5. Những điểm mới của luận án
1.1.5. Một số giống khoai phổ biế nở Việt Nam
(1) Khoai lang Hoàng Long
Khoai lang Hoàng Long là giống nhập nội từ Trung Quốc có tên là Tương bần số 59. Năm 1960, KS. Quách Ngọc Ân - Cục Trồng trọt đã khảo nghiệm tại huyện Hoàng Long (nay là huyện Gia Viễn và huyện Nho Quan), Ninh Bình. Cho đến nay, do sở hữu nhiều đặc tính quý, khoai lang Hoàng Long đang được trồng phổ biến ở nhiều vùng sản xuất trên cả nước.
Đặc điểm thực vật: khoai lang Hoàng Long có thân dài, bò trải, màu tím; lá hình tim, màu xanh, lá ngọn có màu xanh tím; vỏ củ màu hồng nhạt, ruột củ màu vàng, bở. Thời gian sinh trưởng: Vụ Xuân 100 - 120 ngày, vụ Đông 90 đến 100 ngày. Năng suất trung bình đạt 10 - 12 tấn/ha, thích hợp với đất pha cát nhẹ. Củ khoai lang Hoàng Long chứa hàm lượng chất khô đạt 29,22%; hàm lượng tinh bột đạt 25,10%; hàm lượng đường tổng số đạt 21,67% (Hình 1.3) [38].
Giống Hoàng Long cho tỷ lệ củ thương phẩm cao. Tuy nhiên khả năng chịu rét kém, hay bị sùng hà [39].
(2) Khoai lang Hưng Lộc 4 (HL4)
HL4 là giống khoai lang phổ biến ở vùng Đông Nam Bộ, có nguồn gốc Việt Nam. HL4 được chọn lọc từ tổ hợp lai 3 (Gạo x Bí Đà Lạt) x Tai Nung 57 bởi Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Hưng Lộc, Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam [39].
Bộ Nông nghiệp và PTNT công nhận giống năm 1987. Thời gian sinh trưởng vụ Xuân 85 - 95 ngày; vụ Hè Thu và Thu Đông 90 đến 95 ngày; vụ Đông 80 đến 90 ngày. Năng suất củ tươi 18 – 33 tấn/ ha, thâm canh có thể đạt 230 tạ/ha. Giống HL4 có thân chính dài trung bình (110 cm), màu xanh. Lá chia thùy (3 - 5 khía nông)
8
màu xanh, gân trên màu xanh, gân dưới màu tím. Tỷ lệ chất khô củ đạt 27-30%, chất lượng củ luộc khá, vỏ củ màu đỏ, thịt củ màu cam đậm, dạng củ đẹp, dây xanh phủ luống gọn, mức độ nhiễm sùng hà trung bình, nhiễm nhẹ sâu đục dây (Hình 1.3) [40].
(3) Khoai lang Nhật đỏ (HL518)
Giống HL518 do Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc chọn tạo và giới thiệu từ tổ hợp Kokey 14 polycross nguồn gốc Nhật Bản = CIP92031 = HL518. Giống đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn công nhận giống năm 1997. Hiện giống được sản xuất phổ biến ở các tỉnh phía Nam và có mặt nhiều tại các siêu thị.
Thời gian sinh trưởng của giống HL518 thường khoảng 95 đến 110 ngày. Năng suất củ tươi đạt 17-32 tấn/ha, tỷ lệ chất khô 27-30%, chất lượng củ luộc ngon, vỏ củ màu đỏ đậm, thịt củ màu cam đậm, dạng củ đều đẹp, dây xanh tím, nhiễm nhẹ sùng, hà và sâu đục dây (Hình 1.3) [40].
(4) Khoai lang Nhật vàng (Kokey 14)
Giống Kokey 14 có nguồn gốc Nhật Bản do Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc nhập nội năm 1997 từ Công ty FSA. Giống được tuyển chọn và giới thiệu năm 2002, hiện là giống phổ biến trong sản xuất ở các tỉnh Nam Bộ.
