Củ cải đường là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và phân loại

Củ cải đường (Beta vulgaris subsp. vulgaris) là một loài cây thân rễ lâu năm, thuộc họ Cỏ roi ngựa (Amaranthaceae). Củ cải đường được trồng rộng rãi để khai thác củ chứa đường, đồng thời cung cấp nguồn nguyên liệu cho sản xuất phẩm màu tự nhiên và thực phẩm chức năng. Theo mục đích sử dụng, cây được phân thành hai nhóm chính: củ cải đường lấy đường (sugar beet) và củ cải đường ăn lá hoặc ăn củ (table beet).

Nhóm sugar beet chuyên dụng cho ngành công nghiệp đường, với củ có hàm lượng sucrose cao (thường 16–18% khối lượng tươi). Table beet được trồng để tiêu thụ trực tiếp hoặc chế biến, củ thường nhỏ hơn, màu đỏ tím đậm, chứa nhiều betalain. Trong nghiên cứu giống, người ta cũng phân biệt biến chủng tăng betalain vàng (chiết xuất betaxanthin) và betalain đỏ (chiết xuất betacyanin).

• Sugar beet: Hàm lượng đường cao, sử dụng trong tinh chế đường sucrose.
• Table beet: Củ ăn tươi hoặc luộc, giàu chất xơ và betalain.
• Forage beet: Chủ yếu dùng làm thức ăn gia súc, củ và lá đều được tận dụng.
• Chard (Silver beet): Hình thức lá ăn, ít tập trung đường ở củ.

Đặc điểm hình thái và sinh học

Củ cải đường là cây có chiều cao trung bình 30–60 cm, chịu hạn tương đối tốt. Lá xanh hình mũi mác rộng, gân lá rõ rệt, mọc tập trung ở gốc. Củ phát triển từ thân rễ, thường có hình cầu, hình trụ hoặc hình bầu dục, đường kính 5–15 cm, chiều dài 5–25 cm. Vỏ củ mỏng, màu trắng hoặc đỏ tím, thịt củ đặc, giòn và mọng nước.

Củ cải đường sinh trưởng mạnh trong điều kiện đất tơi xốp, thoát nước tốt, độ pH từ 6,0 đến 7,5. Giai đoạn sinh trưởng quan trọng nhất là 45–75 ngày sau gieo, khi củ bắt đầu tích lũy đường. Thời gian canh tác trung bình 90–120 ngày, phụ thuộc vào giống và điều kiện khí hậu. Cây dễ bị nhiễm bệnh nấm củ (Rhizoctonia), bệnh đốm lá (Cercospora beticola) và sâu khoang củ (Elateridae larvae).

Cây củ cải đường có chu trình hai năm, năm đầu tập trung phát triển củ và tích lũy đường, năm thứ hai ra hoa tạo hạt. Tuy nhiên, để thu hoạch củ, đa phần người ta chỉ canh tác một năm và nhổ rễ trước khi cây chuyển hóa dự trữ đường thành hoa quả.

Thành phần dinh dưỡng và hoạt chất chính

Củ cải đường tươi chứa 87–90% nước, 10–12% carbohydrate và 1–2% chất khô khác. Trong số carbohydrate, sucrose chiếm 6–8% khối lượng tươi; glucose và fructose chiếm khoảng 1–2% còn lại. Ngoài đường, củ cải đường giàu chất xơ hòa tan và không hòa tan, trung bình 2–3% khối lượng tươi, bao gồm pectin và cellulose.

Vitamin trong củ cải đường gồm vitamin C (10–15 mg/100 g), vitamin B9 (folate) 30–50 µg/100 g và một số vitamin nhóm B khác. Hàm lượng khoáng chất khá cao: kali 300–400 mg/100 g, magiê 20–30 mg/100 g, sắt 0,8–1,2 mg/100 g. Ngoài ra, beta-alanine, betaine và nitrates tự nhiên cung cấp lợi ích sinh học như hạ huyết áp và tăng cường hiệu suất vận động.

