Tổng quan nghiên cứu

Quả bồ hòn (Sapindus mukorossi Gaertn.) là nguồn nguyên liệu tự nhiên giàu saponin, một hợp chất có tính hoạt động bề mặt cao, được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tẩy rửa sinh học và mỹ phẩm. Ở Việt Nam, quả bồ hòn chứa hàm lượng saponin từ 6 đến 18%, tùy thuộc vào giống và vùng trồng, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các sản phẩm tẩy rửa thân thiện môi trường. Tuy nhiên, dịch chiết từ quả bồ hòn thường chứa nhiều tạp chất như pectin, carbohydrate, làm giảm độ tinh khiết và hiệu quả tẩy rửa của saponin. Do đó, việc xử lý và làm giàu saponin trong dịch chiết là vấn đề nghiên cứu quan trọng.

Mục tiêu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của enzyme pectinase và amylase cùng với quá trình lên men vi sinh vật Saccharomyces cerevisiae đến hiệu quả làm giàu saponin từ dịch chiết quả bồ hòn. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu điều kiện chiết enzyme và lên men nhằm giảm hàm lượng đường tổng, tăng đường khử, đồng thời cải thiện các chỉ số hoạt động bề mặt như khả năng tạo bọt, duy trì bọt và khả năng tẩy rửa. Thời gian nghiên cứu từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển quy trình chiết xuất saponin hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần nâng cao giá trị kinh tế của quả bồ hòn và mở rộng ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm tẩy rửa sinh học, đáp ứng xu hướng tiêu dùng xanh hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết enzyme hỗ trợ chiết xuất (Enzyme-assisted Extraction - EAE) và lý thuyết lên men vi sinh vật.

  • Lý thuyết enzyme hỗ trợ chiết xuất (EAE): Enzyme pectinase và amylase được sử dụng để phân giải các thành phần polysaccharide phức tạp như pectin và tinh bột trong dịch chiết quả bồ hòn. Pectinase phân cắt pectin thành các phân tử đơn giản hơn, làm giảm độ nhớt và độ đục, tăng tính thấm của dung môi chiết. Amylase thủy phân tinh bột thành các đường đơn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lên men. EAE giúp tăng hiệu suất chiết saponin, giảm tạp chất và bảo vệ cấu trúc hoạt chất nhờ hoạt động ở nhiệt độ và pH ôn hòa.

  • Lý thuyết lên men vi sinh vật: Quá trình lên men sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae nhằm chuyển hóa đường tổng và các tạp chất thành các sản phẩm phụ như ethanol và CO2, đồng thời làm giảm hàm lượng đường khử và pectin, giúp tăng độ tinh khiết saponin. Nấm men phát triển tốt trong môi trường có pH thấp (~3.5), phù hợp với dịch chiết bồ hòn, và có khả năng sinh trưởng nhanh, chịu được môi trường acid và độ cồn nhất định.

Các khái niệm chính bao gồm: saponin (glycoside có tính hoạt động bề mặt), enzyme pectinase và amylase, quá trình lên men kỵ khí, hoạt tính bề mặt (khả năng tạo bọt, duy trì bọt, tẩy rửa), hàm lượng đường tổng và đường khử.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu là quả bồ hòn thu hoạch tại Đắk Lắk, Việt Nam. Enzyme pectinase và amylase được cung cấp từ Angel Yeast (Trung Quốc). Nấm men Saccharomyces cerevisiae được cung cấp bởi Biogreen Việt Nam.

  • Phương pháp phân tích: Hàm lượng saponin tổng được xác định bằng phương pháp phản ứng màu vanillin – sulfuric acid, đo hấp thụ tại bước sóng 538 nm. Hàm lượng đường khử được xác định bằng phản ứng với acid dinitrosalicylic (DNS) đo tại 540 nm. Đường tổng được đo bằng phương pháp phenol – acid sulfuric, hấp thụ tại 490 nm. Độ đục được đo bằng máy quang phổ UV-Vis tại bước sóng 860 nm. Khả năng tạo bọt và duy trì bọt được đánh giá theo phương pháp Ross – Miles. Khả năng tẩy rửa được đánh giá qua sự thay đổi màu sắc của vải sau giặt, tính bằng chỉ số ∆E.

  • Thiết kế thí nghiệm:

    • Khảo sát ảnh hưởng của enzyme pectinase và amylase ở nồng độ 1% trong điều kiện chiết 50 oC, 2 giờ, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/6 (w/v).

    • Tối ưu hóa điều kiện chiết enzyme pectinase về nhiệt độ (30, 40, 50, 60 oC) và thời gian (30, 60, 90, 120 phút).

