Tổng quan về lúa gạo

Luận văn tốt nghiệp Đại học SVTH: Nguyễn Bảo Hiệp Trang 1 Chương 1: Tổng quan tài liệu 1.1. TỔNG QUAN VỀ LÚA – GẠO [4],[7],[9],[10],[17],[18] 1.1.1. Giới thiệu về cây lúa Họ (Family) : Poaceae/Gramineae (Hoà thảo) Phân họ (Subfamily): Oryzoideae Tộc (Tribe) : Oryzeae Chi (Genus) : Oryza Loài (species) : Oryza Sativar L. Hình 1.1: Cây lúa Cây lúa thích hợp sinh trưởng ở nơi đầm lầy, khí hậu nhiệt đới, chịu ảnh hưởng của khí hậu gió mùa. Cây lúa được canh tác từ vĩ tuyến 400 phía nam bán cầu đến vĩ tuyến 530 của Bắc bán cầu, và được trồng từ mặt đất thấp hơn mặt nước biển cho đến độ cao 2000m trên măt biển. Trên thế giới có 20 loài lúa hoang và 2 loài lúa canh tác. Những loài lúa hoang sống rải rác nhiều nơi trên thế giới, gồm có: O. alta, O. australiensis, O. barthii, O. brachyantha, O. eichingeri, O. glumaepatula, O. grandiglumis, O. granulata, O. latifolia, O. longiglumis, O. longistaminata, O. meridionalis, O. meyeriana, O. minuta, O. nivara, O. officinalis, O. punctata, O. redleyi, O. rufipogon và O. schlechteri. Cây lúa hiện tại được canh tác đại trà để cung cấp lương thực cho GVHD: Th.s.Trần Thị Thu Trà Trang 2 Luận văn tốt nghiệp Đại học con người trên thế giới là Oryza sativa L. ở châu Á, có năng suất cao và được ưa chuộng. Giống lúa Oryza glaberrima Steud được canh tác ít hơn ở tây Châu Phi, có năng suất và chỉ số thu hoạch thấp hơn O. Satva. 1.1.2. Nguồn gốc cây lúa Người ta cho rằng tổ tiên của chi lúa Ozyza là một loài cây hoang dại trên siêu lục địa Gondwana cách nay ít nhất 130 triệu năm và phát tán rộng khắp các châu lục trong quá trình trôi dạt lục địa. Cây lúa trồng ngày nay là so sự tiến hóa liên tục của cây lúa dại dưới sự tác động của con người và thiên nhiên qua nhiều thiên niên kỷ. Dưới tác động của môi trường khắc nghiệt như khô hạn hoặc nhiệt độ thay đổi quá lớn hàng năm, một số giống lúa dại cổ sơ đã tiến hoá dần dần để thích ứng với điều kiện phong thổ địa phương. Hiện nay đã có hai loài lúa đã được thuần hoá là lúa châu Á (Ozyza sativa) và lúa châu Phi (Ozyza glaberrima), trong đó lúa châu Á là giống lúa chính được gieo trồng làm cây lương thực trên khắp thế giới. Hiện nay, sự tiến hoá của loài lúa vẫn tiếp tục nhờ sự thuần dưỡng và áp dụng những phương pháp lai tạo của con người. Lục địa Gondwana Tổ tiên chung Nam và Đông Nam Á Tây châu Phi Lúa dại đa niên O.rufipogon O. longistaminata Lúa dại hàng niên O. nivara O. breviligulata Lúa trồng O. sativa O. sativa O. glaberrima Indica Japonica Ôn đới Nhiệt đới Hình 1.2: Sơ đồ tượng trưng cho tiến trình chuyên biệt của hai loại lúa canh tác ( Khush, 1997) [7] SVTH: Nguyễn Bảo Hiệp Trang 3 Chương 1: Tổng quan tài liệu Nguồn gốc chính xác của cây lúa trồng còn đang được tranh luận. Hiện nay, các nhà khoa học chỉ căn cứ trên những di chỉ khảo cổ được tìm thấy để định thời gian xuất hiện của các tổ tiên của