Luận văn thạc sĩ: Công nghệ sinh học làm giàu GABA trà Oolong

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ sinh học làm giàu gaba trà oolong bằng biện pháp sinh học, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Bùi Trần Phương Uyên
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Ngọc Oanh
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Làm Giàu GABA Trong Trà Oolong
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Giới thiệu sơ lược về trà
• 1.1.1. Nguồn gốc cây trà
• 1.1.2. Các hợp chất quan trọng trong lá trà
• 1.2. Giới thiệu về trà ủ
• 1.2.1. Trà Phổ Nhĩ
• 1.3. GABA có vai trò quan trọng trong sức khỏe con người như:
• 1.4. Con đường sinh tổng hợp GABA
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU – PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Phương pháp phân tích
• 2.1.1. Phương pháp phân tích hàm lượng tannin
• 2.1.2. Phương pháp xác định hàm lượng TF, TR, tỉ lệ TF/TR và màu tổng TC
• 2.1.3. Phương pháp xác định hàm lượng GABA
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.2.1. Nội dung 1: Khảo sát nguồn nguyên liệu
• 2.2.2. Nội dung 2: Khảo sát quá trình ủ trà Oolong cũ
• 2.2.2.1. Khảo sát ủ đống trà Oolong cũ
• 2.2.2.2. Khảo sát ủ trà Oolong cũ bằng tủ ủ kín
• 2.2.3. Nội dung 3: Khảo sát quá trình ủ trà vụn
• 2.2.3.1. Khảo sát ủ đống trà Oolong vụn
• 2.2.3.2. Khảo sát ủ trà Oolong vụn có bổ sung enzyme bằng tủ ủ kín
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát các nguồn nguyên liệu trà
• 3.2. Khảo sát quá trình ủ trà Oolong cũ
• 3.2.1. Ủ đống trà Oolong cũ
• 3.2.1.1. Sự biến động nhiệt độ của quá trình ủ đống trà Oolong cũ
• 3.2.1.2. Hàm lượng TF, TR và màu tổng trong quá trình ủ đống trà Oolong cũ
• 3.2.1.3. Hàm lượng tannin trong quá trình ủ đống trà Oolong cũ
• 3.2.1.4. Hàm lượng GABA trong quá trình ủ đống trà Oolong cũ
• 3.2.2. Trà Oolong cũ ủ trong tủ kín
• 3.2.2.1. Phân tích mẫu trà được ủ ở 30°C
• 3.2.2.2. Phân tích mẫu trà được ủ ở 35°C
• 3.2.2.3. Ủ bằng tủ kín trà Oolong cũ ở 40°C
• 3.2.3. So sánh trà Oolong cũ ủ đống và trà Oolong cũ ủ trong tủ kín
• 3.3. Khảo sát quá trình ủ trà Oolong vụn
• 3.3.1. Khảo sát các thành phần hóa học của trà vụn ủ đống
• 3.3.1.1. Khảo sát sự biến động nhiệt độ trong quá trình ủ đống
• 3.3.1.2. Khảo sát sự biến động TF, TR, màu tổng trong quá trình ủ đống
• 3.3.1.3. Khảo sát sự biến động tannin trong quá trình ủ đống
• 3.3.1.4. Khảo sát sự biến động GABA trong quá trình ủ đống
• 3.3.2. Khảo sát các thành phần hóa học của trà vụn ủ có bổ sung enzyme
• 3.3.2.1. Khảo sát sự biến động TF, TR, màu tổng trong quá trình ủ trà bổ sung enzyme
• 3.3.2.2. Khảo sát sự biến động tannin trong quá trình ủ trà bổ sung enzyme
• 3.3.2.3. Khảo sát sự biến động GABA trong quá trình ủ trà bổ sung enzyme
• 3.3.3. So sánh giữa trà vụn ủ đống và ủ có bổ sung enzyme
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Công nghệ sinh học và GABA

Trong nghiên cứu này, Công nghệ sinh học được áp dụng để làm giàu GABA trong trà Oolong. GABA (axit γ-aminobutyric) là một hợp chất quan trọng trong việc duy trì hoạt động bình thường của não bộ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tăng cường hàm lượng GABA trong trà có thể mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe, bao gồm giảm căng thẳng và cải thiện giấc ngủ. Theo một số tài liệu, GABA có khả năng giúp cải thiện tình trạng lo âu và trầm cảm, đồng thời có tác dụng bảo vệ tế bào não khỏi tổn thương do oxy hóa. Việc áp dụng Công nghệ sinh học trong việc làm giàu GABA không chỉ tăng giá trị dinh dưỡng của trà mà còn tạo ra sản phẩm trà với giá trị kinh tế cao hơn.

1.1. Tác dụng của GABA trong sức khỏe

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng GABA có nhiều tác dụng tích cực đối với sức khỏe con người. Cụ thể, GABA giúp giảm mức độ căng thẳng và lo âu, cải thiện giấc ngủ và tăng cường khả năng tập trung. Ngoài ra, hợp chất này còn có khả năng chống oxy hóa, giúp bảo vệ tế bào khỏi tổn thương. Việc tiêu thụ trà Oolong giàu GABA có thể mang lại những lợi ích sức khỏe đáng kể cho người tiêu dùng, đặc biệt là trong bối cảnh cuộc sống hiện đại đầy căng thẳng.

