Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh an toàn thực phẩm và xu hướng sử dụng các chất màu tự nhiên ngày càng được quan tâm, anthocyanin – một nhóm flavonoid có màu sắc đa dạng từ đỏ đến tím – được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng để thay thế phẩm màu tổng hợp trong ngành công nghiệp thực phẩm. Hoa bụp giấm (Hibiscus sabdariffa L.) là một trong những nguồn giàu anthocyanin tự nhiên, với các hợp chất chính như delphinidin-3-glucoside và cyanidin-3-glucoside, có khả năng chống oxy hóa và nhiều lợi ích sức khỏe khác. Tuy nhiên, anthocyanin rất dễ bị phân hủy do các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, ánh sáng và enzyme, gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Nghiên cứu này được thực hiện từ tháng 6 đến tháng 9 năm 2019 tại Trường Đại học Nguyễn Tất Thành, nhằm khảo sát ảnh hưởng của các loại chất mang khác nhau (maltodextrin, gum arabic, inulin, konjac và các hỗn hợp của chúng) lên hàm lượng phenolic tổng, flavonoid tổng và hiệu suất vi bao anthocyanin trong bột sấy phun từ dịch trích anthocyanin của đài hoa bụp giấm. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quy trình sấy phun và lựa chọn chất mang phù hợp để bảo vệ và giữ lại các hợp chất hoạt tính sinh học quan trọng, góp phần phát triển nguồn chất màu tự nhiên an toàn, đa dạng cho ngành thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả bảo quản anthocyanin, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ vi bao trong sản xuất thực phẩm chức năng và thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao. Các chỉ số đánh giá như hàm lượng phenolic tổng đạt đến 4015.48 mg GAE/g DW và hiệu suất vi bao anthocyanin lên đến 92.59% cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn của các chất mang được khảo sát.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về vi bao (microencapsulation) – quá trình bao bọc các thành phần hoạt tính trong một lớp màng bảo vệ nhằm tăng tính ổn định và kiểm soát giải phóng. Vi bao được phân thành vi nang (microcapsule) với cấu trúc vỏ lõi rõ ràng và vi cầu (microsphere) với thành phần hoạt tính phân bố trong ma trận polymer. Các vật liệu vi bao phổ biến là carbohydrate như maltodextrin, gum arabic, inulin, konjac, có đặc tính hòa tan và tạo màng khác nhau ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ hoạt chất.

Anthocyanin là nhóm flavonoid có cấu trúc C6-C3-C6, chịu trách nhiệm tạo màu đỏ, tím trong thực vật, đồng thời có hoạt tính chống oxy hóa mạnh. Hàm lượng anthocyanin và các polyphenol khác như flavonoid trong nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của sản phẩm cuối cùng. Việc lựa chọn chất mang phù hợp giúp bảo vệ anthocyanin khỏi sự phân hủy do nhiệt độ, ánh sáng và oxy hóa trong quá trình sấy phun.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu chính là hoa bụp giấm khô được thu mua từ Công ty Việt Hibiscus, trồng tại Biên Hòa, Đồng Nai. Dịch trích anthocyanin được chiết xuất bằng ethanol 70% acid hóa pH 2, sau đó cô đặc bằng cô quay chân không. Các chất mang khảo sát gồm maltodextrin (MD), gum arabic (GA), inulin (INU), konjac (KON) và các hỗn hợp maltodextrin 50% + gum arabic 50% (MD/GA), maltodextrin 50% + inulin 50% (MD/INU), maltodextrin 50% + konjac 50% (MD/KON).

Quy trình sấy phun sử dụng thiết bị Labplant SD-06AG với tốc độ 500 mL/h, nhiệt độ đầu vào 170°C và đầu ra 98°C. Mẫu bột sau sấy được bảo quản ở 4°C để phân tích. Cỡ mẫu gồm 3 lần lặp lại cho mỗi loại chất mang.

Phân tích hàm lượng anthocyanin tổng (TAC), anthocyanin bề mặt (SAC), phenolic tổng (TPC) và flavonoid tổng (TFC) được thực hiện bằng các phương pháp chuẩn: pH vi sai cho anthocyanin, Folin-Ciocalteu cho phenolic, vanillin cho flavonoid. Hiệu suất vi bao anthocyanin (ME) được tính theo công thức:

$$ ME(%) = \frac{TAC - SAC}{TAC} \times 100 $$

Dữ liệu được xử lý thống kê bằng phần mềm SPSS 15, sử dụng phân tích phương sai một chiều (ANOVA) và kiểm định Tukey với mức ý nghĩa 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của chất mang lên hàm lượng phenolic tổng (TPC):
    Hỗn hợp maltodextrin + konjac (MD/KON) cho hàm lượng phenolic tổng cao nhất, đạt khoảng 4015.48 mg GAE/g DW, vượt trội so với các chất mang đơn lẻ như maltodextrin (MD) và gum arabic (GA) với giá trị thấp hơn đáng kể (dưới 3000 mg GAE/g DW). Sự kết hợp này tạo ra ma trận bảo vệ hiệu quả hơn cho các hợp chất phenolic.