loài lúa trồng. Hai nước có nhiều khảo cổ về khuynh hướng này là Nhật và Trung Quốc. Cây lúa xuất hiện ở Việt Nam từ 8000 – 10.000 năm trước Công Nguyên. Một số nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới cho thấy Việt Nam có thể là một trong những trung tâm mà thuỷ tổ của cây lúa trồng xuất hiện trong thời nguyên thuỷ ở vùng Đông Nam Á. 1.1.3. Đặc điểm thực vật học Lúa là loài thực vật sống một năm, có thể cao tới 1 – 1,8m, với các lá mỏng, hẹp bản ( 2 – 2.5cm) và dài 50 – 100cm. Các hoa nhỏ thụ phấn nhờ gió mọc thành những cụm hoa phân nhánh cong hay rủ xuống, dài 30 – 50cm. Hạt thuộc loại quả thóc, dài 5 – 12mm, dày 2 – 3mm. Cây lúa rất thích hợp với vùng khí hậu nhiệt đới và chịu ảnh hưởng của khí hậu gió mùa. Loại thảo mộc này có thể phát triển mạnh trong nhiều vùng sinh thái khác nhau, đặc biệt trong nước ngập, nước mặn, đất phèn mà nhiều loại hoa màu thực phẩm khác không thể sống được. 1.1.4. Phân loại 1) Theo điều kiện sinh thái: Kato (1930) chia lúa trồng thành 2 nhóm lớn là Japonica (lúa cánh) và Indica (lúa tiên). Lúa tiên: cây cao, lá nhỏ màu xanh nhạt, bông xoè, hạt dài, vỏ trấu mỏng. Gạo cho cơm khô và nở nhiều. Cây phân bố ở các vùng vĩ độ thấp như Ấn Độ, Nam Trung Quốc, Việt Nam, Indonexia. Cây có năng suất không cao. Lúa cánh: Cây thấp, lá to màu xanh đậm, bông chụm, hạt ngắn, vỏ trấu dày. Gạo cho cơm dẻo và ít nở. Cây phân bố ở các vùng vĩ độ cao như Nhật Bản, Triều Tiên, Bắc Trung Quốc, và một số nước Châu Âu. Lúa cánh thích nghi với điều kiện thâm canh và cho năng suất cao. GVHD: Th.s.Trần Thị Thu Trà Trang 4 Luận văn tốt nghiệp Đại học 2) Theo thời gian sinh trưởng: Căn cứ vào thời điểm gieo trồng hay thời gian từ khi thu hoạch có thể phân loại các giống lúa như sau: Roxburg chia các giống lúa trồng ở Ấn Độ thành giống lúa chín sớm và giống lúa chín muộn. Watt thì chia thành lúa thu và lúa đông. Ở Việt nam thì chia thành lúa chim và lúa mùa. Các giống lúa lai ngắn ngày đang được lai tạo hay nhập khẩu để trồng tăng vụ, trái vụ, và tăng năng suất lúa. Các giống này phản ứng trung tính với ánh sáng nên trồng rộng rãi vào các vụ xuân, hè thu, đông xuân ở Nam bộ. 3) Theo điều kiện tưới và gieo cấy: Quá trình thuần hóa cây lúa diễn ra trong thời gian dài, cây lúa thích nghi dần từ mơi trường nước lên môi trường trên cạn. Lúa cạn là lúa trồng tại các vùng đồi nương, không cần nước trên mặt đất. Lúa có thể chịu nước sâu với mức ngập nước là 1m và cả giống lúa nổi chịu ngập đến 3 – 4m. ` Hình 1.3: Các điều kiện sống của cây lúa 4) Theo cấu tạo hạt: o Theo thành phần hóa học: SVTH: Nguyễn Bảo Hiệp Trang 5 Chương 1: Tổng quan tài liệu Lúa nếp có thành phần tinh bột chủ yếu là amylopectine (98%) Lúa tẻ có tỷ lệ amylose từ 13 – 35%. o Theo hình dạng hạt thóc: Hạt rất dài : Chiều dài hạt trên 7,5 cm Hạt dài : Chiều dài hạt từ 6,6cm – 7,5 cm Hạt trung bình : Chiều dài hạt từ 