Đặt vấn đề Việt Nam là một quốc gia thuộc khu vực khí hậu nhiệt đới thích hợp với nhiều loại cây ăn trái trong đó cây dứa là loài cây quen thuộc được trồng hầu hết trên cả nước tập trung chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu Long và Sông Hồng với năng suất đứng thứ 14 trên thế giới với trên 500,000 tấn/ năm theo thống kê của FAO 2017. Tuy nhiên ở nước ta dứa hầu như chỉ được biết đến như một loại trái cây để sản xuất nước ép hay làm thực phẩm sấy khô trong khi phế phẩm của nó chiếm hơn 50% trọng lượng quả dứa. Thế nhưng trong phế phẩm từ dứa có chứa rất nhiều chất dinh dưỡng đặc biệt là enzyme Bromelain với nhiều công dụng nổi bật như chống viêm, trị tiêu chảy, rối loạn tiêu hóa, chống ung thư v. Enzyme Bromelain không tồn tại độc lập mà hòa tan trong dịch dứa với nhiều chất khác như đường, vitamin, và các chất khác không phải enzyme.
Do đó việc loại bỏ bớt tạp chất và cô đặc Bromelain là cần thiết khi sản xuất enzyme. Mặc dù trên thế giới đã có nghiên cứu về vấn đề này nhưng giá thành khi nhập về đến Việt Nam rất cao trong khi đó các công trình nghiên cứu về enzyme Bromelain này ở nước ta còn hạn chế với quy mô nhỏ lẻ chưa có ứng dụng nhiều trong sản xuất chế phẩm thương mại. Do đó việc tận dụng nguồn phế phẩm này để tạo ra Bromelain là một công trình có ý nghĩa thực tiễn cao nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra giá trị về kinh tế. Chính những lí do trên, tôi chọn đề tài : Nghiên cứu qui trình sản xuất Bromelain từ phế phẩm dứa làm đề tài nghiên cứu, nhằm xây dựng quy trình chiết, tinh sạch và cô đặc Bromelain hiệu quả.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là enzyme Bromelain có trong phế phẩm Dứa.
Trong đề tài này tôi thực hiện các quá trình chiết tách, tinh sạch bằng hệ thống màng sau đó sấy thành bột Bromelain tại Trung tâm nghiên cứu lọc hóa dầu – ĐH Bách Khoa TPHCM và phòng thí nghiệm Biomass. Chất lượng sản phẩm được xiii phân tích tại Phòng phân tích trung tâm – ĐH Khoa Học Tự Nhiên TPHCM và trung tâm CASE.3 Nội dung nghiên cứu Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly enzyme. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tinh sạch. Khảo sát ảnh hưởng chất trợ sấy đến quá trình đông khô tạo chế phẩm Bromelain.
Nghiên cứu động học enzyme. Đánh giá chất lượng chế phẩm với một số sản phẩm trên thị trường. 1 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu về dứa 2.1 Khái quát chung Dứa là một trong những loại trái cây nhiệt đới có sản lượng đứng thứ 3 trên thế giới sau chuối và cam quýt và có nguồn gốc ở Nam Mỹ (Brazil, Argentina, Paraguay). Dứa thuộc họ Bromeliaceae, chi Ananas tên khoa học là Ananas comosus L.
Tương tự như các loại trái cây khác, dứa đóng vai trò quan trọng trong chế độ ăn uống của chúng ta vì có chứa enzyme, protein, vitamin và khoáng chất. Thịt dứa tươi có thể dùng để sản xuất thành một loạt các sản phẩm như dứa đóng hộp, nước ép dứa cô đặc, và mứt dứa[2]. Trên thế giới có khoảng 60-70 giống dứa, gồm 7 nhóm trong đó có 3 nhóm chính là nhóm Cayen, nhóm Queen và nhóm Spanish[3].2 Giá trị dinh dưỡng trong dứa Bảng dưới đây cho thấy thông tin về giá trị dinh dưỡng của ba loại dứa chính ở Việt Nam.1: Thành phần của các giống dứa ở Việt Nam (giá trị/100g dứa) Thành phần Smooth Cayenne Pineapple MD2 Queen Nước 87g 86g 89g Năng lượng 190kJ 215kJ 186kJ Protein 0.23mg Magnesium 12mg 12mg 12mg 2 Phosphorus 9mg 8mg 7mg Potassium 125mg 108mg 45mg Kẽm 0.021mg Số liệu cho thấy dứa có độ ẩm khá cao (> 85g/100 g mẫu) cung cấp lượng năng lượng lớn (~200 KJ/100 g mẫu). Ngoài ra dứa cũng chứa một lượng tương đối vitamin C, magie, carbohydrate, canxi.3 Tình hình sản xuất trên thế giới và Việt Nam - Trên thế giới: Dứa là nông sản có ý nghĩa hết sức quan trọng, đứng thứ 2 sau chuối; đóng góp trên 20% sản lượng trái cây nhiệt đới trên thế giới.1: Phân bố địa lý của dứa năm 2018 3 Top 10 quốc gia sản xuất dứa lớn thay đổi qua các năm, tuy nhiên Brazil, Philippines vẫn là 2 nước có sản lượng dứa trong top 3 qua nhiều năm.
