1. MỞ ĐẦU
2.4. NGHIÊN CỨU VỀ HÓA SINH CHẤT THƠM CỦA LÚA GẠO
2.4.1. Những hợp chất bay hơi có trong gạo thơm
Nghiên cứu đầu tiên về gạo thơm đã đƣợc thực hiện bởi Yajima và ctv (1979) [72]. Họ đã xác định đƣợc 114 thành phần có trong gạo thơm, trong đó có 21 acid, 14 ester của các acid béo, 15 alcohol, 18 aldehyde, 17 ketone, 18 hydrocarbon và một vài hợp chất vòng khác nhƣ pyridine và furan. Khi so sánh gạo thông thƣờng với gạo thơm, Yajima đã rút ra kết luận: trong gạo thông thƣờng hàm lƣợng 4 – vinylphenol, 1 – hexanol và 1 – hexanal cao hơn so với gạo thơm, nhƣng lại có hàm lƣợng indole ít hơn. Hơn nữa, gạo thơm còn có 1 thành phần chƣa xác định đƣợc và α – pyrrolidone là những chất không đƣợc tìm thấy trong gạo thông thƣờng [72].
Những hợp chất bay hơi trong gạo đƣợc xác định bằng cách thu thập những chất bay hơi, phân tách bằng sắc ký và sau đó xác định những thành phần này bằng sắc ký khối phổ (GC/MS) [57].
Tsuzuki và ctv (1981) [66] và Buttery và ctv (1983b) [19] đã phân tích những thành phần bay hơi có trong cơm nấu từ gạo thơm. Kết quả là họ đã nhận biết đƣợc 114 chất (phụ lục 1). Tuy nhiên, theo đánh giá, không có thành phần bay hơi riêng lẻ nào đặc trƣng cho gạo thơm chƣa chế biến [16]. Năm 1988, Buttery và ctv [21] đã xác định đƣợc những thành phần chính tạo nên mùi thơm của gạo thơm hạt dài California là 2 – acetyl – 1 – pyrroline; (E,E) – deca – 2,4 – dienal; nonanal; hexanal; (E) –– non – 2 – enal; octanal; decanal; 4 – vinyl – guaiacol và 4 – vinylphenol.
Buttery và ctv (1983a) [18] đã phân tích 2 – acetyl – 1 – pyrroline ở điều kiện áp suất hơi nƣớc đối với những giống gạo khác nhau. Thí nghiệm này chỉ thực hiện trên gạo đã chế biến chứ không thí nghiệm trên gạo thô, vì thế, Tsugita (1985 - 1986) [65] đã tỏ ý hoài nghi rằng có thể chất này đƣợc hình thành trong quá trình nấu nƣớng. Suvarnalatha và ctv (1994) [60] đã nuôi cấy mô sẹo giống lúa Basmati và so sánh những thành phần bay hơi từ những cây lúa đó với những thành phần bay hơi trong những cây lúa Basmati thông thƣờng và rút ra kết luận rằng những chất này là tƣơng tự nhau. Tuy nhiên, họ đã không tìm thấy 2 – AP trong mô sẹo hay trong cơm gạo. Có thể là do phƣơng pháp sử dụng chƣa đủ nhạy.
Tiến hành so sánh những chất bay hơi có trong gạo thông thƣờng và gạo thơm, Widjaja và ctv (1996) [68] đã đã xác định đƣợc 70 chất và mô tả mùi thơm hầu hết những chất đó. Những chất bay hơi chính trong gạo thơm là các alkanal; alk – 2 – enal;
alka(E) – 2,4 – dienal; 2 – pentylfuran; 2 – acetyl – 1 – pyrroline và 2 – phenylethanol. Những giống gạo thông thƣờng chứa nhiều n-hexanal, (E) – 2 – heptanal, 1 – octen – 3 – ol, n – nonanal, (E) – 2 – octenal, (E) – 2 - (E) – 4 – decadienal, 2 – pentylfuran, 4 – vinylguaiacol và 4 – vinylphenol hơn so với gạo thơm. Kim (1991) [40] đã xác định trong gạo thơm có 16 loại hydrocarbon, 15 alcohol.