5,5cm – 6,5 cm Hạt ngắn : Chiều dài hạt ngắn hơn 5,5 cm Hình 1.4: Hình dạng của các hạt thóc 1.1.5. Đặc điểm cấu tạo Hạt lúa là sản phẩm từ cây lúa sau quá trình sản xuất nông nghiệp, thường bao gồm những khâu chính như: làm đất, gieo hạt giống, ươm mạ, cấy, chăm bón, gặt, tuốt. Nhân của hạt lúa sau khi tách bỏ vỏ trấu và cám được gọi là gạo. Gạo là một sản phẩm lương thực và chứa nhiều chất dinh dưỡng. Quá trình sản xuất gạo từ thóc: o lức Gạo trắng Cám GạoxátXay Gạ Trấu GVHD: Th.s.Trần Thị Thu Trà Trang 6 Luận văn tốt nghiệp Đại học ƒ Gạo lức (gạo lật): là loại gạo chỉ được loại bỏ vỏ trấu mà chưa qua quá trình chà trắng, vì vậy gạo có màu nâu tạo lớp cám ở bên ngoài của hạt gạo, lớp cám này giàu khoáng và Vitamin, đặc biệt là Vitamin nhóm B. ƒ Gạo xát (gạo giã): là loại gạo được loại bỏ cả phần vỏ trấu và lớp cám bằng cách đem giã hoặc xát gạo lật. Đây là loại gạo ta thường dùng và chọn làm nguyên liệu để nấu cơm hoặc chế biến thành các sản phẩm từ gạo, bún, bánh tráng. ƒ Gạo đồ: lúa sau khi hấp chín bằng hơi nước, sấy khô rồi mới đem đi xay xát. Quá trình này có tác dụng làm cho hạt gạo được chắc và rời hơn khi xay xát. Cấu tạo hạt lúa gồm có ba phần chính: vỏ, nội nhũ và phôi. Bảng 1.1: Tỷ lệ các phần của hạt lúa [9] Vỏ (%) Phôi (%) Nội nhũ (%) 16.0 – 27.0 2.0 – 2.5 72 Tuy nhiên tỷ lệ này không cố định mà thay đổi tuỳ theo giống, phụ thuộc nhiều vào điều kiện canh tác, thời tiết, thời điểm thu hoạch, độ chín của hạt… Lúa thuộc nhóm hạt có vỏ trấu: lớp vỏ ngoài lớp vỏ hạt, vỏ quả còn có lớp vỏ trấu. Lớp vỏ trấu này giúp tăng cường chức năng bảo vệ hạt của vỏ. 1.1.5.1. Vỏ Vỏ là bộ phận bảo vệ cho nội nhũ và phôi tránh mọi tác động của môi trường ngoài. Thành phần hoá học của vỏ chủ yếu là cellulose, hemicellulose, lignin, và một ít chất khoáng. ™ Vỏ trấu: Là lớp bao ngoài cùng của hạt, gồm các tế bào rỗng có thành hoá gỗ có thành phần là cellulose. Các tế bào vỏ trấu được kết với nhau nhờ khoáng và lignin. Độ dày vỏ trấu tuỳ thuộc vào giống hạt, vào độ mẩy…và trong khoảng 0,12 – 0,15 mm, chiếm khoảng 18 – 19,6% so với toàn hạt. ™ Vỏ quả: Vỏ quả được cấu tạo gồm nhiều lớp tế bào. Vỏ quả thường liên kết không bền với vỏ hạt. Trong thành phần vỏ quả thường chứa cellulose, pentosan, pectin và SVTH: Nguyễn Bảo Hiệp Trang 7 Chương 1: Tổng quan tài liệu khoáng. Trong cùng một hạt, chiều dày lớp tế bào vỏ quả không giống nhau, ở gần phôi, lớp vỏ quả là mỏng nhất. ™ Vỏ hạt: Phía trong vỏ quả là vỏ hạt. Vỏ hạt liên kết chặt chẽ với lớp aleurone. So với vỏ quả thì vỏ hạt chứa ít cellulose hơn nhưng nhiều protid và glucid hơn. 1.1.5.2. Lớp Aleurone và nội nhũ ™ Lớp aleurone: Bên trong lớp vỏ là lớp aleurone bao bọc nội nhũ và phôi chiếm khoảng 6 – 12% khối lượng hạt. Tế bào lớp aleurone là lớp các tế bào lớn, thành dày hình khối chữ nhật hay vuông có kích thước nhỏ dần về phía phôi. Trong tế bào lớp aleurone