II. Quy trình làm giàu GABA trong trà Oolong

Quy trình làm giàu GABA trong trà Oolong bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc chọn nguyên liệu đến các phương pháp ủ khác nhau. Nghiên cứu đã khảo sát các nguyên liệu như trà Oolong cũ và trà vụn. Các phương pháp ủ được áp dụng bao gồm ủ đống và ủ trong tủ kín. Kết quả cho thấy rằng trà Oolong cũ ủ trong tủ kín ở nhiệt độ 35°C có hàm lượng GABA cao nhất, đạt 202.10 mg/kg, gấp 3.9 lần so với mẫu nguyên liệu ban đầu. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng Công nghệ sinh học có thể làm tăng đáng kể hàm lượng GABA trong trà.

2.1. Phương pháp ủ trà Oolong

Phương pháp ủ trà Oolong đóng vai trò quan trọng trong việc làm giàu GABA. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ủ đống trà Oolong cũ và trà vụn có thể tạo ra sự biến động lớn trong hàm lượng GABA. Cụ thể, trà vụn ủ có bổ sung enzyme Viscozyme đạt GABA 206 mg/kg, cho thấy rằng việc bổ sung enzyme có thể thúc đẩy quá trình chuyển hóa thành phần hóa học trong trà, từ đó làm tăng hàm lượng GABA. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp ủ hiệu quả là rất cần thiết để nâng cao giá trị dinh dưỡng của trà.

III. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về việc làm giàu GABA trong trà Oolong không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Với kết quả đạt được, trà Oolong giàu GABA có thể được phát triển thành một sản phẩm thực phẩm chức năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về sản phẩm tốt cho sức khỏe. Công ty CJ Cầu Tre có thể tận dụng nguồn trà phế phẩm để sản xuất trà Oolong giàu GABA, từ đó tạo ra giá trị kinh tế cao hơn. Việc áp dụng Công nghệ sinh học trong sản xuất trà không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có.

3.1. Tác động đến ngành trà Việt Nam

Việc làm giàu GABA trong trà Oolong có thể tạo ra một xu hướng mới trong ngành trà Việt Nam. Sản phẩm trà Oolong giàu GABA không chỉ giúp nâng cao giá trị cạnh tranh của trà Việt Nam trên thị trường quốc tế mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững cho ngành trà. Điều này có thể tạo ra cơ hội cho các nhà sản xuất trà trong nước mở rộng thị trường và gia tăng doanh thu, đồng thời đáp ứng nhu cầu tiêu dùng ngày càng cao về các sản phẩm tốt cho sức khỏe.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện là quốc gia xuất khẩu trà lớn thứ 6 thế giới về khối lượng và đứng thứ 7 về sản lượng với thị trường tiêu thụ tại 107 quốc gia. Mặc dù sở hữu sản lượng dồi dào, các sản phẩm xuất khẩu chủ lực của nước ta chủ yếu vẫn là trà xanh và trà ướp hoa dạng thô với giá trị gia tăng chưa cao. Bên cạnh đó, trong chuỗi cung ứng và chế biến công nghiệp, lượng trà Oolong tồn kho giảm chất lượng và nguồn phụ phẩm trà vụn phát sinh chiếm tỷ lệ từ 10% đến 15% tổng khối lượng sản xuất. Nguồn nguyên liệu này thường bị hạ giá thành hoặc loại bỏ, gây lãng phí kinh tế đáng kể cho các doanh nghiệp chế biến đồ uống.

Trước thực trạng đó, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ sinh học do học viên Bùi Trần Phương Uyên thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Huỳnh Ngọc Oanh và Tiến sĩ Hoàng Mỹ Dung tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết bài toán nâng cao giá trị nguồn phụ phẩm này. Nghiên cứu hướng đến mục tiêu ứng dụng các biện pháp sinh học bao gồm lên men ủ đống truyền thống và ủ trong tủ kín có kiểm soát nhiệt độ, kết hợp xử lý enzyme nhằm làm giàu hoạt chất axit gamma-aminobutyric (GABA) – một hợp chất dẫn truyền thần kinh quý có tác dụng giảm căng thẳng, hỗ trợ điều hòa huyết áp và cải thiện giấc ngủ.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 02 năm 2019 đến tháng 06 năm 2019 dựa trên nguồn nguyên liệu do Công ty Cổ phần Thực phẩm CJ Cầu Tre cung cấp từ vùng nguyên liệu Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tối ưu hóa thành công quy trình làm tăng hàm lượng GABA lên gấp 3,2 đến 3,9 lần so với nguyên liệu ban đầu, đồng thời giảm hàm lượng tannin đắng chát từ 14,69% xuống 9,58%, mở ra giải pháp tái chế 100% trà phế phẩm thành dòng trà chức năng giàu hoạt tính sinh học có giá trị thương mại vượt trội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết chuyển hóa polyphenol trong quá trình chế biến trà của Roberts kết hợp với mô hình sinh tổng hợp axit gamma-aminobutyric thông qua con đường GABA shunt trong tế bào thực vật. Quá trình chuyển hóa sinh hóa bao gồm các khái niệm cốt lõi:

