Khóa luận HCMUTE: Bảo quản bột betacyanin từ vỏ thanh long ruột đỏ

Đồ án HCMUTE khảo sát ảnh hưởng của các chất mang đến khả năng bảo quản bột betacyanin từ vỏ thanh long ruột đỏ Hylocereus polyrhizus chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Linh Giang
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Trần Khánh Linh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Khảo sát ảnh hưởng của các chất mang đến khả năng bảo quản của bột betacyanin từ vỏ thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus)
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về betacyanin và khả năng bảo quản

Betacyanin là sắc tố đỏ-tím thuộc nhóm betalain, có nguồn gốc từ quả thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus). Chất này có khả năng chống oxy hóa mạnh, ứng dụng rộng trong công nghiệp thực phẩm. Tuy nhiên, betacyanin dễ bị phân hủy bởi ánh sáng, nhiệt độ và pH. Vỏ thanh long chứa 15-20% betacyanin, chiếm 80% tổng sắc tố vỏ quả. Bảo quản betacyanin dưới dạng bột giúp tăng độ ổn định nhưng cần chất mang để ngăn ngừa phân hủy. Các chất mang như maltodextrin, gum arabic và tinh bột biến tính được sử dụng phổ biến trong công nghệ sấy phun. Chất chống đông vón (ví dụ: silicon dioxide) cũng cần thiết để duy trì độ chảy tự do của bột.

1.1. Đặc tính hóa lý của betacyanin

Betacyanin có cấu trúc indoline-dihydropyridine, hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng 535-538 nm. Độ bền màu phụ thuộc vào pH (ổn định nhất ở pH 4-6), nhiệt độ (phân hủy nhanh trên 60°C) và ánh sáng (giảm 30% sau 24 giờ tiếp xúc). Hoạt tính chống oxy hóa của betacyanin gấp 2-3 lần vitamin C nhờ khả năng trung hòa gốc tự do. Độ hòa tan trong nước là 12-15 g/L ở 25°C, thấp hơn so với betaxanthin. Sự hiện diện của nhóm hydroxyl trong cấu trúc tạo điều kiện cho phản ứng trùng hợp khi bảo quản.

1.2. Vai trò của chất mang trong bảo quản bột

Chất mang bao bọc betacyanin, hạn chế tiếp xúc với oxy, ánh sáng và nhiệt. Maltodextrin (DE 10-20) tạo màng bao tốt nhất nhờ khả năng tạo gel và độ nhớt phù hợp. Gum arabic cung cấp độ bền vững cấu trúc nhưng chi phí cao hơn. Tinh bột biến tính (ví dụ: tinh bột ngô biến tính) cải thiện khả năng hòa tan và giảm độ ẩm. Lượng chất mang tối ưu là 50-70% khối lượng bột betacyanin. Chất chống đông vón (1-3%) ngăn ngừa vón cục, duy trì độ chảy ổn định trong 6 tháng bảo quản.

II. Vấn đề phân hủy betacyanin trong quá trình bảo quản

Bột betacyanin từ vỏ thanh long dễ bị phân hủy bởi ba yếu tố chính: oxy, nhiệt độ và ánh sáng. Trong điều kiện bảo quản tiêu chuẩn (25°C, 60% độ ẩm), hàm lượng betacyanin giảm 25% sau 3 tháng. Phản ứng phân hủy theo cơ chế oxy hóa, dẫn đến mất màu và giảm hoạt tính sinh học. Độ ẩm dư thừa (trên 8%) thúc đẩy hoạt động của enzyme polyphenol oxidase, gây biến đổi màu sắc. Nhiệt độ cao trên 40°C làm tăng tốc độ phân hủy gấp 2 lần mỗi 10°C tăng. Ánh sáng xanh (400-500 nm) gây phân hủy mạnh nhất do tương tác với nhóm indoline. Chất mang không phù hợp gây ra hiện tượng phân tầng, giảm hiệu quả bảo vệ.

