nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện nảy mầm đến thành phần dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng của hạt đậu xanh và ứng dụng bột đậu xanh nảy mầm trong chế biến thực phẩm

Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm ra cơ sở để lựa chọn giống đậu xanh phù hợp cho sản xuất hạt đậu xanh nảy mầm; Xu hướng biến đổi của các thành phần dinh dưỡng trong hạt, ảnh hưởng của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NẢY MẦM ĐẾN THÀNH PHẦN DINH DƯỠNG VÀ KHÁNG DINH DƯỠNG CỦA HẠT ĐẬU XANH VÀ ỨNG DỤNG BỘT ĐẬU

XANH NẢY MẦM TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2024

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NẢY MẦM ĐẾN THÀNH PHẦN DINH DƯỠNG VÀ KHÁNG DINH DƯỠNG CỦA HẠT ĐẬU XANH VÀ ỨNG DỤNG BỘT ĐẬU

XANH NẢY MẦM TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số chuyên ngành: 62540101

Phản biện độc lập: Phản biện độc lập:

Phản biện: PGS TS Lê Ngọc Liễu Phản biện: PGS TS Lê Trung Thiên Phản biện: PGS TS Trần Quang Hiếu

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1 GS.TS Phạm Văn Hùng 2 PGS.TS Phan Ngọc Hòa

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Hoàng Yến

i

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Đậu xanh được biết đến là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao Ngoài hàm lượng protein cao, các acid amin thiết yếu cân đối, đậu xanh còn cung cấp chất xơ, tinh bột kháng tiêu hóa, vitamin, chất khoáng và các hợp chất có hoạt tính sinh học Tuy nhiên, loại thực phẩm này cũng chứa các chất kháng dinh dưỡng, điển hình như phytate và tannin, làm việc sử dụng hạt đậu xanh bị hạn chế Một trong những phương pháp đơn giản và hiệu quả để giảm thiểu các chất kháng dinh dưỡng, đồng thời gia tăng thành phần các chất dinh dưỡng là nảy mầm hạt Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm ra cơ sở để lựa chọn giống đậu xanh phù hợp cho sản xuất hạt đậu xanh nảy mầm; Xu hướng biến đổi của các thành phần dinh dưỡng trong hạt, ảnh hưởng của các chất bổ sung, thông số kỹ thuật trong quá trình ngâm và nảy mầm hạt; Đánh giá khả năng ứng dụng của bột đậu xanh nảy mầm trong nghiên cứu vào sản xuất bánh quy không gluten Theo đó, các hạt từ 8 giống đậu xanh phổ biến ở Việt Nam được xác định thành phần dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng, đặc điểm hình thái và vật lý, cùng với khả năng nảy mầm để lựa chọn được loại nguyên liệu phù hợp cho quá trình nảy mầm Kết quả giống đậu xanh DX208 được chọn vì hàm lượng protein và tro cao nhất Đồng thời, giống DX208 cũng thỏa mãn tiêu chí quan trọng trong sản xuất là hiệu suất thu nhận hạt nảy mầm cao do hạt có kích thước lớn, dung trọng, khối lượng 1000 hạt cao, cũng như thời gian nảy mầm nhanh (50% hạt nảy mầm sau 5,35 giờ) với tỉ lệ nảy mầm cao nhất sau 24 giờ (99,7%) Sau đó, giống đậu xanh đã lựa chọn được khảo sát ảnh hưởng của thời gian nảy mầm (0 – 12 giờ) nhằm tìm ra thời điểm thích hợp để thu nhận sản phẩm Thành phần dinh dưỡng cũng như xu hướng thay đổi của các thành phần là thước đo minh chứng cho khảo sát này Kết quả xác định được 8 giờ nảy mầm là tốt nhất do hoạt tính protease và amylase tăng cao giúp tạo ra nhiều nitơ amin tự do, đường khử, trong khi vẫn giữ được nhiều hàm lượng protein và tro Các điều kiện ngâm bao gồm tỉ lệ hạt đậu xanh và dịch ngâm (từ 1/0 đến 1/5, g/mL), thời gian ngâm (0 – 5 giờ) và nhiệt độ nước ngâm (30 – 50oC), cũng như các chất bổ sung để hỗ trợ hoạt động nảy mầm (acid citric, acid glutamic, acid gibberellic với nồng độ khác nhau) và thời gian nảy mầm (5 – 10 giờ) được khảo sát Kết quả đã xác định được tỉ lệ hạt đậu xanh và dịch ngâm là 1/4 (g/mL) với 4 giờ ngâm ở 40oC, nước ngâm bổ sung acid citric với nồng độ 0,25 mg/L

ii

và 7 giờ nảy mầm đã thu được hạt đậu xanh nảy mầm có hàm lượng GABA cao nhất (1676,6 mg/kg, d.b), hoạt tính của GAD cao nhất (61,3 U/g, d.b), đồng thời hàm lượng chất kháng dinh dưỡng phytate thấp (104,3 mg/100 g, d.b) và hoạt tính của phytase cao nhất (11,62 U/g, d.b) Hạt nảy mầm sau đó được sấy khô ở 60oC trong 4 giờ đến độ ẩm dưới 12%, trước khi nghiền thành bột để ứng dụng thay thế cho bột gạo trong công thức sản xuất bánh quy không gluten Bột đậu xanh nảy mầm thu nhận được trong nghiên cứu này có khả năng thay thế 60% bột gạo trong công thức, không chỉ giúp cải thiện cấu trúc và đặc tính cảm quan, mà còn giúp gia tăng hàm lượng protein, tro và các acid amin - là những chất vốn thiếu hụt trong bánh quy không gluten từ bột gạo và cả loại bánh quy thông thường từ bột mì

iii

ABSTRACT

Mung beans have been widely known as a high-quality food with high nutritional values In addition to their high protein content and availability of essential and non-essential amino acids, mung beans also provide dietary fiber, resistant starch, vitamins, minerals, and biologically active compounds However, this pulse also contains some antinutrients such as phytates and tannins, resulting in limited usage for human food One of the simple and effective methods to reduce anti-nutrients as well as increase nutritional and biologically active compositions is germination The objective of this study was to determine the markers for selecting the best variety of mung bean for germinating production The trend of changes in chemical compositions in the germinated seeds, effects of the additional substances, along with soaking and germinating parameters were investigated Finally, the dried germinated mung bean flour obtained was applied in the production of gluten-free biscuits

Accordingly, eight popular mung bean varieties in Vietnam were identified with nutritional and anti-nutritional compositions, physical characteristics, and germination capability to choose the most suitable seed for germination As a result, the mung bean variety of DX208 was selected as it was high in protein and ash content At the same time, the DX208 cultivar also satisfied the most important criterion in food production due to the largest dimensions, the highest density bulk, and 1000 grain weight, as well as the fast germination time (50% of the germinated seeds after 5.35 hours), with the highest germination rate after 24 hours (99.7%), which probably led to the high manufacturing yield A germination period of 0 to 12 hours was conducted to find out the appropriate time to receive the germinated seeds Nutritional compositions together with the tendency of changes in the compositions were analyzed in this survey The results showed that 8 hours of germination time was chosen due to the increased protease and amylase activities, which led to releasing of a wide range of free amino nitrogen, reducing sugars, while staying unchanged in protein and ash contents The soaking conditions including the ratio of seeds and water (from 1/0 to 1/5, g/mL), soaking time (0 – 5, hours), soaking temperature (30 – 50oC), some germination-promoting substances (citric acid, glutamic acid, and gibberellic acid with different concentrations),

iv

and germination time (5 – 10, hours) were investigated The results implied that the suitable steeping conditions, including the seeds/soaking solution ratio of 1/4 (g/mL), 4 hours of soaking time at 40oC, citric acid level of 0.25 mg/L, and 7 hours of germination time, led to the highest GABA accumulation (1676.6 mg/kg, d.b.), the highest GAD activity (61.3 U/g, d.b.), low phytate content (104.3 mg/100 g, d.b), and the highest phytase activity (11.62 U/g, d.b) in the 7h-germinated seeds The germinated seeds were then dried at 60oC for 4 hours to less than 12% moisture content, before being ground into flour, which was substituted for rice flour in the formula of gluten-free biscuits The germinated mung bean flour obtained in this study showed the ability to replace 60% of rice flour in the formula, which not only improved the texture and sensory properties but also increased nutritional values such as crude protein, ash, and amino acid contents — substances almost lacking in gluten-free and whole wheat-based biscuits

v

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Văn Hùng và PGS.TS Phan Ngọc Hòa đã hướng dẫn, định hướng, dẫn dắt, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Đồng thời, tôi xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô trong Khoa Kỹ thuật Hóa học và Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp HCM Tôi xin cám ơn Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp của Viện Công nghệ Sinh học – Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Tp HCM đã hỗ trợ tài chính, trang thiết bị, địa điểm và đóng góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm và viết luận án Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp và các em sinh viên đã động viên, chia sẻ khó khăn trong thời gian tôi thực hiện luận án

Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn!

1.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm thực vật của đậu xanh 3

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ đậu xanh 5

1.1.3 Thành phần dinh dưỡng trong hạt đậu xanh 5

1.1.4 Thành phần chất kháng dinh dưỡng trong hạt đậu xanh 9

1.1.5 Thành phần các chất có hoạt tính sinh học trong đậu xanh 13

1.1.6 Lợi ích của hạt đậu xanh 14

1.2 Giới thiệu về quá trình nảy mầm và sự nảy mầm của đậu xanh 16

1.2.1 Khái niệm và phân loại quá trình nảy mầm 16

1.2.2 Quy trình công nghệ sản xuất hạt nảy mầm tổng quát 17

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nảy mầm 18

1.2.4 Các quá trình chuyển hóa do hoạt động hormone và enzyme khi nảy mầm 20

1.2.5 Ảnh hưởng của nảy mầm đến sự thay đổi thành phần dinh dưỡng, kháng dinh dưỡng và chất có hoạt tính sinh học trong đậu xanh 25

1.2.6 Các biện pháp công nghệ điều khiển quá trình nảy mầm 33

1.3 Ứng dụng của đậu xanh nảy mầm trong công nghệ thực phẩm 38

1.3.1 Khả năng ứng dụng bột đậu nảy mầm thay thế bột mì 39

1.3.2 Khả năng ứng dụng bột đậu nảy mầm trong sản phẩm không chứa gluten 40

1.4 Nhận định từ tổng quan, cơ sở khoa học, mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 41

1.4.1 Nhận định từ tổng quan 41

1.4.2 Cơ sở khoa học để thiết lập nội dung nghiên cứu 42

1.4.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của nghiên cứu 44

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46

vii

2.2.1 Quy trình nảy mầm đậu xanh dự kiến 50

2.2.2 Sơ đồ nghiên cứu 51

2.3 Hoạch định thí nghiệm 52

2.3.1 Nội dung 1: Chọn được giống đậu xanh phù hợp để sản xuất hạt nảy mầm 52

2.3.2 Nội dung 2: Đánh giá được ảnh hưởng của thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của các thành phần dinh dưỡng trong hạt nảy mầm 53

2.3.3 Nội dung 3: Chọn được điều kiện ngâm hạt và thời gian nảy mầm để thu được hàm lượng GABA cao và hàm lượng phytate thấp 54

