Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngày càng gia tăng nhu cầu sử dụng các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học trong bảo quản và chế biến thực phẩm, mãng cầu ta (Annona squamosa L.) được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng với hàm lượng polyphenol cao và khả năng kháng oxy hóa mạnh. Theo ước tính, việc khai thác các hợp chất polyphenol từ vỏ mãng cầu ta không chỉ góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp mà còn mở ra hướng phát triển các sản phẩm bảo quản tự nhiên, an toàn cho sức khỏe. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học từ vỏ mãng cầu ta, đánh giá khả năng kháng khuẩn, độc tính, cũng như ứng dụng dịch chiết trong bảo quản tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) trong điều kiện lạnh. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam, với nguyên liệu thu hoạch từ vùng núi Bà Đen, Tây Ninh, trong khoảng thời gian từ tháng 8 đến tháng 11 năm 2022. Mục tiêu cụ thể là xác định điều kiện trích ly tối ưu để thu nhận dịch chiết có hàm lượng polyphenol và hoạt tính kháng oxy hóa cao, xây dựng mô hình dự đoán thời gian bảo quản (shelf-life) cho dịch chiết và bột sấy phun, đồng thời đánh giá tính an toàn và hiệu quả ứng dụng trong bảo quản thủy sản. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm bảo quản thực phẩm tự nhiên, góp phần giảm thiểu sử dụng chất bảo quản hóa học, đồng thời tạo giá trị gia tăng cho phụ phẩm nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết về polyphenol và hoạt tính sinh học: Polyphenol là nhóm hợp chất chứa nhiều vòng benzen với nhóm hydroxyl, có khả năng kháng oxy hóa mạnh, vượt trội hơn cả vitamin C và E. Các nhóm polyphenol chính gồm flavonoid, acid phenolic, stilbenoids, với các tác dụng sinh học như kháng khuẩn, kháng viêm, chống ung thư và bảo vệ tế bào.

  • Mô hình trích ly bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng (Microwave Assisted Extraction - MAE): Sử dụng năng lượng vi sóng để làm nóng nhanh dung môi và nguyên liệu, tăng hiệu quả chiết xuất polyphenol trong thời gian ngắn, giảm lượng dung môi và nhiệt độ so với phương pháp truyền thống.

  • Mô hình sấy phun tạo bột hòa tan: Sấy phun là kỹ thuật chuyển dịch chiết lỏng thành dạng bột khô, giữ được hoạt tính sinh học, tăng tính ổn định và tiện lợi trong bảo quản, vận chuyển.

  • Mô hình dự đoán thời gian bảo quản (shelf-life) dựa trên hệ số Q10: Dự đoán tốc độ suy giảm hoạt tính polyphenol và khả năng kháng oxy hóa theo thời gian và nhiệt độ bảo quản, giúp xác định thời gian sử dụng tối ưu của sản phẩm.

Các khái niệm chính bao gồm: hàm lượng polyphenol tổng (TPC), hoạt tính kháng oxy hóa theo phương pháp DPPH và ABTS, nồng độ tối thiểu ức chế vi khuẩn (MIC), độc tính cấp và bán mãn tính, cũng như các chỉ tiêu hóa lý của bột sấy phun như độ ẩm, độ hòa tan, tỷ trọng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu vỏ mãng cầu ta thu hoạch từ vùng núi Bà Đen, Tây Ninh. Tôm thẻ chân trắng kích cỡ 50-55 con/kg được sử dụng để thử nghiệm bảo quản. Chuột nhắt trắng Swiss albino dùng trong đánh giá độc tính và hiệu quả điều trị viêm khớp.

  • Phương pháp phân tích:

    • Trích ly polyphenol bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng với các biến số: nồng độ ethanol (40-70%), tỷ lệ nguyên liệu/dung môi (1/15 đến 1/30 g/mL), thời gian (1-7 phút), công suất vi sóng (95-284 W). Tối ưu hóa điều kiện bằng phương pháp thiết kế thí nghiệm Box-Behnken và phân tích hồi quy.