có chứa nhiều protid, tinh bột, cellulose, pentosan, các giọt lipid và phần lớn các vitamin và khoáng của hạt. Vì vậy trong quá trình chế biến hạt, không nên xay xát quá kỹ để giữ lại các vitamin và khoáng chất. Hình 1.5: Cấu tạo hạt lúa Hình 1.6: Lát cắt ngang hạt lúa ™ Nội nhũ: Nội nhũ là phần dự trữ chất dinh dưỡng của hạt. Các tế bào nội nhũ khá lớn, thành mỏng và có hình dạng khác nhau tuỳ loại ngũ cốc. Thành phần hóa học của GVHD: Th.s.Trần Thị Thu Trà Trang 8 Luận văn tốt nghiệp Đại học nội nhũ chủ yếu là tinh bột và protid, ngoài ra còn chứa một lượng nhỏ lipid, muối khoáng, cellulose và một số sản phẩm phân giải của tinh bột như dextrin, đường… 1.1.5.3. Phôi Khi hạt nẩy mầm thì phôi sẽ phát triển lên thành cây con, vì vậy trong phôi chứa nhiều các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển ban đầu. Thành phần hóa học của phôi gồm có protid, glucid hoà tan, khá nhiều lipid, khoáng, cellulose và các vitamin. Phôi cách nội nhũ bởi lớp ngù là lớp trung gian chuyển các chất dinh dưỡng từ nội nhũ sang phôi khi hạt nẩy mầm. 1.1.6. Thành phần hóa học của hạt lúa Nhìn chung hạt lúa chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng như protein, lipid, glucid và các thành phần khác với tỷ lệ ở các phần của hạt lúa như sau : Bảng 1.2: Thành phần hóa học của hạt lúa [16] Thành phần Lúa Gạo lứt Gạo xát Vỏ trấu Cám Phôi Tấm Protein 5.8 – 7.7 7.1 – 8.3 6.3 – 7.1 2.0 – 2.8 11.3 -14.9 14.1 - 20.6 11.2 - 12.4 Lipid 1.5 – 2.3 1.6 – 2.8 0.3 – 0.5 0.3 – 0.8 15.0 -19.7 16.6-20.5 10.1-12.4 Cacbonhydrat 63.6-73.2 72.9-75.9 76.7-78.4 22.4-35.3 34.1-52.3 34.2-41.4 51.1-55.0 Tinh bột 53.4 66.4 77.6 1.5 13.8 2.1 41.5-47.6 Đường tự do 0.5-1.2 0.7-1.3 0.22-0.45 0.6 5.5-6.9 8.0-12 - Tro 2.9 – 5.2 1.0 – 1.5 0.3 – 0.8 13.2-21.0 6.6 – 9.9 4.8 – 8.7 5.2 – 7.3 Chất xơ 7.2-10.4 0.6 – 1.0 0.2 – 0.5 34.5-45.9 7.0-11.4 2.4 – 3.5 2.3 – 3.2 Pentosans 3.7 – 5.3 1.2 – 2.1 0.5 – 1.4 17.7-18.4 7.0 – 8.3 4.9 – 6.4 3.6 – 4.7 Hemicellulose - - 0.1 2.9 -11.8 9.5-16.9 9.7 - Cellulose - - - 31.4-36.3 5.9 – 9.0 2.7 - Lignin 3.4 - 0.1 9.5-18.4 2.8 – 3.9 0.7 -4.1 2.8 1.1.6.1. Glucid Glucid là thành phần chủ yếu và chiếm tỷ lệ cao nhất trong thành phần hạt lúa. Các glucid của lúa ngoài tinh bột là thành phần chủ yếu có đường, cellulose, hemicellulose, dextrin. Đường trong gạo gồm có glucose, sacarose, fructose, rafinose và maltose. Maltose chỉ xuất hiện ở những hạt đã nảy mầm. SVTH: Nguyễn Bảo Hiệp Trang 9 Chương 1: Tổng quan tài liệu Cellulose, hemicellulose là những glucid mà cơ thể người không tiêu hóa được. Cellulose chủ yếu có trong vỏ trấu và lớp aleuron. Tinh bột gạo thuộc loại tinh bột phức tạp, kích thước rất nhỏ, có thể nói là nhỏ nhất trong các tinh bột ngũ cốc. Tinh bột gạo Tinh bột bắp Tinh bột khoai tây Hình 1.7: Hình ảnh hạt tinh bột gạo, bắp, khoai tây [14] Hạt tinh bột gạo thường có kích thước khoảng 