    • Khảo sát quá trình lên men với Saccharomyces cerevisiae ở các nồng độ men cấy 0 – 7.5% (v/v) và thời gian lên men từ 1 đến 5 ngày.

    • Mẫu sau lên men được đánh giá hàm lượng saponin, đường tổng, đường khử, độ đục, khả năng tạo bọt, duy trì bọt và khả năng tẩy rửa.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi thí nghiệm được thực hiện tối thiểu 3 lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả. Mẫu nguyên liệu được chuẩn hóa về kích thước hạt (rây 2 mm) và độ ẩm (7-8%).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 4 tháng, từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, thực hiện thí nghiệm chiết enzyme, lên men, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của enzyme đến hiệu suất chiết saponin:

    • Sử dụng enzyme pectinase ở nồng độ 1% cho hàm lượng saponin trong dịch chiết đạt 29.64 mg OLE/mL, cao hơn đáng kể so với mẫu không dùng enzyme (khoảng 18.38 mg OLE/mL) và mẫu dùng amylase (24.27 mg OLE/mL).

    • Hàm lượng đường tổng và đường khử giảm rõ rệt khi sử dụng pectinase, với đường tổng giảm khoảng 20% so với mẫu không enzyme, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lên men.

  2. Tối ưu điều kiện chiết enzyme pectinase:

    • Nhiệt độ chiết 50 oC là điều kiện tối ưu, cho hàm lượng saponin cao nhất (khoảng 23.34 mg OLE/mL) và hàm lượng đường khử tăng, hỗ trợ quá trình lên men.

    • Thời gian chiết 60 phút là đủ để đạt hiệu suất chiết tối ưu, thời gian dài hơn không làm tăng đáng kể hàm lượng saponin nhưng tăng chi phí năng lượng.

  3. Ảnh hưởng của quá trình lên men Saccharomyces cerevisiae:

    • Nồng độ men cấy 7.5% (v/v) và thời gian lên men 2 ngày là điều kiện tối ưu.

    • Sau lên men, hàm lượng đường tổng giảm 29.53%, đường khử giảm 75%, trong khi hàm lượng saponin chỉ giảm nhẹ khoảng 8%, cho thấy quá trình lên men hiệu quả trong việc loại bỏ tạp chất mà không làm mất nhiều hoạt chất chính.

    • Độ đục dịch chiết giảm đáng kể, khả năng tạo bọt và duy trì bọt cải thiện rõ rệt, tăng khoảng 30% so với mẫu chưa lên men.

    • Khả năng tẩy rửa của dịch chiết sau lên men tăng lên khoảng 15% so với dịch chiết ban đầu, thể hiện qua chỉ số ∆E trên vải giặt.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng enzyme pectinase giúp phá vỡ cấu trúc pectin trong thành tế bào quả bồ hòn, làm tăng tính thấm của dung môi và giảm độ nhớt dịch chiết, từ đó tăng hiệu suất chiết saponin. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ứng dụng enzyme trong chiết xuất hợp chất sinh học từ thực vật. Ngược lại, amylase chỉ có tác dụng hạn chế do tinh bột trong quả bồ hòn không phải là thành phần chính gây cản trở quá trình chiết.

Nhiệt độ chiết 50 oC là điểm cân bằng giữa hiệu quả enzyme và chi phí năng lượng, tránh làm biến tính saponin. Thời gian chiết 60 phút đủ để enzyme hoạt động hiệu quả mà không gây lãng phí thời gian.

Quá trình lên men Saccharomyces cerevisiae giúp chuyển hóa đường tổng và đường khử thành ethanol và CO2, làm giảm tạp chất và tăng độ tinh khiết saponin. Việc giảm đường khử đến 75% cho thấy nấm men sử dụng hiệu quả nguồn dinh dưỡng này, đồng thời cải thiện các đặc tính hoạt động bề mặt của dịch chiết. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu về lên men dịch chiết thực vật nhằm tăng chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng saponin, đường tổng, đường khử trước và sau xử lý enzyme, cũng như biểu đồ thể hiện khả năng tạo bọt và duy trì bọt của dịch chiết. Bảng tổng hợp các điều kiện chiết và lên men tối ưu cùng các chỉ số đánh giá sẽ giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng bước xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng enzyme pectinase với nồng độ 1% trong quy trình chiết xuất saponin từ quả bồ hòn nhằm tăng hiệu suất chiết và giảm tạp chất, thực hiện ở nhiệt độ 50 oC trong 60 phút. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất nguyên liệu và phòng thí nghiệm nghiên cứu, timeline 3-6 tháng để tối ưu quy trình.

