ợ g gạTÓM TẮT Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy, chế độ tôi ủ và điều kiện tồn trữ đến tỉ lệ nứt hạt, độ bền cơ học và tỉ lệ thu hồi gạo nguyên của ba giống gạo canh tá
Trang 1Phần 6 Tác động của ủ sau sấy và trong bảo quản đến đặc tính nứt và
chất lượng xát gạo
Trang 2ợ g gạ
TÓM TẮT
Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy, chế độ tôi ủ và điều kiện tồn trữ đến tỉ
lệ nứt hạt, độ bền cơ học và tỉ lệ thu hồi gạo nguyên của ba giống gạo canh tác ở Úc là Kyeema (gạo dài), Amaroo và Reiziq (gạo vừa) Sấy lúa hồi ẩm ở 40, 60, và 80 oC, sau đó ủ
0, 40, 80 và 120 phút Kết quả cho thấy công đoạn tôi ủ cải thiện tỉ lệ thu hồi gạo nguyên ít mặc dù độ chặt hạt tăng và tỉ lệ hạt nứt giảm khi thời gian sấy ủ kéo dài 80 – 120 phút Trong quá trình tồn trữ đến 4 tháng tại nhiệt độ 4, 20 và 38 oC, tất cả các thông số đo đạc như tỉ lệ hạt nứt, độ cứng, độ chặt, tỉ lệ thu hồi gạo nguyên, đặc tính hóa nhão đều có chiều hướng tăng Các lý tính của các mẫu gạo biến thiên đáng kể khi tồn trữ ở 38 oC Độ chặt hạt gạo nguyên vẹn gia tăng rõ rệt trong quá trình tồn trữ chứng tỏ có xảy ra hiện tượng già hóa vật lý khi bảo quản hạt gạo dưới nhiệt độ gương của gạo
GIỚI THIỆU
Quá trình ủ từ lâu được xem là một công đoạn hiệu quả để tối thiểu hóa gradient ẩm trong hạt
gạo khi sấy ở nhiệt độ cao (Cnossen et al 2003; Steffe and Singh 1980; Zhang et al 2003)
Bên cạnh tác động cân bằng ẩm, khái niệm trạng thái gương cũng được áp dụng để giải thích
hiện tượng nứt hạt trong quá trình sấy (Perdon et al 2000) Giả thuyết đưa ra là quá trình ủ
trên nhiệt độ hóa gương của gạo giúp giảm bớt các nội ứng lực tạo ra trong nhân hạt gạo, đặc
biệt là khi sấy gạo ở nhiệt độ cao (Cnossen et al 2003; Cnossen et al 2001; Iguaz et al 2006; Zhang et al 2003)
Trên nền tảng khái niệm chuyển hóa gương, đã có nhiều nghiên cứu giải thích tác động của
các điều kiện sấy ủ đến tỉ lệ thu hồi gạo nguyên (Cnossen và ctv 2003; Cnossen và ctv 2001; Iguaz và ctv 2006; Zhang và ctv 2003) Khi ứng dụng trạng thái gương để giải thích hiện
tượng nứt hạt gạo, có thể áp dụng hiện tượng phục hồi cấu trúc hay còn gọi là già hóa vật lý trong quá trình ủ Người ta biết rằng khi tồn trữ hạt hay còn gọi là tôi ủ (annealing) thì sẽ có hiện tượng già hóa Từ “già hóa” được sử dụng để đề cập đến các thay đổi lý, hóa sinh xảy ra trong quá trình bảo quản gạo dẫn đến các tác động mong muốn và không mong muốn
ồ
Trang 3có xu hướng ổn định tương đối với thời gian tồn trữ kéo dài (Hamaker 1994; Howell vàCogburn 2004) Cơ chế già hóa của gạo vẫn chưa xác định được và được diễn giải theo nhiều cách khác nhau mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu về đề tài này (Chrastil 1990; 1992; 1994;
Patindol và ctv 2005; Sowbhagya và Bhattacharya 2001) Mối liên hệ giữa biến thiên các hàm
lượng đạm tổng, tinh bột hay amylose và các thay đổi hóa lý và chức năng của gạo như các
