Khoai tây không chỉ là nguồn cung cấp carbohydrate trong chế độ ăn uống cho con người mà còn là nguồn tinh bột cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Các nhà khoa học của Texas A&M AgriLife đang nghiên cứu cách họ có thể thay đổi tỷ lệ của hai phân tử tinh bột trong khoai tây—amyloza và amylopectin—để tăng cường ứng dụng trong công nghiệp và ẩm thực của loại cây trồng này.
Ví dụ, khoai tây sáp có hàm lượng amylopectin cao được sử dụng trong sản xuất nhựa sinh học, phụ gia thực phẩm, chất kết dính và rượu.
Hai bài báo được xuất bản gần đây trên Tạp chí Quốc tế về Khoa học Phân tử và Tế bào Thực vật, Mô và Cơ quan đã phác thảo cách công nghệ CRISPR có thể cải thiện việc sử dụng khoai tây.
Cả hai bài báo đều bao gồm công việc được thực hiện bởi Tiến sĩ Stephanie Toinga, người từng là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Kirti Rathore, một nhà công nghệ sinh học thực vật AgriLife tại Viện Công nghệ sinh học và gen thực vật Texas A&M và Khoa Đất . Đồng tác giả của cả hai bài báo là Tiến sĩ Isabel Vails, một nhà nhân giống khoai tây của AgriLife Research tại Khoa Khoa học Làm vườn A&M Texas.
Rathore cho biết: “Thông tin và kiến thức mà chúng tôi thu được từ hai nghiên cứu này sẽ giúp chúng tôi đưa những tính trạng mong muốn khác vào loại cây trồng rất quan trọng này”.
Sự thật về khoai tây
Khoai tây được trồng ở hơn 160 quốc gia trên diện tích 40,8 triệu mẫu Anh và được dùng làm lương thực chủ yếu cho hơn một tỷ người.
Theo Rathore, một củ khoai tây cỡ trung bình chứa khoảng 160 calo, phần lớn có nguồn gốc từ tinh bột nên củ là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho nhiều người trên thế giới. Khoai tây còn chứa các chất dinh dưỡng cần thiết khác, bao gồm vitamin và khoáng chất.
Tinh bột có tầm quan trọng then chốt đối với cả mục đích sử dụng trong chế độ ăn uống và công nghiệp.
Lượng tinh bột trong củ khoai tây là yếu tố chính quyết định công dụng của khoai tây.
Vails cho biết, khoai tây có hàm lượng tinh bột cao thường được sử dụng để chế biến các thực phẩm chế biến sẵn như khoai tây chiên, khoai tây chiên và khoai tây khử nước.
Bà cho biết, khoai tây có hàm lượng tinh bột từ thấp đến trung bình thường được sử dụng ở dạng tươi hoặc làm khoai tây ăn. Để tiêu thụ củ tươi, các yếu tố quan trọng khác là hình thức bên ngoài của củ, bao gồm kết cấu vỏ, màu vỏ, màu thịt và hình dạng củ. Gần đây, các giống khoai tây đặc biệt với nhiều hình dáng đa dạng đã xuất hiện như khoai tây baby; có vỏ và cùi màu đỏ, tím hoặc vàng đang trở nên phổ biến do dễ chế biến và tăng giá trị dinh dưỡng.
Ngoài ra, tinh bột khoai tây có thể dùng để sản xuất ethanol làm nhiên liệu hoặc đồ uống có cồn; chất thay thế nhựa phân hủy sinh học; hoặc chất kết dính, chất kết dính, chất tạo kết cấu và chất độn cho các ngành dược phẩm, dệt may, gỗ, giấy và các ngành kinh tế khác.
Đối với các ứng dụng công nghiệp, điều quan trọng là phải xem xét số lượng và loại tinh bột trong khoai tây.