• Axit gamma-aminobutyric (GABA): Là một axit amin không tạo protein có công thức phân tử C4H9NO2 với khối lượng phân tử 103,12 g/mol. GABA đóng vai trò chất ức chế dẫn truyền thần kinh trung ương, được tổng hợp từ axit L-glutamic dưới sự xúc tác của enzyme glutamate decarboxylase (GAD) cùng coenzyme pyridoxal-5'-phosphate (vitamin B6).
• Theaflavin (TF) và Thearubigin (TR): Hai nhóm sắc tố thứ cấp sinh ra từ quá trình oxy hóa các catechin đơn phân (chủ yếu là EGCG và EGC) bởi hệ enzyme polyphenol oxidase (PPO) và peroxidase (PO). Theaflavin tạo màu vàng sáng và vị tươi dịu, trong khi Thearubigin tạo màu nâu đỏ đậm đà. Tỷ lệ TF/TR là chỉ số quyết định trực tiếp đến độ sáng, độ trong và chất lượng cảm quan của nước trà theo tiêu chuẩn công nghệ trà Phổ Nhĩ.
• Phức hợp đa enzyme sinh học Viscozyme L: Hệ xúc tác sinh học đa thành phần có nguồn gốc từ vi nấm Aspergillus aculeatus, sở hữu hoạt tính 100 FBG/g bao gồm arabanase, cellulase, beta-glucanase, hemicellulase và xylanase. Phức hợp này phá vỡ liên kết cấu trúc thành tế bào thực vật, giải phóng các hợp chất nội bào và tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng chuyển hóa sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn vật liệu nghiên cứu bao gồm trà Oolong thành phẩm mới, trà Oolong cũ lưu kho và trà vụn phế phẩm được thu thập từ quy trình sản xuất của nhà máy Cầu Tre tại Lâm Đồng. Mẫu thí nghiệm được đồng nhất hóa và điều chỉnh độ ẩm ban đầu đạt mức chuẩn 45% – ngưỡng ẩm tối ưu cho quá trình lên men thể rắn. Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết kế với khối lượng chuẩn xác trên từng mẻ ủ, mỗi thí nghiệm được bố trí lặp lại 3 lần độc lập nhằm triệt tiêu sai số ngẫu nhiên và đảm bảo độ tin cậy thống kê với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 5%.

Phương pháp phân tích được lựa chọn dựa trên tính chính xác cao và mức độ phù hợp với đối tượng nền mẫu trà:

• Phân tích hàm lượng tannin tổng số: Sử dụng phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử permanganate của Lowenthal với chất chỉ thị màu dung dịch indigocarmin trong môi trường axit sunfuric, xác định khả năng khử của các hợp chất phenolic dựa trên hệ số quy đổi 0,00582 gam tannin tương ứng với 1 mL KMnO4 0,1N.
• Phân tích chỉ số màu sắc TF, TR, màu tổng TC: Áp dụng phương pháp đo quang phổ phân đoạn của Takeo và Osawa (1983) trên thiết bị quang phổ UV-Vis CT-2200 Spectrophotometer. Phương pháp tách chiết chọn lọc sắc tố bằng dung môi isobutyl methyl ketone (MIBK) và dinatri hydrophosphat (Na2HPO4) giúp định lượng quang phổ chính xác ở các bước sóng đặc trưng 380 nm và 460 nm.
• Phân tích định lượng GABA: Ứng dụng phương pháp đo màu indophenol theo quy trình của Karlee và Suriyong (2012). Trong môi trường kiềm pH lớn hơn 9,0, nhóm amin tự do của GABA phản ứng với sodium hypochlorite tạo thành monochloramine, sau đó kết hợp với phenol tạo phức chất indophenol màu xanh lam có độ hấp thụ quang cực đại tại bước sóng 630 nm.

Toàn bộ timeline thực nghiệm được tiến hành nghiêm ngặt trong 4 tháng, từ việc khảo sát đặc tính nguyên liệu thô đến việc đánh giá động học biến đổi hóa sinh trong tủ ủ chuyên dụng Sanyo MCO-20AIC CO2 Incubator và tủ ủ Incucell 55.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát nguyên liệu ban đầu cho thấy sự suy giảm rõ rệt về hoạt tính sinh học trong quá trình bảo quản:

• Mẫu trà Oolong mới chứa hàm lượng GABA đạt 75,00 mg/kg cùng tỷ lệ tannin là 19,44%.
• Mẫu trà Oolong cũ lưu kho bị thoái hóa hoạt chất, hàm lượng GABA giảm còn 52,63 mg/kg và tannin còn 14,69%.
• Mẫu trà vụn phế phẩm có hàm lượng GABA khởi điểm là 63,90 mg/kg và tannin là 15,76%.