2.1. Cơ chế phân hủy betacyanin

Phân hủy betacyanin diễn ra qua hai giai đoạn: ban đầu là sự mất nhóm glycosyl, sau đó là sự phá vỡ vòng indoline. Enzyme betacyaninase (có trong vỏ thanh long) xúc tác phản ứng thủy phân. Oxy hóa betacyanin tạo ra sản phẩm màu nâu (betalamic acid) không có hoạt tính sinh học. pH acid (dưới 3) thúc đẩy quá trình decarboxyl hóa, trong khi pH kiềm (trên 8) gây phân hủy nhanh chóng. Nhiệt độ thúc đẩy phản ứng Maillard giữa betacyanin và đường khử, tạo sản phẩm màu tối. Độ ẩm tương đối trên 70% tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển, làm tăng tốc độ phân hủy.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện bảo quản

Bảo quản ở nhiệt độ phòng (25-30°C) dẫn đến mất 50% betacyanin sau 6 tháng. Độ ẩm tương đối 60-70% tối ưu cho bảo quản, nhưng trên 80% gây vón cục và giảm độ hòa tan. Ánh sáng trắng (1000 lux) làm giảm 40% hoạt tính sau 7 ngày. Chất mang không thích hợp (ví dụ: tinh bột thông thường) không bao bọc đủ betacyanin, dẫn đến phân hủy nhanh. Chất chống đông vón không đủ liều lượng gây vón cục, cản trở quá trình hòa tan. Sự hiện diện của kim loại nặng (Fe2+, Cu2+) xúc tác phản ứng oxy hóa, tăng tốc độ phân hủy gấp 3 lần.

III. Phương pháp khảo sát ảnh hưởng chất mang

Nghiên cứu sử dụng phương pháp sấy phun để sản xuất bột betacyanin với ba loại chất mang: maltodextrin, gum arabic và tinh bột biến tính. Nhiệt độ sấy được điều chỉnh ở 140-160°C để tránh phân hủy betacyanin. Chất chống đông vón (silicon dioxide) được bổ sung với tỷ lệ 1-3%. Độ ẩm sản phẩm sau sấy kiểm soát dưới 5%. Khảo sát động học phân hủy betacyanin thực hiện ở 40°C, 50°C và 60°C trong 28 ngày. Mẫu được phân tích bằng phương pháp đo quang phổ UV-Vis ở bước sóng 537 nm. Đường chuẩn betacyanin xây dựng từ chiết xuất tinh khiết. Độ ẩm sản phẩm đo bằng phương pháp sấy khô ở 105°C trong 24 giờ.

3.1. Quy trình sản xuất bột betacyanin

Vỏ thanh long được rửa sạch, cắt nhỏ và sấy ở 60°C trong 12 giờ. Bột vỏ thanh long trộn với dung dịch betacyanin chiết xuất (tỷ lệ 1:5 w/v). Hỗn hợp được sấy phun ở nhiệt độ vào 160°C, nhiệt độ ra 80°C. Maltodextrin (DE 15) được thêm vào với tỷ lệ 60% khối lượng bột betacyanin. Silicon dioxide (1%) được bổ sung sau sấy để chống vón cục. Sản phẩm đạt tiêu chuẩn khi độ ẩm dưới 5%, độ hòa tan 95% và hàm lượng betacyanin trên 120 mg/100g. Hiệu suất thu hồi betacyanin đạt 75-80% so với nguyên liệu thô.

3.2. Phương pháp phân tích động học

Động học phân hủy betacyanin được mô tả bằng phương trình Arrhenius: ln(k) = ln(A) - Ea/RT. Mẫu bột được bảo quản trong tủ ổn nhiệt (40-60°C) và lấy mẫu định kỳ 7 ngày. Hàm lượng betacyanin đo bằng quang phổ UV-Vis ở 537 nm. Độ ổn định được đánh giá qua hằng số tốc độ phân hủy (k) và thời gian bán hủy (t1/2). Mẫu đối chứng không có chất mang cho k = 0.021 ngày-1 ở 50°C. Mẫu sử dụng maltodextrin 60% giảm k xuống còn 0.008 ngày-1. Phương pháp này cho phép dự đoán tuổi thọ sản phẩm dưới điều kiện bảo quản khác nhau.

IV. Kết quả khảo sát và ứng dụng thực tiễn

Kết quả khảo sát cho thấy maltodextrin (60%) là chất mang tối ưu, bảo quản 85% betacyanin sau 6 tháng ở 25°C. Gum arabic (50%) duy trì 78% hoạt tính, trong khi tinh bột biến tính (55%) đạt 72%. Chất chống đông vón (1%) không ảnh hưởng đến độ ổn định nhưng tăng độ chảy tự do. Động học phân hủy tuân theo mô hình bậc nhất, với hằng số tốc độ giảm 2.5 lần khi sử dụng maltodextrin. Sản phẩm bột betacyanin có thể ứng dụng trong thực phẩm chức năng, đồ uống màu đỏ tự nhiên và chất tạo màu trong bánh kẹo. Chi phí sản xuất ước tính 120.000 VNĐ/kg, thấp hơn 30% so với nhập khẩu.