2.3.4 Nội dung 4: Ứng dụng bột đậu xanh nảy mầm GMF trong chế biến bánh quy

không chứa gluten 55

2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu 60

2.4.1 Các phương pháp phân tích 60

2.4.2 Phương pháp xác định hàm lượng GABA 61

2.4.3 Phương pháp xác định hoạt tính của GAD 62

2.4.4 Phương pháp xác định hàm lượng phytate 62

2.4.5 Phương pháp xác định hoạt tính phytase 63

2.4.6 Phương pháp xác định các đặc tính vật lý của hạt đậu xanh và bánh quy 64

2.4.7 Phương pháp đánh giá khả năng nảy mầm 65

2.4.8 Phương pháp đánh giá cảm quan các sản phẩm bánh quy 65

2.5 Phương pháp xử lý số liệu 65

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 66

3.1 Đặc điểm của các hạt đậu từ 8 giống đậu xanh khác nhau 66

3.1.1 Thành phần dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng của hạt từ 8 giống đậu xanh 66

3.1.2 Hình thái và các đặc điểm vật lý của các hạt từ 8 giống đậu xanh 66

3.1.3 Khả năng nảy mầm của các hạt từ 8 giống đậu xanh 69

3.2 Ảnh hưởng của thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của các thành

phần dinh dưỡng trong hạt đậu xanh nảy mầm 71

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của các thành phần dinh dưỡng chính trong hạt đậu xanh nảy mầm 71

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của các hợp chất chứa nitơ và hoạt tính của protease trong hạt đậu xanh nảy mầm 73

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của các hợp

chất carbohydrate và hoạt tính của amylase trong hạt đậu xanh nảy mầm 74

3.3 Ảnh hưởng của điều kiện ngâm và thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của GABA và phytate, hoạt tính của GAD và phytase 76

3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước ngâm và thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của GABA và phytate, hoạt tính của GAD và phytase 78

3.3.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ đậu: nước ngâm và thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của GABA và phytate, hoạt tính của GAD và phytase 86

viii

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm đậu và thời gian nảy mầm đến sự thay đổi

hàm lượng của GABA và phytate, hoạt tính của GAD và phytase 90

3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ acid citric và thời gian nảy mầm đến sự thay đổi

hàm lượng của GABA và phytate, hoạt tính GAD và phytase 95

3.3.5 Ảnh hưởng của nồng độ acid gibberellic và thời gian nảy mầm đến sự thay

đổi hàm lượng của GABA và phytate, hoạt tính của GAD và phytase 102

3.3.6 Ảnh hưởng của nồng độ acid glutamic và thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của GABA và phytate, hoạt tính GAD và phytase 106

3.3.7 So sánh và chọn điều kiện ngâm hạt đậu xanh 112

3.4 Ứng dụng bột đậu xanh nảy mầm trong sản xuất bánh quy không gluten 114

3.4.1 Đánh giá chất lượng bột đậu xanh nảy mầm 114

3.4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ GMF đến thành phần dinh dưỡng của bột hỗn hợp 117

3.4.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ GMF đến đặc tính vật lý của bánh quy không gluten 118

3.4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ GMF đến đặc tính màu sắc của bánh không gluten 122

3.4.5 Đánh giá đặc tính cảm quan của bánh quy RFC, 60-GMFC và WFC 124

3.4.6 Đánh giá thành phần dinh dưỡng của bánh quy RFC, 60-GMFC và WFC 125

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129

4.1 Kết luận 129

4.2 Kiến nghị 130

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

PHỤ LỤC 148

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo thực vật của hạt đậu xanh 5

Hình 1.2 Thành phần hóa học và mối quan hệ với vai trò sức khỏe của hạt đậu xanh 15

Hình 1.3 Mô hình nảy mầm của nhóm hạt họ đậu 17

Hình 1.4 Sơ đồ quy trình nảy mầm tổng quát 18

Hình 1.5 Sự hút nước của hạt và các chuyển hóa chính theo thời gian 21

Hình 1.6 Chuyển hóa chất dự trữ chính khi nảy mầm 22

Hình 1.7 Mô hình phân giải protein dự trữ dưới xúc tác của các enzyme 23

Hình 1.8 Mô hình chuyển hóa triacylglycerol khi nảy mầm 23

Hình 1.9 Các chuyển hóa xảy khi GAs được giải phóng 24

Hình 1.10 Cơ chế hoạt động của hormone ABA và hormone GAs 25

Hình 1.11 Con đường chuyển hóa sinh tổng hợp GABA 28

Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động của các phương pháp hiện đại trong nảy mầm 37

Hình 2.1 Các giống đậu xanh nguyên liệu khảo sát 46

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình nảy mầm đậu xanh dự kiến 50

Hình 2.3 Sơ đồ nội dung nghiên cứu 51

Hình 3.1 Sự thay đổi của hàm lượng GABA theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm

đậu trong nước với nhiệt độ ngâm khác nhau 79

Hình 3.2 Sự thay đổi của hoạt tính GAD trong hạt nảy mầm 6, 7 và 8 giờ sau khi

ngâm đậu trong nước ở các nhiệt độ ngâm khác nhau 80

Hình 3.3 Sự thay đổi của hàm lượng phytate và hoạt tính phytase theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm đậu ở các nhiệt độ khác nhau 83

Hình 3.4 Sự thay đổi của hàm lượng GABA theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm

đậu với các lượng nước khác nhau 86

Hình 3.5 Sự thay đổi của hoạt tính GAD trong hạt đậu nảy mầm 6, 7 và 8 giờ sau khi

ngâm đậu trong nước với các tỉ lệ khác nhau 87

Hình 3.6 Sự thay đổi của hàm lượng phytate và hoạt tính phytase theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm đậu với các lượng nước khác nhau 89

Hình 3.7 Sự thay đổi của hàm lượng GABA theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm

đậu trong nước với các thời gian khác nhau 91

Hình 3.8 Sự thay đổi của hoạt tính GAD trong hạt đậu nảy mầm 6, 7 và 8 giờ sau khi ngâm đậu trong nước với các thời gian khác nhau 92

Hình 3.9 Sự thay đổi của hàm lượng phytate và hoạt tính phytase theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm đậu với các thời gian khác nhau 94

Hình 3.10 Sự thay đổi của hàm lượng GABA theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm

hạt trong nước bổ sung acid citric với các nồng độ khác nhau 96

Hình 3.11 Sự thay đổi hoạt tính GAD trong hạt đậu xanh nảy mầm 6, 7 và 8 giờ sau khi ngâm đậu trong nước bổ sung acid citric với nồng độ khác nhau 97

x

Hình 3.12 Sự thay đổi của hàm lượng phytate và hoạt tính phytase sau khi ngâm hạt trong acid citric có nồng độ khác nhau 100 Hình 3.13 Sự thay đổi của hàm lượng GABA theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm

đậu trong nước bổ sung acid gibberellic nồng độ khác nhau 102 Hình 3.14 Sự thay đổi của hoạt tính GAD sau khi ngâm đậu trong nước bổ sung

acid gibberellic với nồng độ khác nhau 103 Hình 3.15 Sự thay đổi của hàm lượng phytate và hoạt tính phytase sau khi ngâm đậu

trong dung dịch acid gibberellic nồng độ khác nhau 105 Hình 3.16 Sự thay đổi hàm lượng GABA theo thời gian nảy mầm sau khi ngâm đậu

xanh trong nước bổ sung acid glutamic với nồng độ khác nhau 107 Hình 3.17 Sự thay đổi hoạt tính GAD trong hạt nảy mầm 6, 7 và 8 giờ sau khi ngâm

đậu trong nước bổ sung acid glutamic với nồng độ khác nhau 108 Hình 3.18 Sự thay đổi hàm lượng phytate và hoạt tính của phytase sau khi ngâm đậu

trong dung dịch acid glutamic nồng độ khác nhau 110 Hình 3.19 Hình ảnh mặt cắt ngang của các bánh quy 121 Hình 3.20 Hình ảnh của các mẫu bánh quy 123

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại thực vật của đậu xanh 3

Bảng 1.2 Thành phần dinh dưỡng chính của hạt đậu xanh 6

Bảng 1.3 Thành phần các acid amin có trong hạt đậu xanh 7

Bảng 1 4 Thành phần chất khoáng và vitamin trong hạt đậu xanh 9

Bảng 1.5 Một số thành phần kháng dinh dưỡng trong đậu xanh 10

Bảng 1.6 Một số biện pháp truyền thống tác động lên nảy mầm 34

Bảng 1.7 Một số sản phẩm ngũ cốc nảy mầm thương mại 39

Bảng 2.1 Các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu 47

Bảng 2.2 Các dụng cụ, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 48

Bảng 2.3 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng của các thành phần dinh dưỡng trong hạt đậu xanh nảy mầm 53

Bảng 2.4 Bố trí thí nghiệm khảo sát điều kiện ngâm và thời gian nảy mầm đến hàm lượng của GABA và phytate trong hạt đậu xanh nảy mầm 54

Bảng 2.5 Bố trí thí nghiệm tỉ lệ bột đậu xanh nảy mầm thay thế bột gạo 56

Bảng 2.6 Thành phần nguyên liệu phối trộn trong công thức bánh quy 57

Bảng 2.7 Các chỉ tiêu hóa lý và cảm quan của bánh quy 59

Bảng 2.8 Giới hạn vi sinh vật trong sản phẩm chế biến từ ngũ cốc, khoai củ, đậu, đỗ 59

Bảng 2.9 Các phương pháp xác định hàm lượng các thành phần, đặc điểm vật lý và chỉ tiêu vi sinh trong nghiên cứu 60

Bảng 3.1 Thành phần dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng của các hạt từ 8 giống đậu xanh 66

Bảng 3.2 Đặc điểm hình thái và kích thước của các hạt từ 8 giống đậu xanh 68

Bảng 3.3 Khả năng nảy mầm của các hạt từ 8 giống đậu xanh 70

Bảng 3.4 Sự thay đổi hàm lượng của các thành phần dinh dưỡng chính trong hạt đậu xanh theo thời gian nảy mầm 71

Bảng 3.5 Sự thay đổi hoạt tính của protease và hàm lượng của các hợp chất chứa nitơ trong hạt đậu xanh theo thời gian nảy mầm 73

Bảng 3.6 Sự thay đổi hoạt tính của amylase và hàm lượng của các hợp chất carbohydrate trong hạt đậu xanh theo thời gian nảy mầm 75

Bảng 3.7 Thành phần acid amin và protein của đậu nguyên liệu và đậu nảy mầm 113

Bảng 3.8 Thành phần dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng của đậu xanh nảy mầm tươi và bột đậu xanh nảy mầm 115

Bảng 3.9 Thành phần dinh dưỡng của bột phối trộn 117

Bảng 3.10 Đặc tính vật lý và độ ẩm của các mẫu bánh quy 118

Bảng 3.11 Đặc điểm màu sắc của các mẫu bánh quy 123

Bảng 3.12 Điểm đánh giá cảm quan của các mẫu bánh quy 124

Bảng 3.13 Thành phần dinh dưỡng của các mẫu bánh quy 125

Bảng 3.14 Thành phần acid amin của các mẫu bánh quy 127

Tổ chức nông lương thế giới

FDA (U.S Food and Drug Administration) Tổ chức quản lý thuốc và thực phẩm Mỹ USDA (United States Department of Agriculture) Bộ nông nghiệp Mỹ