    • Đánh giá hàm lượng polyphenol tổng (TPC) theo phương pháp Folin-Ciocalteu, hoạt tính kháng oxy hóa bằng DPPH và ABTS.

    • Sấy phun dịch chiết với các chất mang maltodextrin và gum arabic ở các tỷ lệ khác nhau, đánh giá các chỉ tiêu hóa lý (độ ẩm, độ hòa tan, tỷ trọng, kích thước hạt).

    • Xác định khả năng kháng khuẩn in vitro đối với sáu chủng vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm bằng phương pháp khuếch tán đĩa, xác định MIC.

    • Thử nghiệm bảo quản tôm thẻ chân trắng bằng lớp phủ chitosan kết hợp dịch chiết polyphenol, theo dõi các chỉ tiêu pH, chỉ số peroxide (PV), TBARs, TVB-N, màu sắc và cấu trúc trong 12 ngày bảo quản lạnh (4°C).

    • Đánh giá độc tính cấp và bán mãn tính trên chuột, xác định LD50, phân tích huyết học, sinh hóa máu và mô học.

    • Thử nghiệm hiệu quả điều trị viêm khớp dạng thấp trên chuột bằng dịch chiết.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thu thập nguyên liệu và chuẩn bị mẫu từ tháng 8 đến tháng 11 năm 2022; thực hiện các thí nghiệm trích ly, sấy phun và đánh giá hoạt tính từ tháng 12/2022 đến tháng 3/2023; thử nghiệm bảo quản và độc tính từ tháng 4 đến tháng 6/2023; phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong tháng 7-8/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện sấy nguyên liệu tối ưu: Sấy vỏ mãng cầu ta ở nhiệt độ 60°C trong 8 giờ đạt độ ẩm khoảng 12%, giữ được hàm lượng polyphenol tổng (TPC) và hoạt tính kháng oxy hóa cao hơn so với các mức nhiệt khác (50°C, 70°C, 80°C).

  2. Tối ưu trích ly polyphenol bằng MAE: Dịch chiết thu được với nồng độ ethanol 60%, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1/25 (g/mL), thời gian 5 phút và công suất vi sóng 214 W có TPC đạt 100,15 mg GAE/g nguyên liệu khô, hoạt tính kháng oxy hóa theo DPPH là 673,0 µmol TE/g và ABTS là 1409,6 µmol TE/g, cao hơn đáng kể so với các điều kiện khác (p < 0,05).

  3. Thành phần hợp chất sinh học: Dịch chiết và bột sấy phun chứa các hợp chất như tannin, saponin, steroid, terpenoid, coumarin, có khả năng kháng khuẩn hiệu quả với các vi khuẩn Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Shigella spp. và Listeria spp. Nồng độ tối thiểu ức chế (MIC) dao động từ 25 đến 100 mg/mL tùy chủng.

  4. Ứng dụng bảo quản tôm thẻ chân trắng: Tôm được phủ lớp chitosan 1,5% kết hợp dịch chiết polyphenol với hàm lượng 300 mg GAE/L sau 12 ngày bảo quản lạnh (4°C) có chỉ số peroxide (PV) là 4,93 meq/kg, TBARs 1,73 mg MDA/kg, TVB-N 28,39 mg N/100g, giảm đáng kể so với mẫu đối chứng (p < 0,05). Màu sắc và cấu trúc tôm được duy trì tốt hơn.

  5. Đặc tính bột sấy phun: Bột sấy phun với 10% gum arabic có độ ẩm 4,73%, độ hòa tan 87,25%, tỷ trọng 371,81 g/L, giữ được hàm lượng polyphenol cao hơn so với các chất mang khác. Thời gian bảo quản dự đoán giữ được 85% TPC và TEAC lần lượt là 13,17 ngày (TPC), 18,27 ngày (DPPH) và 24,73 ngày (ABTS).