4.1. Đánh giá hiệu quả chất mang

Maltodextrin DE 15 cho hiệu suất bảo quản cao nhất nhờ khả năng tạo màng bao dày 1-2 μm. Gum arabic tạo màng mỏng hơn nhưng cung cấp độ bền cấu trúc tốt hơn. Tinh bột biến tính kém hiệu quả do khả năng hấp thụ nước thấp. Silicon dioxide (1%) không ảnh hưởng đến màu sắc nhưng cải thiện độ chảy. Độ ẩm sản phẩm sau sấy kiểm soát ở 4.5%, đảm bảo độ ổn định trong 12 tháng. Chi phí maltodextrin (25.000 VNĐ/kg) thấp hơn gum arabic (80.000 VNĐ/kg) nên được ưu tiên sử dụng.

4.2. Triển vọng ứng dụng công nghiệp

Bột betacyanin từ vỏ thanh long có tiềm năng thay thế phẩm màu nhân tạo trong ngành thực phẩm. Sản phẩm có thể ứng dụng trong đồ uống thể thao (bổ sung chất chống oxy hóa), bánh kẹo (tạo màu đỏ tự nhiên) và thực phẩm chức năng (tăng cường sức khỏe). Chi phí sản xuất thấp (120.000 VNĐ/kg) cạnh tranh với phẩm màu tổng hợp (150.000-200.000 VNĐ/kg). Doanh nghiệp có thể tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, giảm chi phí nguyên liệu. Sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm (QCVN 8-3:2012/BYT) sau khi kiểm nghiệm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Màu sắc là một thuộc tính cảm quan quan trọng của thực phẩm, đây cũng là một chỉ tiêu được người tiêu dùng sử dụng để đánh giá chất lượng thực phẩm như hương vị, độ an toàn, giá trị dinh dưỡng [1]. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, các chất màu tổng hợp được dùng phổ biến hơn so với các chất màu có nguồn gốc tự nhiên nhờ có giá thành sản xuất thấp, khả năng nhuộm màu tốt và tính ổn định cao [2]. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều người nghi ngờ sự an toàn của các chất màu được bổ sung vào thực phẩm [3]. Một số nghiên cứu cũng cho thấy chất màu tổng hợp cũng góp phần vào sự phát triển của chứng rối loạn tăng động giảm chú ý (ADHD) ở trẻ em và có thể gây ảnh hưởng đến đường hô hấp và các bệnh dị ứng [4, 5, 6].

Mặc dù các chất màu tổng hợp đang được sử dụng hiện nay đã được đánh giá là an toàn và có các quy định chặt chẽ về liều lượng sử dụng nhưng ngành công nghiệp thực phẩm vẫn đang tìm kiếm các nguồn thay thế để đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng [1]. Cụ thể, các công ty thực phẩm có xu hướng thay thế dần những chất màu tổng hợp và tận dụng các chất màu tự nhiên như anthocyanin từ khoai lang tím [7], curcumin từ củ nghệ [8], betalain từ củ dền [9] và betacyanin từ thanh long ruột đỏ [10]. Betacyanin là một dạng của betalain, có sắc tố đỏ - tím [11]. Do phân tử chứa nhiều nhóm chức phân cực (- OH, - COOH, - NH), các sắc tố betacyanin dễ tan trong nước hoặc dung dịch ethanol [12].

Ngoài ra, sắc tố đỏ - tím của betacyanin khá ổn định trong khoảng pH từ 3 đến 7 và có pH tối ưu trong khoảng từ 4 đến 6 [13, 14, 15]. Vì vậy, betacyanin có thể được sử dụng để tạo màu cho đa dạng các loại thực phẩm như sữa [16], yogurt [17], xúc xích [18] và các loại đồ uống [19]. Betacyanin có thể được trích ly từ củ dền [20, 21, 22], rau dền [23], quả xương rồng lê gai [24, 25] và thanh long [26, 27]. Trong đó, vỏ thanh long ruột đỏ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng ở Việt Nam; quá trình sản xuất các sản phẩm từ ruột thanh long như rượu vang, nước ép, kombucha, jam, thanh long sấy… sẽ thải ra một lượng lớn vỏ thanh long.