đặc tính hóa nhão là không chặt chẽ (Chrastil 1990; 1992; 1994) Một nghiên cứu của Patindol
và ctv (2005) cho thấy già hóa gạo có thể liên hệ với tương tác giữa tinh bột và các cấu tử
không phải là tinh bột như các lipid Các tác giả này cũng tìm thấy sự thoái biến tinh bột ở mức độ phân tử làm giảm tỉ lệ amylose: amylopectin và cắt các mạch amylopectin trong quá trình tồn trữ gạo
Trên cơ sở khoa học polymer, các thay đổi hóa lý và chức năng của vật liệu thực phẩm vô định hình trong quá trình tồn trữ được xem là kết quả của hiện tượng già hóa vật lý hay phục hồi enthalpy do thực tế là sản phẩm thực phẩm thường được bảo quản/ủ ở nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ gương của chúng (Liu và ctv 2006) Khi tham khảo vấn đề này cho thấy khái niệm
già hóa vật lý/ phục hồi cấu trúc có thể ứng dụng để giải thích các thay đổi xảy ra trong quá trình tồn trữ Đã có một số nghiên cứu thực hiện chứng minh rằng quá trình già hóa ảnh
hưởng đến các đặc tính cơ học của tinh bột (Chung và Lim 2004; Lourdin và ctv 2002; Noel
và ctv 2005) Tinh bột là thành phần chính của hạt gạo, do đó tác động của quá trình già hóa
có thể đo đạc được qua các thay đổi về đặc trưng cơ học của gạo
Vì vậy, việc khảo sát hiện tượng này trong quá trình ủ sau sấy trên mẫu lúa tươi sấy khô là cần thiết Khảo sát tác động của quá trình ủ sau sấy ở nhiệt độ lớn hơn và nhỏ hơn nhiệt độ gương của gạo đến độ bền cơ học và liên hệ với tỉ lệ nứt gãy và chất lượng xát sẽ cung cấp nhiều thông tin giá trị để hiểu rõ cơ chế nứt gãy của hạt gạo Mục đích của nghiên cứu này là (i) khảo sát ảnh hưởng của quá trình sấy và ủ sau sấy ở nhiệt độ trên và dưới nhiệt độ gương của gạo lên độ bền cơ học, tỉ lệ nứt hạt và chất lượng xát; (ii) khảo sát các thay đổi đặc trưng
cơ học và chất lượng xát của gạo trong quá trình bảo quản Các nghiên cứu này thực hiện trên các giống gạo Úc
Trang 4Thí nghiệm này sử dụng ba giống gạo Úc là Kyeema, Amaroo và Reiziq do New South Wales Department of Primary Industries (Yanco, NSW 2703, Australia) cung cấp trong tháng 08 năm 2007 ở dạng lúa khô Lúa có độ ẩm ban đầu 11.2 - 11.6 % được bảo quản kín tại nhiệt độ phòng
Để thực hiện các thí nghiệm sấy và ủ sau sấy, ngâm lúa đến độ ẩm mong muốn (24-27 % cơ
sở ướt) như hàm ẩm của lúa gặt tươi Lúa ngâm sau khi làm ráo được trữ trong bao nhựa kín ở nhiệt độ lạnh (4 oC) trong 4 ngày để cân bằng ẩm trong khối hạt Trước khi sấy, mẫu gạo được cân bằng tại nhiệt độ phòng Độ ẩm lúa gạo trong thí nghiệm này được xác định bằng cách sấy kiệt 5-10 g lúa gạo trong tủ sấy ở chế độ 130 oC trong 17 giờ (Jindal & Siebenmorgen 1987)
Độ ẩm được biểu diễn ở dạng cơ sở ướt
Thí nghiệm sấy và ủ sau sấy
Thực hiện thí nghiệm sơ bộ để xác định tốc độ sấy lớp mỏng lúa Lúa đã hồi ẩm của mỗi giống được đem sấy lớp mỏng (dày 1 cm) trong tủ sấy (Thermoline Dehydrating Oven No.TD-36T-1-D Special, Thermoline Scientific Pty Ltd, Australia) ở ba chế độ sấy 40 oC-25