GABA (acid γ-aminobutyric) Acid amin GABA

GAD (glutamate decarboxylase) Enzyme Glutamate decarboxylase GMF (germinated mung bean flour) Bột đậu xanh nảy mầm

GMFC (germinated mung bean flour cookies) Bánh quy làm từ bột đậu xanh nảy mầm

AGib (acid gibberellic) Acid gibberellic

ANFs (Antinutritional factors) Chất kháng dinh dưỡng IP (Inositol hexaphosphate) Các dạng của phytate

TIA (trypsin inhibitor activity) Hoạt tính ức chế trypsin

ADN (acid deoxyribonucleic) Acid deoxyribonucleic

GAs, GA3 (Gibberellin và acid gibberellic) Gibberellin và acid gibberellic

1

MỞ ĐẦU

Đậu xanh là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, cung cấp đầy đủ các dưỡng chất cần thiết cho cơ thể như protein, acid amin, vitamin và chất khoáng Ngoài ra, các chất có hoạt tính sinh học trong đậu xanh đã chứng minh có tác dụng tích cực với sức khỏe con người Chính vì vậy, hạt đậu xanh được mệnh danh là “thực phẩm của tương lai” [1], [2], [3], [4] Tuy nhiên, việc sử dụng hạt đậu xanh vẫn còn nhiều hạn chế do hạt chứa nhiều chất kháng dinh dưỡng (phytate, tannin, chất ức chế amylase, chất ức chế trypsin…) ảnh hưởng đến khả năng hấp thu bình thường của cơ thể [5], [6], [7]

Nhiều giải pháp công nghệ được thực hiện như ngâm, hấp, nấu, vi sóng, lên men… nhằm gia tăng hơn nữa chất dinh dưỡng và giảm thiểu chất kháng dinh dưỡng trong hạt đậu xanh [8], [9], [10] Trong đó, nảy mầm là một phương pháp đơn giản, chi phí thấp, nhưng hiệu quả cao để đạt được những thay đổi mong muốn về đặc tính dinh dưỡng, kháng dinh dưỡng và tính chất công nghệ Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh sau nảy mầm, đại đa số chất kháng dinh dưỡng như phytate và tannin được loại bỏ, đồng thời, các chất dinh dưỡng như acid amin, vitamin, khoáng chất tăng lên, cùng với việc sản sinh các chất có hoạt tính sinh học quý như phenolic, flavonoid, GABA… [11], [12].Đặc biệt, trong nhóm này có GABA, đây là chất ức chế dẫn truyền thần kinh, giúp giảm cảm giác lo lắng, ngăn ngừa tổn thương não bộ Hàm lượng GABA có khả năng tăng trong quá trình nảy mầm do hạt đậu xanh có hàm lượng acid glutamic và protein cao, đây là cơ chất để GAD chuyển đổi thành GABA [13], [14]

Thực tế hiện nay, hạt đậu xanh nảy mầm chủ yếu được sản xuất thủ công, phục vụ ăn tươi Thời điểm thu hoạch dựa vào thị hiếu người tiêu dùng [15], [16] Các nghiên cứu để sản xuất hạt đậu xanh nảy mầm ở điều kiện nghiêm ngặt nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức Việc tìm kiếm cơ sở khoa học trong lựa chọn giống đậu phù hợp với quy trình nảy mầm, cũng như ảnh hưởng của điều kiện nảy mầm và khả năng ứng dụng trong chế biến thực phẩm chưa có nhiều thông tin để có thể áp dụng hiệu quả Đặc biệt, sự thay đổi theo hướng có lợi của các dưỡng chất và chất kháng dinh dưỡng trong điều kiện nảy mầm khác nhau chưa được theo dõi Đậu xanh chủ yếu được ứng dụng trên các sản phẩm dạng sợi, bánh, hoặc nhân đậu xanh

2

Chính vì vậy, luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện nảy mầm đến thành phần dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng của hạt đậu xanh và ứng dụng bột đậu xanh nảy mầm trong chế biến thực phẩm” được thực hiện nhằm chọn được giống đậu

xanh tại Việt Nam phù hợp để sản xuất hạt nảy mầm, xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất hiệu quả với tiêu chí đạt giá trị dinh dưỡng cao và chứa chất kháng dinh dưỡng thấp Sau cùng, ứng dụng bột đậu xanh nảy mầm trong chế biến bánh quy không gluten Từ đó, có thể hiểu rõ hơn về cơ sở để lựa chọn giống đậu xanh, cơ sở ảnh hưởng của điều kiện ngâm và nảy mầm đến sự thay đổi hàm lượng các chất dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng, khả năng ứng dụng hạt đậu xanh nảy mầm trong công nghệ thực phẩm Luận án được thực hiện sẽ mang lại những ý nghĩa khoa học và thực tiễn sau:

Ý nghĩa khoa học

- Cung cấp dữ liệu về thành phần dinh dưỡng, đặc điểm và khả năng nảy mầm của các giống đậu xanh phổ biến ở Việt Nam, phục vụ chọn giống đậu phù hợp cho nảy mầm - Bổ sung các thông tin hữu hiệu về mối quan hệ giữa các điều kiện sản xuất hạt đậu

xanh nảy mầm với việc thay đổi thành phần chất dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng - Tăng thêm khả năng ứng dụng bột đậu xanh nảy mầm trong công nghệ thực phẩm

Ý nghĩa thực tiễn

- Nâng cao giá trị của hạt đậu xanh thông qua sản phẩm hạt đậu xanh nảy mầm - Xây dựng được quy trình chế biến hạt đậu xanh nảy mầm và có khả năng ứng dụng - Đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ hạt đậu xanh như sử dụng bột nảy mầm trong các

sản phẩm phục vụ cho người dị ứng gluten và người cần bổ sung dinh dưỡng

- Mở ra cơ hội ứng dụng cho bột đậu xanh nảy mầm dựa trên các đặc tính đã xác định

Mục tiêu của nghiên cứu

- Tìm được cơ sở để chọn giống đậu xanh phù hợp để nảy mầm trên cơ sở phân tính thành phần dinh dưỡng và kháng dinh dưỡng, đặc điểm vật lý và khả năng nảy mầm - Xác minh được mối quan hệ giữa thời gian nảy mầm và sự thay đổi của các thành

phần dinh dưỡng trong hạt đậu xanh nảy mầm

- Đánh giá được tác động của điều kiện ngâm hạt đậu xanh, các chất hỗ trợ nảy mầm và thời gian nảy mầm đến sự thay đổi của hàm lượng GABA và hàm lượng phytate - Đánh giá được khả năng ứng dụng bột đậu xanh nảy mầm trong việc cải thiện dinh

dưỡng, đặc điểm vật lý, cấu trúc và giá trị cảm quan của bánh quy không gluten

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1.1 Đậu xanh

1.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm thực vật của đậu xanh

Đậu xanh (Vigna radiate) thuộc họ đậu (leguminosae) Từ “legume” có nguồn gốc từ

chữ Latinh “legumen”, dùng để chỉ loại hạt đậu được thu hoạch trong vỏ quả Thuật ngữ “pulse” được dùng cho các loại hạt họ đậu chứa lượng nhỏ chất béo và “leguminous oil seed” dành cho hạt họ đậu chứa lượng lớn chất béo Ngoài ra, FAO dùng từ “legume” cho tất cả cây họ đậu [17], [18] Họ leguminosae đứng thứ 2 về tầm quan trọng kinh tế, có khoảng 16000 –19000 loài của khoảng 750 chi Hầu hết cây họ đậu thuần hóa được

sử dụng làm thực phẩm đều là thành viên của phân họ Papilionoideae [17].Dưới đây là bảng phân loại thực vật của đậu xanh.

Bảng 1.1 Phân loại thực vật của đậu xanh Phân cấp Tên khoa học – tên thông thường

Phân giới Tracheobionta – cây có mạch Liên ngành Spermatophyta – cây có hạt

Ngành Magnoliophyta – cây có hoa

Lớp Magnoliopsida – cây 2 lá mầm (dicotycoledon) Phân lớp Rosidae

Họ Leguminosae – Họ đậu Phân họ Papilionoideae

Chi Phaseolus và Vigna – Đậu

Loài Phaseolus vulgaris L – Đậu common Phaseolus lunatus L – Đậu lima

Phaseolus coccineus L – Đậu scarlet runner Phaseolus acutifolius A Gray – Đậu tepary

Loài Vigna angularis (Willd.) Ohwi & H Ohashi – Đậu adzuki Vigna radiata (L.) R Wilczek – Đậu xanh

Vigna mungo (L.) Hepper – Đậu mungo

Vigna umbellata (Thunb.) Ohwi & H Ohashi – Đậu gạo Vigna aconitifolia (Jacq.) Maréchal – Đậu tằm

Nguồn: Sherasia và cs, 2017 [17]

4

Đậu xanh có nguồn gốc từ Ấn Độ, là loại hạt nhỏ, hình tròn, màu xanh, được trồng phổ biến ở châu Á Hiện nay, đậu xanh được trồng khắp nơi trên thế giới như Châu Mỹ, Châu Phi, Châu Úc [17], [18].Đậu xanh sinh trưởng mạnh ở vùng khí hậu ấm áp, tuy nhiên, đậu xanh cũng có khả năng thích ứng rộng, sống được trong điều kiện khắc nghiệt như thiếu nước hoặc thiếu dinh dưỡng Cây đậu xanh giúp cải thiện độ phì nhiêu của đất nhờ khả năng cố định nitơ của vi sinh vật cộng sinh trong nốt sần rễ đậu [18]

Đậu xanh là cây ngắn ngày, thân mọc thẳng đứng, nhiều nhánh, cao 60 – 76 cm Khi đậu nảy mầm, 2 lá mầm tách ra và đôi lá thật đầu tiên xuất hiện, mọc đối xứng Sau đó, xuất hiện các lá kép có ba khía với 2 mặt lá đều có lông tơ Rễ cọc phát triển từ rễ phôi với các rễ bên phát triển tốt Hoa lưỡng tính, màu vàng, mọc thành chùm ở nách lá Quả hình trụ, mảnh, dài 8 – 13 cm, chứa khoảng 12 hạt Quả non màu xanh, có lông, vỏ quả khô dần, chuyển màu nâu tới đen khi quả chín [17], [18] Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của cây đậu xanh là 28 – 30°C và không sinh trưởng được khi nhiệt độ thấp hơn 15°C Ngoài ra, cây có khả năng chịu hạn và nhạy cảm với ngập úng Độ ẩm môi trường cao có thể làm hỏng hạt do hạt có thể nảy mầm trước thu hoạch Đậu xanh mọc được trên nhiều loại đất, nhưng thích hợp với đất thịt thoát nước tốt hoặc đất thịt pha cát, phù hợp với pH từ 5 đến 8, cây cũng có khả năng chịu được đất nhiễm mặn nhẹ[17] Hạt là phần có giá trị nhất của cây đậu xanh Đặc điểm đặc trưng bên ngoài hạt gồm 3 bộ phận (Hình 1.1 A) Micropyle là một lỗ nhỏ trên lớp vỏ hạt, nơi hấp thụ nước khi ngâm hoặc nảy mầm Hilum, một vết trên vỏ hạt, thường có hình bầu dục, là nơi cuống gắn noãn vào thành nhụy hoa trước khi hình thành hạt Raphe là gờ nằm phía trên hilum, đối diện micropyle, nơi trục phôi gắn lên khi hạt nảy mầm [19] Hạt đậu được cấu tạo

từ 3 thành phần chính gồm lớp vỏ hạt bao phủ ngoài 2 lá mầm và phôi (Hình 1.1 B) [18] Lá mầm: chiếm tỉ lệ lớn nhất (76,5 – 87,2% khối lượng hạt) [1], là cơ quan lưu trữ chính

của hạt Đây là phần quan trọng nhất được sử dụng trong chế biến thực phẩm [18]

