xác định tiêu nông học, đánh giá chất lượng mức độ phù hợp với dấu phân tử Kết cho thấy sử dụng RM190 phân biệt giống lúa có hàm lượng amylose cao thấp thấp, RM21 có hiệu việc xác định hàm lượng protein cao hay thấp; CAPS-DFR có khả phân biệt gạo trắng với gạo màu, Indel-Rc CAPS- OSB1 xác định màu đỏ màu đen hạt Kết nghiên cứu chọn giống lúa Cẩm Cai Lậy có hàm lượng protein, anthocyanin cao amylose thấp, độ trở hồ cấp thấp, độ bền gel phù hợp để sản xuất bánh mì khơng gluten Ngun liệu lúa bảo quản bao bì PA nhiệt độ 25oC trì hàm lượng protein, anthocyanin amylose tháng Phương pháp bề mặt đáp ứng sử dụng để xác định điều kiện tối ưu nhân tố ảnh hưởng đến cấu trúc giá trị cảm quan bánh mì khơng gluten Thí nghiệm thiết kế theo mơ hình Box –Behnken nhằm tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn nguyên liệu thời gian lên men Kết khẳng định tỷ lệ nguyên liệu bột gạo, bột bắp, đậu nành tinh bột khoai tây cần sử dụng 64,9%, 20,3%, 4,9% 10,2% Tỷ lệ HPMC, nấm men, nước, maltodextrin thời gian lên men có giá trị tối ưu 1,3%; 2,95%; 100,5%, 10,0% 30 phút Cải tiến chất lượng bánh mì không gluten việc bổ sung enzyme, vi khuẩn lactic, gạo mầm, chiết xuất hợp chất sinh học có cám gạo cẩm vào quy trình sản xuất Kết xác định bánh mì tích riêng cao nhất, cấu trúc tốt độ cứng thấp sử dụng enzyme βamylase, protease, TGase tỷ lệ 0,11%; 0,16%; 0,21% so với tổng lượng bột sử dụng Giá trị tối ưu nhân tố pH, thời gian khuấy nhiệt độ để trích ly protein cám gạo Cẩm 9,02, 4,02 giờ, 90,6oC Bột thu có hàm lượng protein đạt 43,0%, độ tạo bọt nhũ tương tương đương tốt Thông số tối ưu thí nghiệm trích ly anthocyanin có hỗ trợ sóng siêu âm pH Ngành Cơng nghệ Sinh học iii Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ 1,9, nồng độ ethanol 44,1%, nhiệt độ 35,7ᵒC thời gian chiết 56,0 phút Bột protein chiết xuất dùng thay protein đậu nành đạt hiệu cao sản xuất bánh mì Mặc khác, sử dụng dịch trích anthocyanin tỷ lệ 4% tạo 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 pH 3,1; nảy mầm 15,5 nhiệt độ 34,2oC Gạo Cẩm nảy mầm thích hợp để làm bánh mì khơng gluten có hàm lượng enzyme amylase cao (64,2 UI/g), đường tổng cao (7%), protein tăng (10,4%), độ bền gel tăng tinh bột giảm (69,3%) Sử dụng 20% bột chua với chủng vi khuẩn lactic mật độ 108 CFU/ml vào bột nhào cải thiện cấu trúc bánh mì Kết phân tích sắc ký trao đổi ion hiệu cao sắc ký mỏng chứng minh kết hợp 10g bột khoai tây với 1g bột gai sấy thăng hoa làm thay đổi cấu trúc tinh bột tạo bánh tích riêng lớn, độ cứng giảm cấu trúc tốt Kết thí nghiệm khẳng định sử dụng enzyme, protein, anthocyanin trích ly từ cám gạo, vi khuẩn lactic, gạo mầm cải thiện chất lượng bánh mì khơng gluten Trong đó, bánh mì làm từ gạo mầm có cấu trúc tốt, giá trị dinh dưỡng cao người tiêu dùng đánh giá mức tốt Từ khóa: bánh mì khơng gluten, cơng nghệ sinh học, chất lượng giống lúa, dấu phân tử, gạo mầm Ngành Công nghệ Sinh học iv Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ ABSTRACT 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 very 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 25oC could maintain protein, anthocyanin and amylose content for 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 BoxBehnken 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 was approximately 43.0% with the Ngành Công nghệ Sinh học v Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ 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%, temperature 35.7oC 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 a 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 34.2oC 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 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 Keywords: biotechnology, germinated molecular markers, quality rice variety Ngành Công nghệ Sinh học vi rice, gluten-free bread, Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trrường Đại họcc Cần Thơ Báo cáo luậnn án tiến sĩ LỜI L CAM M ĐOAN Tôôi xin cam đoan luậnn án làà cơng trìnhh nghiên cứu c khoa học h thực bảản thân đ hư ướng dẫn c người hướng h dẫn Cáác thông tiin sử dụng tham m khảo troong đề tài luận án đư ược thu thập từ cáác nguồn đáng đ tin cậyy, kiểm chứnng, côông bố rộnng rãi tơi trích dẫn nguồn n gốcc rõ ràng phần Dan nh mục Tàài liệu tham m khảo Các kết q nghiênn cứu đượcc trình bàyy luậnn án chínhh tơi kết hợp với nhóm n nghiêên cứu thực mộtt cách nghiiêm túc, truung thực vàà không trùng lắp với đềề tài khác đ cônng bố trướcc Tôôi xin lấy danh dự v uy tín c thâân để đảm m bảo cho lời cam đoan Cần Thơ ơ, ngày 17 tháng năăm 2022 Cán bộộ hướng dẫnn Nghiêên cứu sinhh S TS Nguyyễn Minh Thủy T GS Ngành Côngg nghệ Sinh họọc Lê Thị Kim Loann vii V NC & PT Viện T Công nghệ Sinh S học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i  iii  TÓM TẮT v  ABSTRACT LỜI CAM ĐOAN vii  MỤC LỤC viii  DANH SÁCH BẢNG xii  DANH SÁCH HÌNH xvi  DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT xix  1  Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1  1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3  1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4  1.4 Nội dung nghiên cứu 4  1.5 Ý nghĩa luận án 5  1.5.1 Ý nghĩa khoa học 5  1.5.2 Ý nghĩa thực tế 6  1.6 Những điểm luận án 6  7  Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan lúa 7  2.1.1 Giới thiệu chung 7  2.1.2 Đặc điểm giống lúa nghiên cứu 7  2.1.3 Giá trị dinh dưỡng hạt gạo 10  2.2 Các tiêu suất chất lượng 11  2.2.1 Các tiêu suất 11  2.2.2 Các tiêu chất lượng 12  2.3 Dấu thị 14  2.3.1 Chỉ thị hình thái 14  2.3.2 Chỉ thị phân tử 16  2.4 Bánh mì không gluten 20  2.4.1 Bệnh celiac 20  Ngành Công nghệ Sinh học viii Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ ANOVA Table for THE TICH SAU KHI U by mau ANOVA Table for The tich rieng by Mau Source Sum Squares 1,18667 Between groups Within groups 0,0 Total (Corr.) 1,18667 of Df Mean Square 0,148333 F-Ratio P-Value **************** 0,0000 18 0,0 26 Method: 95,0 percent LSD Mau L1M1 L1M3 L1M2 L2M1 L2M3 L3M1 L2M2 L3M3 L3M2 Count 3 3 3 3 Mean 2,1 2,2 2,3 2,5 2,6 2,6 2,6 2,7 2,7 Homogeneous Groups X X X X X X X X X ANOVA Table for The tich rieng by Mau Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value 0,0000 Between groups 1,48667 0,185833 Within groups Total (Corr.) 18 26 0,000740741 0,0133333 1,5 250,87 Multiple Range Tests for The tich rieng by Mau Method: 95,0 percent LSD Mau Count Mean Homogeneous Groups L1M1 L1M3 L1M2 L2M1 L3M1 L2M3 L3M3 L3M2 L2M2 3 3 3 3 1,7 1,8 1,9 2,1 2,16667 2,2 2,3 2,3 2,43333 X X X X X X X X X Ngành Công nghệ Sinh học 287 Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ Thể tích riêng Method: 95,0 percent LSD Col_1 Count Mean Homogeneous Groups