Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Vật liệu và phương pháp 2 Chương 4: Kết quả và bàn luận Chương 5: Kết luận và đề xuất 3 CHƯƠNG 2. Tổng quan về cây cà phê 2. Giới thiệu chung Từ xa xưa, cây cà phê đã được biết đến và ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới. Tầm quan trọng của cây cà phê đã được khẳng định khi cây cà phê đứng vị trí thứ hai về giá trị thương mại quốc tế (Vega, Rosenquist, & Collins, 2003).
Ngoài ra, sản xuất cà phê cũng góp phần cung cấp thu nhập cho hơn 20 triệu gia đình tại hơn 50 quốc gia mỗi năm (Davis, Chester, Maurin, & Fay, 2007). Cây cà phê thuộc chi Coffea, họ Rubiaceae, có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới châu Phi, sau đó được nhân rộng và xuất khẩu sang các vùng khác. Cây cà phê chủ yếu được trồng ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới như châu Mỹ, Đông Nam Á, Ấn Độ và châu Phi. Hiện nay, có ít nhất 125 loài trong chi Coffea (Santos & Farah, 2019).
Mặc dù có sự đa dạng này, nhưng chỉ có hai loài thực sự có tầm quan trọng trên thị trường là Coffea arabica L. arabica) và Coffea canephora Pierre ex A. canephora hay biết đến với tên gọi Robusta) khi lần lượt chiếm 64% và 35% tổng sản lượng cà phê trên thế giới (Pohlan & Janssens, 2010). Cây cà phê được du nhập lần đầu tiên tại Việt Nam vào năm 1857 bởi các nhà truyền giáo người Pháp.
Đến đầu những năm 2000, Việt Nam trở thành nước sản xuất và xuất khẩu cà phê hạt đứng thứ hai trên thế giới. Hai loại cà phê chính (Robusta và Arabica) được sản xuất trong nước nhưng Robusta chiếm 97% tổng sản lượng. Tổng diện tích canh tác cà phê ước tính khoảng 600. Trong đó, Robusta chiếm 92,9% tổng diện tích trồng cà phê, các giống Arabica chỉ chiếm một vài phần trăm (Sette, 2019).
Cà phê Robusta thích hợp trồng ở vùng nhiệt đới xích đạo, ở độ cao dưới 1000m, có khí hậu ấm áp, độ ẩm cao với nhiệt độ từ 24°C đến 26°C, lượng mưa khoảng trên 1000 mm. Nhìn chung, cây cà phê Robusta dễ chăm sóc và có khả năng chống chịu sâu bệnh cao (Pohlan & Janssens, 2010). Đặc điểm thân cây cà phê Cà phê Robusta mọc dưới dạng cây bụi hoặc cây gỗ nhỏ, thông thường cao từ 5 − 7 m, chiều cao của cây trưởng thành có thể lên tới 10 m. Tuy nhiên, trong sản xuất người ta duy trì độ cao của cây từ 2 − 4 m (Pohlan & Janssens, 2010).
Cây cà phê Robusta là dạng thân gỗ, có cành dài rũ xuống và rất ít cành thứ cấp (Sette, 2019).1 Cà phê Robusta Thông thường, các vườn cà phê trên 20 năm tuổi, già cỗi, sinh trưởng kém, năng suất bình quân ba năm trước đó kém sẽ được tiến hành tái để cải tạo. Cây cà phê sau khi thu hoạch (tháng 12, tháng 1) sẽ bị nhỏ bỏ, thu gom ra khỏi lô đất. Những thân cây cà phê này là nguồn sinh khối lớn, thường bị chặt bỏ đi sau thời gian dài thu hoạch trái cà phê. Ngoài ra, thời gian sinh trưởng của cây cà phê kéo dài khoảng 15-20 năm nên quá trình sinh tổng hợp kéo dài và cơ hội tích luỹ các hoạt chất ở thân làm nó trở thành nguồn nguyên liệu có tiềm năng cao (Galanakis, 2017).