Vỏ hạt: chiếm khoảng 12,2 – 23,5% khối lượng hạt, có vai trò bảo vệ phôi [1] Màu sắc

và đặc điểm kết cấu của vỏ hạt đặc trưng cho từng loại, là tiêu chí quan trọng trong phân loại đậu Vỏ hạt có lớp biểu bì chứa chất béo hoặc sáp và một hoặc nhiều lớp tế bào có thành dày, đóng vai trò như hàng rào bảo vệ phôi với môi trường bên ngoài [18], [20]

5

Phôi: chiếm tỉ lệ thấp, khoảng 2,3% khối lượng hạt [1] Phôi giúp duy trì nòi giống và

phát triển thành cây con khi hạt nảy mầm Chồi phôi phía trên lá mầm gọi là trụ trên lá mầm và gốc phôi bên dưới gọi là trụ dưới lá mầm, nối liền lá mầm và rễ mầm Trục phôi gồm rễ mầm và đỉnh chồi với các lá mầm đầu tiên [18]

Hình 1.1 Cấu tạo thực vật của hạt đậu xanh (Nguồn: [18], [19])

(A: đặc điểm bên ngoài hạt, B: cấu trúc bên trong hạt)

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ đậu xanh

Theo số liệu thống kê bởi FAO năm 2017, diện tích trồng cây họ đậu khoảng 81,8 triệu ha với tổng sản lượng 74,7 triệu tấn và năng suất trung bình 913 kg/ha [21] Trong nhóm

lương thực, hạt họ đậu đứng thứ 5 về sản lượng hàng năm Các loại đậu chi Phaseolus và Vigna là cây trồng hàng đầu về giá trị kinh tế trong cả sản xuất và tiêu thụ, với hơn 3

triệu tấn đậu xanh được trồng trên thế giới hàng năm Ấn Độ là nước sản xuất đậu xanh lớn nhất với 1,9 triệu tấn, chiếm 54% sản lượng và 65% diện tích, theo sau là Trung Quốc (0,98 triệu tấn), Myanmar (0,4 triệu tấn), Indonesia (0,3 triệu tấn), Thái Lan (0,21 triệu tấn) và Pakistan (0,199 triệu tấn)[19], [21] Ở Châu Phi, đậu xanh cũng được trồng

nhiều nhưng không phải là cây trồng chủ lực [17]

Ở Việt Nam, đậu xanh là cây trồng truyền thống, phân bố rộng khắp với mục đích lấy hạt và cải tạo đất nhờ nốt sần rễ đậu Cây đậu xanh được trồng chính trong vụ Hè Thu Năng suất đậu xanh cả nước tăng dần với sự xuất hiện phổ biến của các giống mới và việc áp dụng các kỹ thuật canh tác hiện đại vào sản xuất Giống đậu mới giúp tăng khả năng chống chịu trong canh tác, tăng năng suất và cải thiện thành phần dinh dưỡng [15]

1.1.3 Thành phần dinh dưỡng trong hạt đậu xanh

Thành phần dinh dưỡng phân bố không đồng đều ở các bộ phận khác nhau của hạt đậu, chủ yếu tập trung trong lá mầm Thông thường, đậu xanh cung cấp khoảng 300 – 350 Kcal/100 g hạt khô [19] Thành phần chính của hạt đậu xanh gồm carbohydrate (45 –

(B)

6

65%) và protein (18 – 31%) Ngoài ra, hạt còn chứa chất béo, chất xơ, tro, acid béo và acid amin Các vi chất dinh dưỡng gồm chất khoáng và vitamin (Bảng 1.2, 1.3, 1.4) [1]

Bảng 1.2 Thành phần dinh dưỡng chính của hạt đậu xanh1

9,8–11,5 23,6–30,1 2,7–3,6 1,6–2,2 45,5–53,5 38,4–45,1 9,7–12,7 N.A [25] 8,3–9,4 20,8–23,7 3,0–3,9 1,9–2,2 54,9–58,9 N.A 6,8–7,1 N.A [26]

1Tính trên 100 g đậu N.A: Khôngcó dữ liệu

Protein và acid amin

Đậu xanh là loại thực phẩm cung cấp protein quan trọng Khác với hầu hết ngũ cốc khác, loại protein chủ yếu trong hạt đậu xanh là globulin (chiếm khoảng 60%) với vai trò dự trữ và albumin (chiếm khoảng 25%) với vai trò vừa dự trữ vừa chuyển hóa [19].Protein được tổng hợp trong quá trình hạt phát triển, được thủy phân khi hạt nảy mầm để cung cấp nitơ cho cây con [27] Hạt đậu xanh không chứa gluten tự nhiên, nên thích hợp để sản xuất sản phẩm giàu protein cho người không dung nạp hoặc dị ứng gluten [1], [8] Legumin và vicilin là các globulin chính trong đậu Legumin là một hexamer, có khối lượng phân tử 300 – 400 kDa Mỗi đơn vị legumin thường có 6 tiểu đơn vị, gồm 2 phần với phần acid lớn hơn (khoảng 40 kDa) và phần polypeptide nhỏ hơn (khoảng 20 kDa) có liên kết disulfide trong cấu trúc, có thể bị cắt đứt khi khử Vicilin (chiếm 40 – 60%), là trimer (với khối lượng đơn phân 50 – 70 kDa), liên kết nhau bằng tương tác kỵ nước, có khối lượng phân tử 145 – 190 kDa Vicilin đặc trưng cho từng loại đậu, trọng lượng phân tử và thành phần vicilin khác nhau giữa các loại đậu khác nhau [28], [29] Vicilin liên kết trực tiếp với D-mannose và D-glucosamine bằng liên kết glycoside [19] Đặc điểm khác biệt trong cấu trúc protein (như nhiều cấu trúc bậc 2 nếp gấp β) của hạt đậu xanh gây ra khả năng kháng tiêu hóa mạnh ở người Ngoài ra, các hợp chất glycoprotein cũng làm gia tăng tính kháng tiêu hóa của protein [27]

7

Protein trong hạt đậu xanh chiếm hàm lượng cao và chứa đầy đủ các acid amin thiết yếu, trong đó lysine chiếm tỉ lệ cao (Bảng 1.3) [8] Đây là điểm đặc biệt làm nên giá trị dinh dưỡng quý ở hạt đậu xanh so với các loại ngũ cốc khác [9] Acid glutamic (hàm lượng cao nhất) và acid aspartic là những acid amin có thể tạo nên vị umami của đậu [1], [2]

Bảng 1.3 Thành phần các acid amin có trong hạt đậu xanh

8

saccharose), oligosaccharides (raffinose 1,1 – 1,5%; stachyose 1,6%; verbascose 1,9 – 2,7%), chất xơ (lignin, cellulose) và các loại polysaccharides khác như arabinogalactans, arabinoxylans, glucomannans, galactomannans, pectin [1], [3] Các oligosaccharides này gây đầy hơi trong hệ tiêu hóa do hệ vi sinh trong đường ruột lên men [1], [19]

Chất béo và các acid béo

Hàm lượng chất béo trong hạt đậu xanh tương đối thấp nhưng chứa tỉ lệ acid béo không bão hòa cao (khoảng 55 – 87%), hơn gấp đôi so với hàm lượng acid béo bão hòa (khoảng 12 – 28%) [19], [30] Trong đó, thành phần acid béo thiết yếu khá cao (khoảng 50,1%), điển hình là acid linoleic (34,1 – 38,6%), acid oleic (3,6 – 6,9%) và acid linolenic (18,0 – 22,6%) [2], [8] Acid linolenic giúp bảo vệ tim mạch, chống ung thư, bảo vệ thần kinh, chống loãng xương, chống viêm và chống oxy hóa [2] Ngoài ra, hạt đậu xanh còn chứa các acid béo khác như palmitic (27,5 – 35,5%), stearic (6,7 – 8,3%), arachidic, behenic, capric, lauric và myristic [1], [2], [8].

Vitamin và chất khoáng

Chất khoáng phân bố chủ yếu trong phôi và vỏ hạt của hạt đậu xanh [1] Hạt đậu xanh chứa hầu hết các chất khoáng đa lượng và vi lượng cần thiết cho cơ thể con người như Ca, Cu, Fe, K, Mg, Zn và P Trong đó, P chủ yếu được dự trữ trong các phytate (chiếm hơn 80% tổng lượng phosphor) [19], [31] Các dạng khác chứa phosphate với lượng nhỏ hơn như chất béo, protein và acid nucleic [20] Đặc biệt, hạt đậu xanh được tiêu thụ như nguồn thực phẩm giàu Fe cho trẻ sơ sinh và trẻ em [8].Ngoài ra, do chứa hàm lượng thấp Na và nhiều K, hạt đậu xanh được xem như thực phẩm có ích cho con người, đặc biệt với người bị cao huyết áp [19] Liên quan đến sự hấp thu chất khoáng ở người, tính sinh khả dụng thấp của các chất khoáng hóa trị hai như Fe, Zn, Ca xảy ra do sự hiện diện tương đối cao của phytate trong hạt đậu xanh Sử dụng các kỹ thuật chế biến thực phẩm hoặc thúc đẩy phytase nội sinh hoạt động có thể gia tăng khả năng hấp thu chất khoáng trong hạt đậu xanh [1]

Ngoài chất khoáng, hạt đậu xanh còn chứa đa dạng các vitamin quan trọng như vitamin E (chất chống oxy hóa điển hình), các vitamin nhóm B như thiamine, riboflavin, niacin và acid pantothenic (Bảng 1.4) [1], [19]

N.A: Khôngcó dữ liệu

1.1.4 Thành phần chất kháng dinh dưỡng trong hạt đậu xanh 1.1.4.1 Khái niệm, phân loại của chất kháng dinh dưỡng

Chất kháng dinh dưỡng (antinutritional factors - ANFs) là tên gọi để chỉ các hợp chất có ảnh hưởng tiêu cực đến tiêu hóa, đến tính khả dụng và chuyển hóa sinh học, do đó ANFs ảnh hưởng đến dinh dưỡng của thực phẩm [1] ANFs không phải là đặc tính sẵn có của một hợp chất nào đó, mà phụ thuộc vào đối tượng sử dụng (chẳng hạnchất ức chế trypsin là ANFs của động vật dạ dầy đơn, nhưng không ảnh hưởng đến động vật nhai lại vì

ANFs bị thoái hóa trong dạ cỏ) Một số ANFs là sản phẩm trao đổi chất thứ cấp, được

tích lũy trong giai đoạn phát triển của hạt giống để giúp cây chống lại điều kiện môi trường bất lợi [6] Cơ chế và đối tượng kháng dinh dưỡng khác nhau với các ANFs khác nhau Chẳng hạn phenolic, hoặc các chất ức chế enzyme ảnh hưởng tiêu cực đến tiêu hóa protein và carbohydrate Trong khi, glucosinolate, acid oxalic và acid phytic ảnh

10

hưởng đến hấp thụ chất khoáng Một số ANFs hoạt động như chất gây dị ứng quá mức lên hệ thống miễn dịch [7] Theo cấu tạo, ANFs được phân thành 2 nhóm là nhóm có bản chất protein (haemagglutinin, chất ức chế protease…) thường nhạy cảm với nhiệt độ và nhóm phi protein (phytate, tannin, oligosaccharides…) thường ổn định nhiệt, có thể loại bỏ bằng cách bóc vỏ, ngâm, nấu, nảy mầm hoặc lên men [1], [6]

Trong đậu xanh có các yếu tố kháng dinh dưỡng khác nhau như chất ức chế enzyme (trypsin, chymotrypsin, amylase…), phytate, tannin, haemagglutinin … (Bảng 1.5) [19] Acid phytic, tannin, RFOs và chất ức chế protease là các ANFs chính trong hạt đậu xanh [1], [17] ANFs thường hiện diện với số lượng nhỏ (ít hơn 5% khối lượng hạt) [19] Việc ngâm, nảy mầm và lên men là các biện pháp hiệu quả để loại phytate và tannin [1], [17].