Thời gian sinh trưởng của giống Nhật vàng trung bình 110 đến 120 ngày. Năng suất củ tươi 15 - 34 tấn/ha; tỷ lệ chất khô 29 - 31%, chất lượng củ luộc ngon, vỏ củ màu đỏ, thịt củ màu vàng cam, dạng củ đều đẹp, dây xanh, nhiễm nhẹ sùng (Cylas formicariu), sâu đục dây (Omphisia anastoMOalis), virus xoăn lá (feathery mottle virus), bệnh đốm lá (Cercospora sp), bệnh ghẻ (scab) và hà khoai lang (Condorus
sp) (Hình 1.3). [40].
(5) Khoai lang Nhật tím (HL491)
Giống HL491 do Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc chọn tạo và giới thiệu từ tổ hợp Murasa Kimasari polycross nguồn gốc Nhật Bản CN76-2 CIP/AVRDC. Giống đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn công nhận giống năm 1997 và hiện nay được trồng phổ biến ở các tỉnh phía Nam.
Giống khoai Nhật tím có thời gian sinh trưởng 95 đến 110 ngày. Năng suất củ tươi: 15-27 tấn/ha, tỷ lệ chất khô 27- 31%, chất lượng củ luộc khá, vỏ củ màu tía, thịt củ màu tím đậm, dạng củ đều đẹp, dây xanh tím, nhiễm nhẹ sùng, hà và sâu đục dây (Hình 1.3) [40].
(6) Khoai lang Nhật tím 1 (Murasa Kimasari)
Giống Murasa Kimasari có nguồn gốc Nhật Bản, do Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc nhập nội năm 1994 từ Công ty FSA. Giống tuyển chọn và giới thiệu năm 2002, hiện được trồng ở vùng đồng bằng sông Cửu Long.
Thời gian sinh trưởng nằm trong khoảng 105 đến 110 ngày. Năng suất củ tươi: 10 - 22 tấn/ha, tỷ lệ chất khô 27-30%, chất lượng củ luộc khá ngon, vỏ củ màu tím
9
sẫm, thịt củ màu tím đậm, dạng củ đều đẹp, dây tím xanh, nhiễm nhẹ sùng và sâu đục dây (Hình 1.3) [40].
(7) Khoai lang Nhật trắng (HL284)
HL284 thuộc nhóm giống khoai lang tỷ lệ chất khô cao, nhiều bột. Nguồn gốc AVRDC (Đài Loan) /Nhật Bản. Giống do Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc nhập nội, tuyển chọn và đề nghị khảo nghiệm năm 2000. Thời gian sinh trưởng 90-105 ngày. Năng suất củ tươi 18 – 29 tấn/ ha, tỷ lệ chất khô 28-31%, chất lượng củ luộc khá, độ bột nhiều hơn độ dẻo, vỏ củ màu trắng, thịt củ màu trắng kem, dạng củ đều, dây xanh, nhiễm sùng và sâu đục dây trung bình (Hình 1.3) [40].
(8) Khoai lang KB1
KB1 là giống khoai lang hiện đang phát triển ở vùng đồng bằng sông Hồng. Được chọn lọc từ tổ hợp lai tự nhiên của giống mẹ Regal có nguồn gốc từ Mỹ do Viện Cây Lương thực Cây Thực phẩm tuyển chọn và giới thiệu. Bộ Nông nghiệp và PTNT đã công nhận giống năm 2002. Khoai lang KB1 có thời gian sinh trưởng 100 - 130 ngày, năng suất củ tươi 22 – 32 tấn/ha, tỷ lệ chất khô 27-29%. Chất lượng củ tương đương Hoàng Long, vỏ củ màu hồng cam, thịt củ màu cam đậm, dạng củ hơi tròn, dây xanh, ngọn tím, nhiễm sùng và sâu đục dây trung bình (Hình 1.3) [39].