Toinga tin rằng tinh bột có hàm lượng amylopectin cao rất được ưa chuộng trong thực phẩm và các ứng dụng công nghiệp khác do đặc tính chức năng độc đáo của chúng. Ví dụ, những loại tinh bột như vậy là dạng được ưu tiên sử dụng làm chất ổn định và chất làm đặc trong thực phẩm và làm chất nhũ hóa trong nước sốt salad. Do tính ổn định khi đóng băng và tan băng nên tinh bột amylopectin được sử dụng trong thực phẩm đông lạnh. Ngoài ra, khoai tây giàu tinh bột amylopectin tạo ra hàm lượng ethanol cao hơn so với khoai tây chứa các loại tinh bột khác.
Ưu điểm của việc nhân giống khoai tây bằng tinh bột chọn lọc
Theo Toinga, việc phát triển giống khoai tây sử dụng tinh bột biến tính có thể mở ra những cơ hội mới. Khoai tây có hàm lượng amylopectin cao và hàm lượng amyloza thấp, chẳng hạn như khoai tây Yukon Gold được chỉnh sửa gen mà bà mô tả trên Tạp chí Khoa học Phân tử Quốc tế, có những ứng dụng công nghiệp ngoài mục đích sử dụng truyền thống.
Ngược lại, khoai tây có hàm lượng amyloza cao và hàm lượng amylopectin thấp sẽ được con người ưa chuộng, Vales cho biết. Amylose hoạt động giống như chất xơ và không giải phóng glucose dễ dàng như amylopectin, dẫn đến chỉ số đường huyết thấp hơn và khiến khoai tây trở nên ngon miệng hơn đối với người mắc bệnh tiểu đường.
CRISPR/Cas9 tạo ra những khả năng mới
Như Vales lưu ý, công nghệ CRISPR/Cas9 đã mở rộng các công cụ có sẵn cho các nhà tạo giống cây trồng và cung cấp các phương tiện trực tiếp và nhanh chóng hơn để kết hợp các đặc tính mong muốn vào các giống cây trồng thương mại phổ biến. Chăn nuôi truyền thống là một quá trình lâu dài có thể mất 10-15 năm.
Ngoài ra, bà cho biết, do tính chất phức tạp của bộ gen khoai tây, việc tạo ra các giống mới với bộ đặc điểm mong muốn phù hợp là một thách thức đối với nhân giống truyền thống. Công nghệ phân tử đã nâng cao hiệu quả của việc nhân giống và việc chỉnh sửa gen bằng công nghệ CRISPR/Cas9 làm tăng thêm mức độ phức tạp.
Cải tiến giống Yukon Gold
Trong số các giống khoai tây khác nhau được đánh giá trong nghiên cứu đầu tiên, Yukon Gold có khả năng tái sinh tốt nhất nên được sử dụng trong nghiên cứu thứ hai. Kết quả là khoai tây có hàm lượng amylopectin cao và hàm lượng tinh bột amyloza thấp.
Toinga cho biết: “Một trong những cây bị loại, T2-7, cho thấy các đặc tính tăng trưởng và năng suất bình thường nhưng hoàn toàn thiếu amyloza”.
Tinh bột từ củ, T2-7, có thể có ứng dụng công nghiệp trong ngành công nghiệp giấy và dệt may như chất kết dính/chất kết dính, nhựa sinh học và sản xuất ethanol. Tinh bột củ từ mẫu thí nghiệm này, do có khả năng chống đóng băng và rã đông mà không cần biến đổi hóa học nên cũng hữu ích trong sản xuất thực phẩm đông lạnh. Khoai tây có amylopectin là dạng tinh bột duy nhất cũng nên sản xuất nhiều ethanol hơn để sử dụng trong công nghiệp hoặc tạo ra đồ uống có cồn.
Bước tiếp theo trong những nghiên cứu này, dòng T2-7 được tự thân và lai với dòng cho Yukon Gold và các dòng vô tính khoai tây khác để loại bỏ các yếu tố chuyển gen.