Bảng 1.5 Một số thành phần kháng dinh dưỡng trong đậu xanh

RFOs: oligosaccharides (gồm raffinose, stachyose và verbascose); HU: haemagglutinin unit; TIU: trypsin inhibitor unit N.A: Khôngcó dữ liệu

Phytate và acid phytic (PA): là các dạng dự trữ phosphor chính, đặc biệt phong phú

trong cây họ đậu, PA là các hợp chất của acid phytic với các chất khoáng [1] Trong đó, myo-inositol hexaphosphate (IP6) là hợp chất của acid phytic với các chất khoáng, được tạo thành từ một vòng inositol với sáu nhóm ester phosphate và các muối của Mg, Ca, K [33].PA không tiêu hóa được ở người và động vật dạ dày đơn do không có phytase PA có khả năng liên kết cao với chất khoáng và cation (đặc biệt Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+, Cu2+, Mn2+, Na+) Do đó, phytate là chất ức chế chính đối với sự hấp thụ kẽm và sắt, là nguyên nhân chính gây bệnh thiếu máu do thiếu sắt [7], [34] Nhóm phosphate tích điện âm trong PA có thể liên kết tĩnh điện với các hạt tích điện dương Nhóm phosphate còn có thể liên kết hydro với tinh bột, làm thay đổi khả năng hòa tan, chức năng tiêu hóa và hấp thụ của các hợp chất này [6], [34] Sự hình thành phức chất (chất khoáng/IP6/ tinh bột) trong đường ruột làm giảm sự hòa tan và tiêu hóa tinh bột PA làm giảm chất khoáng cần thiết cho hoạt động của amylase hoặc các enzyme liên quan đến thủy phân tinh bột

11

[6] Bên cạnh đó, PAcũng ức chế các enzyme tiêu hóa quan trọng khác như pepsin và trypsin [34] Nhiều phương pháp chế biến có thể loại bỏ PA như sử dụng phytase, ngâm, nảy mầm, lên men, nấu, ép đùn, tách vỏ, bức xạ và sóng siêu âm Phytate hòa tan trong nước nên dễ loại bỏ khi ngâm, tuy nhiên PA ít bị phân hủy khi nấu nhờ đặc tính ổn định nhiệt Kích hoạt phytase hoặc phosphatase nội sinh trước khi nấu giúp giảm hàm lượng PA Sự có mặt kiềm hoặc acid góp phần thủy phân phytate [6], [34]

Tannin: trong cây họ đậu, tannin chủ yếu gồm acid tannic (tannin thủy phân (HT), ester

của acid gallic, acid ellagic và các polyol) và tannin không thủy phân (tannin ngưng tụ – CT và proanthocyanidin – PRA) HT dễ dàng bị thủy phân bởi acid, bazơ yếu hoặc enzyme, các sản phẩm thoái hóa của HT có thể gây ngộ độc cho sinh vật Tannin tương đối phong phú trong cây họ đậu, chủ yếu trong vỏ hạt, hàm lượng khoảng 45 – 2000 mg/100 g, phụ thuộc vào giống cây, vùng trồng trọt và phương pháp bảo quản Tannin bảo vệ thực vật chống lại côn trùng và vi sinh vật Tannin chứa lượng lớn nhóm hydroxyl tự do, có thể hình thành liên kết hydro với protein, enzyme, carbohydrate và các polymer khác Tannin cũng có thể tạo phức với protein bằng liên kết kỵ nước hoặc liên kết cộng hóa trị Do đó, tannin có thể bất hoạt các enzyme tiêu hóa (trypsin, chymotrypsin, amylase, lipase…), hạn chế khả năng tiêu hóa protein và tinh bột Sự hiện diện của tannin cũng ảnh hưởng việc sử dụng các vitamin và chất khoáng, tannin với nồng độ thấp vẫn ảnh hưởng đến tính sinh khả dụng của Fe Loại bỏ vỏ, rang và ngâm là các biện pháp hiệu quả để loại tannin trong đậu xanh[1], [7]

Các oligosaccharides (RFOs): gồm raffinose (trimer), stachyose (tetramer), verbascose

(pentamer) và ajugose (hexamer) Trong đó, raffinose, stachyose và verbascose là những RFOs chính RFOs phổ biến trong hạt họ đậu, chiếm tỉ lệ cao trong nhóm đường, chỉ sau saccharose RFOs liên quan đến sự thích nghi với điều kiện khô trong quá trình phát triển và kéo dài tuổi thọ của hạt khi bảo quản Quá trình tổng hợp RFOs trong cây họ đậu bắt đầu từ khi hình thành hạt, tăng lên cùng với sự phát triển của hạt và đạt hàm lượng cao nhất trong hạt trưởng thành [7] Các RFOs không bị thủy phân bởi enzyme tiêu hóa Trong ruột già, RFOs được lên men bởi các loại vi sinh vật có lợi

(Bifidobacterium spp., Lactobacillus acidophilus, Bacilus spp.) và cả những loại gây bệnh, gây hại (Bacterides spp., Clostridium spp., Coprococcus spp., Eschericha spp., Fusobacterium spp., Megaspaera spp., Mitsuokella spp., Ruminococcus spp., Vellonella

12

spp …) [5], [7] Những chất khí sinh ra bởi quá trình lên men RFOs của các vi khuẩn gây hại, gây bệnh (hydro, carbon monoxide, carbon dioxide, methane …) góp phần gây chứng đầy hơi ở người Ngược lại, các vi khuẩn có lợi chuyển hóa RFOs thành các acid hữu cơ như acid lactic, acid acetic hay acid butyric làm tăng sức khỏe đường ruột [7] RFOs dễ hòa tan trong nước, bị phân giải trong quá trình lên men và nảy mầm [8]

Haemagglutinin (HG): là một glycoprotein, có nhiều trong cây họ đậu HG có khả năng

liên kết với glycoprotein trên bề mặt niêm mạc ruột non, làm thay đổi tính thẩm thấu và quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng ở ruột, do đó cản trở sự phân giải và hấp thụ dinh dưỡng HG có thể phá vỡ sự chuyển hóa chất béo, carbohydrate và protein [7] HG cũng gây suy giảm chức năng của các enzyme, làm thay đổi hormone và suy yếu hệ thống miễn dịch Ngoài ra, HG còn có đặc tính kết tụ hồng cầu [5].HG có thể được loại bỏ bằng cách nảy mầm hoặc sử dụng nhiệt độ cao [10].

Chất ức chế protease (PI): là các polypeptide, có mặt trong hầu hết thực vật, có cấu trúc

đặc trưng cho từng loại đậu PI khác nhau bởi trọng lượng phân tử, thành phần acid amin và vị trí trung tâm hoạt động Cơ chế hoạt động của PI chưa rõ ràng, nhưng cơ bản PI hình thành phức chất với enzyme phân giải protein, gây rối loạn chuyển hóa và giảm hàm lượng protein có thể phân giải Sử dụng thực phẩm chứa PI thời gian dài gây giảm sự tăng trưởng [7] Chất ức chế trypsin là protein có trọng lượng phân tử thấp, có thể bị hòa tan khingâm, gây ức chế các enzyme phân giải protein trong đậu xanh Các phương pháp như nảy mầm, ngâm hoặc xử lý nhiệt có thể làm giảm hoạt động của PI [1]

Chất ức chế lipase: ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và hấp thụ chất béo trong ruột

Sự nảy mầm hạt đậu làm giảm hoạt tính của chất ức chế lipase [6]

Các chất ức chế amylase: có mặt trong hầu hết ngũ cốc và đậu, ảnh hưởng tiêu cực đến

tiêu hoá tinh bột Chất ức chế amylase cũng ảnh hưởng đến protein và acid amin, đặc biệt acid amin như acid aspartic, glycine, acid glutamic, serine, valine và arginine [6]

1.1.4.2 Biện pháp loại chất kháng dinh dưỡng

Tác hại của các chất kháng dinh dưỡng khác nhau đối với cơ thể người Nhiều biện pháp khác nhau đã được sử dụng để loại bỏ ANFs Dưới đây là một vài biện pháp phổ biến

Biện pháp vật lý: các hoạt động đơn giản như tách vỏ, ngâm và xử lý nhiệt có thể loại

13

bỏ các ANFs Hiệu quả của các phương pháp phụ thuộc vào loại đậu và điều kiện xử lý [35] Tách vỏ hạt giúp giảm hàm lượng tannin [36] Thành phần dung dịch ngâm (chứa muối, acid hoặc kiềm), thời gian và nhiệt độ ngâm là những yếu tố cần kiểm soát [35] Phương pháp ngâm và nấu có hiệu quả trong giảm hàm lượng PA, tannin và chất ức chế trypsin [36] Xử lý nhiệt làm mất hoạt tính của các chất không bền nhiệt (tannin, HG, chất ức chế trypsin và chymotrypsin) Công nghệ ép đùn với nhiệt độ cao, áp suất lớn trong thời gian ngắn thường được áp dụng để làm biến tính protein trong đậu, giúp phá hủy chất kháng dinh dưỡng [35], [36] Ép đùn giúp loại bỏ chất ức chế enzyme (trypsin, chymotrypsin, α-amylase…) và HG, mà không làm thay đổi hàm lượng protein [36] Chiếu xạ với mức 10 kGy có hiệu quả khi bất hoạt hoặc phân hủy chất ức chế protease, HG, PA và RFOs mà không ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng của thực phẩm [35].

