Tổng quan nghiên cứu

Trà Kombucha là một loại thức uống lên men tự nhiên được ưa chuộng nhờ các hoạt tính sinh học như kháng oxy hóa, kháng khuẩn và giải độc gan. Theo ước tính, hàm lượng acid glucuronic trong trà Kombucha đóng vai trò quan trọng trong cơ chế giải độc gan của người và động vật. Tuy nhiên, quá trình lên men truyền thống gặp nhiều hạn chế như không kiểm soát được vi sinh vật gây hại, tạp nhiễm, không chủ động được nguồn giống và tỷ lệ các chủng vi sinh vật không ổn định, dẫn đến chất lượng sản phẩm và hàm lượng acid glucuronic không đồng đều.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng hệ vi sinh vật cộng sinh chủ động, phù hợp cho quy mô sản xuất công nghiệp, đồng thời khảo sát các điều kiện lên men nhằm nâng cao hàm lượng acid glucuronic trong trà Kombucha. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2017 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển sản phẩm trà Kombucha có hoạt tính sinh học cao, an toàn vệ sinh thực phẩm, tạo tiền đề cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Các chỉ số quan trọng được theo dõi gồm mật độ tế bào vi sinh vật, độ Brix, pH và hàm lượng acid glucuronic, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và dược tính của sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết lên men cộng sinh: Trà Kombucha lên men nhờ hệ cộng sinh giữa nấm men (Saccharomyces cerevisiae, Brettanomyces bruxellensis, Pichia manshurica, Candida stellimalicola), vi khuẩn acetic (Acetobacter estunensis, Komagataeibacter nataicola) và vi khuẩn lactic (Lactobacillus acidophilus). Sự phối hợp này tạo ra các acid hữu cơ, đặc biệt là acid glucuronic.
  • Mô hình sinh tổng hợp acid glucuronic: Quá trình oxy hóa glucose thành acid glucuronic và acid gluconic do vi khuẩn acetic thực hiện, đóng vai trò quan trọng trong cơ chế giải độc gan.
  • Khái niệm về hoạt tính sinh học: Bao gồm khả năng kháng oxy hóa, kháng khuẩn và giải độc của sản phẩm lên men, được đánh giá qua các chỉ số hóa sinh và vi sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: 13 chủng vi sinh vật được phân lập từ màng Kombucha thu thập tại TP. Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Dak Lak và các tỉnh lân cận. Các chủng được định danh bằng giải trình tự gen ITS và 16S rRNA.
  • Phương pháp phân tích: Xây dựng hệ vi sinh vật cộng sinh với tỷ lệ mật độ tế bào khác nhau giữa nấm men, vi khuẩn acetic và vi khuẩn lactic. Khảo sát các điều kiện lên men như tỷ lệ giống, nồng độ đường sucrose, pH, nhiệt độ và thời gian lên men. Đo mật độ tế bào bằng phương pháp đếm khuẩn lạc (CFU/mL) và quang phổ OD600. Xác định hàm lượng acid glucuronic bằng phương pháp quang phổ UV với Kit Hex-uronic. Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn bằng phương pháp đục lỗ và kháng oxy hóa bằng phương pháp DPPH.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 01/2017 đến 12/2017 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và định danh vi sinh vật: 13 chủng vi sinh vật được phân lập gồm 4 loài nấm men (Pichia manshurica, Brettanomyces bruxellensis, Saccharomyces cerevisiae, Candida stellimalicola), 2 loài vi khuẩn acetic (Acetobacter estunensis, Komagataeibacter nataicola) và 1 loài vi khuẩn lactic (Lactobacillus acidophilus). Mật độ tế bào nấm men cao nhất đạt khoảng 8,1 logCFU/mL, vi khuẩn acetic khoảng 6,1 logCFU/mL, vi khuẩn lactic khoảng 4,7 logCFU/mL.

