Tổng quan nghiên cứu

Trà kombucha là một thức uống lên men truyền thống có nguồn gốc từ Trung Quốc hơn 2000 năm trước, được biết đến với nhiều công dụng quý giá như chống oxy hóa, kháng khuẩn, giải độc và hỗ trợ điều trị nhiều bệnh lý. Theo báo cáo của ngành, hàm lượng acid glucuronic trong trà kombucha đóng vai trò quan trọng trong việc giải độc gan và tăng cường hệ miễn dịch. Tuy nhiên, các sản phẩm kombucha truyền thống chủ yếu sử dụng trà đen hoặc trà xanh, chưa khai thác hết tiềm năng của các nguyên liệu thảo dược khác như atiso (Cynara scolymus L) – một loại thảo dược giàu hoạt chất sinh học như cynarin, polyphenol, có tác dụng bảo vệ gan, chống viêm và chống oxy hóa.

Luận văn thạc sĩ này tập trung khảo sát quá trình lên men trà kombucha từ atiso nhằm đa dạng hóa sản phẩm thực phẩm chức năng giàu acid glucuronic. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa các thông số lên men như nhiệt độ, hàm lượng đường sucrose, tỷ lệ giống vi sinh vật và thời gian lên men để đạt được hàm lượng acid glucuronic cao nhất, đồng thời đánh giá chất lượng sản phẩm trên hệ thống fermenter. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2016.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển sản phẩm trà kombucha từ nguyên liệu atiso có hoạt tính sinh học quý, an toàn cho người sử dụng, góp phần mở rộng nguồn nguyên liệu lên men và hướng tới sản xuất quy mô công nghiệp. Kết quả nghiên cứu có thể làm tăng giá trị dinh dưỡng và công dụng của trà kombucha, đồng thời hỗ trợ phát triển ngành công nghệ sinh học thực phẩm tại Việt Nam.

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 lên men sinh học: Quá trình lên men ethanol và acetic được thực hiện bởi hệ cộng sinh vi khuẩn acetic (Gluconacetobacter intermedius) và nấm men (Dekkera bruxellensis). Nấm men thủy phân sucrose thành glucose và fructose, lên men thành ethanol; vi khuẩn acetic oxy hóa ethanol thành acid acetic và acid glucuronic.

  • Mô hình quy hoạch thực nghiệm (Response Surface Methodology - RSM): Phương pháp tối ưu hóa đa biến nhằm xác định các điều kiện lên men tối ưu (nhiệt độ, hàm lượng đường, tỷ lệ giống, thời gian) để đạt hàm lượng acid glucuronic cao nhất.

  • Khái niệm acid glucuronic: Là hợp chất quan trọng trong trà kombucha, có vai trò giải độc gan, hỗ trợ miễn dịch và giảm viêm khớp. Quá trình tổng hợp acid glucuronic trong vi sinh vật lên men được mô tả qua các bước chuyển hóa glucose thành UDP-glucuronate.

  • Khái niệm hoạt tính sinh học: Bao gồm hoạt tính chống oxy hóa, kháng khuẩn, và khả năng ức chế các vi khuẩn gây bệnh như Escherichia coli và Bacillus cereus.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng hai chủng vi sinh vật phân lập từ trà kombucha truyền thống gồm vi khuẩn Gluconacetobacter intermedius và nấm men Dekkera bruxellensis. Nguyên liệu lên men là trà túi lọc atiso của công ty Ngọc Duy, Đà Lạt.

  • Phương pháp chọn mẫu: Chủng vi sinh vật được chọn dựa trên khả năng lên men và tổng hợp acid glucuronic cao, đồng thời có khả năng kiểm soát vi sinh vật tạp nhiễm.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thực hiện khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men gồm nhiệt độ (25-40°C), hàm lượng đường sucrose (80-120 g/L), tỷ lệ giống (3-11%), thời gian lên men (3-11 ngày). Sử dụng ma trận Plackett-Burman để sàng lọc yếu tố ảnh hưởng chính, sau đó áp dụng thiết kế hỗn hợp tâm xoay mặt (CCD) trong RSM để tối ưu hóa.

  • Phân tích số liệu: Dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Minitab 17, xây dựng phương trình hồi quy bậc hai mô tả hàm lượng acid glucuronic theo các biến độc lập.

  • Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2016 tại phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học, Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp đánh giá sản phẩm: Lên men trên hệ thống fermenter BioFlo 110 với thể tích 1 lít, theo dõi các chỉ tiêu pH, hàm lượng đường, acid glucuronic, hoạt tính kháng khuẩn (đường kính vòng kháng khuẩn với E. coli và B. cereus), hoạt tính chống oxy hóa (DPPH). Kiểm tra an toàn vi sinh vật theo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thông số tối ưu quá trình lên men: Qua quy hoạch thực nghiệm, các thông số tối ưu được xác định là nhiệt độ 31.6°C, hàm lượng đường sucrose 110.36 g/L, tỷ lệ giống 7% (tỷ lệ vi khuẩn:nấm men 3:2), thời gian lên men 8.4 ngày. Mô hình dự đoán hàm lượng acid glucuronic đạt khoảng 278 mg/L.

  2. Kết quả lên men trên fermenter: Thực nghiệm trên hệ thống fermenter với các thông số tối ưu thu được hàm lượng acid glucuronic 277.15 mg/L, hoạt tính chống oxy hóa đạt 83.8% (DPPH), hoạt tính kháng khuẩn với vi khuẩn E. coli ATCC 8739 có vòng kháng khuẩn 15.6 mm, với Bacillus cereus ATCC 11778 là 9.6 mm.

  3. Ảnh hưởng các yếu tố lên hàm lượng acid glucuronic: Nhiệt độ và hàm lượng đường có ảnh hưởng lớn nhất đến hàm lượng acid glucuronic, trong khi tỷ lệ giống và thời gian lên men cũng đóng vai trò quan trọng nhưng ít hơn. Hàm lượng acid glucuronic tăng theo thời gian lên men đến ngày thứ 8, sau đó giảm nhẹ.

  4. An toàn sản phẩm: Sản phẩm trà kombucha từ atiso sau lên men không phát hiện vi sinh vật gây bệnh như Coliforms, E. coli, Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu trước đây về trà kombucha truyền thống, tuy nhiên hàm lượng acid glucuronic trong sản phẩm lên men từ atiso cao hơn đáng kể, chứng tỏ atiso là nguyên liệu tiềm năng để nâng cao giá trị sinh học của kombucha. Việc sử dụng hệ cộng sinh vi khuẩn Gluconacetobacter intermedius và nấm men Dekkera bruxellensis giúp kiểm soát vi sinh vật tạp nhiễm, ổn định quá trình lên men và tăng hiệu suất tổng hợp acid glucuronic.

Biểu đồ đường cong sinh trưởng vi sinh vật và đồ thị mức độ ảnh hưởng các yếu tố lên hàm lượng acid glucuronic minh họa rõ ràng sự tương tác giữa các biến số. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, hàm lượng acid glucuronic đạt được trong nghiên cứu này cao hơn nhiều so với các mẫu kombucha lên men từ trà đen hoặc trà xanh truyền thống (khoảng 30-175 mg/L).

Hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của sản phẩm cũng được cải thiện rõ rệt, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và công dụng bảo vệ sức khỏe. Sản phẩm có thể được phát triển thành thực phẩm chức năng an toàn, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng quy trình lên men tối ưu trong sản xuất công nghiệp: Áp dụng các thông số tối ưu (nhiệt độ 31.6°C, đường 110.36 g/L, tỷ lệ giống 7%, thời gian 8.5 ngày) trên hệ thống fermenter quy mô lớn để sản xuất trà kombucha từ atiso với chất lượng ổn định. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp công nghệ sinh học và nhà máy sản xuất thực phẩm chức năng.