%RH, 60 oC-20 %RH, 80 oC-16 %RH Vận tốc gió là 0.75 m/s Điều kiện sấy được kiểm soát
và theo dõi qua các bộ điều nhiệt, tốc độ gió và ẩm độ tương đối (Eurotherm 3216, Thermoline Scientific Pty Ltd, Australia) Xác định ẩm độ lúa sau mỗi 30 phút sấy Sử dụng
số liệu ẩm độ thay đổi theo thời gian sấy để tính toán phương trình sấy lớp mỏng thực nghiệm trên cơ sở phương trình Page (trích dẫn bởi Hall 1980) như sau:
)
exp( kt M
M
M M
e i
Trong đó M t là ẩm độ của gạo tại thời gian sấy bất kỳ t, M e là ẩm độ cân bằng của gạo, M i là
ẩm độ ban đầu của gạo, t là thời gian sấy và k là hằng số sấy Giá trị M e được xác định dựa vào phương trình Chung-Pfost cải tiến (1967) như sau:
Trong đó M e là ẩm độ cân bằng của hạt (thập phân, cơ sở ướt), RH là độ ẩm tương đối của không khí cân bằng với hạt (thập phân), T là nhiệt độ không khí (oC), A, B, và C là hằng số riêng biệt cho hạt trong điều kiện xem xét (phi thứ nguyên) Đối với lúa, giá trị A, B, và C lần
Trang 5ẩm tương đối (RH, thập phân):
% RH Sự thay đổi ẩm độ trong quá trình tôi/ủ là rất ít do sai biệt ẩm độ đo được trước và sau
ủ của tất cả các loại gạo là 0.5 % Ẩm độ cuối của các mẫu gạo tương đương nhau nhằm tối thiểu hóa ảnh hưởng của ẩm độ đến việc đo độ bền cơ học của mẫu gạo sau đó Các mẫu gạo được đóng kín trong bao nhựa, trữ tại nhiệt độ phòng từ 2-3 ngày trước khi xác định phần trăm nứt gãy, độ cứng cơ học và tỉ lệ thu hồi gạo nguyên (TLTH) Ẩm độ cuối của các mẫu sấy là 13±0.5 % cơ sở ướt Sấy lớp mỏng khoảng 200 g lúa ở 35 oC trong 16 giờ xuống ẩm độ
14 % cơ sở ướt để làm mẫu đối chứng Lặp lại ba lần tất cả các đo đạc trong thí nghiệm này
Tổng nghiệm thức sấy và ủ là 108 (3 giống gạo * 3 nhiệt độ sấy * 4 thời gian tôi ủ * 3 lần lặp lại)
Trang 6Phép đo uốn ba điểm (Three-point bending test) được sử dụng để đo độ bền cơ học (độ cứng
và độ chặt) của từng hạt gạo lức nguyên vẹn Trong phép đo này, công cụ đo được phát kiến tại trường Đại học Queensland (Úc) gồm có một đĩa chứa mẫu với nhiều kích cỡ khác nhau Mỗi khoang chứa mẫu sâu 2.0 mm và dài 9.0 mm Chiều rộng của khoang chứa mẫu là 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 và 4.0 mm Đầu đo là một mảnh thép không rỉ có kích thước dày x rộng x dài là 1
x 32 x111 mm Điểm cuối của đầu đo được mài cùn để giảm hiệu ứng cắt vốn dẫn đến sai số
trong khi đo Đầu đo này được gắn vào máy đo cấu trúc TA-XTplus (Micro Stable Systems
Co., Anh quốc)
Phép đo được thực hiện ở chế độ nén Vận tốc trước đo, đo và sau đo lần lượt là 1 mm/s, 2 mm/s, và 10 mm/s Lực phá vỡ (N) là lực tối đa để làm gãy hạt và độ cứng (N/mm là độ dốc của đường cong lực-khoảng cách) trên 50 hạt gạo lức nguyên vẹn cho mỗi nghiệm thức Các giá trị này được truy xuất bằng phần mềm Texture Exponent (Micro Stable Systems Co., Anh quốc)
Thí nghiệm tồn trữ