Lorieux và ctv (1996) [42] đã phân tích mẫu gạo của 2 giống lúa Azucena (thơm) và IR64 (không thơm), phân tích định lƣợng của 15 hợp chất chính liên quan đến 2 giống trên. Kết quả không tìm thấy chất 2 – acetyl – 1 – pyrroline trong giống IR64. Xử lý thống kê cho thấy các chất sau có sự khác biệt giữa giống lúa thơm và không thơm: pentanol; 2 – acetyl – 1 – pyrroline; benzaldehyde; octanol; pentadecan – 2 – one; 6,10,14 – trimethylpentadecan – 2 – one và hexanol.
Khi so sánh nồng độ các cấu tử bay hơi thu đƣợc trong quá trình chiết xuất gạo thơm, Petrov và ctv (1996) [46] đã xác định đƣợc 9 thành phần có sự khác biệt rõ rệt về nồng độ giữa loại gạo thơm và gạo thông thƣờng: pentanol; hexanol; 2 – acetyl – 1 – pyrroline; (E) – hept – 2 – enal; benzaldehyde; octanal; pentadecan – 2 – one; 6,10,14 – trimethylpentadecan – 2 – one và hexadecanol. Trong số 9 hợp chất trên, pentadecan – 2 – one thể hiện mối tƣơng quan nghịch với những hợp chất khác, và là thành phần đặc trƣng trong giống gạo thông thƣờng (IR64) còn 6 hợp chất góp phần tạo mùi thơm trong gạo thơm: hexanal, octanal, nonanal, (E) – non – 2 – enal, (E,E) – deca – 2,4 – dienal và 2 – acetyl – 1 – pyrroline.
Theo Paule C. M. và Powers J. J. (1989) [45], hàm lƣợng hexanol tƣơng quan nghịch với chất lƣợng mùi thơm trong gạo, trong khi đó, 2 – acetyl – 1 – pyrroline lại tƣơng quan thuận. Kết quả nghiên cứu này một lần nữa chứng minh kết luận của Buttery và ctv (1983a) [18] rằng 2 – acetyl – 1 – pyrroline là thành phần chính chịu trách nhiệm cho mùi thơm đặc trƣng trong gạo thơm là đúng đắn.
Theo Widjaja và ctv (1996) [68], thành phần chính trong tất cả các loại gạo là hexanal. Khác biệt cơ bản giữa gạo thơm và gạo thông thƣờng là gạo thông thƣờng chứa hàm lƣợng hexanal, heptanal; 6 – methyl – 5 – hepten – 2 – one; (E) – 2 – heptenal; 1 – octen – 3 – ol; nonanal; (E) – 2 – octenal và (E) – 2, (E) – 4 – decadienal nhiều hơn so với gạo thơm.
Các thành phần hóa sinh góp phần tạo phát triển mùi thơm, nhƣng khả năng hình thành mùi thơm của cây còn phụ thuộc vào yếu tố di truyền, môi trƣờng, dinh
dƣỡng và điều kiện lƣu trữ (Simon và ctv, 1980; Paillard, 1981) [54, 44]. Do đó, sự khác biệt giữa mùi thơm trong gạo thơm và gạo thông thƣờng không thể chỉ dựa trên các thành phần hóa sinh (nhƣ acid béo, amino acid, đƣờng hay sắc tố) của mỗi giống [46].
Hiện nay có 2 quan điểm về thành phần chất thơm của lúa gạo. Quan điểm thứ nhất cho rằng chất thơm đƣợc tạo ra từ các hợp chất aldehyde (CHO) và keton (C=O) và các hợp chất với lƣu huỳnh (Ayano và Tsuzuki, 1976) [12]. Quan điểm thứ 2 cho rằng chất thơm lúa gạo, do vòng pyrrol kiểm soát tính thơm của chất 2-acetyl-1- pyrrolinr (Buttery và ctv, 1983a) [18].