Biện pháp sinh học: gồm các hoạt động như nảy mầm, sử dụng enzyme và lên men, đây

là các phương pháp hiệu quả để loại ANFs Nhiều chất kháng dinh dưỡng có bản chất protein giảm xuống khi nảy mầm Polyphenol oxidase giúp giảm hàm lượng tannin Nảy mầm kích hoạt phytase, phân giải phytate Quá trình lên men làm giảm giá trị pH và tạo điều kiện thuận lợi cho phân hủy tannin, làm giảm chất ức chế trypsin và tăng hàm lượng acid amin thiết yếu, giúp cải thiện khả năng tiêu hóa [35] Ngâm trước khi nảy mầm và lên men giúp loại đáng kể phytate và các chất tan trong nước Điều kiện nảy mầm khác nhau tùy theo loài thực vật và giống cây trồng Các biện pháp tiền xử lý (ngâm, tách vỏ, rửa, nấu) và lên men giúp giảm RFOs, chất ức chế trypsin, tannin và PA[36]

1.1.5 Thành phần các chất có hoạt tính sinh học trong đậu xanh

Hạt đậu xanh chứa đa dạng các thành phần có hoạt tính sinh học như phenolic, flavonoid, isoflavone [33], [37]

Phenolic: tổng hàm lượng phenolic trong đậu xanh khoảng 2,09 – 2,38 mg GAE/g [2],

hầu hết tập trung ở phần vỏ, gấp 3 – 4 lần so với ở lá mầm [1] Flavonol glycoside, anthocyanin và tannin tạo nên màu sắc của vỏ hạt Bóc bỏ vỏ đậu giúp loại bỏ phần lớn phenolic.Tổng hàm lượng flavonoid trong hạt đậu xanh 20,08 – 24,40 mg rutin/g [2] Flavonoid trong đậu xanh gồm robinin, rutin, kaempferol, quercetin, isoquercitrin và kaempferol-7-O-rhamnoside Trong 12 nhóm flavonoid, có ba anthocyanins, hai leucoanthocyanins, hai glycoflavone và năm glycosid flavonol [8], [37]

14

Isoflavone: là chất chuyển hóa thứ cấp trong thực vật, theo chức năng phân thành bốn

phân nhóm chính: aglycone (daidzein, genistein, glycitein), glucoside (daidzin, genistin, glycitin), malonyl glucoside (malonyl daidzin, malonyl genistin, malonyl glycitin) và acetyl glucoside (acetyl daidzin, acetyl genistin, acetyl glycitin) Hàm lượng và thành phần của isoflavone khác nhau giữa các loại mầm, đậu non và trưởng thành Tỉ lệ aglycone (so với tổng isoflavone) giảm dần từ mầm đến đậu non và đậu trưởng thành, trong khi tổng hàm lượng isoflavone và tỉ lệ glucoside giảm theo thứ tự ngược lại Isoflavone giúp phòng ngừa ung thư, các bệnh tim mạch và giúp chống oxy hóa Hàm lượng isoflavone có thể được kiểm soát nhờ nảy mầm [37], [38]

Phytosterol: là các sterol thực vật có cấu trúc tương tự cholesterol, thường được sử dụng

trong thực phẩm chức năng như tác nhân giúp hạ mức cholesterol Phytosterol không được cơ thể tổng hợp và chỉ thu nhận từ thức ăn Phytosterol liên kết với acid mật và ngăn ngừa sự tái hấp thụ Hàm lượng phytosterol trong đậu cao (124 – 135 mg/100 g, d.b), tồn tại ở dạng sterol tự do, steryl glycoside acylate hóa và steryl glycoside như stigmasterol, campesterol, sitosterol và D5-avenasterol Những chất có hoạt tính sinh học này còn được tìm thấy trong nhiều loại đậu khác như đậu gà, hà lan, đậu lăng và đậu lupin Trong đậu, sitosterol chiếm ưu thế so với campesterol và stigmasterol [37], [39].

1.1.6 Lợi ích của hạt đậu xanh

Đậu xanh chứa thành phần dinh dưỡng cao và có nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học, có lợi cho sức khỏe như khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng nấm, kháng vi rút, giúp bảo vệ tim mạch, chống béo phì [8], [40]

Dinh dưỡng và sức khỏe: với thành phần dinh dưỡng cao, giàu vitamin, chất khoáng,

acid béo không no, acid amin cần thiết và không chứa cholesterol … hạt đậu xanh giúp phòng ngừa suy dinh dưỡng và tăng cường sức khỏe Ngoài ra, do không chứa gluten, đậu xanh có thể dùng làm thực phẩm cho người không dung nạp gluten Đậu xanh còn có khả năng giúp hạ đường huyết, hạ cholesterol, ức chế sự tích tụ chất béo, tạo cảm

giác no, phòng ngừa tiểu đường, béo phì, phòng ngừa suy dinh dưỡng và ung thư [8],

[19], [37] Một số lợi ích của đậu xanh với sức khỏe được tổng hợp trong Hình 1.2

15

Nguồn: Ganesan & Xu, 2018 [8]

Hình 1.2 Thành phần hóa học và mối quan hệ với vai trò cho sức khỏe của hạt đậu xanh

(Với ↓: giảm; ↑: tăng; SCFA: acid béo mạch ngắn; FFA: acid béo tự do; CVD: bệnh tim mạch, ROS: phân tử oxy hoạt động)

Ngăn ngừa quá trình oxy hóa: những hợp chất như phenolic, flavonoid và vitamin có

vai trò như chất chống oxy hóa, kìm chế sự hình thành gốc tự do bằng cách tạo phức với ion kim loại hoặc ức chế enzyme chủ chốt có liên quan đến việc tạo gốc tự do (protein kinase, xanthine oxidase, lipoxygenase, cyclooxygenase, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase …) [8], [37], [39]

Ngăn ngừa vi sinh vật: các hợp chất có hoạt tính sinh học có vai trò như chất chống vi

sinh vật tự nhiên Các phenolic gây thiếu hụt các vi chất quan trọng, phá vỡ màng tế bào, ức chế sự chuyển hóa qua màng, ảnh hưởng tính thấm của màng tế bào và giúp tiêu diệt vi khuẩn Haemagglutinin kháng vi sinh vật thông qua phá vỡ thành tế bào vi khuẩn nhờ tương tác với các thành phần của thành tế bào như acid teichoic, acid teichuronic, peptidoglycan và lipopolysaccharide [41] Một số loại peptide (7,3 kDa; 9,03 kDa) có

khả năng kháng nấm bằng cách ức chế sự tăng trưởng sợi nấm (Fusarium oxysporum, F solani, Pythium aphanidermatum, Sclerotium rolfsii, Mycosphaerella arachidicola)

Vi sinh vật trong ruột

Tinh bột và chất xơ

↓ phụ thuộc insulin

↓ rối loạn trao đổi chất (béo phì, CVD, tiểu đường)

↑ cảm giác no ↓ cân nặng

Phenolics, saponin, triterpens

Loại gốc tự do và tạo phức với kim loại

↓ di căn các tế bào ↑ lên men hình thành các

SCFA không bão hòa

↓ sự hình thành các ROS

Đậu xanh

↓ GI sau ăn, ↓ chất béo và cholesterol

↑ nhu động ruột

↓ sự phát triển của ung thư

↓ tốc độ giải phóng glucose của gan và ↓ FFA

16

hoặc kháng một số loại vi khuẩn như Staphylococcus aureus Ngoài ra, protein mungin (18 kDa) và chitinase (30,8 kDa) từ hạt đậu xanh có hoạt tính kháng nấm (Rhizoctonia solani, Mycosphaerella arachidicola, Botrytis cinerea và F oxysporum) [8], [37]

1.2 Giới thiệu về quá trình nảy mầm và sự nảy mầm của đậu xanh

1.2.1 Khái niệm và phân loại quá trình nảy mầm

Thuật ngữ “sự nảy mầm” không có định nghĩa chính xác tuyệt đối, khái niệm “nảy mầm” khác nhau tùy theo đối tượng sử dụng (nhà sinh lý học, nhà nông học, nhà khoa học thực phẩm, người tiêu dùng…) [42] Quan điểm phổ biến cho rằng, nảy mầm bắt đầu với sự hấp thụ nước của hạt khô và kết thúc với sự xuất hiện của trục phôi xuyên qua khỏi cấu trúc xung quanh, sự nảy mầm không bao gồm sự phát triển của cây con[20]

Hạt khô đã trưởng thành (độ ẩm khoảng 5 – 15%) hầu như không có hoạt động trao đổi chất, nên hạt giống có khả năng tồn tại ở trạng thái này trong nhiều năm Tuy nhiên, nếu gặp điều kiện thuận lợi như cung cấp đủ nước, điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, sự có mặt của

oxy thích hợp, hạt khô có thể phục hồi các hoạt động bình thường Khi đó, hạt khô sẽ

hút nước, một chuỗi các phản ứng được kích hoạt, cuối cùng trục phôi xuất hiện, biểu thị cho quá nảy mầm đã hoàn thành Những chuyển hóa bên trong hạt nảy mầm rất phức

tạp, bao gồm những biến đổi về sinh lý, hóa học, hóa sinh, vật lý và cảm quan [20]

Hoạt động nảy mầm xảy ra khác nhau giữa các loại thực vật khác nhau Thậm chí trong cùng loại họ đậu, nảy mầm cũng xảy ra với cơ chế và cách thức khác nhau Cách phân loại phổ biến là dựa trên sự biến đổi của lá mầm, gồm 2 kiểu (epigeal và hypogeal) Kiểu epigeal là kiểu các lá mầm nhô lên khỏi đất do sự kéo dài của trụ dưới lá mầm, xuất hiện

2 lá thật đầu tiên có thể quang hợp Thuộc nhóm này có đậu nhóm Phaseolus và đậu

xanh Tiến trình nảy mầm bắt đầu từ lúc lá mầm phồng nhẹ, chuyển xanh Sau đó, lá mầm teo lại và rụng khi cạn kiệt chất dự trữ (Hình 3A) Ngoài ra, đậu castor, đậu phộng cũng cùng nhóm nhưng lá mầm phát triển từ nội nhũ, lớn lên, chuyển xanh và quang hợp Khi lá thật đầu tiên mở ra, lá mầm co lại và rụng (Hình 3B) [20] Kiểu hypogeal đại diện cho kiểu nảy mầm của nhóm đậu còn lại như đậu faba, đậu broad … là loại các lá mầm không nhô lên khỏi mặt đất Trụ dưới lá mầm ngắn, rắn chắc, trụ trên lá mầm dài ra nâng những chiếc lá thật đầu tiên khỏi mặt đất Lá mầm co lại khi cạn kiệt nguồn dự trữ bên trong, cuối cùng thoái hóa hoàn toàn (hình 3C) [20].