Các điều kiện sấy tôi ủ tối ưu cho mỗi giống gạo cho kết quả TLTH cao nhất được lựa chọn
để làm thông số nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tôi ủ trong giai đoạn tồn trữ tiếp theo Để giảm số lượng nghiệm thức, chỉ lựa chọn nhiệt độ sấy 40 oC và 80 oC trong khảo sát ảnh hưởng của quá trình tồn trữ ở các nhiệt độ khác nhau lên các tính chất của hạt Mẫu gạo sấy được chuẩn bị như đã mô tả trong phần trên Mẫu sấy được chia thành các lô nhỏ 150 g bao gói trong túi nhựa kín cho mỗi nghiệm thức và được trữ trong tủ mát, tủ ấm tại ba mức nhiệt
độ (4, 20, 38 oC) cho đến 4 tháng như liệt kê trong Bảng 1 Tổng số lượng nghiệm thức là 180
(3 giống gạo * 2 nhiệt độ sấy * 3 thời gian sấy * 5 thời gian tồn trữ * 2 lần lặp lại) Mỗi
tháng, lấy gạo trong tủ bảo quản, cân bằng với nhiệt độ môi trường và đem đi đo đạc các chỉ tiêu tỉ lệ hạt nứt gãy, độ bền cơ học, tỉ lệ thu hồi gạo nguyên và đặc tính hóa nhão
Bảng 1 Điều kiện thí nghiệm tồn trữ
Yếu tố ảnh hưởng Mức
yếu tố
Mức giá trị
Trang 780 C/ ủ 120 phút (Amaroo & Reiziq)
Thời gian tồn trữ 5 0, 1, 2, 3, 4 tháng
Phân tích
Tỉ lệ thu hồi gạo nguyên
Khoảng 100 g lúa được chà xát bằng hệ thống xay xát mẫu trong phòng thí nghiệm trong 60 giây Gạo nguyên được phân riêng khỏi gạo tấm để xác định tỉ lệ thu hồi gạo nguyên là tỉ lệ của khối lượng gạo còn nguyên vẹn trên khối lượng của lúa được chà xát Gạo nguyên là gạo sau xát có chiều dài lớn hơn 75% chiều dài ban đầu
Trang 80 50 100 150 200 250
SB
BD
Hình 1 Đồ thị biểu diễn đặc tính hóa nhão của gạo đo bằng nhớt kế nhanh RVA
PT: nhiệt độ hóa nhão; PV: độ nhớt đỉnh; BD: độ nhớt break down; TV: độ nhớt đáy; FV: độ nhớt cuối và SB: độ nhớt setback
Xử lý số liệu
Số liệu được xử lý bằng phần mềm Minitab Release 14 (Minitab Co., USA) với qui trình Phân tích phương sai (ANOVA) của GLM (General Linear Model) và DOE (Design of Experiment) Trong các thí nghiệm tồn trữ, sử dụng phân tích phương sai của dạng split-plot của các đo đạc lặp lại Các nghiệm thức được xem là khác nhau có ý nghĩa khi P<0.05
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Đặc tính hóa lý của các mẫu gạo
Bảng 2 trình bày đặc tính hóa lý của các giống gạo Kyeema, Amaroo và Reiziq Ba giống gạo khác biệt nhau đáng kể về kích thước và các thành phần hóa học (P<0.05) Dựa vào phân loại của Juliano (1998), giống Kyeema có thể xếp vào nhóm gạo dài trong khi Amaroo và Reiziq thuộc nhóm gạo vừa Là giống gạo dài nên bề dày của hạt gạo Kyeema nhỏ hơn Amaroo và Reiziq, hai giống này có bề dày hạt như nhau Hàm lượng amylose biểu kiến của các giống gạo khác biệt nhau về mặt thống kê (16.1 – 18.6 %) tuy cùng chung nhóm trung bình Hàm lượng protein và độ kết tinh của Kyeema và Amaroo là tương đương tuy thấp hơn Reziq
Bảng 2 Đặc trưng hóa lý của ba giống gạo
Trang 9Độ kết tinh (% cơ sở khô)* 26.10±0.90 a 27.55±0.81 a 29.12±0.76 b