Hình 1.3: Các giống khoai lang phổ biến được tại Việt Nam
(a. Khoai lang Hoàng Long; b. Khoai lang Hưng Lộc 4; c. Khoai lang Nhật đỏ; d. Khoai lang Nhật tím; e. Khoai lang Nhật trắng; f. Khoai lang KB1)
1.2. Tổng quan về tinh bột khoai lang
1.2.1. Hình dạng và kích thước của hạt tinh bột khoai lang
Tinh bột khoai lang có hình đa giác hoặc hình tròn, một phần hình bầu dục và hình chuông, với kích thước nằm trong khoảng 2 - 42 µm, một số tinh bột khoai lang Pháp có kích thước nằm trong khoảng 4 - 40 µm, trong khi một số giống Hàn Quốc có kích thước 14 - 30 µm [41]. Hình dạng tinh bột một số giống khoai Việt
10
Nam được quan sát bởi nhóm tác giả Bảo Ngọc cùng cộng sự (2017) [5] có hình tròn và hình đa giác, với kích thước nhỏ hơn 50 µm (Hình 1.4).
Hình 1.4. Hình ảnh SEM của tinh bột một số giống khoai lang Việt Nam. WSPS: tinh bột khoai lang trắng, YSPS: tinh bột khoai lang vàng và PSPS: tinh bột khoai lang tím [5]
Các loại tinh bột khoai lang khác nhau có kích thước hạt khác nhau, và kích thước hạt của chúng cũng tăng dần theo sự phát triển và trưởng thành của cây khoai lang [42]. Ngoài ra, độ trương nở, độ hòa tan và khả năng tiêu hóa cũng bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt tinh bột khoai lang. Các hạt tinh bột lớn có khả năng trương nở và độ hòa tan lớn hơn, tuy nhiên khả năng tiêu hóa giảm đáng kể [43].
1.2.2. Cấu trúc của tinh bột khoai lang
Hạt tinh bột có đặc tính lưỡng chiết được quan sát dưới kính hiển vi phân cực, cho thấy sự có mặt của cấu trúc tinh thể và sự sắp xếp xuyên tâm của các phân tử trong hạt tinh bột [44]. Tinh bột có cấu trúc bán tinh thể, bao gồm hai phần kết tinh và vô định hình. Vùng vô định hình tương ứng với vùng điểm nhánh của phân tử amylopectin, trong khi vùng tinh thể được tạo thành từ cụm các chuỗi amylopectin (Hình 1.5) [45]. Các cụm amylopectin này (vùng tinh thể) được hình thành nhờ tương tác xoắn kép giữa các chuỗi mạch nhánh amylopectin liền kề và hình thành tính chất bán tinh thể của hạt tinh bột. Thêm vào đó, amylose chủ yếu tạo nên các vùng vô định hình được phân bố ngẫu nhiên giữa các nhóm amylopectin. Lớp vô định hình phân tách các tinh thể với nhau [46].
Hạt tinh bột bao gồm hai polysaccharide chính là amylose và amylopectin. Cả hai được cấu tạo từ chuỗi gốc D-glucose liên kết α- 1,4 glycosidic, chúng liên kết với nhau thông qua liên kết α- 1,6 glycosidic và hình thành các nhánh trong phân tử polyme [47]. Trong đó, amylopectin là một phân tử phân nhánh lớn và là thành phần chính trong hầu hết các loại tinh bột (chiếm khoảng 70 - 80%). Tỷ lệ phần trăm của liên kết α- 1,6 glycosidic trong amylopectin khoảng 4–6% [48]. Amylose chiếm phần nhỏ trong các hạt tinh bột, được định nghĩa là một phân tử tuyến tính của α- D- glucose liên kết α- 1,4 glycosidic, một số điểm trên mạch amylose có chứa nhánh với tỷ lệ thấp liên kết α- 1,6 glycosidic thấp (nhỏ hơn 1%). Sự hiện diện của các nhánh không làm thay đổi tính chất của chuỗi amylose so với chuỗi amylose tuyến tính nghiêm ngặt [49].
Dựa trên phân tích nhiễu xạ tia X, tinh bột tự nhiên được phân loại thành 3 loại A, B và C thể hiện sự khác biệt về cách sắp xếp và chiều dài của các chuỗi amylopectin. Tinh bột khoai lang thường được phát hiện với cấu trúc loại A và một số thuộc loại C [50]. Mạch nhánh phân tử amylopectin ngắn có mặt nhiều trong tinh
11
bột loại A, ngược lại, mạch nhánh amylopectin dài ưu tiên hình thành các cấu trúc kiểu B [51]. Các tinh bột có kiểu tinh thể A dễ bị tấn công bởi enzyme α-amylase hơn so với kiểu tinh thể B [52].