17

1.2.2 Quy trình công nghệ sản xuất hạt nảy mầm tổng quát

Quy trình nảy mầm có thể thay đổi tùy theo loại hạt giống, mục đích và yêu cầu sản xuất Tuy nhiên, các nguyên tắc và các công đoạn cơ bản tương tự nhau, gồm 3 công đoạn chủ yếu là khử trùng, ngâm và nảy mầm [42], [43] Quy trình sản xuất hạt nảy mầm tổng quát được mô tả trong Hình 1.4

Khử trùng: để ức chế sự phát triển của vi sinh vật Dung dịch natri hypochlorite nồng

độ khác nhau được sử dụng phổ biến nhất, thường tiến hành ở nhiệt độ phòng trong 5 – 30 phút Xử lý với ethanol 70% (v/v) trong 3 phút cũng có thể áp dụng [42], [43]

Ngâm: trước khi nảy mầm, hạt cần được ngâm trong nước để hạt hút nước đến độ ẩm cần thiết cho cây con phát triển (khoảng 30% ẩm) Nước ngâm cần được loại trước khi

cho hạt vào máy nảy mầm[42] Khi ngâm, hạt khô hấp thụ nước nhanh chóng, tăng thể

tích, bề mặt hạt thô ráp trở nên nhẵn bóng Các yếu tố cần kiểm soát gồm nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ khối lượng hạt và thể tích nước Hạt có thể được ngâm ở nhiệt độ phòng (khoảng 20 – 30oC) trong vài giờ đến 24 giờ với lượng nước gấp 1,5 – 20 lần khối lượng hạt Đặc tính của hạt giống như khả năng hút nước, độ dày vỏ, kích thước hạt ảnh hưởng việc chọn thông số cho giai đoạn ngâm để duy trì được hoạt động của hệ enzyme nội sinh và kiểm soát được việc tổng hợp các hợp chất mong muốn sau nảy mầm [42], [43]

Nguồn: Bewley và cs (2013) [20]

Hình 1.3 Mô hình nảy mầm của nhóm hạt họ đậu

Cặp lá thật đầu tiên

Trụ trên lá

mầm Lá

mầm

Trụ dưới lá

mầm

Lá mầm tách khỏi nội nhũ

và vỏ

Lá mầm phát triển từ nội nhũ

Nội nhũ

Trụ dưới lá

mầm

Rễ mầm Lá mầm

(A)

Trụ dưới lá

(B)

Cặp lá thật đầu tiên

Lá mầm teo lại Lá mầm

Trụ trên lá

mầm

18

Nảy mầm: công đoạn này thường được sử dụng

trong thiết bị nảy mầm để có thể điều khiển được ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, không khí, nước tưới và thời gian nảy mầm Nảy mầm thường được thực hiện trong tối, nhiệt độ nảy mầm thường được giữ trong khoảng 20 – 30oC Khi nảy mầm, hạt cần được tưới nước thường xuyên nhằm duy trì độ ẩm tương đối cao Nước tưới cần được thay thường xuyên để loại bỏ các chất chuyển hóa khi nảy mầm và ức chế sự phát triển của vi sinh vật Thời gian nảy mầm phụ thuộc vào mục đích nảy mầm [42]

Nguồn: Marti và cs (2020) [42]Hình 1.4 Sơ đồ quy trình nảy

mầm tổng quát

Sản phẩm nảy mầm có thể sử dụng dạng tươi hoặc chế biến tiếp (sấy khô, rang hoặc xay thành bột) nhằm ngừng nảy mầm và giảm độ ẩm (≤ 14%), kéo dài thời hạn sử dụng[42].

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nảy mầm

Nảy mầm là một giai đoạn quan trọng trong vòng đời của cây trồng, một quá trình phức tạp chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như nước, nhiệt độ, ánh sáng và sự có mặt của các chất như hormone ABA và GAs [44] Loại hạt giống khác nhau cần những điều kiện khác nhau để có thể nảy mầm hiệu quả [11], [45].Để hạt giống có thể nảy mầm, các yếu tố quan trọng gồm sự cung cấp đủ nước, nhiệt độ thích hợp, tỉ lệ cụ thể của các khí trong khí quyển, ánh sáng và phải loại trừ các chất ức chế nảy mầm [12].

Khả năng sống của hạt: là khả năng nảy mầm của hạt giống trong điều kiện thuận lợi

Hạt khô, khỏe mạnh có thể giữ được khả năng này trong nhiều năm khi được bảo quản phù hợp (nhiệt độ thấp, độ ẩm thấp, nồng độ CO2 cao) Tình trạng thể chất của hạt giống, yếu tố di truyền, sự có mặt của vi sinh vật, côn trùng Việc sử dụng thuốc diệt nấm và thuốc trừ sâu ảnh hưởng đến khả năng sống của hạt [46].

Nước: độ ẩm của hạt giống ban đầu ảnh hưởng đến khả năng hút nước khi nảy mầm

Hạt khô, khả năng hút nước tốt sẽ thuận lợi cho nảy mầm [42] Tuy nhiên, nếu hạt hấp thụ lượng nước quá mức có thể phá vỡ lớp vỏ hạt và ảnh hưởng đến sức sống của mầm Do đó, kiểm soát lượng nước hấp thụ khi ngâm và cung cấp nước trong nảy mầm rất

Hạt Khử trùng

Hạt nảy mầm Ngâm Nảy mầm

19

quan trọng [46].Mức độ và khả năng hút nước chịu ảnh hưởng bởi kích thước hạt, tính thấm của vỏ hạt, lượng nước sẵn có, thành phần hóa học và nồng độ các chất hòa tan Trong đó, khả năng thấm nước chọn lọc của vỏ hạt phụ thuộc cấu tạo màng tế bào (chứa thành phần ưa nước hoặc kị nước), màng sẽ đẩy các ion cùng dấu và hút các ion trái dấu Hạt chứa ít nước thường sẽ hút nước nhanh hơn, cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng Sự có mặt của các thành phần như protein và tinh bột ảnh hưởng đến tính keo và khả năng hút nước Ngoài ra, các yếu tố khác cũng chi phối sự hút nước như nồng độ thẩm thấu (nồng độ chất hòa tan lớn, màng hút nước lớn hơn) và sức căng bề mặt (nước tạo áp lực lên thành tế bào khi đi vào) [12], [20], [42], [46].

Nhiệt độ: là yếu tố quyết định đến tỉ lệ và thời gian nảy mầm Hầu hết hạt giống có thể

nảy mầm ở nhiệt độ 3 – 40°C Với nhiệt độ rất thấp hoặc rất cao, quá trình nảy mầm thường bị ức chế, nhiệt độ tối ưu cho nảy mầm của hầu hết hạt họ đậu là 20 – 30°C Các yếu tố như giống loài, sự khác biệt di truyền, độ trưởng thành của hạt có thể ảnh hưởng đến phạm vi nhiệt độ nảy mầm tối ưu Do đó, thiết lập và duy trì nhiệt độ tối ưu cho nảy mầm rất cần thiết để sản xuất tối đa mầm có chất lượng tốt[12], [42], [46]

Ánh sáng: hạt có thể nảy mầm tốt trong điều kiện tối hoặc sáng Điều kiện tối thuận lợi

hơn để tránh ảnh hưởng của hoạt động quang hợp Các loại ánh sáng với bước sóng khác nhau ảnh hưởng đến các phản ứng sinh hóa, vì tác động đến hệ enzyme chịu trách nhiệm sinh tổng hợp các chất khác nhau [12] Chẳng hạn khi đậu gà nảy mầm, tia UV thúc đẩy tổng hợp acid ascobic, ánh sáng đỏ giúp mầm tăng trưởng, trong khi hàm lượng phytic thấp nhất với ánh sáng xanh và đỏ, hàm lượng phenolic thấp nhất với ánh sáng đỏ [47]

Điều kiện không khí: hầu hết hạt giống đều nảy mầm được trong khí quyển thông thường

Sự nảy mầm của một số hạt bị ảnh hưởng khi thay đổi thành phần khí, chẳng hạn nồng độ oxy tăng, hô hấp tăng, tỉ lệ nảy mầm cao [12], [46] Ngược lại, khi cacbonic tăng thì nhiều hạt không thể nảy mầm Thông gió giúp cải thiện hiệu quả nảy mầm [12]

Hormone thực vật (phytohormone): đây là các chất điều hòa sinh trưởng và phát triển

của thực vật Hormone được tạo ra trong cây và có khả năng điều khiển hoạt động của cây với nồng độ rất thấp (10-7 – 10-5 M) Có sáu loại hormone thực vật chính, với sự tương đồng về cấu trúc cũng như tác dụng sinh lý Hormone thực vật có thể tồn tại trong tự nhiên hoặc được tổng hợp nhân tạo để bổ sung cho hoạt động nảy mầm

20

Vai trò của các loại hormone khác nhau được liệt kê dưới đây:

- Acid abscisic (ABA) thúc đẩy tổng hợp một số protein dự trữ, tăng khả năng chịu đựng với điều kiện khô, giúp cảm ứng và duy trì trạng thái ngủ

- Gibberellin (GAs) là một nhóm lớn với gần 150 loại trong thực vật, nấm và vi khuẩn GAs được đặt tên theo thứ tự khám phá, phổ biến nhất là acid gibberellic (GA3) GAs thúc đẩy phân chia tế bào, phá vỡ tình trạng ngủ và kích thích sản xuất α-amylase - Auxin thường được xem là các hợp chất đặc trưng cho khả năng kéo dài tế bào, tương

tự như acid indoleacetic (IAA, auxin đầu tiên được phân lập) Vai trò của auxin gồm kích thích kéo dài tế bào, thúc đẩy mọc rễ và sự phát triển rễ bên, thúc đẩy các phản ứng như uốn cong thân để đáp ứng với trọng lực và ánh sáng

- Cytokinin (CK) thúc đẩy phân chia tế bào, zeatin từ ngô là CK tự nhiên phổ biến nhất - Ethylene (ETH) là một hợp chất dạng khí, chỉ có 1 thành viên ETH có cấu trúc đơn giản nhất trong các hormone thực vật ETH giúp phá vỡ trạng thái ngủ của hạt giống - Brassinosteroids (BR) là polyhydroxysteroids, có mặt trong cây với số lượng nhỏ

BR kích thích sự kéo dài và phân chia tế bào, tăng khả năng chịu đựng với stress

Chất ức chế sự nảy mầm: một số hợp chất hóa học có thể độc hại đối với cơ thể sống

cũng ức chế sự nảy mầm như thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, chất bảo quản hạt giống Do đó, chỉ những hạt giống chưa qua xử lý mới có thể được sử dụng để nảy mầm [12]

1.2.4 Các quá trình chuyển hóa do hoạt động của hormone và enzyme khi nảy mầm

Nảy mầm là một quá trình phức tạp gồm hàng loạt các quá trình chuyển hóa được tạo ra bởi hoạt động của hormone và sự hoạt hóa của enzyme Khi hạt khô tiếp xúc với lượng đủ nước, sự nảy mầm của hạt bắt đầu và xảy ra theo 3 giai đoạn, mỗi giai đoạn diễn ra các chuyển hóa khác nhau như sự nứt gẫy trong nội nhũ và nứt lớp vỏ, sự rò rỉ của các chất hòa tan, sự sửa chữa các cơ quan, màng và ADN bị tổn thương, sự tổng hợp ADN, ARN và protein (Hình 1.5) [44], [48]

Giai đoạn I: chủ yếu là quá trình vật lý, hạt khô hút nước nhanh chóng, cho đến khi tất

cả các cơ quan ngậm đủ nước Các hoạt động sinh lý bắt đầu xảy ra chỉ trong vòng vài phút sau khi tế bào hút nước Động học hút nước phụ thuộc cấu trúc của hạt [20].Khi hạt hút nước, thường xảy ra rò rỉ các chất hòa tan như đường, acid hữu cơ, acid amin… cho thấy có sự hư hỏng tạm thời của màng [48] Các chất dinh dưỡng này có thể kích

21

thích vi sinh vật phát triển, gây hư hỏng mầm [20].Nếu độ ẩm đạt đến mức yêu cầu, hạt bắt đầu giải phóng và tổng hợp các hormone tăng trưởng như ABA, ethylene và GAs Việc giải phóng hormone sẽ kích thích giải phóng các enzyme nội sinh [12]