4-7μm, các hạt tinh bột sắp xếp không thứ tự, giữa các hạt tinh bột với nhau có các khe hở lớn và bên cạnh các hạt tinh bột đa góc cạnh có lác đác những hạt tròn hoặc bầu dục. Sự sắp xếp cũng như sự phân bố kích thước của hạt tinh bột trong những giống gạo khác nhau không có sự khác biệt đáng kể. Hình 1.8: Cấu trúc hạt tinh bột của gạo [15] Tinh bột tồn tại dưới hai dạng là amylose và amylopectin có tỷ lệ thay đổi phụ thuộc vào giống lúa. Tỷ lệ amylose : amylopectin quyết định độ mềm dẻo của cơm. Gạo tẻ có hàm lượng amylopectin trong khoảng 11 – 35%, gạo nếp có thành phần tinh bột chủ yếu là amylopectin. GVHD: Th.s.Trần Thị Thu Trà Trang 10 Luận văn tốt nghiệp Đại học Hình 1.9: Cấu trúc amylose và amylopectin [15] ™ Amylose: Phân tử amylose có cấu tạo mạch thẳng gồm những đơn vị α-glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glucozit, mạch cuộn xoắn ốc, mỗi vòng xoắn có 6 đơn vị glucose. Khi tương tác với Iod, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng. Khi đó phân tử iod được sắp xếp bên trong phân tử amylose có dạng hình xoắn ốc. Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iod vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh. Amylose dễ hòa tan trong nước ấm tạo thành dung dịch có độ nhớt không cao. Khi nhiệt độ dung dịch hạ thấp, amylose dễ bị thoái hóa, tạo ra các gel tinh thể và các kết tủa không thuận nghịch. Dung dịch được nấu chín sẽ tạo thành các phức hợp amylose, bảo vệ một phần khỏi sự thoái hóa. ™ Amylopectin: Phân tử amylopectin có cấu trúc phân nhánh do các gốc α-glucose kết hợp với nhau bằng liên kết 1,4-glucozit và liên kết 1,6-glucozit ở điểm phân nhánh. Phản ứng giữa amylopectin và iod cho màu tím đỏ, đó là kết quả của sự tạo thành các hợp chất hấp phụ. Amylopectin chỉ hòa tan trong nước nóng và tạo dung dịch có độ nhớt cao. Do cấu trúc cồng kềnh lập thể nên các phân tử amylopectin SVTH: Nguyễn Bảo Hiệp Trang 11 Chương 1: Tổng quan tài liệu không có khuynh hướng kết tinh lại, vì vậy dung dịch amylopectin thường không bị hiện tượng thoái hóa. Hiện tượng hồ hóa tinh bột bằng nhiệt năng Khi hấp thụ nước tinh bột trương nở dần, khi tăng nhiệt độ đến một giới hạn nào đó, các hạt tinh bột trương nở 1 cách nhanh chóng, hình dáng các hạt tinh bột sẽ thay đổi đột ngột tạo thành dạng keo dính. Hiện tượng trương nở xảy ra trước tiên ở các khe lõm của hạt tinh bột, sau đó lan rộng cả bề mặt, làm cho thể tích của chúng tăng lên nhiều lần cho đến khi hạt tinh bột bị rách và trở thành cái túi không định hình, hoặc ngừng tăng thể tích, lúc đó tinh bột bắt đầu hồ hóa, nhiệt độ tương ứng để tinh bột hồ hóa được gọi là nhiệt độ hồ hóa. Ởû nhiệt độ thường các phân tử nước liên kết với nhau thông qua nối hydro. Do đó khả năng hoạt động của chúng không cao. Khi được đun nóng, nhiệt năng cung cấp sẽ phá vỡ hàng loạt liên kết hydro ràng buộc các phân tử nước , giúp