2.4.2. Hợp chất thơm 2 – acetyl – 1 – pyrroline
Hình 2.4. Cấu trúc hóa học của 2 – AP
2 – acetyl – 1 – pyrroline, một hợp chất thơm có mùi tƣơng tự nhƣ mùi bắp nổ, đƣợc đánh giá là một thành phần chất thơm quan trọng trong các giống gạo thơm do đặc tính giữ mùi lâu hơn so với các thành phần bay hơi khác trong gạo [18, 21]. Buttery và ctv (1983a) [18] đã chiết xuất 2 – AP và những hợp chất bay hơi khác từ gạo bằng cách sử dụng hệ thống Likens – Nickerson (SDE). Sản phẩm thu đƣợc đƣợc phân tích bằng GC/MS. Sau đó, họ đã định lƣợng 2 – AP bằng máy sắc ký khí với đầu dò FID [20].
Hình 2.5. Phổ đồ hợp chất 2 – acetyl – 1 – pyrroline (A: Tanchotikul and Hsieh, 1991; B: Varaporn và Sarath, 1993) [63, 67]
Năm 1983, Buttery và ctv [18] đã nghiên cứu 7 giống lúa thơm. Trong số các thành phần xác định bằng phƣơng pháp sắc ký khí, hợp chất 2 – acetyl – 1 – pyrroline đã tìm thấy và có mùi tƣơng tự nhƣ mùi thơm của cơm. Ngƣỡng mùi thơm của chất
này trong nƣớc là 0,1μg.L-1
và mùi thơm tích lũy tƣơng tự nhƣ loại bắp nổ (pop corn). Theo Buttery và ctv (1982, 1983a) [17, 18], 2 – acetyl – 1 – pyrroline là thành phần chính trong hỗn hợp các chất thơm có trong gạo thơm, góp phần cấu thành nên hƣơng thơm của gạo. Do đó, có thể cho rằng thành phần chính dùng để nhận biết sự khác biệt về mùi giữa gạo thông thƣờng và gạo thơm là 2 – acetyl – 1 – pyrroline.
Buttery và ctv (1983a) [18] nhận thấy rằng, các giống gạo thơm chứa 0,04 – 0,09 ppm 2 – acetyl – 1 – pyrroline trong khi các giống gạo thông thƣờng chứa lƣợng thấp hơn khoảng 10 lần (< 0,006 đến < 0,008 ppm). Họ đã công bố những chất thơm này chỉ đƣợc tìm thấy trong quá trình nấu nƣớng mà không đƣơc phát hiện trong gạo thô. Nhƣng theo Yoshihashi (2002) [74], hợp chất thơm 2 – AP không phải đƣợc hình thành trong quá trình nấu nƣớng hay do điều kiện bảo quản sau thu hoạch mà chúng đƣợc hình thành từ phần khí sinh của cây trong suốt thời gian gieo trồng. Năm 2003, Wornpongchai và ctv [69] đã tìm thấy 2 – AP trong gạo thô và các bộ phận khác của cây bằng phƣơng pháp chiết xuất không sử dụng nhiệt. Họ cho rằng, 2 – AP chính là một hợp chất thứ cấp hiện diện trong cây lúa đặc sản.
Hợp chất 2 – acetyl – 1 – pyrroline đƣợc xác định là thành phần chính trong tinh dầu lá dứa. Theo Buttery và ctv (1983a) [18], trong lá dứa chứa khoảng 1 ppm 2 – acetyl – 1 – pyrroline, hàm lƣợng này cao gấp 100 lần so với những loại gạo thông thƣờng. Vì thế, ở một vài nƣớc châu Á, ngƣời dân thƣờng cho lá dứa vào trong quá trình nấu cơm đối với những loại gạo thông thƣờng để có đƣợc mùi thơm nhƣ gạo thơm [67].