  2. Triển khai quá trình lên men Saccharomyces cerevisiae với nồng độ men cấy 7.5% (v/v) trong 2 ngày để giảm đường tổng và đường khử, nâng cao độ tinh khiết saponin và cải thiện tính chất hoạt động bề mặt. Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất và phòng thí nghiệm, timeline 2-4 tháng để thử nghiệm quy mô pilot.

  3. Đánh giá và kiểm soát chất lượng dịch chiết sau xử lý enzyme và lên men thông qua các chỉ số hàm lượng saponin, đường tổng, đường khử, độ đục, khả năng tạo bọt và tẩy rửa nhằm đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Chủ thể thực hiện: bộ phận kiểm soát chất lượng, timeline liên tục trong quá trình sản xuất.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng quy trình này trong sản xuất các sản phẩm tẩy rửa sinh học thân thiện môi trường như nước giặt, dầu gội, xà phòng, góp phần phát triển ngành công nghiệp xanh. Chủ thể thực hiện: các công ty hóa mỹ phẩm, timeline 6-12 tháng để phát triển sản phẩm mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chiết xuất enzyme và lên men vi sinh vật, phương pháp phân tích hàm lượng hoạt chất và tạp chất, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất nguyên liệu và sản phẩm tẩy rửa sinh học: Thông tin về quy trình chiết xuất và xử lý dịch chiết bồ hòn giúp tối ưu hóa công nghệ sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển ngành công nghiệp xanh: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng nguyên liệu tự nhiên, thân thiện môi trường trong sản xuất hóa mỹ phẩm.

  4. Người tiêu dùng và các tổ chức bảo vệ môi trường: Hiểu rõ về lợi ích của sản phẩm tẩy rửa từ bồ hòn, góp phần nâng cao nhận thức và lựa chọn sản phẩm an toàn, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn enzyme pectinase thay vì amylase trong quá trình chiết saponin?
    Pectinase phân giải pectin – thành phần chính gây cản trở chiết xuất trong quả bồ hòn, giúp tăng hiệu suất chiết saponin và giảm tạp chất. Amylase chỉ tác động lên tinh bột, ít ảnh hưởng đến quá trình chiết saponin trong trường hợp này.

  2. Quá trình lên men Saccharomyces cerevisiae có ảnh hưởng đến hàm lượng saponin không?
    Lên men làm giảm nhẹ hàm lượng saponin khoảng 8%, nhưng đồng thời giảm mạnh đường tổng và đường khử, cải thiện độ tinh khiết và tính chất hoạt động bề mặt của dịch chiết, nên lợi ích tổng thể là tích cực.

  3. Nhiệt độ và thời gian chiết enzyme ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả chiết?
    Nhiệt độ 50 oC và thời gian 60 phút là điều kiện tối ưu, giúp enzyme hoạt động hiệu quả mà không làm biến tính saponin, đồng thời tiết kiệm năng lượng và thời gian.

  4. Khả năng tạo bọt và duy trì bọt của dịch chiết sau lên men có cải thiện không?
    Có, khả năng tạo bọt và duy trì bọt tăng khoảng 30% so với dịch chiết chưa lên men, nhờ giảm tạp chất và tăng độ tinh khiết saponin.

  5. Quy trình này có thể áp dụng trong sản xuất công nghiệp không?
    Hoàn toàn có thể, quy trình sử dụng enzyme và lên men ở điều kiện ôn hòa, không cần thiết bị phức tạp, phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp nhằm tạo ra sản phẩm tẩy rửa sinh học chất lượng cao.

Kết luận

  • Sử dụng enzyme pectinase 1% ở 50 oC trong 60 phút tăng hàm lượng saponin lên đến 29.64 mg OLE/mL, vượt trội so với phương pháp không enzyme.
  • Quá trình lên men Saccharomyces cerevisiae với nồng độ men 7.5% và thời gian 2 ngày giảm đường tổng 29.53%, đường khử 75%, đồng thời cải thiện các đặc tính hoạt động bề mặt.
  • Dịch chiết sau xử lý enzyme và lên men có độ đục giảm, khả năng tạo bọt và duy trì bọt tăng, nâng cao hiệu quả tẩy rửa.
  • Quy trình nghiên cứu phù hợp với xu hướng sản xuất xanh, thân thiện môi trường và có tiềm năng ứng dụng công nghiệp.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô và phát triển sản phẩm tẩy rửa sinh học từ quả bồ hòn trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời phát triển sản phẩm thương mại dựa trên quy trình này để đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng về sản phẩm tẩy rửa tự nhiên, an toàn và bền vững.