• Carbohydrate: Sucrose 6–8%, Glucose + Fructose 1–2%.
• Chất xơ: Pectin, Cellulose 2–3%.
• Vitamin: C (10–15 mg), B9 (30–50 µg).
• Khoáng chất: K (300–400 mg), Mg (20–30 mg), Fe (0,8–1,2 mg).
• Nitrate tự nhiên: 250–400 mg/kg, tiền chất NO2- có lợi cho tuần hoàn.

Betalain và công thức hóa học

Betalain là nhóm sắc tố hòa tan trong nước, chiếm 0,1–0,2% khối lượng tươi của củ cải đường table beet. Betalain chia làm hai loại chính: betacyanin (sắc đỏ tím) và betaxanthin (sắc vàng cam). Betanin là betacyanin phổ biến nhất, có hoạt tính chống oxy hóa cao, ổn định ở pH 3–7 và chịu nhiệt đến 70 °C trong thời gian ngắn.

Công thức phân tử betanin được mô tả là $C_{24}H_{26}N_{2}O_{13}$, trọng lượng phân tử 550,49 g/mol. Betaxanthin phổ biến như vulgaxanthin I có công thức $C_{17}H_{20}N_{2}O_{10}$. Các sắc tố betalain không chỉ tạo màu tự nhiên cho thực phẩm mà còn góp phần vào hoạt tính sinh học như kháng viêm, chống ung thư và bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa.

• Betanin: $C_{24}H_{26}N_{2}O_{13}$, màu đỏ tím.
• Vulgaxanthin I: $C_{17}H_{20}N_{2}O_{10}$, màu vàng cam.
• Độ ổn định: pH 3–7, nhiệt độ đến 70 °C.
• Hoạt tính: Chống oxy hóa, kháng viêm, bảo vệ gan.

Sản xuất và canh tác

Củ cải đường được trồng chủ yếu tại các vùng ôn đới có mùa sinh trưởng mát mẻ với lượng mưa đều, như châu Âu, Bắc Mỹ và một số vùng cao nguyên châu Á. Theo Tổ chức Nông Lương Liên Hợp Quốc (FAO), diện tích trồng toàn cầu đạt trên 5 triệu ha, sản lượng ước tính 260 triệu tấn/năm (FAO STAT).

Canh tác củ cải đường đòi hỏi kỹ thuật luân canh với cây họ đậu hoặc ngũ cốc để hạn chế sâu bệnh và duy trì độ phì nhiêu đất. Mật độ trồng khuyến nghị 20–25 cây/m², bón phân N-P-K theo tỉ lệ 120–80–80 kg/ha tùy điều kiện đất địa phương. Tưới tiêu phải đảm bảo độ ẩm 60–70% trong giai đoạn tích lũy đường (ngày 45–75 sau gieo).

Thu hoạch cơ giới bằng máy nhổ rễ và rửa sạch tại ruộng, sau đó chuyển ngay đến nhà máy chế biến để giảm thất thoát đường. Sơ chế bao gồm loại bỏ lá, nghiền củ, chiết tách nước ép, lọc và tinh chế bằng phương pháp kết tủa calcium-sucrose (USDA FoodData Central).

Tác dụng sinh học và lợi ích sức khỏe

Các nghiên cứu lâm sàng chỉ ra nitrate tự nhiên trong củ cải đường có khả năng giãn mạch, giảm huyết áp tâm thu trung bình 4–5 mmHg sau 24 giờ sử dụng 250 ml nước ép (PubMed 21710261). Hiệu quả này đến từ con đường chuyển đổi nitrate → nitrite → NO (nitric oxide) trong cơ thể.

Hoạt chất betanin và các dẫn chất betalain khác thể hiện khả năng chống oxy hóa mạnh, ức chế quá trình lipid peroxidation in vitro và giảm viêm trong mô hình động vật. Liều dùng 100–200 mg betanin/ngày có thể cải thiện chỉ số stress oxy hóa và chức năng gan (PubMed 24607947).