Thí nghiệm phân tích của Trung tâm Nghiên cứu vùng của Bộ nông nghiệp Hoa Kỳ và IRRI (1982) (trích dẫn bởi Đỗ Khắc Thịnh, 2003) [8] cũng cho kết quả về hàm lƣợng chất 2 – acetyl – 1 – pyrroline của 8 giống lúa thơm và 2 giống lúa không thơm. Hàm lƣợng chất thơm 2 – acetyl – 1 – pyrroline của Khao Dawk Mali 105 và Basmati 370 là 0,07 và 0,06 ppm theo thứ tự, giống đối chứng Calrose là 0,006 ppm.
Hussain và ctv (1987) [34] thực hiện so sánh mùi thơm giữa lúa thơm (Basmati) và lúa không thơm. Xác định hợp chất thơm dựa trên các peak pentadecan-2-one, hexanol, 2-pentylfurane với nồng độ cao ở lúa Basmati. Chất 2-acetyl-1-pyrroline không tìm thấy. Tuy vậy, hầu hết các nghiên cứu thực hiện sau năm 1983 (Buttery và ctv, 1983b, 1986, 1988; Paule và Powers, 1989; Lin và ctv, 1990; Tanchotikul và Hsieh, 1991) đã chứng tỏ tầm quan trọng của thành phần 2 – acetyl – 1 – pyrroline.
Hàm lƣợng của hợp chất này trong gạo dao động từ 6 – 90 µg/kg tùy theo chất lƣợng mùi thơm trong gạo thơm (Buttery và ctv 1983b) [19].
AcPy không chỉ đóng vai trò quan trọng trong gạo thơm mà còn đƣợc xem là thành phần chính trong vỏ và ruột bánh mì (Schieberle và Grosch, 1991 và 1991a), bắp nổ (Schieberle, 1991a), hạt kê (Seitz và ctv, 1993), bánh ngô (Karahadian và Johnson, 1993), lá dứa (Buttery và ctv, 1983a; Laksanalamai và Ilangantileke, 1993), mật cây đoan (Blank và ctv, 1989) và bia Đức (Schieberle, 1991b) (trích dẫn bởi Petrov, 1996) [46].
AcPy còn là thành phần chính đƣợc tổng hợp từ một vài dòng Bacillus cereus
phân lập đƣợc từ việc lên men quả ca cao (Romanczyk và ctv, 1995) [50].
Theo Buttery và ctv (1983a) [18], 2 – acetyl – 1 – pyrroline có cùng nguồn gốc với 2 – acetyl – 1,4,5,6 – tetrahydropyridine là 1 thành phần chất thơm đã đƣợc Hunter và ctv (1969) tìm thấy trong bánh mì hay bánh nƣớng. Proline hay hydroxyproline cũng là tiền thân của 2 – acetyl – 1 – pyrroline. Khi thay thế nhóm –COOH của hydroxyproline thành nhóm methyl keton bằng cách khử nƣớc và chuyển nối đôi sang vị trí số 1 sẽ tạo ra đƣợc 2 – AP.
Còn theo Petrov và ctv (1996) [46], 2 – acetyl – 1 – pyrroline có nguồn gốc từ proline và ornithine. Sản phẩm của quá trình phân hủy Strecker là proline và 1- pyrroline (Yoshikawa và ctv, 1965) [76] sẽ phản ứng với những sản phẩm của quá trình phân hủy đƣờng tạo ra AcPy (Schieberle, 1989, 1990; Tressl và ctv, 1985) [52, 53, 64].
Mũi của ngƣời có thể phát hiện đƣợc chất thơm 2 – acetyl – 1 – pyrroline ở nồng độ 0,007ppm. Do đó, đánh giá bằng cảm quan, trong điều kiện nhất định và với những ngƣời có khứu giác bình thƣờng, kết quả có thể tin cậy đƣợc [8].
Theo Varaporn và Sarath (1993) [67], nồng độ 2 – AP trong gạo sẽ giảm đối với những gạo đƣợc lƣu trữ trong thời gian dài.