  2. Tuyển chọn hệ vi sinh vật cộng sinh: Hệ cộng sinh gồm Saccharomyces cerevisiae, Komagataeibacter nataicola và Lactobacillus acidophilus với tỷ lệ mật độ tế bào 1:4:1 (logCFU/mL) cho hàm lượng acid glucuronic cao nhất, đạt 181,54 mg/L, vượt trội so với các hệ khác và các nghiên cứu trước đây (ví dụ: 175,8 mg/L trong một nghiên cứu gần đây).

  3. Ảnh hưởng của điều kiện lên men:

    • Tỷ lệ giống 4% (v/v) là tối ưu, cho hàm lượng acid glucuronic khoảng 211 mg/L.
    • Nồng độ đường sucrose ban đầu 12% (w/v) cho hàm lượng acid glucuronic cao nhất 214,86 mg/L.
    • pH ban đầu từ 5 đến 6 phù hợp, với pH 5 cho kết quả tốt nhất về hàm lượng acid glucuronic và sự phát triển vi sinh vật.
    • Nhiệt độ lên men 35°C và thời gian lên men 8 ngày tối ưu cho hàm lượng acid glucuronic cao nhất.

  4. Ứng dụng trên hệ thống fermenter Bioflo: Trà Kombucha lên men trên fermenter Bioflo với hệ vi sinh vật cộng sinh được xây dựng có hàm lượng acid glucuronic, khả năng kháng khuẩn và kháng oxy hóa cao hơn đáng kể so với trà Kombucha truyền thống và nước trà chưa lên men.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự phối hợp tỷ lệ mật độ tế bào giữa nấm men, vi khuẩn acetic và vi khuẩn lactic ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất sinh tổng hợp acid glucuronic. Sự ưu thế của Saccharomyces cerevisiae trong hệ cộng sinh giúp phân giải mạnh đường sucrose, tạo điều kiện cho vi khuẩn acetic Komagataeibacter nataicola sinh tổng hợp acid glucuronic hiệu quả. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vai trò của các chủng vi sinh vật trong lên men Kombucha.

Các điều kiện lên men được tối ưu hóa giúp kiểm soát tốt quá trình lên men, giảm thiểu tạp nhiễm và tăng cường hoạt tính sinh học của sản phẩm. Việc ứng dụng hệ vi sinh vật cộng sinh chủ động trên fermenter Bioflo chứng minh tính khả thi cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mật độ tế bào theo thời gian, biểu đồ hàm lượng acid glucuronic dưới các điều kiện lên men khác nhau, và bảng so sánh hoạt tính kháng khuẩn, kháng oxy hóa giữa các mẫu trà Kombucha.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hệ vi sinh vật cộng sinh tỷ lệ 1:4:1 (S. cerevisiae: K. nataicola: L. acidophilus) trong quy trình lên men trà Kombucha để nâng cao hàm lượng acid glucuronic, cải thiện chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: ngay lập tức trong các cơ sở sản xuất.

  2. Tối ưu điều kiện lên men với tỷ lệ giống 4% (v/v), nồng độ đường sucrose 12% (w/v), pH ban đầu 5, nhiệt độ 35°C và thời gian lên men 8 ngày nhằm đạt hiệu suất cao nhất. Các nhà sản xuất cần điều chỉnh quy trình theo các thông số này trong vòng 3-6 tháng.

  3. Ứng dụng hệ thống fermenter Bioflo hoặc các thiết bị lên men kiểm soát tự động để đảm bảo tính ổn định và đồng nhất của sản phẩm, giảm thiểu tạp nhiễm, nâng cao năng suất. Khuyến nghị triển khai trong các nhà máy quy mô công nghiệp trong 6-12 tháng tới.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật và công nhân về quy trình lên men mới, kỹ thuật kiểm soát vi sinh vật và đánh giá chất lượng sản phẩm nhằm đảm bảo hiệu quả sản xuất và an toàn thực phẩm. Thời gian đào tạo nên được tổ chức định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về hệ vi sinh vật cộng sinh và điều kiện lên men tối ưu, làm cơ sở cho các đề tài phát triển sản phẩm lên men tự nhiên.