Từ số liệu ta thấy năng suất dứa trên thế giới tăng khá nhanh, cho thấy mức độ phát triển cũng như sự ưa chuộng mà trái dứa mang lại [4].2: Top 10 quốc gia có sản lượng dứa cao nhất trên thế giới trong những năm 1990, 2000, 2014 1990 2000 2014 Thái Lan 1865 Thái Lan 2248 Costa Rica 2915 Philippines 1421 Brazil 2004 Brazil 2646 Brazil 1104 Philippines 1559 Philippines 2507 Ấn Độ 881 Ấn Độ 1020 Thái Lan 1915 Nigeria 763 Costa Rica 903 Indonesia 1835 USA 521 Nigeria 885 Ấn Độ 1737 Việt Nam 468 Trung Quốc 856 Nigeria 1465 Trung Quốc 462 Kenya 606 Trung Quốc 1433 Mexico 455 Mexico 522 Mexico 817 Costa Rica 423 Indonesia 399 Ghana 661 - Ở Việt Nam: 4 Hình 2.2: Phân bố địa lý của năng xuất dứa Việt Nam năm 2018 Ở nước ta dứa được trồng từ Bắc đến Nam, diện tích trồng cả nước khoảng 40.000 ha với sản lượng khoảng 500.000 tấn trong đó 90% ở phía Nam. Các tỉnh trồng nhiều dứa ở miền Nam là Kiên Giang, Tiền Giang, Cà Mau, Cần Thơ, Long An. Năng suất quả bình quân một năm ở các tỉnh phía Bắc là 10 tấn/ha và ở miền Nam là 15 tấn/ha [3]. Trong năm cây dứa ra hoa nhiều vụ.
Ở miền Bắc, vụ chính ra hoa vào tháng 2-3, thu hoạch tháng 6-7; trái vụ ra hoa tháng 6-8, thu hoạch tháng 10-12. Ở miền Nam, cây dứa có thể ra hoa quanh năm, song thường tập trung vào tháng 4-5 và tháng 9-10 [3].4 Phế phẩm dứa Hơn 50% khối lượng của quả dứa là phế phẩm (lá, cùi, vỏ, chồi). Hằng năm có hơn 250,000 tấn phế phẩm dứa thải ra môi trường. Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào sẵn có cho những nhà máy sản xuất Bromelain và thức ăn gia súc.5 Tình hình nghiên cứu các ứng dụng từ phế phẩm dứa trên thế giới và Việt Nam 2.1 Trên thế giới - Nghiên cứu những hợp chất có khả năng chống oxy hóa từ phế phẩm dứa.
Năm 2002, Jie Sun và các cộng sự đã chỉ ra rằng khả năng chống oxy hóa từ 100 g dứa tương đương với 298 mg vitamin C bằng cách phân tích hàm lượng phenolic dạng tự do và dạng liên kết sau đó sử dụng phương pháp TOSC để đo tổng hoạt tính chống oxy hóa [5]. Kết quả thu được tuy không cao nhưng cũng cho thấy hiệu quả của trái dứa đối với khả năng chống oxy hóa. - Sản xuất ethanol từ nước dứa và phế phẩm dứa. Nhận thấy lượng dứa có chất lượng thấp bị bỏ đi rất lớn trên thế giới, K.