  2. Ảnh hưởng lên hàm lượng flavonoid tổng (TFC):
    Tương tự TPC, MD/KON cũng cho hàm lượng flavonoid tổng cao nhất, khoảng 4489.10 mg CE/g DW. Các chất mang đơn lẻ và hỗn hợp khác như MD, GA, MD/GA, MD/INU có giá trị thấp hơn, cho thấy sự phối hợp giữa maltodextrin và konjac giúp bảo vệ flavonoid tốt hơn.

  3. Hàm lượng anthocyanin tổng (TAC):
    Hàm lượng anthocyanin tổng không thay đổi đáng kể giữa các loại chất mang, dao động quanh mức 60-80 mg/g DW. MD/KON có giá trị cao nhất nhưng sự khác biệt không lớn, cho thấy các chất mang đều giữ được anthocyanin tổng tương đương.

  4. Hàm lượng anthocyanin bề mặt (SAC):
    Hàm lượng anthocyanin bề mặt thấp nhất khi sử dụng gum arabic (GA), khoảng 5 mg/g DW, trong khi MD/KON có hàm lượng bề mặt cao nhất, gần 35 mg/g DW. Hàm lượng bề mặt thấp biểu thị hiệu quả vi bao tốt hơn, vì anthocyanin không bị lộ ra ngoài dễ bị phân hủy.

  5. Hiệu suất vi bao anthocyanin (ME):
    Hiệu suất vi bao cao nhất đạt 92.59% với gum arabic (GA), tiếp theo là maltodextrin (MD) và hỗn hợp maltodextrin + gum arabic (MD/GA) với khoảng 86.65%. MD/KON có hiệu suất thấp nhất, khoảng 55%, mặc dù giữ được nhiều phenolic và flavonoid hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng hỗn hợp chất mang maltodextrin và konjac giúp tăng khả năng giữ lại phenolic và flavonoid tổng, có thể do đặc tính tạo màng và tương tác hóa học giữa các polysaccharide trong hỗn hợp này. Tuy nhiên, hiệu suất vi bao anthocyanin lại thấp hơn so với khi sử dụng gum arabic hoặc maltodextrin đơn lẻ, do hàm lượng anthocyanin bề mặt cao hơn, làm giảm khả năng bảo vệ anthocyanin khỏi các tác nhân oxy hóa.

Gum arabic được biết đến với khả năng tạo nhũ tương ổn định và màng bảo vệ tốt, giúp giảm thiểu anthocyanin bề mặt và tăng hiệu suất vi bao. Maltodextrin có ưu điểm về độ nhớt thấp và khả năng hòa tan cao, nhưng hạn chế về khả năng nhuộm và giữ các chất bay hơi. Sự kết hợp maltodextrin và gum arabic tạo ra ma trận bảo vệ anthocyanin hiệu quả, cân bằng giữa độ nhớt và tính ổn định.

Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vi bao anthocyanin từ các nguồn thực vật khác như trái barberry và chokeberry, cho thấy sự phối hợp các chất mang polysaccharide và protein/polysaccharide giúp cải thiện hiệu quả bảo vệ các hợp chất hoạt tính sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh hàm lượng TPC, TFC, TAC, SAC và ME giữa các loại chất mang, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu thế của từng loại.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa công thức chất mang:
    Khuyến nghị sử dụng hỗn hợp maltodextrin và gum arabic để đạt hiệu suất vi bao anthocyanin cao nhất, đồng thời giữ được hàm lượng phenolic và flavonoid ổn định. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm công nghệ thực phẩm.

  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ sấy:
    Thực hiện khảo sát các mức nhiệt độ đầu vào và đầu ra khác nhau trong quá trình sấy phun để tối ưu hóa điều kiện bảo vệ anthocyanin và các polyphenol. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu công nghệ chế biến thực phẩm.

  3. Khảo sát các vật liệu vi bao mới:
    Mở rộng nghiên cứu sang các chất mang khác như xanthan gum, whey protein để so sánh hiệu quả vi bao và tính chất vật lý của bột sấy phun. Thời gian: 6-9 tháng. Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng.