• Giảm huyết áp: Nitrate tự nhiên và nitric oxide.
• Tăng hiệu suất vận động: Cải thiện dùng oxy cơ bắp, kéo dài thời gian tập (PubMed 22970353).
• Chống viêm, chống oxy hóa: Betalain, betaine.
• Hỗ trợ chức năng gan: Giảm men ALT/AST sau độc chất (PubMed 25377099).

Ứng dụng công nghiệp

Củ cải đường là nguồn nguyên liệu chính cho sản xuất đường sucrose, chiếm khoảng 20% tổng lượng đường toàn cầu. Quá trình tinh chế sử dụng kết tủa vôi – CO₂ để loại tạp chất, đạt độ tinh khiết >99,7% (Food Chemistry, 2018).

Phẩm màu tự nhiên E162 (betaine red) được chiết xuất từ vỏ củ, sử dụng trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm nhờ tính ổn định ở pH 3–7 và khả năng chịu nhiệt đến 70 °C. Các ứng dụng bao gồm sản xuất nước giải khát, kẹo dẻo, son môi và kem dưỡng da (EFSA Journal 2017).

Đa dạng di truyền và chọn giống

Ngân hàng di truyền Beta vulgaris tại NCBI lưu trữ >500 mẫu giống bản địa và thương mại, phục vụ cho nghiên cứu cải thiện hàm lượng đường, kháng bệnh và thích nghi biến đổi khí hậu. Các công trình sử dụng công nghệ marker-assisted selection (MAS) đã tạo ra giống có năng suất tăng 15% và kháng bệnh đốm lá cao hơn 25%.

Các phương pháp hiện đại như chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 đang được thử nghiệm để tăng biểu hiện gene BvVMT liên quan đến sinh tổng hợp betalain, hứa hẹn cải thiện hàm lượng sắc tố lên 30–40% mà không thay đổi tính trạng trao đổi chất chính (Plant Biotechnology Journal, 2021).

Ảnh hưởng môi trường và bền vững

Canh tác củ cải đường tiêu tốn trung bình 600–800 mm nước tưới và 150–200 kg N/ha, góp phần phát thải N₂O và ô nhiễm nguồn nước khi bón phân không hợp lý. Các biện pháp IPM (Integrated Pest Management), tưới nhỏ giọt và luân canh với đậu tương giúp giảm 30% sử dụng phân bón và giảm 25% phát thải khí nhà kính (Journal of Cleaner Production, 2020).

Phế phẩm vỏ củ và bã bùn từ nhà máy đường được tận dụng làm phân hữu cơ hoặc nguyên liệu lên men sản xuất bioethanol, cải thiện hiệu suất sử dụng tài nguyên và giảm chất thải công nghiệp. Mô hình kinh tế tuần hoàn này đang được triển khai tại châu Âu và Bắc Mỹ với khả năng tái sử dụng >90% chất thải (Renewable Energy, 2019).

Tài liệu tham khảo

• Food and Agriculture Organization. FAO STAT: Production Quantity of Sugar Beet. 2023. https://www.fao.org/faostat/en/#data/QC
• U.S. Department of Agriculture. Beetroot, raw — Nutrient data. USDA FoodData Central, 2023. https://fdc.nal.usda.gov
• PubMed. “Dietary nitrate from beetroot juice reduces blood pressure in humans” (PMID: 21710261). 2011. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21710261/
• European Food Safety Authority. Scientific Opinion on the safety of betanin for use as food additive. EFSA Journal 2017;15(1):4606. https://www.efsa.europa.eu/en/efsajournal/pub/4606
• Plant Biotechnology Journal. “CRISPR/Cas9-mediated enhancement of betalain content in Beta vulgaris” 2021.
• Journal of Cleaner Production. “Sustainable water and nutrient management in sugar beet cultivation” 2020.
• Renewable Energy. “Valorisation of sugar beet processing waste for bioethanol production” 2019.