Tanaka và cộng sự đã nghiên cứu khả năng sản xuất ethanol từ nước dứa bằng cách thủy phân saccharose thành glucose và fructose, sau đó lên men bằng vi sinh vật Z. Kết quả cho thấy nước ép từ dứa bị loại bỏ là nguồn nguyên liệu giá rẻ để sản xuất ethanol [6]. - Nghiên cứu hoạt tính kháng nấm từ phế phẩm lá dứa. Ishihara đã xác định được 3 chitinase từ lá dứa bằng cách sử dụng cột sắc kí ái lực cao.
Kết quả thu nhận cho thấy PL Chi-A không có hoạt tính kháng nấm trong khi PL Chi-B có hoạt tính kháng nấm mạnh đối với Trichoderma ở nồng độ ion thấp. Đối với nồng độ ion cao thì hoạt tính kháng nấm của PL Chi-B và C tương ứng là mạnh và yếu [7].2 Ở Việt Nam - Phạm Thị Trân Châu và ctv (1987) nghiên cứu một số tính chất của enzyme Bromelain tách từ chồi dứa tây cho thấy trong chồi dứa có chứa hai protease và Bromelain có hoạt tính cực đại ở pH 6,5 và nhiệt độ tối ưu là 60 oC[8]. - Lê Thị Thanh Mai (1997) nghiên cứu các phương pháp tinh sạch và ứng dụng Bromelain cho thấy có thể thu nhận bromelain theo phương pháp kết tủa bằng aceton hay cô đặc theo phương pháp siêu lọc rồi kết tủa bằng aceton, cũng như có thể tinh sạch bromelin bằng phương pháp lọc gel sephadex G75 với hiệu suất cao[9]. 6 - Nghiên cứu về quá trình lên men từ chất thải dứa.
Năm 2015, Nguyễn Thúy Nga và Nguyễn Thế Trang đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình lên men chất thải từ dứa bằng Methanobacterium. Nhận thấy chất thải dứa thu được sau quá trình sản xuất chiếm tới 30-50% trọng lượng nguyên liệu; tuy nhiên trong những chất thải này còn chứa lượng đường, albumin, lipid và vitamin có thể phân hủy dưới tác động của vi sinh vật. Sau khi nghiên cứu, nhóm tác giả nhận thấy chất thải dứa là nguyên liệu tốt để lên men tạo nguồn khí biogas lớn, điều này không những tạo nên những lợi ích to lớn trong kinh tế mà còn giúp bảo vệ môi trường[10]. - Nghiên cứu ảnh hưởng của siêu âm lên pectinase trong quá trình chế biến nước dứa từ bã.
Năm 2011, Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự đã nghiên cứu tập trung vào tác động của siêu âm đến hoạt tính xúc tác pectinase. Kết quả cho thấy sự thay đổi về thời gian và nồng độ enzyme gây ảnh hưởng lớn đến hoạt tính pectolytic. Dung dịch sử dụng là pectinase chứa 63,3 đơn vị polygalacturonase/ml được siêu âm trong 60s với công suất 225 W. Kết quả thu được pectinase tăng 5,6 % so với dung dịch ban đầu.
Từ đó cho thấy trong điều kiện nhất định siêu âm không làm giảm hay biến tính enzyme mà còn giúp tăng chất lượng nước dứa thu được [11].1 Khái quát về enzyme Enzyme là một loại protein hoạt động như một loại xúc tác sinh học trong tế bào sống. Nó giúp tăng tốc độ và khả năng phản ứng hóa sinh mà không bị hao hụt hay mất đi sau quá trình phản ứng[12]. Enzyme tồn tại trong hầu hết tế bào động vật, thực vật và vi sinh vật, có thể xúc tác các phản ứng ngay ở trong và ngoài cơ thể. Xúc tác enzyme có các ưu điểm như: - Làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết của các phản ứng hóa học.
- Làm tăng tốc độ phản ứng nhưng không làm thay đổi chiều phản ứng. 7 - Có tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme đều có tính chọn lọc cao đối với một cơ chất hoặc một phản ứng nhất định, một vài enzyme có tính đặc hiệu hóa học lập thể (đặc hiệu quang học). Cơ chế xúc tác của enzyme: E+S → ES → ES*→ E+P - Ở giai đoạn 1: cơ chất S liên kết với enzyme E bằng liên kết yếu tạo ra phức hợp enzyme-cơ chất.