Hình 1.5. Cấu trúc kiểu A và kiểu B của tinh bột
(1) Amylose
Các phân tử amylose bao gồm các chuỗi đơn với 500 đến 20000 đơn vị glucose, rất ít nhánh và các nhóm photphate liên kết được tìm thấy [53]. Hàm lượng của amylose có tác động lớn tới tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của tinh bột [54]. Phần lớn amylose thuộc phần vô định hình trong hạt và tương tác với các chuỗi amylopectin làm hạn chế quá trình trương nở. Trong quá trình làm nguội hồ tinh bột, amylose trong dịch nhanh chóng bị kết tụ lại bằng liên kết hydro. Quá trình tái liên kết của amylose gây ra độ nhớt và thoái hóa ngắn hạn [54]. Hàm lượng amylose cũng có liên quan tới độ nhạy của enzyme, thông số hồ hóa và nhiệt, cũng như tính chất trương nở và hòa tan của tinh bột khoai lang [58].
Hình 1.6. Một đoạn trisaccharide của phân tử amylose
Mức độ trùng hợp của amylose trong tinh bột khoai lang trong khoảng 3025 đến 4100 [54]. Có nhiều nghiên cứu về trọng lượng phân tử của amylose trong tinh bột khoai lang. Theo đó, trọng lượng phân tử trung bình của amylose tinh bột khoai lang Uganda dao động từ 367.000 đến 521.000 [58]), tinh bột khoai lang Indonesia có trọng lượng phân từ từ 83.000 đến 141.000 [59].
12
(2) Amylopectin
Trọng lượng phân tử của amylopectin khoai lang khoảng 1,77.108. Độ trùng hợp (DP) trung bình là 9900, trong đó DP của amylopectin lớn, trung bình và nhỏ được ước tính lần lượt là 19200, 5400 và 900 [60].Cấu trúc amylopectin phức tạp hơn nhiều so với amylose do chứa từ 4% đến 5% α- 1,6 glycosidic hình thành các nhánh trong phân tử. Cấu trúc amylopectin được phân loại thành ba loại chuỗi mạch được ký hiệu là A, B và C với các đặc điểm xác định được thể hiện trên Hình 1.7. Đầu khử của chuỗi A liên kết với chuỗi B hoặc C thông qua liên kết α-1,6 glycosidic; chuỗi B liên kết với một hoặc nhiều chuỗi A, đầu khử của chuỗi B liên kết với chuỗi C thông qua liên kết α- 1,6 glycosidic; C là chuỗi mạch chính chứa nhóm khử duy nhất [41].
Amylopectin trong khoai lang có chiều dài trung bình từ 6 đến 45 gốc glucose trong một chuỗi nhánh. Trong đó, chiều dài chuỗi trung bình từ 6 đến 10, từ 11 đến 15, từ 16 đến 20, từ 21 đến 30 và từ 30 đến 45 đơn vị glucose có tỷ lệ tương ứng là 12,4% - 15,2%, 33,2% - 33,8%, 22,9% - 24,6%, 21,1% - 23,0% và 6,3% - 7,1% [58].
Hình 1.7. Cấu trúc amylopectin.
(A)Cấu trúc chung của amylopectin; (B) vùng vô định hình và kết tinh của cấu trúc amylopectin; (C) định hướng của các phân tử amylopectin trong mặt cắt ngang của một
hạt lý tưởng hóa; (D) cấu trúc xoắn kép tạo vùng kết tinh trong hạt tinh bột.
1.2.3. Tính chất của tinh bột khoai lang
(1) Tính hòa tan
Tinh bột ở điều kiện thường không tan trong nước, do vậy, nó tồn tại lượng lớn trong tế bào mà không ảnh hưởng tới áp suất thẩm thẩu. Amylose khi mới tách ra
13
khỏi hạt tinh bột có khả năng hòa tan tốt trong nước. Amylopectin có thể tan trong nước ấm. Khi phân tán trong môi trường cồn, tinh bột bị kết tủa [61].