§ đo trên gạo lức; * phân tích trên bột gạo Tất cả số liệu biểu diễn dưới dạng giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn Các chữ cái trên cùng một hàng giống nhau chứng tỏ các giá trị khác biệt nhau không đáng kể với P>0.05
Xác định tốc độ sấy
Hình 2 biểu diễn đường cong sấy mô phỏng tính toán được từ phương trình thực nghiệm [4]
và số liệu thí nghiệm Phương trình thực nghiệm mô tả tốt số liệu thực nghiệm trên cơ sở đánh
giá hệ số tương quan là R 2 = 0.98 Vì vậy, sử dụng phương trình [4] để dự đoán ẩm độ khối hạt
tại các nhiệt độ sấy và ẩm độ tương đối khác nhau như minh họa trong Hình 3
Trang 10Hình 3 Ẩm độ lúa sấy dự tính tại các nhiệt độ sấy và ẩm độ tương đối khác nhau
Ảnh hưởng của chế độ sấy và ủ sau sấy đến tỉ lệ nứt gãy hạt, độ bền cơ học và chất lượng xát của gạo
Nhiệt độ sấy, thời gian ủ và tương tác giữa chúng có tác động đáng kể đến tỉ lệ nứt gãy hạt, độ
bền cơ học và chất lượng xát của cả ba giống gạo (P<0.05)
Tỉ lệ nứt gãy hạt
Khảo sát tỉ lệ nứt gãy hạt của tất cả các nghiệm thức sau mỗi nhiệt độ sấy và thời gian ủ Trong mỗi giống gạo, tỉ lệ nứt hạt có xu hướng tăng với nhiệt độ sấy tăng (Bảng 3) Do không được ủ, quá trình sấy gây ra nội ứng suất dẫn đến hạt gạo bị nứt sau sấy Mức độ nứt hạt giảm đáng kể khi thời gian ủ tăng đến 2 giờ Ví dụ, ở nhiệt độ sấy 60 oC, ủ gạo trong 40 phút làm giảm tỉ lệ hạt nứt gãy 7% (so với các mẫu gạo không ủ) đối với giống Kyeema và Reziq, trong khi tỉ lệ hạt nứt gãy giảm ở giống Amaroo là 13 % Bảng 3 cũng cho thấy ở nhiệt độ sấy 40
oC, tốc độ sấy thấp nên không gây ra các ảnh hưởng xấu đến tỉ lệ nứt hạt (P>0.05) Vì vậy ủ ở nhiệt độ này không có lợi ích vì cấu trúc vô định hình của gạo đã hoàn toàn phục hồi và ở trạng thái gương
Bảng 3 Tỉ lệ thu hồi gạo nguyên và tỉ lệ hạt nứt của ba giống gạo ở các nhiệt độ sấy và thời gian ủ khác nhau
Trang 110 40 80 120 Annealing time, min
Trang 120 40 80 120 Annealing time, min
Trang 13phút ở cả ba giống gạo (Hình 4) Độ chặt của cả ba giống gạo trong khoảng 191- 200 N/mm cao hơn độ chặt của các mẫu không ủ (176 – 184 N/mm) Độ cứng của cả ba giống gạo không đổi khi mẫu gạo được sấy ở nhiệt độ 40 oC Độ cứng của Kyeema và Reiziq (lần lượt khoảng
38 N và 57 N) được duy trì trong 80 phút ủ đầu tiên sau khi đã được sấy ở 60 và 80 oC Kết thúc quá trình ủ sau 120 phút, độ cứng của các giống gạo này tăng ít Độ cứng nhân gạo của giống Amaroo tại hai nhiệt độ sấy 60 oC và 80 oC tăng ít sau khi ủ 80 phút và không đổi khi tiếp tục ủ
Bảng 4 Thông số bền cơ học trung bình (độ cứng và độ chặt) của gạo sấy lớp mỏng tại các nhiệt độ sấy thấp, trung bình, và cao của ba giống gạo
Các chữ cái trong cùng một cột giống nhau chứng tỏ các giá trị khác biệt nhau không đáng kể với P>0.05
Bảng 5 Thông số bền cơ học trung bình (độ cứng và độ chặt) của gạo tại các thời gian tôi ủ khác nhau sau khi qua sấy lớp mỏng 40, 60 và 80 o C