chúng tự do hoạt động nên chúng trở nên chúng trở nên linh động hơn nhiều, dễ dàng tấn công vào cấu trúc micell của hạt tinh bột, gây nên sự hydro hóa, những vùng được hồ hóa đầu tiên là những vùng vô định hình của mạn lưới micell, tại đó liên kết tinh bột yếu hơn những vùng có cấu trúc tinh thể, do vậy liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột ở những vùng đó dễ bị phân hủy, giúp cho hiện tượng hydro hóa dễ dàng. Mặt khác, nhiệt độ cao cũng phá hủy các liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột giúp cho các phân tử nước dễ dàng hydrat hóa. Trong quá trình hồ hóa có một số phân tử tinh bột bị hydrat hóa mạnh mẽ sẽ tách khỏi mạng lưới micell, khuếch tán vào môi trường nước gây nên hiện tượng hòa tan tinh bột vào nước nóng. Như vậy nhiệt độ hồ hóa và khả năng hồ hóa của một loại tinh bột nào đó sẽ phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của mạng lưới micell trong hạt tinh bột, cấu trúc này được đặc trưng bởi hình dáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ giữa amylose và amylopectin, mức độ phân nhánh và chiều dài cảu nhánh amylopectin. Thông thường cấu trúc của mạng lưới micell không ổn định, ngoài ra kích thước của hạt không ổn định, nên qúa trình hồ hóa không xảy ra ở một nhiệt độ nhất định, mà dao động trong một khoảng nhiệt độ Δt = 8 ±10oC, để cung cấp thêm năng lượng GVHD: Th.s.Trần Thị Thu Trà Trang 12 Luận văn tốt nghiệp Đại học cho sự phá vỡ liên kết ở những vùng có cấu trúc chặt chẽ trong mạng lưới micell tạo nên liên kết mới giữa tinh bột và nước. Quá trình hồ hóa các loại tinh bột thường xảy ra ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ sôi của nước. Nếu sau khi hồ hóa xong mà quá trình gia nhiệt vẫn kéo dài cho đến nhiệt độ sôi, thì năng lượng được cung cấp thừa do gia nhiệt lại tiếp tục phá hủy liên kết hydro vừa mới tạo ra giữa phân tử nước và các nhóm OH của tinh bột, làm cho kết cấu của tinh bột đã hồ hóa trở nên lỏng lẻo. Giảm độ nhớt, độ dẻo của hồ tinh bột. Hiện tượng thoái hóa của tinh bột Khi gel tinh bột để 1 thời gian dài, các phân tử tinh bột sẽ co lại và kết tinh, nước sẽ tách ra ở dạng tự do. Quá trình này càng tăng mạnh nếu gel ở nhiệt độ lạnh đông rồi sau đó tan giá. Các hiện tượng thoái hóa là do hình thành nhiều cầu hydro giữa các tinh bột. Các phân tử amylose có mạch thẳng nên định hướng với nhau dễ dàng và tự do hơn các phân tử amylopectin. Vì thế hiện tượng thoái hóa gần như chỉ có liên quan với các phân tử amylose là chủ yếu. Có nhiều yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến tốc độ thoái hóa như: nhiệt độ, pH, và sự tồn tại của các muối vô cơ. Nhiệt độ càng tăng, tốc độ thoái càng giảm, bởi vì khi nhiệt độ thấp làm cho liên kết hydro giữa các phnâ tử nước càng bền hơn, ngược lại liên kết hydro giữa tinh bột với nước càng yếu hơn. Độ pH của môi trường cũng ảnh hưởng rõ rệt đến tốc đ