  4. Ứng dụng công nghệ vi bao khác:
    Thử nghiệm các phương pháp vi bao khác như tạo gel ion, sấy thăng hoa để nâng cao độ ổn định và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu công nghệ thực phẩm.

  5. Mở rộng nguyên liệu nghiên cứu:
    Khảo sát các nguyên liệu giàu anthocyanin khác như hoa đậu biếc, bắp cải tím, rau má để phát triển đa dạng nguồn chất màu tự nhiên. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm:
    Có thể áp dụng kiến thức về vi bao và sấy phun để phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng, thực phẩm bổ sung chất chống oxy hóa.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm và dược phẩm:
    Tận dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ bảo quản các hợp chất hoạt tính sinh học, nâng cao chất lượng sản phẩm tự nhiên, an toàn.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm và kỹ sư công nghệ:
    Áp dụng các công thức chất mang và quy trình sấy phun tối ưu để sản xuất bột chiết xuất anthocyanin ổn định, phục vụ ngành thực phẩm và mỹ phẩm.

  4. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng thực phẩm:
    Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình kiểm soát chất lượng các sản phẩm chứa anthocyanin và polyphenol tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi bao anthocyanin là gì và tại sao cần thiết?
    Vi bao anthocyanin là kỹ thuật bao bọc anthocyanin trong lớp màng bảo vệ nhằm tăng tính ổn định, ngăn ngừa phân hủy do nhiệt, ánh sáng và oxy. Ví dụ, trong nghiên cứu, hiệu suất vi bao lên đến 92.59% giúp giữ lại hàm lượng anthocyanin cao trong bột sấy phun.

  2. Chất mang maltodextrin và gum arabic khác nhau thế nào?
    Maltodextrin có độ nhớt thấp, dễ hòa tan nhưng khả năng bảo vệ thấp hơn; gum arabic tạo màng ổn định, giữ chất bay hơi tốt hơn. Sự kết hợp của hai chất này mang lại hiệu quả vi bao cao hơn so với dùng riêng lẻ.

  3. Tại sao hàm lượng anthocyanin bề mặt thấp lại quan trọng?
    Anthocyanin bề mặt dễ bị oxy hóa và phân hủy, làm giảm chất lượng sản phẩm. Hàm lượng bề mặt thấp biểu thị anthocyanin được bảo vệ tốt bên trong vi nang, như mẫu sử dụng gum arabic có hàm lượng bề mặt thấp nhất.

  4. Phương pháp sấy phun ảnh hưởng thế nào đến chất lượng bột?
    Nhiệt độ đầu vào và đầu ra, tốc độ phun ảnh hưởng đến độ ổn định anthocyanin và polyphenol. Nghiên cứu sử dụng 170°C đầu vào và 98°C đầu ra cho hiệu quả bảo vệ tốt, tuy nhiên cần tối ưu thêm để giảm tổn thất hoạt chất.

  5. Có thể áp dụng công nghệ vi bao này cho nguyên liệu khác không?
    Có thể, công nghệ vi bao và sấy phun phù hợp với nhiều nguyên liệu giàu anthocyanin như hoa đậu biếc, bắp cải tím, rau má, giúp bảo vệ và tăng giá trị dinh dưỡng sản phẩm.

Kết luận

  • Hỗn hợp maltodextrin và konjac giữ lại hàm lượng phenolic và flavonoid tổng cao nhất trong bột sấy phun bụp giấm.
  • Hiệu suất vi bao anthocyanin cao nhất đạt 92.59% khi sử dụng gum arabic, giúp bảo vệ anthocyanin hiệu quả hơn.
  • Hàm lượng anthocyanin tổng không thay đổi đáng kể giữa các loại chất mang, nhưng hàm lượng bề mặt khác biệt rõ, ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ.
  • Việc lựa chọn chất mang phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa chất lượng bột anthocyanin, góp phần phát triển nguồn chất màu tự nhiên an toàn.
  • Nghiên cứu mở ra hướng đi cho các ứng dụng công nghệ vi bao trong ngành công nghệ thực phẩm, đồng thời đề xuất các nghiên cứu tiếp theo về nhiệt độ sấy, vật liệu vi bao mới và nguyên liệu đa dạng.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng kết quả này vào quy trình sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng khảo sát các điều kiện và vật liệu mới nhằm nâng cao chất lượng và tính ổn định của sản phẩm chứa anthocyanin tự nhiên.