Các chữ cái trong cùng một cột giống nhau chứng tỏ các giá trị khác biệt nhau không đáng kể với P>0.05
Nghiên cứu độ bền cơ học của gạo tại các điều kiện sấy và ủ khác nhau chứng minh được vai trò quan trọng của công đoạn ủ để cải thiện lý tính của nhân gạo Cả độ cứng và độ chặt của gạo sấy ở 60 và 80 oC và ủ 120 phút trên nhiệt độ gương của gạo (khoảng 55 oC) được cải
Trang 14bột sắp xếp lại Trong khi quá trình ủ ngăn ngừa hiện tượng nứt gãy hạt, quá trình tôi ủ sau sấy giúp hạt bền hơn nhờ quá trình mật độ hóa nội cấu trúc phản ánh qua sự gia tăng độ bền
cơ học của gạo Độ bền cơ học của gạo sấy ở 40 oC ổn định cho thấy dưới nhiệt độ gương của gạo, chuyển động phân tử trong cấu trúc vô định hình bị giới hạn ở trạng thái gương Kết quả cũng cho thấy giá trị độ cứng của hạt gạo dài Kyeema thấp hơn các giống gạo vừa trong khi
độ chặt của các nhân gạo nguyên vẹn của cả ba giống gạo không khác biệt nhau Kyeema có giá trị độ cứng thấp có thể là do bề dày hạt thấp hơn so với hai giống gạo còn lại (Bảng 2)
Tỉ lệ thu hồi gạo nguyên
Nhìn chung, TLTH gạo nguyên của ba giống gạo giảm với nhiệt độ sấy tăng Chế độ sấy dịu ở
40 oC bảo toàn được TLTH gạo nguyên như mẫu đối chứng ở cả ba giống gạo (Bảng 3) Nhiệt
độ sấy cao như ở thí nghiệm này (60 và 80 oC) gây ra tốc độ sấy cao Tỉ lệ thu hồi gạo nguyên giảm do các gradient ẩm tạo ra các vết nứt trong hạt Như trình bày trong Bảng 3, TLTH gạo nguyên tăng với thời gian ủ tăng TLTH gạo nguyên tăng từ 8 đến 22 % sau 40 phút ủ sau khi sấy ở nhiệt độ 60 và 80 oC so với các mẫu gạo không qua ủ ở cùng nhiệt độ sấy Kéo dài thời gian sấy đến 120 phút có ích hơn cho các hạt gạo vừa Ví dụ, TLTH của các giống Amaroo
và Reiziq ở nhiệt độ sấy 60 oC lần lượt tăng 8.6 % và 10 % (so với mẫu gạo ủ sau 40 phút) Các mẫu gạo Amaroo và Reiziq sấy ở 80 oC cũng có chiều hướng như vậy Tỉ lệ thu hồi gạo nguyên của giống Amaroo tăng 5.4 % và giống Reiziq tăng 13 % khi thời gian ủ lâu hơn (120 phút) so với chỉ ủ 40 phút
Phân tích hệ số tương quan Pearson cho thấy tỉ lệ thu hồi gạo nguyên tăng khi tỉ lệ hạt gãy nứt giảm (Bảng 3) Tỉ lệ hạt nứt gãy tương quan nghịch với TLTH gạo nguyên với hệ số tương quan Pearson của ba giống gạo là -0.79 (Kyeema), -0.82 (Amaroo) và -0.71 (Reiziq) Tại thời gian ủ vừa phải (40, 80 phút) mặc dù tỉ lệ hạt nứt gãy giảm đáng kể theo thời gian ủ nhưng TLTH chỉ cải thiện một ít Kết quả này chứng tỏ không phải tất cả các hạt nứt sẽ bị gãy trong công đoạn xát Tuy nhiên, khi thời gian ủ lâu hơn nữa (120 phút) TLTH gạo nguyên nhìn chung là được cải thiện
Một quan sát trong kết quả thu nhận được ở thí nghiệm này là giống Amaroo có tỉ lệ hạt nứt gãy cao nhất giữa ba giống gạo khảo sát, tuy nhiên TLTH cao hơn Reiziq 10 % và tương đương với TLTH của Kyeema Điều này chứng tỏ giống Amaroo kháng nứt vỡ hơn và phản ánh mỗi giống có đặc tính nứt khác nhau dù Amaroo và Reiziq có kích thước tương đương