Nguồn: Bewley và cs (2013) [20]

Hình 1.5 Sự hút nước của hạt và các chuyển hóa chính diễn ra trong hạt theo thời gian

Giai đoạn II: hàm lượng nước trong hạt ở giai đoạn này khá ổn định, các hoạt động trao

đổi chất tăng lên nhanh chóng với sự tham gia của các enzyme và sự tăng hoạt động phiên mã cho các gen mới Sự hấp thụ nước trong giai đoạn này xảy ra do sự tăng áp suất thẩm thấu khi các polymer dự trữ trong tế bào tăng thể tích và sự tạo thành các chất gây ra áp suất thẩm thấu cao (đường, protein hòa tan, acid amin, chất khoáng tan)[20]

Quá trình sửa chữa và kích hoạt lại các cơ quan bị hư hỏng do sấy hạt sau thu hoạch diễn ra, đặc biệt được ưu tiên sửa chữa là ti thể (cơ quan quan trọng cho hô hấp và chuyển hóa năng lượng) và ADN bị tổn thương Song song đó, quá trình tổng hợp các enzyme và hợp chất để sửa chữa các tổn thương tế bào cũng được diễn ra mạnh mẽ [48].Ngoài ra, sự trương phồng của các thành phần tế bào (đặc biệt là protein khi hydrate

Thời gian Hút nước

Hô hấp, sửa chữa ti thể, sao chép Tổng hợp ADN

Phân chia tế bào

Huy động chất dự trữ chính Cây con phát triển

Huy động chất dự trữ trong các mô dự trữ

Huy động chất dự trữ

Rễ con xuất hiện do sự lớn lên của tế bào

Sao chép và dịch mã của mARNs mới Sự dịch mã hoặc phân

hủy của mARN dự trữ

Sửa chữa ADN Hạt

và hàm lượng

nước trong hạt

Thực chất các enzyme nội bào bắt đầu

hoạt hóa ở giai đoạn I và hoạt động mạnh mẽ ở giai đoạn II khi hạt nảy mầm, xúc tác phân giải các hợp chất dự trữ như tinh bột, protein, chất béo … để cung cấp năng lượng và các nguyên liệu cho các phản ứng tổng hợp các cơ quan mới cho cây con [20] Sơ đồ chuyển hóa của các hợp chất dự trữ chính đượcDesai và cs (2004) mô tả trong Hình 1.6

Hình 1.6 Sự chuyển hóa chất dự trữ chính

khi nảy mầm (Nguồn: Desai và cs, 2004 [46])

Amylose và amylopectin trong thành phần tinh bột được thủy phân bởi α-amylase, phá vỡ các liên kết (1 → 4) glycoside Các oligosaccharides giải phóng ra được thủy phân tiếp bởi α-amylase (hoặc kết hợp với α-glucosidase) tạo thành glucose và maltose β-amylase xúc tác giải phóng các đơn vị maltose từ đầu không khử của oligomer lớn (được tạo ra nhờ α-amylolytic trước đó) α-glucosidase (maltase) tiếp tục thủy phân maltose thành hai phân tử glucose, enzyme này cũng phân cắt các glucose từ các malto-oligosaccharide có trọng lượng phân tử thấp [3]

Các protease hiện diện trong PB (protein body-nơi chứa protein dự trữ) của hạt khô không hoạt động do pH không phù hợp Khi hạt nảy mầm, pH giảm từ 7 xuống pH ≤ 5 (do GAs kích hoạt việc bơm ion H+ vào PB qua màng tế bào), kích hoạt các enzyme như acid cysteine endopeptidases, serine carboxypeptidases, neutral aminopeptidases… thủy phân protein dự trữ, giải phóng acid amin Acid amin sau đó được tái sử dụng để tổng hợp protein và enzyme, hoặc cung cấp cho hô hấp, hoặc tham gia chuyển hóa kháctrong tế bào[20] Ở giai đoạn I và II của quá trình nảy mầm, protein dự trữ trong trục phôi và

lá mầm được phân giải để cung cấp acid amin cho tổng hợp protein mới Giai đoạn III,

23

các protein trong trục phôi cạn kiệt, nguồn acid amin duy nhất đến từ lá mầm (Hình 1.7) Các protein được thủy phân bởi các endopeptidase đặc hiệu (iEP1, iEP2) Các peptide tạo thành bị thủy phân bởi các endopeptidase (EPs), cũng như carboxypeptidase serine (CPs) thành peptide nhỏ hơn và acid amin Sau đó, được vận chuyển qua màng nhờ các chất vận chuyển acid amin (AATs) và peptide (PTs) Các peptide nhỏ tiếp tục thủy phân thành acid amin bởi aminopeptidase (AP), tripeptidase (TPs) và dipeptidase (DP) [20]

Nguồn: Schlereth và cs (2000) [28] (hình A); Bewley và cs (2013) (hình B) [20]

Hình 1.7 Mô hình phân giải protein dự trữ (A) dưới xúc tác của các enzyme (B) Nhiều enzyme tham gia vào quá trình phân giải chất béo Các triacylglycerol (TAG) bị thủy phân lần lượt thành diacylglycerol (DAG) và monoacylglycerol (MAG), với xúc tác của các lipase (bước 1 – 3), cuối cùng tạo thành acid béo tự do (FFA) và glycerol (Gly), Gly chuyển thành dihydroxyacetone phosphate (DHAP) với xúc tác của glycerol kinase và Gly-3-P dehydrogenase (bước 4 – 5) (Hình 1.8)

Hình 1.8 Mô hình chuyển hóa triacylglycerol khi nảy mầm

FFA đi vào chu trình β-oxy hóa, Acetyl-CoA chuyển hóa tiếp thành acid oxaloacetic (OAA) cung cấp cho ti thể (bước 6 – 8) DHAP cũng được chuyển hóa tiếp thành sucrose (Suc) (Hình 1.8) [20]

Các enzyme thủy phân khác như nuclease và phosphatase cũng được kích hoạt khi hạt nảy mầm Trong đó, phytase là nhóm enzyme quan trọng trong các hạt đậu đỗ Thông

Trục Lá mầm

Phân giải protein

Acid amin Acid amin Tổng

hợp protein

Tổng hợp protein Tổng

hợp

protein Phân giải protein Acid

amin

Acid amin Tổng hợp

protein

Peptide mạch ngắn

Acid amin Protein

dự trữ

Phân giải protein

24

thường, phytase có hoạt tính thấp hoặc không hoạt động trong hạt khô và chỉ được hoạt hóa khi hạt nảy mầm, giúp thủy phân phytate để giải phóng các cation, phosphate và myo-inositol Phytate phân giải nhanh chóng và hoàn toàn sau nảy mầm Phosphate được vận chuyển đến nuôi mầm, myo-inositol được sử dụng để tổng hợp thành tế bào của cây con vì hợp chất này là tiền chất của các đơn vị đường pentosyl và uronosyl, thường liên quan đến pectin và một số polysaccharides khác của thành tế bào [20] Hormone ảnh hưởng lớn đến việc điều tiết quá trình nảy mầm Các chuyển hóa xảy khi GAs được giải phóng được Marti và cs (2020) mô tả trong Hình 1.9

Nguồn: Marti và cs (2020) [42]

Hình 1.9 Các chuyển hóa xảy khi GAs được giải phóng

Nảy mầm làm thay đổi sự cân bằng hormone, đặc biệt cân bằng giữa GAs và ABA rất quan trọng để điều chỉnh hiện tượng ngủ và nảy mầm của hạt Khi tỉ lệ GAs/ABA thấp, trạng thái ngủ được duy trì và ngược lại Trong hạt giống khô, hạt đang trạng thái ngủ, hàm lượng GAs thấp và ABA cao Khi ngâm hạt, hàm lượng ABA giảm dần, trong khi hàm lượng các GAs, chủ yếu là GA3, tăng nhanh GAs từ trong phôi được giải phóng và vận chuyển đến lá mầm, nơi chứa protein và tinh bột dự trữ GAs phát động hoạt động của các gen mã hóa cho α-amylase (gen này bị ABA ngăn chặn) GAs cũng hoạt hóa của các enzyme thủy phân có sẵn trong hạt [20], [42], [44] Ngoài ra, GAs cũng thúc đẩy sự đứt gẫy trong nội nhũ, trong khi ABA ức chế và làm chậm nội nhũ suy yếu [44] Mối quan hệ giữa ABA và GA được Bewley và cs (2013) thể hiện trong Hình 1.10 Khi không có ABA, protein phosphatase 2C (PP2C, chất đáp ứng tiêu cực cho hoạt động của ABA) liên kết và bất hoạt protein kinase 2 (SnRK2, chất đáp ứng tích cực cho hoạt

Amylase thủy phân tinh bột dự trữ thành maltose

Maltose được hấp thu bởi chồi và rễ

GAs thúc đẩy tổng hợp

để cung cấp cho hô hấp Hút nước

Nước được hấp thu thông qua micropyle và hoạt hóa tế bào

Sự tổng hợp GAs

Tinh bột

25

động của ABA), ngăn chặn SnRK2 hoạt động (Hình 1.10 A) Khi có mặt ABA, các receptor của ABA như Pyrabactin resistance 1 (PYR1, còn gọi là RCAR) thay đổi cấu hình và tạo thành dạng liên kết được với PP2C, làm vô hoạt PP2C Đồng thời, giải phóng và kích hoạt SnRK2 Các chất như Abre Binding Factor (ABF) phosphoryl hóa và được SnRK2 kích hoạt, gây ức chế nảy mầm và gây ra hiện tượng ngủ của hạt (Hình 1.10 B)

Nguồn: Bewley và cs (2013) [20]

Hình 1.10 Cơ chế hoạt động của hormone ABA (Hình A và B) và hormone GA (Hình C) Khi không có GAs, RGA-Like2 (RGL2) (là protein ức chế sự nảy mầm) ngăn chặn sự biểu hiện của gen cảm ứng cho GAs và ứng chế quá trình nảy mầm Khi có GAs, GAs liên kết với receptor của GAs là GA-Insensitive Dwarf (GID1), phức hợp này sau đó tương tác với RGL2 Sự xúc tác của enzyme sleepy1 (SLY1) (là ubiquitin ligase, dạng phức hợp SCF gồm Skp, Cullin và F-box) giúp các peptide ubiquitin gắn vào RGL2 Sau đó, RGL2 đã bị ubiquitin hóa được nhận dạng bởi 26S proteasome và bị phân giải hoặc bất hoạt Bằng cách này, gen cảm ứng cho GAs được giải phóng, hạt thoát khỏi trạng thái ngủ và quá trình nảy mầm xảy ra (Hình 1.10 C)

1.2.5 Ảnh hưởng của nảy mầm đến sự thay đổi thành phần dinh dưỡng, kháng dinh dưỡng và chất có hoạt tính sinh học trong đậu xanh

Hệ thống enzyme nội sinh được hoạt hóa khi nảy mầm làm thay đổi đáng kể hàm lượng các chất dinh dưỡng, kháng dinh dưỡng và chất có hoạt tính sinh học trong hạt [8]

1.2.5.1 Ảnh hưởng của nảy mầm đến thành phần dinh dưỡng

Gen cảm ứng cho GAs

Phức hợp SCF

Khi có ABA Khi không có ABA

Phosphoryl hóa