2.5. CÁC YẾU TỐ MÔI TRƢỜNG VÀ ĐIỀU KIỆN GIEO TRỒNG ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG MÙI THƠM HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG MÙI THƠM
2.5.1. Nhiệt độ
Theo Sarkarung và ctv (2000) [51], thời tiết mát mẻ ở giai đoạn hạt chín sẽ làm tăng mùi thơm của lúa gạo. Nhiệt độ 200
chín sáp sẽ góp phần hình thành và tăng tính thơm của cơm gạo. Tuy vậy, nhiệt độ tối thích đối với các giống lúa không giống nhau. Cây lúa Basmati nếu đƣợc gieo trồng trong điều kiện nhiệt độ thấp (nhiệt độ ban ngày là 250C và ban đêm là 210C trong thời kỳ chín) sẽ có khả năng lƣu giữ mùi thơm lâu hơn (Juliano, 1972; Mann, 1987) [36, 43].
2.5.2. Nơi gieo trồng
Địa điểm gieo trồng ảnh hƣởng đến chất lƣợng mùi thơm của cơm gạo thông qua thành phần dinh dƣỡng đất cung cấp cho cây và tƣơng tác giữa các chất dinh dƣỡng bay hơi trong đất với các hợp chất thơm bay hơi có trong gạo. Theo Singh và ctv (1998) [56], có thể xảy ra sự khác biệt đáng kể về mùi thơm trong gạo đƣợc trồng trên 2 thửa ruộng kề nhau thậm chí ngay cả khi 2 ruộng trồng cùng một loại hạt giống.
Theo ý kiến của ngƣời nông dân, gạo đƣợc trồng trên đất nhẹ và chân ruộng cao thuận lợi cho quá trình hình thành mùi thơm của lúa. Lúa có mùi thơm hơn khi trồng trên chân đất pha sét, có bờ bao và đƣợc cung cấp nƣớc đầy đủ (Singh và ctv, 1997) [55]. Tuy nhiên, gạo sẽ thơm hơn nếu độ ẩm của đất gieo trồng giảm trong thời kỳ hạt chín (theo Sarkarung và ctv, 2000) [51].
Yoshihashi và ctv (2004) [75] cho rằng hàm lƣợng 2 – acetyl – 1 – pyrroline không chỉ bị ảnh hƣởng bởi yếu tố di truyền mà còn chịu tác động của các điều kiện ngoại cảnh: điều kiện sinh thái, cách gieo trồng. Do các điều kiện sinh thái nhƣ nƣớc tƣới, chất dinh dƣỡng trong đất ở các vùng khác nhau thì khác nhau nên hàm lƣợng 2 – AP trong gạo thơm giữa các vùng sẽ có sự khác biệt. Hàm lƣợng 2 – AP ở những vùng chủ động tƣới tiêu thấp hơn so với vùng lúa nƣớc trời.
2.5.3. Phân bón Phân đạm Phân đạm
Việc bón phân đạm sẽ tạo ảnh hƣởng bất lợi đối với chất lƣợng mùi thơm. Lƣợng phân đạm trong đất thấp sẽ gia tăng hàm lƣợng chất thơm trong hạt gạo (Suwanarit và ctv, 1996) [61].
Bón phân thúc làm tăng hàm lƣợng protein, nhƣng lại giảm mùi vị của cơm gạo. Bón phân đạm ở giai đoạn phân hóa đòng có thể không tạo nên sự thay đổi hàm lƣợng protein, nhƣng vẫn làm giảm mùi vị của cơm (Singh, 1997) [55].
Phân kali
Phân kali có ảnh hƣởng tích cực đến chất lƣợng xay xát và hƣơng vị của cơm gạo. Nếu bón nhiều kali sẽ làm tăng mùi thơm và góp phần làm gạo sáng hơn, nhƣng độ mềm cơm giảm (Suwanrit và ctv, 1997b) [62].
Nguyên tố đa lƣợng S
Việc bổ sung lƣu huỳnh vào đất thiếu lƣu huỳnh sẽ góp phần tăng chất lƣợng mùi thơm của cơm gạo. Tuy nhiên, nếu lạm dụng quá mức sẽ gây tác dụng ngƣợc đến mùi vị của cơm gạo (Singh và ctv, 2000) [57].