DC 106 109 107 108 4 4 2,7 2,75 2,76 2,79 2,83 X XX XX X X Độ cứng ANOVA Table for Col_2 by Col_1 Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value 0,0000 Between groups 1340,8 335,2 Within groups Total (Corr.) 15 19 22,5333 338,0 1678,8 14,88 Multiple Range Tests for Col_2 by Col_1 Method: 95,0 percent LSD Col_1 10 107 106 109 DC Count Mean Homogeneous Groups 4 4 370,0 375,0 380,0 384,0 394,0 X XX XX X X Cấu trúc ANOVA Table for Col_2 by Col_1 Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value 0,2798 Between groups 0,01768 0,00442 Within groups 0,047175 15 0,003145 Total (Corr.) 0,064855 19 1,41 Multiple Range Tests for Col_2 by Col_1 Method: 95,0 percent LSD Col_1 Count Mean Homogeneous Groups DC 4,7 X 10 109 107 4 4,73 4,76 4,78 X X X 108 4,85 X Ngành Công nghệ Sinh học 288 Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ Lượng acid tổng ANOVA Table for Col_2 by Col_1 Source Sum of Squares Df Between groups 24,5313 Within groups 0,7923 Total (Corr.) 25,3236 15 19 Mean Square F-Ratio P-Value 6,13282 0,05282 0,0000 116,11 Multiple Range Tests for Col_2 by Col_1 Method: 95,0 percent LSD Col_1 Count Mean Homogeneous Groups DC 106 107 108 109 4 4 2,02 3,7 4,425 5,6 6,1 X X X X X Vị ANOVA Table for Col_2 by Col_1 Source Between groups Within groups Total (Corr.) Sum of Squares 0,208 0,26 0,468 Df 15 19 Mean Square F-Ratio 0,052 3,00 0,0173333 P-Value 0,0428 Multiple Range Tests for Col_2 by Col_1 Method: 95,0 percent LSD Col_1 Count Mean Homogeneous Groups DC 4,5 X 10 4,6 XX 109 4,7 XX 107 4,7 XX 108 4,8 X Ngành Công nghệ Sinh học 289 Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ PHỤ LỤC I: BẢNG SỐ LIỆU CÁC YẾU TỐ VỀ NHIỆT ĐỘ, ÁNH SÁNG VÀ ĐỘ ẨM TRONG TRẠI THỰC NGHIỆM Bảng I1: Diễn biến nhiệt độ (oC) qua giai đoạn sinh trưởng giống lúa Trại thực nghiệm Nhiệt độ (oC) Thời điểm Chín Giai hồn 21 NSS 28 NSS 35 NSS 42 NSS 49 NSS ngày đoạn trổ toàn 10 35,5 24,8 33,5 31,3 31,4 32,1 29,4 12 36,3 24,7 35,3 33,6 34,5 33,0 31,9 14 34,0 24,9 32,6 35,2 31,6 32,5 32,8 16 32,0 24,2 31,8 32,8 30,1 30,4 33,3 Trung 34,4 24,6 33,3 33,2 31,9 32,0 31,8 bình Bảng I2: Diễn biến độ ẩm (%) khơng khí qua giai đoạn sinh trưởng giống lúa Trại thực nghiệm Thời điểm ngày 10 12 14 16 Trung bình Độ ẩm (%) 21 NSS 28 NSS 35 NSS 42 NSS 49 NSS 42,4 41,0 42,8 43,8 67,8 73,6 70,7 71,2 50,3 45,5 52,2 55,6 65,1 55,2 52,3 61,1 65,5 59,6 59,5 64,8 Giai đoạn trổ 60,7 58,9 59,4 60,5 42,5 70,8 50,9 58,4 62,3 59,8 Chín hồn tồn 64,8 57,0 52,7 48,4 55,7 Bảng I3: Diễn biến cường độ ánh sáng (lux) qua giai đoạn sinh trưởng Trại thực nghiệm Cường độ ánh sáng (lux) Thời điểm Chín Giai hồn 21 NSS 28 NSS 35 NSS 42 NSS 49 NSS ngày đoạn trổ toàn 10 114.700 7.690 80.300 32.360 72.100 59.200 45.160 12 112.380 6.520 94.060 77.960 41.220 102.02 53.560 14 73.460 6.310 77.520 52.300 45.720 72.680 87.740 16 40.760 5.730 14.540 54.240 16.540 35.040 50.140 Trung 88.550 6.562 66.605 54.215 43.895 67.235 59.150 bình Ngành Cơng nghệ Sinh học 290 Viện NC & PT Công nghệ Sinh học Trường Đại học Cần Thơ Báo cáo luận án tiến sĩ PHỤ LỤC J: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH KIỂM TRA MẪU GẠO MẦM VÀ BÁNH MÌ Kết phân tích GABA mẫu gạo mầm (Minh chứng kèm theo); Kết phân tích tiêu hóa học vi sinh mẫu bánh mì (Minh chứng kèm theo) Ngành Công nghệ Sinh học 291 Viện NC & PT Công nghệ Sinh học