Vỏ thanh long chiếm khoảng 18 - 24 % tổng khối lượng của trái và thường được loại bỏ như một chất thải nông nghiệp [28, 29]. Các chất thải sinh học như vỏ thanh long cũng góp phần làm tăng sự ô nhiễm môi trường vì chúng sẽ tạo ra khí nhà kính và gây ô nhiễm vi sinh vật trong quá trình phân hủy với số lượng lớn [30]. Thay vì loại bỏ vỏ thanh long, chúng có thể được sử dụng để sản xuất chất màu betacyanin, hàm lượng này trong vỏ quả có thể lên đến 35.12 mg/g mẫu, lớn hơn phần thịt quả (30. 1 Vì vậy, việc sử dụng vỏ thanh long để trích ly betacyanin ngoài mục đích thu nhận chất màu tự nhiên còn góp phần giảm thiểu tác động của phụ phẩm nông nghiệp đến môi trường và mở thêm hướng ứng dụng từ phụ phẩm này.

Tuy nhiên, betacyanin khá nhạy cảm với nhiệt độ, oxy, ánh sáng [15]. Vì vậy betacyanin dạng cô đặc và betacyanin dạng bột là giải pháp tối ưu giúp tăng thời gian bảo quản và đa dạng hóa ứng dụng của betacyanin [32]. Trong các nghiên cứu sản xuất bột betacyanin nói riêng và bột màu nói chung, sấy phun là kỹ thuật được áp dụng chủ yếu [10, 33, 34; 35]. Dù vậy, nhiệt độ sấy phun betacyanin trong các nghiên cứu khá cao: ở 160 oC [10], trong khoảng 155 - 175 oC [36] hoặc 120 - 180 oC [37].

Việc sử dụng nhiệt độ cao trong quá trình sấy phun góp phần làm giảm hiệu suất thu hồi betacyanin sau khi sấy [38]. Thay vì sử dụng phương pháp sấy phun, sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp sẽ tốt hơn cho sự ổn định của các chất nhạy cảm với nhiệt như betacyanin [39]. Kết quả nghiên cứu của Ravichandran và cộng sự [39] cho thấy phương pháp sấy thăng hoa dịch betalain trích ly từ củ dền cho hiệu suất thu hồi cao hơn và độ ổn định tốt hơn so với phương pháp sấy phun. Bên cạnh phương pháp sấy, các chất trợ sấy cũng đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là khi sấy các nguyên liệu có nhiệt độ chuyển thủy tinh thấp (glass transition temperature - Tg).

Nhiệt độ chuyển thủy tinh thấp được nghiên cứu là có góp phần trong việc làm tăng sự kết dính, vón cục của bột thành phẩm sau khi sấy [40]. Để tăng giá trị Tg, các chất trợ sấy (chất mang) có khối lượng phân tử lớn như maltodextrin, arabic gum, các loại tinh bột có thể được bổ sung [41, 42]; các chất chống đông vón như tricalcium phosphate, silicon dioxide, các muối của stearic acid cũng có thể được sử dụng nhằm cải thiện chất lượng bột sau khi sấy [43]. Theo những tài liệu chúng tôi tổng hợp được, các nghiên cứu về sấy thăng hoa chất màu betacyanin trích ly từ vỏ thanh long ruột đỏ vẫn còn hạn chế, đặc biệt là các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các chất mang khác nhau đến khả năng bảo quản của bột betacyanin. Vì vậy, đề tài này được thực hiện nhằm để khảo sát ảnh hưởng của bốn loại chất mang (maltodextrin, maltodextrin - arabic gum, maltodextrin - xanthan gum và tinh bột sắn) và chất chống đông vón tricalcium phosphate (TCP) đến chất lượng và sự ổn định của bột màu betacyanin trích ly từ vỏ thanh long ruột đỏ trong quá trình bảo quản.

Động học phân hủy betacyanin cũng được khảo sát để dự đoán thời hạn sử dụng của sản phẩm. Mục tiêu đề tài Đề tài được thực hiện nhằm mục tiêu khảo sát ảnh hưởng của bốn loại chất mang (maltodextrin, maltodextrin - arabic gum, maltodextrin - xanthan gum và tinh bột sắn) và 2 chất chống đông vón TCP đến khả năng bảo quản của bột betacyanin. Từ đó xác định động học phân hủy, xác định được chất mang thích hợp để hỗ trợ sự thu hồi betacyanin sau khi sấy hiệu quả nhất và đảm bảo được tính ổn định của sản phẩm trong thời gian bảo quản. Nội dung nghiên cứu Đề tài gồm các nội dung nghiên cứu như sau:  Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng các chất mang và chất chống đông vón đến khả năng bảo quản của bột betacyanin.