Thành phần hóa học của thân cây cà phê Cà phê Robusta là loại cà phê chính ở Việt Nam, và nó đóng góp đáng kể đối với nền kinh tế Việt Nam. Thân cà phê được khảo sát từ cả quan điểm hóa học và sinh học. Nghiên cứu trước đó đã báo cáo các chất chuyển hóa của caffeine, caffeic acid, trigonelline, alkaloids, chlorogenic acids, lipids, steroids and ter-penoids đều có trong thân cây cà phê (Oestreich-Janzen, 2019). Các chất chuyển hóa từ cà phê cho thấy sự đa dạng của các hiệu ứng sinh học bao gồm giảm nguy cơ mắc bệnh Alzheimer (Quintana, Allam, Castillo, & Navajas, 2007) và bệnh Parkinson (Hu, Bidel, Jousilahti, Antikainen, & Tuomilehto, 2007), chống viêm (Pergolizzi, et al., 2020) , các hoạt động chống oxy hóa (Natella, Nardini, Giannetti, Dattilo, & Scaccini, 2002; Gökcen & Şanlier, 2019).
Hơn hết nó có tác dụng có lợi trong việc uống cà phê để giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường loại 2 (Mellbye, Hermansen, Jeppesen, & Gregersen, 2015 ; Herawati, Giriwono, Dewi, Kashiwagi, & Andarwulan, 2019). 5 Thành phần hoá học của cây cà phê thay đổi tùy theo loài, nguồn gốc và phương pháp phân tích. Các hợp chất phenolic, alkaloid, flavonoid, terpene, sterol, phenolic acid là những thành phần phổ biến được tìm thấy trong cây cà phê. Từ thân cây cà phê được thu hái, năm hợp chất béo đã được phân lập và làm sáng tỏ là axit stearic, axit hexacosatrienoic, 2,3-dihydroxypropyl (21Z, 24Z) nonacosa-21,24- dienoate, stigmasterol và β-sitosterol 3-O-β-D-glucopyranoside.
Những chất này lần đầu tiên được phân lập từ thân cây cà phê Robusta (Nga, 2020). Các hợp chất trong cà phê như caffeine, chlorogenic acid và magnesium có khả năng làm giảm nguy cơ mắc bệnh đái tháo đường loại 2 bằng cách tác động đến sự hấp thu glucose. Trong đó, chlorogenic acid làm giảm lượng glucose đầu ra từ gan, thể hiện đặc tính chống oxy hóa, làm giảm sự hấp thụ glucose trong ruột thông qua việc ức chế enzyme chuyển hóa glucose-6-phosphate, ức chế các hormone gia tăng đường ruột và bảo vệ tế bào beta tuyến tụy chống lại stress oxy hóa. Trigonelline điều chỉnh các enzyme tham gia chuyển hóa glucose và lipid như glycokinase, glucose-6-pase, acid béo synthetase và carnitine palmitoyltransferase.
Ngoài ra, magnesium còn tác động tích cực lên bệnh tiểu đường bằng cách cải thiện nồng độ và độ nhạy của insulin (Gökcen & Şanlier, 2019) 2. Các phương pháp chiết xuất thu nhận cao chiết Trích ly bằng dung môi là một phương pháp chiết thành phần mong muốn (chất hòa tan) ra khỏi mẫu dạng rắn. Phương pháp trích ly bằng dung môi là một phương pháp mang tính truyền thống và đã được sử dụng rộng rãi để phân tách các hợp chất có hoạt tính sinh học. Yếu tố phân tách để chiết bằng dung môi là cân bằng hóa học của thành phần giữa pha rắn và dung môi (dựa trên sự chênh lệch nồng độ của cấu tử giữa hai pha).
Dung môi lý tưởng là nó phải có dung lượng cao với chất hòa tan được tách trong nó; tuy nhiên, nó phải được chọn lọc, hòa tan thành phần cụ thể ở một mức độ lớn trong khi có dung lượng tối thiểu cho các thành phần khác, nó phải ổn định về mặt hóa học (không có phản ứng không thuận nghịch với các thành phần tiếp xúc) (Oroian & Escriche Roberto, 2015). Ethanol là một trong những dung môi được sử dụng nhiều nhất để chiết xuất chất chống oxy hóa, vì nó: rẻ, có thể tái sử dụng, không độc hại và các chất chiết xuất có thể được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm (Chew, et al. Phương pháp ngâm dầm kết hợp đun hồi lưu Phương pháp ngâm dầm là một phương pháp rất đơn giản, dễ dàng thực hiện với số lượng lớn nguyên liệu thô và là phương pháp trích ly được sử dụng phổ biến trong các 6 nghiên cứu về hợp chất sinh học từ thực vật. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là thời gian trích ly dài, có thể kéo dài vài ngày hoặc vài tuần (Rodríguez-Rojo, Visentina, Maestri, & Cocero, 2012).