  2. Nghiên cứu mở rộng về đa dạng hóa nguyên liệu: Khảo sát thêm các loại thảo dược khác có hoạt tính sinh học cao để phối trộn với atiso, nhằm tăng cường hoạt tính sinh học và đa dạng sản phẩm. Thời gian: 12-18 tháng. Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Phát triển sản phẩm trà kombucha dạng bột hoặc cô đặc: Nghiên cứu công nghệ sấy phun hoặc đông khô để tạo sản phẩm tiện lợi, dễ bảo quản và vận chuyển, giữ nguyên hoạt tính acid glucuronic và các hợp chất sinh học. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp công nghệ thực phẩm.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn chất lượng và an toàn thực phẩm: Thiết lập các chỉ tiêu kiểm soát chất lượng, an toàn vi sinh và hoạt tính sinh học cho sản phẩm trà kombucha từ atiso, phục vụ quản lý nhà nước và xuất khẩu. Thời gian: 6-9 tháng. Chủ thể: cơ quan quản lý và tổ chức tiêu chuẩn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tối ưu hóa quá trình lên men, giúp phát triển các đề tài liên quan đến thực phẩm lên men và sản phẩm chức năng.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và đồ uống lên men: Tham khảo quy trình công nghệ, thông số kỹ thuật và đánh giá chất lượng sản phẩm để ứng dụng vào sản xuất và phát triển sản phẩm mới.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về sản phẩm trà kombucha, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho người tiêu dùng.

  4. Người tiêu dùng quan tâm đến sức khỏe và thực phẩm chức năng: Hiểu rõ về lợi ích, thành phần và quy trình sản xuất trà kombucha từ atiso, giúp lựa chọn sản phẩm phù hợp và an toàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Trà kombucha từ atiso có gì khác biệt so với trà kombucha truyền thống?
    Trà kombucha từ atiso chứa hàm lượng acid glucuronic cao hơn (khoảng 277 mg/L so với 30-175 mg/L), đồng thời có hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn mạnh hơn nhờ các hợp chất sinh học đặc trưng của atiso như cynarin và polyphenol.

  2. Quá trình lên men được tối ưu như thế nào để đạt hiệu quả cao nhất?
    Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định nhiệt độ 31.6°C, hàm lượng đường 110.36 g/L, tỷ lệ giống 7% (vi khuẩn:nấm men 3:2), thời gian lên men 8.4 ngày là điều kiện tối ưu cho hàm lượng acid glucuronic cao nhất.

  3. Sản phẩm trà kombucha từ atiso có an toàn cho người sử dụng không?
    Sản phẩm sau lên men được kiểm tra không phát hiện vi sinh vật gây bệnh như E. coli, Coliforms, Staphylococcus aureus, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm theo tiêu chuẩn hiện hành.

  4. Hoạt tính kháng khuẩn của trà kombucha được đánh giá như thế nào?
    Hoạt tính kháng khuẩn được xác định bằng phương pháp đục giếng trên vi khuẩn đại diện Gram (-) là Escherichia coli ATCC 8739 với vòng kháng khuẩn 15.6 mm và Gram (+) là Bacillus cereus ATCC 11778 với vòng kháng khuẩn 9.6 mm, cho thấy khả năng ức chế vi khuẩn gây bệnh hiệu quả.

  5. Có thể áp dụng quy trình này để sản xuất quy mô lớn không?
    Có, nghiên cứu đã thực hiện lên men trên hệ thống fermenter BioFlo 110 với thể tích 1 lít, cho kết quả ổn định và có thể mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp với các thông số tối ưu đã xác định.

Kết luận

  • Đã xác định được các thông số tối ưu cho quá trình lên men trà kombucha từ atiso gồm nhiệt độ 31.6°C, hàm lượng đường 110.36 g/L, tỷ lệ giống 7%, thời gian lên men 8.4 ngày, đạt hàm lượng acid glucuronic khoảng 278 mg/L.
  • Sản phẩm lên men trên hệ thống fermenter có hoạt tính chống oxy hóa 83.8% và hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả với các vi khuẩn gây bệnh phổ biến.
  • Quy trình lên men sử dụng hệ cộng sinh vi khuẩn Gluconacetobacter intermedius và nấm men Dekkera bruxellensis giúp kiểm soát vi sinh vật tạp nhiễm, đảm bảo an toàn sản phẩm.
  • Nghiên cứu góp phần đa dạng hóa nguyên liệu lên men trà kombucha, mở hướng phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng từ thảo dược tại Việt Nam.
  • Đề xuất áp dụng quy trình lên men tối ưu trong sản xuất công nghiệp và nghiên cứu mở rộng để nâng cao giá trị sản phẩm trong tương lai.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lên men trà kombucha từ atiso để phát triển các sản phẩm thực phẩm chức năng chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu thị trường trong và ngoài nước.