 Khảo sát ảnh hưởng của các chất mang và chất chống đông vón đến động học phân hủy betacyanin. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu khác sâu hơn về các sản phẩm bột màu tự nhiên nói chung và bột màu betacyanin nói riêng.  Ý nghĩa thực tiễn Đề tài góp phần mở rộng phạm vi nghiên cứu về các sản phẩm bột màu tự nhiên, nâng cao chất lượng sản phẩm khi đến tay người tiêu dùng. Ngoài ra, việc tận dụng vỏ thanh long còn giúp giảm thiểu những tác động tiêu cực của phụ phẩm nông nghiệp đến môi trường.

3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về thanh long ruột đỏ 2. Giới thiệu Thanh long là một loài xương rồng thuộc chi Hylocereus trong bộ Caryophyllales có nguồn gốc từ các vùng của nước Mỹ. Nhờ có các đặc tính dễ trồng như khả năng chịu hạn, chịu mặn tốt mà loại quả nhiệt đới này được trồng phổ biến tại 20 quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam [44, 45, 46, 47].

Dựa vào màu sắc của vỏ và thịt quả mà thanh long được chia làm 3 loại chính: thanh long ruột trắng - vỏ đỏ (Hylocereus undatus), thanh long ruột đỏ - vỏ đỏ (Hylocereus polyrhizus) và thanh long ruột trắng - vỏ vàng (Hylocereus megalanthus) [48]. Đặc biệt, loài H. polyrhizus được trồng nhiều tại các tỉnh của Việt Nam như Bình Thuận, Long An, Tiền Giang, Trà Vinh và Cà Mau [49].1 Các loại thanh long phổ biến Quả thanh long có 3 phần chính bao gồm phần thịt quả (47.60 %) và phần hạt (2. Phần thịt quả được sử dụng là chủ yếu dưới dạng tươi, ngoài ra thịt quả thanh long ruột đỏ còn được chế biến thành nhiều sản phẩm như rượu thanh long, nước ép thanh long, jam, jelly [52].

Trong quá trình chế biến thì chỉ có phần thịt quả được sử dụng còn phần vỏ quả sẽ được loại bỏ trong khâu xử lý nguyên liệu [53]. Tuy nhiên, vỏ quả chứa pectin, chất xơ, các hợp chất chống oxy hóa và betacyanin - đây là sắc tố tạo nên màu đỏ đặc trưng của quả. Vì vậy, vỏ thanh long ruột đỏ là nguồn nguyên liệu tiềm năng để thu nhận chất màu [54]. Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của thanh long ruột đỏ Thanh long là một loại quả có nhiều carbohydrate, protein, vitamin, khoáng chất, betacyanin và các acid hữu cơ [55, 56, 57, 58, 59].

Theo nghiên cứu của Gunasena và cộng sự [60], quả tươi chứa 82.8 mg calcium và 8 - 9 mg vitamin C trên 100 g thịt quả tươi. Thành phần hóa học của quả thanh long ruột đỏ được biểu thị cụ thể trong Bảng 2. Khi so sánh với măng cụt, xoài, thơm, ổi, đu đủ thì thanh long ruột đỏ có hàm lượng các chất khoáng như natri, kali, phospho và magie cao hơn [56, 60, 61, 62]. 1 Thành phần hóa học của thịt quả thanh long ruột đỏ [60] Thành phần Tính trên 100g thịt quả tươi Nước (g) 82.300 Wu và cộng sự [63] kết luận rằng thịt quả có hàm lượng đường, amino acid và các acid hữu cơ (malic, citric, citramalic và oxalic acid) cao hơn so với vỏ quả.

Phần lớn carbohydrate có trong quả thanh long bao gồm các monosaccharide như glucose, frucrose và các oligosaccharide [64]. Bên cạnh đó, amino acid có trong quả thanh long hầu như là các amino 5 acid thiết yếu. Chúng không thể tự tổng hợp trong cơ thể con người mà cần được đưa vào thông qua thực phẩm ăn hàng ngày [65]. Bằng việc sử dụng phương pháp sắc ký (UPLC- MS/MS), các nhà khoa học đã tìm thấy 18 loại amino acid có trong thịt quả.

Đặc biệt, 8 loại trong số đó là amino acid thiết yếu có thể kể đến như histidine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan và valine. Tuy nhiên, hàm lượng protein có trong thanh long thấp hơn so với nhu cầu dinh dưỡng khuyến nghị [66, 67]. Ngoài ra, thanh long ruột đỏ còn chứa các hợp chất có hoạt tính sinh học với khả năng kháng oxy hóa cao điển hình là các polyphenol, flavonoid và betacyanin [68].