  6. Đánh giá độc tính và hiệu quả điều trị: Dịch chiết không gây tác dụng phụ trên hành vi và các chỉ số sinh hóa của chuột trong thử nghiệm độc tính cấp và bán mãn tính (LD50 7000 mg/kg). Ngoài ra, dịch chiết có khả năng phòng và điều trị viêm khớp dạng thấp trên chuột, giảm phù nề và các chỉ số viêm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sấy nguyên liệu ở 60°C là phù hợp để giữ lại hàm lượng polyphenol và hoạt tính sinh học, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về bảo quản polyphenol trong nguyên liệu thực vật. Phương pháp trích ly MAE tối ưu giúp rút ngắn thời gian và tăng hiệu suất chiết xuất so với phương pháp ngâm truyền thống, đồng thời giảm lượng dung môi sử dụng, phù hợp với xu hướng xanh và bền vững trong công nghệ thực phẩm.

Sự hiện diện của các hợp chất sinh học đa dạng trong dịch chiết và bột sấy phun góp phần tạo nên khả năng kháng khuẩn rộng rãi, có thể thay thế các chất bảo quản hóa học truyền thống, giảm thiểu nguy cơ dị ứng và ô nhiễm môi trường. Ứng dụng dịch chiết trong bảo quản tôm thẻ chân trắng cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giảm quá trình oxy hóa lipid và duy trì chất lượng sản phẩm trong điều kiện lạnh, mở ra tiềm năng ứng dụng trong ngành thủy sản.

Mô hình dự đoán thời gian bảo quản dựa trên hệ số Q10 cho phép ước lượng chính xác thời gian sử dụng sản phẩm, hỗ trợ quản lý chất lượng và logistics trong sản xuất. Đánh giá độc tính và hiệu quả điều trị viêm khớp dạng thấp khẳng định tính an toàn và tiềm năng phát triển sản phẩm chức năng từ dịch chiết mãng cầu ta.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường thể hiện sự thay đổi TPC, TEAC theo thời gian bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau, bảng so sánh chỉ số PV, TBARs, TVB-N giữa các mẫu tôm, và biểu đồ vòng kháng khuẩn thể hiện hiệu quả ức chế vi khuẩn của dịch chiết và bột sấy phun.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình sấy nguyên liệu và trích ly MAE tối ưu: Khuyến nghị các cơ sở sản xuất sử dụng sấy nguyên liệu ở 60°C và trích ly bằng MAE với ethanol 60%, tỷ lệ 1/25 g/mL, công suất 214 W trong 5 phút để thu nhận dịch chiết polyphenol chất lượng cao, nâng cao hiệu quả sản xuất trong vòng 6 tháng tới.

  2. Phát triển sản phẩm bột sấy phun với gum arabic 10%: Khuyến khích sử dụng gum arabic làm chất mang trong sấy phun để bảo quản polyphenol, tăng độ ổn định và tiện lợi trong bảo quản, vận chuyển, dự kiến triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp trong 1 năm.

  3. Ứng dụng dịch chiết trong bảo quản thủy sản: Đề xuất phối hợp với các doanh nghiệp thủy sản áp dụng lớp phủ chitosan kết hợp dịch chiết polyphenol mãng cầu ta để kéo dài thời gian bảo quản tôm thẻ chân trắng, giảm thiểu sử dụng chất bảo quản hóa học, nâng cao chất lượng sản phẩm trong vòng 12 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng về tính an toàn và công dụng dược liệu: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về độc tính lâu dài và các tác dụng sinh học khác của dịch chiết mãng cầu ta, đặc biệt trong điều trị viêm khớp và các bệnh viêm mãn tính, nhằm phát triển sản phẩm chức năng trong 2-3 năm tới.

  5. Xây dựng mô hình dự đoán shelf-life ứng dụng trong quản lý chất lượng: Khuyến nghị các doanh nghiệp áp dụng mô hình dự đoán thời gian bảo quản dựa trên hệ số Q10 để tối ưu hóa chuỗi cung ứng và giảm thiểu lãng phí sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về trích ly polyphenol, kỹ thuật sấy phun và ứng dụng trong bảo quản thực phẩm, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu và luận văn.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến thực phẩm, thủy sản: Thông tin về quy trình trích ly, bảo quản tự nhiên giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và đáp ứng yêu cầu an toàn thực phẩm.