Do đó, các nhà khoa học phải tìm kiếm một phương pháp thay thế. Thông thường, chiết xuất sẽ được thực hiện ở nhiệt độ hồi lưu 90℃ để vài giờ hoặc ngâm với dung môi trong nhiều ngày ở nhiệt độ phòng (Biesaga, 2011). Mẫu nguyên liệu khô được đưa vào các vật chứa sau đó thêm dung môi vào ngập mẫu, khuấy trộn nên được thực hiện thường xuyên. Sau quá trình trích ly, khoảng vài ngày, phần chất mong muốn đã hòa tan vào dung môi.
Hỗn hợp này sẽ phải được tách ra bằng cách lọc sạch các bột mịn còn sót lại. Phần bã rắn sau khi lọc tiếp tục được đun hồi lưu với dung môi bằng thiết bị chuyên dụng, sau đó lọc lấy dịch chiết. Phần bã rắn này tiếp tục được đun lặp đi lặp lại vài lần, mỗi lần đều thêm dung môi mới. Dịch trích sau khi thu nhận sẽ được hồi lưu để thu dịch trích cô đặc (Pavia, Kriz, Lampman, & Engel, 2012).
Phương pháp Soxhlet Phương pháp soxhlet là phương pháp chiết xuất bằng dung môi bán liên tục (semi- continuous solvent extraction), dung môi tích tụ trong buồng chiết từ 5–10 phút và mẫu hoàn toàn ngập trong dung môi rồi rơi xuống bình đun sôi. Hàm lượng chất trích được đo bằng trọng lượng giảm của mẫu. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian hơn so với phương pháp liên tục (Jiang, Tsao, & Miao, 2014).2 Thiết bị chiết Soxhlet thương mại 7 Đối với phương pháp này nếu mẫu thử có chứa hơn 10% nước, thì việc sấy mẫu nên được thực hiện trước khi tiến hành trích ly. Các chất béo không thể chiết xuất hiệu quả bằng dung môi kém phân cực với các loại thực phẩm có độ ẩm cao bởi vì dung môi sẽ không thể xâm nhập vào các mô của thực phẩm (do tính kị nước của dung môi).
Việc nghiền nhỏ mẫu cũng giúp việc chiết xuất chất trích dễ hơn, việc này có thể phá vỡ nhũ tương của nước – chất béo để làm cho chất béo hòa tan dễ dàng trong dung môi hữu cơ và giúp giải phóng chất béo khỏi các mô của thực phẩm (Pomeranz & Meloan, 1994). Cách thực hiện phương pháp này tương đối đơn giản. Mẫu đã được xử lý sơ bộ sẽ được cân chính xác và cho vào thimble đã có sẵn, bình cầu có chứa dung môi được đặt ở trên thiết bị gia nhiệt. Lắp ráp các bộ phận còn lại như Hình 2.2 Khi đun nóng bình cầu, dung môi bay hơi lên, được ngưng tụ lại nhỏ giọt vào thimble và quay trở lại bình cầu dung môi (Jiang, Tsao, & Miao, 2014).3 Thiết bị chiết Soxhlet trong phòng thí nghiệm 2.Phương pháp sử dụng chất lỏng siêu tới hạn Gần đây, việc trích ly sử dụng chất lỏng siêu tới hạn đang ngày càng phổ biến trong chiết xuất vật liệu sinh học.
Khác với các phương pháp trích ly trong dung môi thông thường, phương pháp trích ly này sử dụng chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn của chúng. Chất lỏng siêu tới hạn thể hiện các tính chất chuyển đổi mong muốn, giúp tăng sự thích nghi của chúng như các dung môi trong quá trình trích ly (Oroian & Escriche Roberto, 8 2015). CO2 thường được sử dụng trong phương pháp này vì CO2 không độc, không cháy và chỉ cần một lượng tối thiểu là 5-10 ml. Quá trình trích ly này diễn ra một cách nhanh chóng khoảng 10-60 phút, có chọn lọc, không cần phải làm sạch và có thể được thực hiện với lượng mẫu nhỏ.