Quá trình lên men ủ đống và ủ tủ kín đối với trà Oolong cũ ghi nhận bước đột phá về hiệu suất tổng hợp GABA:

• Ở phương pháp ủ đống truyền thống, nhiệt độ khối trà tự tăng từ 30,00°C lên cực đại 35,02°C vào ngày thứ 4 rồi giảm xuống 34,05°C ở ngày thứ 5. Hàm lượng GABA tăng lên 61,66 mg/kg, tannin giảm từ 14,69% xuống 10,89%, tỷ lệ TF/TR đạt 1/10,6.
• Ở phương pháp ủ trong tủ kín có kiểm soát nhiệt độ tại 35°C, hàm lượng GABA tăng liên tục và đạt đỉnh 202,10 mg/kg sau 42 giờ, tăng gấp 3,84 lần (tương đương mức tăng 284,00%) so với nguyên liệu gốc (52,63 mg/kg) và cao gấp 3,28 lần so với phương pháp ủ đống. Đồng thời, hàm lượng tannin giảm xuống 9,58% và tỷ lệ TF/TR đạt 1/3,6.

Quá trình ủ trà vụn có bổ sung chế phẩm enzyme Viscozyme L ghi nhận sự gia tăng vượt trội về tốc độ và chất lượng:

• Phương pháp ủ đống trà vụn đạt hàm lượng GABA cực đại 168,92 mg/kg sau 4 đến 5 ngày, tannin giảm về mức 11,88% với tỷ lệ TF/TR là 1/9,5.
• Khi ủ trong tủ kín có bổ sung 10% dung dịch enzyme Viscozyme L ở nhiệt độ 40°C, hàm lượng GABA đạt tới 206,42 mg/kg chỉ sau 3 ngày (tăng gấp 3,23 lần so với nguyên liệu thô), cao hơn 1,22 lần so với ủ đống và giúp rút ngắn thời gian lên men từ 1 đến 2 ngày. Tannin giảm sâu xuống 9,70% cùng tỷ lệ TF/TR đạt 1/9,9.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hàm lượng GABA trong điều kiện ủ kín ở 35°C xuất phát từ cơ chế yếm khí cục bộ. Trong môi trường hạn chế trao đổi khí tự do, áp lực ức chế hô hấp kích hoạt mạnh mẽ enzyme nội sinh glutamate decarboxylase (GAD) chuyển hóa nguồn axit L-glutamic sẵn có thành GABA. Đồng thời, việc khống chế nhiệt độ ở mức 35°C đã ức chế hoạt tính của enzyme phân giải GABA transaminase (GABA-T), ngăn chặn quá trình chuyển hóa GABA thành succinic semialdehyde, từ đó bảo toàn tối đa lượng GABA tích lũy.

Hiệu ứng gia tốc của Viscozyme L được giải thích bởi khả năng thủy phân cấu trúc màng tế bào lá trà. Các enzyme xylanase, cellulase và hemicellulase cắt đứt khung polyme của vách tế bào, tạo điều kiện cho dịch nội bào thoát ra ngoài, làm tăng khả năng tiếp xúc giữa enzyme tannase với các cơ chất catechin. Dữ liệu thực nghiệm khi được biểu diễn trên đồ thị động học thể hiện rõ đường cong tăng trưởng GABA đạt cực đại tại thời điểm 42 giờ (đối với Oolong cũ) và 72 giờ (đối với trà vụn bổ sung enzyme), sau đó có xu hướng giảm nhẹ do sự cạn kiệt cơ chất axit glutamic tiền thân.

Sự biến đổi tỷ lệ sắc tố TF/TR từ 1/3,6 đến 1/9,9 cùng sự sụt giảm tannin từ hơn 15% xuống dưới 10% chứng minh quá trình chuyển hóa các phân tử catechin đắng chát thành các phức hợp Thearubigin có màu nước nâu đỏ trong suốt, tạo nên hương vị chát dịu và ngọt hậu đặc trưng tương tự các dòng trà lên men cao cấp. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố quốc tế của Tsushida về công nghệ trà Gabaron và nghiên cứu của Shau-mei Ou về quá trình ủ kị khí làm giàu hoạt chất sinh học.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 giải pháp trọng tâm nhằm chuyển giao công nghệ vào thực tiễn sản xuất công nghiệp:

1. Chuẩn hóa thông số vận hành quy trình ủ kị khí: Áp dụng chế độ ủ trong tủ kín ở nhiệt độ 35°C với thời gian chuẩn 42 giờ đối với trà Oolong cũ và nhiệt độ 40°C trong 72 giờ đối với trà vụn có bổ sung 10% dung dịch Viscozyme L. Mục tiêu duy trì hàm lượng GABA thành phẩm ổn định trên 200 mg/kg và tỷ lệ tannin dưới 10%. Giải pháp do Bộ phận R&D của doanh nghiệp chế biến chủ trì thực hiện trong thời gian 3 tháng.
2. Thiết kế và thương mại hóa dòng sản phẩm trà túi lọc GABA: Ứng dụng nguồn trà vụn sau lên men sinh học để sản xuất trà túi lọc tiện dụng, kiểm soát độ ẩm cuối của sản phẩm dưới mức 6,5% nhằm ngăn ngừa hiện tượng ẩm mốc và duy trì độ bền của hoạt chất sinh học trong thời hạn bảo quản 24 tháng. Nhà máy sản xuất thực phẩm phối hợp cùng Bộ phận Phát triển sản phẩm triển khai trong vòng 6 tháng.
3. Ứng dụng công nghệ sinh học vi sinh vật ngoại sinh: Nghiên cứu tuyển chọn và cấy bổ sung các chủng vi khuẩn axit lactic an toàn như Lactobacillus brevis hoặc xạ khuẩn Streptomyces bacillaris vào quy trình ủ lên men, hướng tới nâng cao hàm lượng GABA vượt ngưỡng 300 mg/kg đến 350 mg/kg. Đề xuất nhóm nghiên cứu viện trường phối hợp với doanh nghiệp thực hiện trong lộ trình 12 tháng.
4. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và đánh giá cảm quan toàn diện: Thiết lập bộ Tiêu chuẩn cơ sở (TCCS) cho sản phẩm trà giàu GABA, bao gồm các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh và tổ chức hội đồng đánh giá cảm quan thị hiếu người tiêu dùng đạt điểm đánh giá tối thiểu 85 trên thang điểm 100. Phòng Đảm bảo chất lượng (QA/QC) hoàn thiện trong vòng 4 tháng trước khi đưa sản phẩm ra thị trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư R&D và chuyên gia công nghệ thực phẩm: Cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết về điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và tỷ lệ enzyme xúc tác để tối ưu hóa quy trình lên men làm giàu hoạt chất sinh học trên các nền phụ phẩm nông nghiệp.
• Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh trà: Cung cấp giải pháp kinh tế kỹ thuật khả thi giúp tái chế hoàn toàn nguồn trà vụn và trà lưu kho giảm phẩm cấp, gia tăng từ 25% đến 40% giá trị thương phẩm cho nguồn nguyên liệu phế thải.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo có giá trị cao về phương pháp luận nghiên cứu lên men thể rắn, động học chuyển hóa polyphenol và quy trình phân tích quang phổ xác định chỉ số TF/TR và GABA.
• Chuyên gia y sinh học và dinh dưỡng học: Tiếp cận cơ sở dữ liệu thực nghiệm về nguồn thực phẩm chức năng tự nhiên có khả năng hỗ trợ hệ thần kinh, hỗ trợ điều hòa huyết áp và cải thiện các rối loạn lo âu.

Câu hỏi thường gặp

• Trà Oolong làm giàu GABA sinh học khác gì so với trà Oolong truyền thống? Trà Oolong thông thường có hàm lượng GABA dao động từ 50 mg/kg đến 75 mg/kg và vị chát đậm do chứa 15% đến 20% tannin. Trà Oolong làm giàu GABA bằng phương pháp sinh học sở hữu hàm lượng GABA cao vượt trội trên 200 mg/kg, đồng thời tannin giảm xuống dưới 10%, mang lại vị chát dịu êm, nước trà sáng trong và hỗ trợ an thần hiệu quả.

• Tại sao ủ trong tủ kín lại giúp tích lũy GABA cao hơn gấp 3,28 lần so với ủ đống? Quá trình ủ trong tủ kín tạo điều kiện yếm khí cưỡng bức đồng nhất và kiểm soát nhiệt độ chính xác ở 35°C. Môi trường này kích thích tối đa enzyme GAD nội tại khử carboxyl của glutamate thành GABA, đồng thời ức chế hoàn toàn phản ứng phân hủy của enzyme GABA-T, trong khi ủ đống tự nhiên bị thất thoát nhiệt và chịu tác động của oxy ngoài không khí.

• Enzyme Viscozyme L đóng vai trò gì trong việc gia tăng hàm lượng GABA ở trà vụn? Viscozyme L với hoạt tính cellulase và xylanase giúp phá hủy cấu trúc thành tế bào cellulose bền vững của lá trà vụn. Việc phá vỡ cấu trúc này giúp giải phóng nhanh chóng các cơ chất nội bào, hỗ trợ hệ enzyme nội sinh hoạt động mạnh mẽ, giúp rút ngắn thời gian lên men từ 5 ngày xuống 3 ngày và đạt hàm lượng GABA đỉnh 206,42 mg/kg.

• Tỷ lệ Theaflavin trên Thearubigin có ý nghĩa gì đối với chất lượng cảm quan của trà? Tỷ lệ TF/TR phản ánh mức độ chuyển hóa polyphenol trong quá trình lên men. Khi tỷ lệ TF/TR đạt từ 1/3,6 đến 1/9,9, nước trà đạt được độ trong suốt, màu nước chuyển từ nâu sẫm sang ánh nâu sáng rạng rỡ, loại bỏ hoàn toàn mùi hăng ngái của lá trà tươi và làm dịu vị đắng gắt.