  2. Doanh nghiệp sản xuất trà Kombucha và các sản phẩm lên men: Hướng dẫn xây dựng quy trình lên men chuẩn, nâng cao hàm lượng acid glucuronic và các hoạt tính sinh học, giúp cải thiện chất lượng và giá trị sản phẩm trên thị trường.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình kiểm soát chất lượng sản phẩm trà Kombucha, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

  4. Các chuyên gia dinh dưỡng và y học cổ truyền: Tài liệu cung cấp cơ sở khoa học về tác dụng giải độc gan và các hoạt tính sinh học của trà Kombucha, hỗ trợ tư vấn và phát triển sản phẩm chức năng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao acid glucuronic lại quan trọng trong trà Kombucha?
    Acid glucuronic đóng vai trò chính trong cơ chế giải độc gan bằng cách liên hợp với các chất độc, giúp chuyển hóa và thải loại chúng ra khỏi cơ thể. Hàm lượng acid glucuronic cao làm tăng hiệu quả giải độc và các hoạt tính sinh học của trà Kombucha.

  2. Hệ vi sinh vật cộng sinh gồm những loại nào?
    Hệ cộng sinh bao gồm nấm men (Saccharomyces cerevisiae, Brettanomyces bruxellensis, Pichia manshurica, Candida stellimalicola), vi khuẩn acetic (Acetobacter estunensis, Komagataeibacter nataicola) và vi khuẩn lactic (Lactobacillus acidophilus). Sự phối hợp này tạo ra các acid hữu cơ và các hợp chất có lợi.

  3. Điều kiện lên men nào tối ưu để tăng hàm lượng acid glucuronic?
    Tỷ lệ giống 4% (v/v), nồng độ đường sucrose 12% (w/v), pH ban đầu 5, nhiệt độ 35°C và thời gian lên men 8 ngày được xác định là điều kiện tối ưu để đạt hàm lượng acid glucuronic cao nhất.

  4. Làm thế nào để kiểm soát tạp nhiễm trong quá trình lên men?
    Sử dụng hệ vi sinh vật cộng sinh chủ động, kiểm soát tỷ lệ các chủng vi sinh vật, áp dụng quy trình lên men trong môi trường vô trùng và sử dụng fermenter có kiểm soát tự động giúp giảm thiểu tạp nhiễm hiệu quả.

  5. Trà Kombucha lên men trên fermenter Bioflo có ưu điểm gì?
    Sản phẩm lên men trên fermenter Bioflo có hàm lượng acid glucuronic, khả năng kháng khuẩn và kháng oxy hóa cao hơn so với trà Kombucha truyền thống, đồng thời quy trình lên men ổn định, kiểm soát tốt các yếu tố môi trường, phù hợp cho sản xuất công nghiệp.

Kết luận

  • Đã phân lập và định danh thành công 7 chủng vi sinh vật chính trong hệ cộng sinh lên men trà Kombucha, bao gồm 4 loài nấm men, 2 loài vi khuẩn acetic và 1 loài vi khuẩn lactic.
  • Hệ vi sinh vật cộng sinh với tỷ lệ mật độ tế bào S. cerevisiae: K. nataicola: L. acidophilus là 1:4:1 cho hàm lượng acid glucuronic cao nhất, đạt 181,54 mg/L.
  • Điều kiện lên men tối ưu gồm tỷ lệ giống 4% (v/v), nồng độ đường sucrose 12% (w/v), pH 5, nhiệt độ 35°C và thời gian lên men 8 ngày.
  • Ứng dụng hệ thống fermenter Bioflo giúp nâng cao hoạt tính sinh học và ổn định chất lượng sản phẩm trà Kombucha.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển sản xuất trà Kombucha công nghiệp với sản phẩm có giá trị dinh dưỡng và dược tính cao, an toàn vệ sinh thực phẩm.

Next steps: Triển khai quy trình lên men tối ưu tại quy mô pilot, đánh giá tính ổn định và mở rộng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, nâng cao giá trị sản phẩm trà Kombucha trên thị trường trong nước và quốc tế.