Khả năng hòa tan trong nước của tinh bột khoai lang nằm trong khoảng từ 1,5% đến 13,65% với nhiệt độ 85°C [55], [62], [63]. Khả năng hòa tan của một số tinh bột khoai lang thương mại được sản xuất ở Peru đạt 28% [64]. Nhìn chung, tinh bột khoai lang có khả năng hòa tan thấp hơn tinh bột khoai tây và sắn khi cùng điều kiện nhiệt độ từ 60 đến 90oC [65] [43]. Khả năng hòa tan thấp hơn được giải thích do kích thước các hạt tinh bột khoai lang nhỏ hơn, liên kết trong hạt mạnh và phân tử chứa ít nhóm photphat hơn. Hàm lượng photpho nhỏ (0,02%) và chủ yếu ở dạng monoester photphat (0,02%) trong tinh bột khoai lang cũng ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và chức năng khác của tinh bột khoai lang [66].
Khi nhiệt độ tăng, khả năng hòa tan của tinh bột cũng tăng. Ở các khoảng nhiệt độ nằm dưới 60oC, độ hòa tan của tinh bột từ khoai lang từ các giống khác nhau là khác nhau nhưng không có sự khác biệt đáng kể. Tuy nhiên, khi nhiệt độ cao hơn 60oC, độ hòa tan có sự khác biệt rõ rệt [67].
(2) Khả năng trương nở
Một tính chất quan trọng của tinh bột quyết định đến chức năng của nó là khả năng hút nước, dẫn tới quá trình hồ hóa và phá vỡ cấu trúc hạt. Hiện tượng này gọi là sự trương nở của hạt tinh bột. Khả năng trương nở càng lớn thì khả năng hòa tan của tinh bột càng lớn.
Khả năng trương nở của tinh bột khoai lang kém hơn so với tinh bột khoai tây và sắn, khoảng 32,5 đến 50 ml/g, cho thấy lực nội phân tử khá mạnh [68]. Độ trương nở là khác nhau đối với tinh bột từ các giống khoai lang khác nhau và đối với tinh bột có cùng giống nhưng ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau [62].
Độ trương nở của tinh bột khoai lang bị ảnh hưởng bởi khối lượng phân tử và hình dạng phân tử của amylopectin. Càng nhiều amylopectin có chuỗi nhánh từ 6 đến 9 gốc glucose thì khả năng trương nở của hạt tinh bột càng lớn, trong khi càng nhiều amylopectin có chuối nhánh từ 12 đến 22 gốc glucose thì khả năng trương nở càng nhỏ [67]. Ngược lại, phân tử amylose và lipid lại có xu hướng làm chậm quá trình trương nở này [69].
(3) Sự hồ hóa
Khi đun nóng trong điều kiện có nước, tinh bột hấp thụ nước và trương nở. Ở điều kiện nhiệt độ dưới nhiệt độ hồ hóa, quá trình này là thuận nghịch nhờ cấu trúc bán tinh thể ổn định, độ hút nước thường nhỏ hơn 40%. Tiếp tục đun nóng, quá trình hấp thụ nước tiếp tục diễn ra, dẫn đến phá vỡ cấu trúc hạt và làm rối loạn tổ chức các chuỗi. Sự thay đổi này là bất thuận nghịch và được gọi là “hồ hóa” [41].
Hàm lượng nước, tỷ lệ giữa amylose và amylopectin, cấu trúc của amylose và amylopectin, sự có mặt của thành phần phụ (ví dụ: photpho và chất béo), môi trường (ví dụ: áp suất, tốc độ gia nhiệt) cũng ảnh hưởng lớn đến những thay đổi vật lý của tinh bột trong quá trình gia nhiệt [54], [70]. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa (nhiệt độ môi trường càng cao, nhiệt độ hồ
14
hóa càng cao) [71], [72]. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoai lang trong khoảng 58 đến 84°C [57].
Enthalpy hồ hóa của tinh bột khoai lang có liên quan đến thành phần