• Kéo dài thời gian ủ vượt quá 48 giờ ở trà Oolong cũ có làm tăng thêm GABA không? Không. Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm lượng GABA đạt cực đại 202,10 mg/kg tại thời điểm 42 giờ, sau đó giảm xuống còn 136,89 mg/kg ở 48 giờ. Nguyên nhân do nguồn cơ chất axit glutamic ban đầu đã bị tiêu thụ hết, trong khi các phản ứng chuyển hóa thứ cấp bắt đầu phân giải lượng GABA tích lũy.

Kết luận

• Đề tài đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả vượt trội của việc ứng dụng biện pháp sinh học để làm giàu hoạt chất GABA từ nguồn trà Oolong cũ lưu kho và trà vụn phế phẩm công nghiệp.
• Xác lập điều kiện tối ưu cho quá trình ủ kị khí trà Oolong cũ trong tủ kín ở 35°C trong 42 giờ, nâng hàm lượng GABA lên 202,10 mg/kg (tăng 3,84 lần so với ban đầu) với hàm lượng tannin hạ xuống 9,58%.
• Xác lập quy trình bổ sung 10% chế phẩm enzyme Viscozyme L ở 40°C trong 3 ngày cho trà vụn, đạt hàm lượng GABA cực đại 206,42 mg/kg (tăng 3,23 lần), rút ngắn chu kỳ sản xuất từ 1 đến 2 ngày.
• Cải thiện toàn diện chất lượng cảm quan của sản phẩm thông qua việc kiểm soát tỷ lệ sắc tố TF/TR đạt mức tiêu chuẩn, biến đổi vị chát mạnh thành vị thanh dịu ngọt hậu.
• Mở ra hướng tiếp cận công nghệ mới trong việc phát triển các dòng sản phẩm đồ uống bảo vệ sức khỏe có giá trị gia tăng cao từ nguồn phụ liệu nông nghiệp.

Đóng góp lớn nhất của công trình là xây dựng thành công quy trình công nghệ lên men kiểm soát có bổ sung enzyme, giải quyết triệt để vấn đề phụ phẩm cho các nhà máy chế biến trà tại Việt Nam. Doanh nghiệp và các đơn vị nghiên cứu có thể tiếp tục triển khai kế hoạch thử nghiệm sản xuất bán công nghiệp trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới để nhanh chóng đưa các dòng trà GABA Oolong thương mại hóa ra thị trường trong nước và quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu sơ lược về trà Trà (chè) là một thức uống được chế biến từ búp và lá của cây trà, có tên khoa học là Camellia sinensis (hình 1. Đây là một thức uống không cồn phổ biến thứ hai trên toàn thế giới, được tiêu thụ bởi hai phần ba dân số trên thế giới [28], có sản lượng tiêu thụ thuộc vào hàng đứng đầu [19].1 Cây trà Camellia sinensis Cây trà là loại cây thân bụi hoặc cây gỗ, có phân loại khoa học như sau: Bảng 1.1 Phân loại khoa học của cây trà.

Phân loại khoa học Ngành Thực vật Lớp Dicotylednae Bộ Theales Họ Theaceae Chi Camellia Loài C. Nguồn gốc cây trà Thần thoại Trung Quốc cho rằng Hoàng đế Shen Nung đã phát hiện ra Trà (2737 trước công nguyên). Lần đầu tiên trà được đề cập trong Erh-Ya, một từ điển Trung Quốc khoảng năm 400 trước công nguyên. Sau công nguyên, trà được xem như một loại thuốc (từ triều đại nhà Đường), nhưng sau đó trà trở nên phổ biến như một thức uống.

Năm 1753, Carl Von Linnaeus, nhà thực vật học Thụy Điển nổi tiếng, lần đầu tiên trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu trên một số loại trà cổ ở Trung Quốc và định 2 tên khoa học cây trà là Thea Sinensis rồi phân thành 2 loại: Thea bohea (trà đen) và Thea viridis (trà xanh). Năm 1823, Robert Bruce, một học giả người Anh, lần đầu tiên phát hiện một số cây trà hoang dã trong dãy núi Sadiya ở vùng Atxam (Ấn Độ) cao tới 17 đến 20 m, thuộc loài thân gỗ lớn, khác hẳn cây trà thân bụi của Linnaeus thu thập ở vùng Trung Quốc nói trên. Năm 1918, Cohen Stuart (Java), một nhà phân loại thực vật Hà Lan đã đi thu thập mẫu tiêu bản trà tại Vân Nam, Bắc Việt Nam và Bắc Myanma. Kết quả đã tìm thấy những cây trà thân gỗ lớn ở khu vực miền núi phía Nam và phía Tây Vân Nam.

Tuy có những quan điểm khác nhau về nguồn gốc cây trà, nhưng vùng phân bố trà nguyên sản và vùng trà dại đều nằm ở khu vực núi cao, có điều kiện sinh thái lý tưởng, phù hợp với vùng Vân Nam (Trung Quốc) hay vùng Atxam (Ấn Độ) đều có độ cao trên 1500m so với mặt nước biển. Còn tại Việt Nam thành phẩm đã tìm thấy trà dại tại Suối Giàng (Yên Bái), Thông Nguyên, Cao Bồ (Hà Giang), Tam Đảo (Vĩnh Phúc). Từ những nghiên cứu trên có thể đi đến kết luận là cây trà có nguồn gốc từ Châu Á. Các hợp chất quan trọng trong lá trà Một số thành phần hoá học trong búp trà tham gia trực tiếp vào sự hình thành chất lượng trà sản phẩm (như pectin, cafein.) và thông qua sự biến đổi hoá học (như sự biến đổi của tannin, protein,.) để tạo nên các hợp chất tạo ra hương vị đặc trưng cho trà sản phẩm.