  3. Chuyên gia dinh dưỡng và y học cổ truyền: Nghiên cứu về hoạt tính sinh học, độc tính và tác dụng điều trị viêm khớp dạng thấp của dịch chiết mãng cầu ta cung cấp cơ sở khoa học cho phát triển sản phẩm chức năng và dược liệu.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp bền vững: Luận văn góp phần thúc đẩy khai thác hiệu quả phụ phẩm nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn trong ngành nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Polyphenol là gì và tại sao quan trọng trong bảo quản thực phẩm?
    Polyphenol là nhóm hợp chất tự nhiên có khả năng kháng oxy hóa mạnh, giúp ngăn chặn quá trình oxy hóa lipid và vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm. Ví dụ, dịch chiết polyphenol từ mãng cầu ta có hoạt tính kháng oxy hóa cao, giúp kéo dài thời gian bảo quản tôm thẻ chân trắng.

  2. Phương pháp trích ly hỗ trợ vi sóng có ưu điểm gì?
    Phương pháp này rút ngắn thời gian trích ly, giảm lượng dung môi và nhiệt độ sử dụng, đồng thời tăng hiệu suất chiết xuất polyphenol so với phương pháp truyền thống. Nghiên cứu cho thấy điều kiện tối ưu là ethanol 60%, 5 phút, công suất 214 W.

  3. Dịch chiết polyphenol từ mãng cầu ta có an toàn khi sử dụng không?
    Theo kết quả thử nghiệm độc tính cấp và bán mãn tính trên chuột, dịch chiết không gây tác dụng phụ với LD50 lên đến 7000 mg/kg, cho thấy tính an toàn cao khi sử dụng trong bảo quản thực phẩm và ứng dụng y học.

  4. Làm thế nào dịch chiết polyphenol giúp bảo quản tôm thẻ chân trắng?
    Dịch chiết kết hợp với lớp phủ chitosan tạo màng bảo vệ chống oxy hóa và kháng khuẩn, giảm chỉ số peroxide, TBARs và TVB-N, duy trì màu sắc và cấu trúc tôm trong 12 ngày bảo quản lạnh, cải thiện chất lượng sản phẩm.

  5. Mô hình dự đoán shelf-life dựa trên hệ số Q10 hoạt động như thế nào?
    Mô hình sử dụng hệ số Q10 để ước lượng tốc độ suy giảm hoạt tính polyphenol và khả năng kháng oxy hóa theo nhiệt độ bảo quản, giúp dự đoán thời gian giữ được 85% hoạt tính ban đầu, hỗ trợ quản lý chất lượng sản phẩm hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được điều kiện sấy nguyên liệu và trích ly tối ưu để thu nhận dịch chiết polyphenol có hoạt tính sinh học cao từ vỏ mãng cầu ta.
  • Phương pháp trích ly hỗ trợ vi sóng cho hiệu suất cao, thời gian ngắn và thân thiện môi trường.
  • Dịch chiết và bột sấy phun giữ được hoạt tính kháng oxy hóa và kháng khuẩn, có thể ứng dụng hiệu quả trong bảo quản tôm thẻ chân trắng.
  • Đánh giá độc tính và thử nghiệm điều trị viêm khớp dạng thấp trên chuột khẳng định tính an toàn và tiềm năng dược liệu của dịch chiết.
  • Đề xuất áp dụng quy trình và mô hình dự đoán shelf-life trong sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong ngành thực phẩm và dược phẩm.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các doanh nghiệp và viện nghiên cứu triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời phát triển sản phẩm chức năng từ dịch chiết mãng cầu ta nhằm nâng cao giá trị kinh tế và sức khỏe cộng đồng.