2.5.4. Tập quán gieo trồng
Các tập quán gieo trồng nhƣ phƣơng pháp chuẩn bị đất, cách gieo trồng, thời gian cấy và thời vụ thu hoạch có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng và hàm lƣợng chất thơm của gạo thơm (Canellas và ctv, 1997) [22]. Theo Singh và ctv (1998) [56], gạo sẽ cho chất lƣợng mùi thơm cao hơn khi xạ thẳng. Bên cạnh đó, thời vụ thu hoạch cũng ảnh hƣởng đến tính thơm của gạo. Nếu thu hoạch muộn sẽ làm giảm mùi vị của cơm gạo. Nguyên nhân của ảnh hƣởng này là do hiện tƣợng thoái hóa hoặc thay đổi các thành phần trong hạt dƣới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, côn trùng và vi sinh vật gây hại (Rahim và ctv, 1995) [48].
2.5.5. Cách bảo quản và xay xát
Ở hầu hết các quốc gia, gạo thƣờng đƣợc bảo quản và vận chuyển ở dạng chƣa xay xát. Theo Daniels và ctv (1997) [25], bảo quản gạo trong điều kiện ẩm ƣớt trƣớc khi đem phơi khô sẽ ảnh hƣởng xấu đến đặc tính và mùi vị của cơm gạo.
Mặc dù chƣa có phƣơng pháp cụ thể nào để đánh giá ảnh hƣởng của việc xay xát đối với tính thơm của gạo đặc sản, nhƣng chắc chắn rằng việc xay xát có ảnh hƣởng mạnh mẽ đối với hàm lƣợng chất thơm. Theo các nông dân ở Tapovan (VP), chà xát gạo theo phƣơng pháp thủ công sẽ lƣu giữ đƣợc mùi thơm và chất lƣợng hạt gạo hơn so với việc sử dụng máy xay xát (Singh và ctv, 2000) [57].
Năm 2004, Wongpornchai và ctv [70] đã công bố cách xử lý sau thu hoạch tốt nhất là sấy hoặc phơi ở nhiệt độ 300C – 400C. Hơn nữa, thời gian lƣu trữ ngắn sẽ đảm bảo chất lƣợng mùi thơm tốt hơn so với bảo quản trong thời gian dài.
Bảng 2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến việc hình thành và lƣu giữ mùi thơm trong gạo thơm (nguồn Singh và ctv, 2000) [57]
Các yêu tố góp phần gia tăng chất lƣợng mùi thơm
Các yếu tố làm suy giảm chất lƣợng mùi thơm
Thời tiết mát mẻ trong thời kỳ ra hoa và hạt chín
Bón phân với liều lƣợng thích hợp Đất màu mỡ
Gieo hạt trực tiếp
Đất nhẹ, chân ruộng cao
Nhiệt độ tăng cao trong thời kỳ ra hoa và hạt chín
Phân bón chứa lƣợng urê quá cao Đất nghèo dinh dƣỡng
Trồng lúa theo hình thức gieo xạ Đất nặng
Độ ẩm trong đất thấp trong giai đoạn hạt chín
Xay xát thủ công
Thu hoạch muộn
Sử dụng máy móc trong giai đoạn xay xát lúa
2.6. PHƢƠNG PHÁP VI CHIẾT XUẤT TRÊN PHA RẮN (SPME) 2.6.1. Nguyên tắc [33] 2.6.1. Nguyên tắc [33]
SPME là 1 phƣơng pháp chiết xuất không cần sử dụng dung môi, đƣợc phát minh bởi Pawliszyn và cộng sự từ năm 1989. Phƣơng pháp này dựa trên cơ chế hấp phụ các chất hữu cơ cần phân tích từ pha nƣớc hoặc pha khí lên sợi silica đƣợc phủ các chất hấp phụ thích hợp nhƣ polydimethylsiloxan (PDMS), PDMS/DVB (divinyl