Quá trình chế biến trà là điều khiển, kiểm soát các quá trình biến đổi này. Dưới đây là một số hợp chất quan trọng và cơ sở sinh hóa của quá trình ủ trà bởi hệ enzyme nội tại. Các hợp chất phenol Là thành phần hóa học có ý nghĩa lớn nhất, có giá trị sinh học cao, chiếm 30- 40% hàm lượng chất khô trong lá trà tươi. Các hợp chất phenol bao gồm những đặc tính tốt nổi bật của trà và được nghiên cứu kỹ hơn bất kì loại hợp chất nào khác trong trà.

Các hợp chất phenol chịu trách nhiệm về màu sắc, mùi và vị đặc trưng của trà [19]. Hợp chất phenol trà là một nhóm các hợp chất hóa học trong cấu trúc hóa học có chứa nhiều hơn một nhóm phenolic; có nhiều phụ nhóm của polyphenol được biết như: polyphenol đơn giản, flavanol, tannin và các hợp chất phenol khác. Tannin Tannin trà là thành phần quyết định đến màu sắc, hương vị của các loại trà sản phẩm do chính chúng tạo ra và do những biến đổi hoá học của chúng đem lại. Tannin trà là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất phenol thực vật bao gồm các chất polyhydroxyphenol đơn giản (chủ yếu là catechin) và các chất polyphenol đa phân tử (hay còn gọi là tannin đặc biệt).

Nhóm chất catechin là hợp chất không màu, trong khi nhóm tannin đặc biệt tạo màu và vị chát dịu cho trà, bên cạnh chúng còn kèm theo các hợp chất phenol phi tannin có màu và vị rất đắng. Catechin Nhóm chất catechin (tiền chất của tannin): là hợp chất không màu, tan trong nước tạo thành một hợp chất có vị đắng chát và cảm giác se lại nơi khướu giác sau khi uống, có cấu tạo chung là các đơn phân tử (thuộc nhóm chất polyhydroxylphenol - monomer), chiếm khoảng trên 80% tổng lượng tannin trà, có vị chát đắng mạnh hơn so với tannin đặc biệt. Nhóm này gồm 7 catechin khác nhau đó là Epicatechin (EC), Epigalocatechin (EGC), Galocatechin (GC), Epicatechingalat (ECG), Epigalocatechingalat (EGCG), Galocatechingalat (GCG) và Catechin. EGCG có vị đắng đặc trưng còn EC, EGC và GC có vị chát dịu.

Nhóm chất phi tannin có vị đắng ở dạng glucozit và có màu thuộc họ flavonol [21]. Trong công nghệ chế biến trà, các chế độ công nghệ phải tạo ra sự chuyển hoá các chất trong nhóm catechin, nhất là 2 chất EGC và EGCG để tạo màu và chuyển hoá vị trà tức là chuyển chúng sang nhóm tannin đặc biệt (polyphenol) [2]. Con đường chuyển hóa các hợp chất chính trong quy trình ủ trà được thể hiện ở hình 1.2 Sơ đồ chuyển hóa các hợp chất chính trong quy trình ủ trà 4 1. Theaflavin (TF) và Thearubigin (TR) Theaflavin và Thearubigin là hai chất màu vàng và nâu đỏ, là sản phẩm oxy hoá của các polyphenol-catechin L-epigallocatechin (L-EGC) và L-epigallocatechingallate (L- EGCG) bởi enzyme trong quá trình ủ trà Phổ Nhĩ.

Theaflavin và Thearubigin là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm trà Phổ Nhĩ [30]. Theo Roberts, màu sắc của nước trà do Thearubigin quyết định còn vị đậm của nước trà do tỷ lệ giữa Theaflavin và Thearubigin quyết định [19]. Thearubigin chiếm tỷ lệ 5- 8% trong trà khô và cho màu ánh đỏ nâu còn Theaflavin tuy chỉ có 0,2-2% hàm lượng chất khô nhưng lại quyết định đến màu sắc của nước trà. Nhiều nghiên cứu cho thấy Theaflavin không phải là một chất mà là hỗn hợp của hai chất Theaflavin và Theaflavingallat.

Một điều chú ý là Theaflavingallat này rất không ổn định, chỉ cần oxy hoá một chất là chuyển thành Thearubigin. Loại trà cấp thấp không cần phải hãm lâu nhưng nước đã nâu sẫm và đục là do có sự oxy hoá nhanh chóng của hợp chất này. Các nhà nghiên cứu đã khai thác ngay hiện tượng này và dựa vào đó để đánh giá và tiêu chuẩn hoá chất lượng trà [6]. Cơ sở khoa học tạo Theaflavin và Thearubigin: Dưới tác dụng của enzyme polyphenol oxidase thì L-EGC và L-EGCG bị oxy hoá tạo thành octoquynol, sau đó các octoquynol thông qua quá trình dimer hoá tạo thành những bis- flavanol.

Ví dụ như nếu xuất phát từ catechin thì dimer tạo được sẽ có vị chát nhẹ và có màu đỏ (hình 1. Khi phân tử diphenol quynol tác dụng với một polyphenol thì tạo thành bis- flavanol không màu (hình 1.3 Quá trình tạo thành các octoquynol 5 Hình 1.4 Quá trình tạo thành các bis-flavanol Các diphenol có thể tương tác với nhau qua phản ứng oxy hoá-khử, sắp sếp lại phân tử để tạo thành Theaflavin có màu vàng, để phản ứng xảy ra thì gốc Y ở C3 phải là gốc gallo (hình 1.5 Quá trình tạo thành Theaflavin Phần trong vòng chấm gọi là gốc tạo màu benzo-tropolon. Theo Roberts, nếu oxy hoá đồng thời L-EGC và L-EGCG đều dẫn tới tạo thành Theaflavin. Còn chỉ oxy hoá L-EGCG thì chỉ tạo nên Theaflavingallat.

Thành phẩm theo nghiên cứu của tác giả này, Thearubigin là sản phẩm chuyển hoá oxy hoá của Theaflavin và bis-flavanin [19]. Thearubigin là hợp chất có tính acid do có nhóm cacboxyl được tạo nên khi mở vòng Pirogallo trong gốc benzo- tropolon của Theaflavin. Sự oxy hoá Theaflavin thành Thearubigin xảy ra như sau: Hình 1.6 Quá trình oxy hoá Theaflavin thành Thearubigin 6 Thearubigin ở trạng thái tự do có màu hồng nhạt, khi đính với Natri có màu nâu gạch, với Kali và Canxi có màu đỏ tươi. Cuối cùng một số Thearubigin bị protein trong lá làm kết tủa thành những tinh thể không hoà tan và bị mất đi cùng với bã trà [19, 10, 27].

Hợp chất alkaloid Alkaloid là những chất không màu, một số ít có màu vàng, chúng có tính kích thích đầu lưỡi, có vị đắng. Thành phần chủ yếu là caffein. Caffein là chất alkaloid chủ yếu và quan trọng nhất trong lá trà, có vị đắng, không mùi. Caffein tác dụng với tannin trà sẽ tạo thành váng khi để nguội nước trà, gọi là hợp chất tannat caffein.

Theo quan điểm của một số tác giả thì caffein có khả năng giữ lại sự đông tụ của protein. Chất lượng trà phụ thuộc nhiều vào lượng caffein, caffein càng nhiều thì chất lượng càng giảm, nhưng không thể thiếu caffein trong thành phần của trà [3]. Enzyme Trong lá trà có hai nhóm enzyme chính là nhóm enzyme oxy hóa khử như polyphenol oxidase, peroxidase và nhóm enzyme thủy phân như cellulase, amylase, peptidase, invertase, protease,… Nhóm enzyme thủy phân: Enzyme cellulase là enzyme chính có mặt trên thành tế bào lá trà. Đóng vai trò phân cắt cellulose thành glucose tạo vị ngọt cho trà, đồng thời tạo điều kiện cho các enzyme oxy hóa tiếp xúc với cơ chất.

Enzyme pectinase thủy phân protopectin thành pectin hoà tan. Enzyme amylase thuỷ phân tinh bột thành đường, các đường khử này vừa có vai trò tạo vị, vừa tham gia vào các phản ứng tạo chất thơm, chất màu cho trà. Enzyme protease phân giải protein thành các acid amin, các acid amin này trực tiếp tham gia tạo vị cho trà và đặc biệt là tham gia vào các phản ứng tạo hương thơm như tạo các aldehyde thơm mùi hoa quả làm tăng mùi hấp dẫn của trà. Enzyme invertase thuỷ phân đường saccharose thành glucose và fructose.

Nhóm enzyme oxy hóa khử trong trà gồm có catalase, peroxidase (PO), polyphenol oxidase (PPO)… Trong đó, enzyme catalase tồn tại ở cả hai trạng thái là tự do và liên kết, nó xúc tác cho phản ứng phân giải các hydroperoxide tạo ra các nguyên tử oxy (O•) góp phần đẩy mạnh tác dụng của peroxidase và polyphenol oxidase. 7 Enzyme PO thành phẩm tồn tại ở cả hai trạng thái tự do và liên kết, nó xúc tác cho phản ứng phân giải các hợp chất polyphenol (nhưng chỉ sử dụng được O• giải phóng ra do sự phân giải H2O2 nhờ enzyme catalase mà không sử dụng trực tiếp được O2 trong không khí) tạo thành các sản phẩm ngưng tụ không tan, không có màu và vị. Enzyme PPO xúc tác cho phản ứng phân giải các hợp chất polyphenol tạo sản phẩm ngưng tụ có màu và vị đặc trưng, nó thành phẩm tồn tại ở cả hai trạng thái là tự do và liên kết.