Đặt vấn đề Thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus) được trồng phổ biến ở nước ta, điển hình là tỉnh Long An, Bình Thuận, Tiền Giang và một số tỉnh khác, sản lượng đạt hơn 1 triệu tấn vào năm 2019 [1]. Hiện nay, tính riêng ở tỉnh Bình Thuận đã có 13 cơ sở chế biến thanh long sấy khô, sấy dẻo, nước ép thanh long các loại, rượu, kẹo thanh long [2]. Như vậy có thể thấy lượng vỏ thải ra hằng năm là vô cùng lớn vì phần vỏ chiếm khoảng 22 - 30% tổng khối lượng của quả [3]. Thông thường, vỏ thanh long sẽ được sử dụng làm phân bón hoặc thải bỏ, điều này gây ra sự lãng phí lớn bởi trong vỏ còn chứa một số hợp chất có giá trị trong trong lĩnh vực thực phẩm như pectin (khoảng 10,8 g/100 g vỏ khô [4]) và betacyanin (119 ± 0,71 mg/100 g vỏ tươi [5]).
Pectin có khả năng tạo gel nên được được sử dụng như một chất làm đặc, chất nhũ hóa, chất ổn định trong ngành công nghiệp chế biến các sản phẩm mứt, rau quả, bánh kẹo [6]. Betacyanin ngoài khả năng tạo màu còn là chất chống oxy hóa đóng vai trò như chất bảo quản trong thực phẩm [7]. Vì lợi ích của pectin và betacyanin mang lại, một số nghiên cứu đã chiết xuất hai hợp chất này từ vỏ thanh long ruột đỏ [8]–[13]. Pectin thường được trích ly bằng phương pháp truyền thống (Conventional extraction – CE) với dung môi là acid citric, muối sodium citrate ở pH = 2 [14].
Để nâng cao hiệu suất thu hồi và chất lượng của pectin, trong những năm gần đây quy trình trích ly truyền thống được hỗ trợ bởi các kỹ thuật như sóng vi sóng (Microwave Assisted Extraction - MAE) và sóng siêu âm (Ultrasound Assisted Extraction - UAE). Theo nghiên cứu của Tongkham và cộng sự (2017), khi pectin được trích ly có sự hỗ trợ của sóng vi sóng (MAE), hiệu suất thu hồi cao hơn 3% và thời gian trích ly ngắn hơn 10 phút so với phương pháp truyền thống [15]. Nguyên nhân là khi sử dụng MAE, nhiệt độ bên trong của tế bào thực vật tăng lên vì sự hấp thụ năng lượng từ vi sóng. Sự quá nhiệt bên trong có thể làm vỡ thành tế bào và tạo điều kiện cho các hợp chất như pectin và betacyanin khuếch tán vào dung môi, do đó làm tăng hiệu suất trích ly [24].
Việc sử dụng sóng siêu âm khi trích ly (UAE) cũng làm tăng hiệu suất trích ly pectin từ vỏ thanh long ruột đỏ từ 20% lên 23,06% [16]. UAE sử dụng sóng siêu âm để tạo ra bọt khí, làm tăng tính thấm thấu của thành tế bào cũng như tăng khả năng khuếch tán của pectin trong dung môi [24]. Gần đây, phương pháp kết hợp vi sóng có hỗ trợ siêu âm (Ultrasound – Microwave Assisted Extraction – UMAE) đã được sử dụng trong một số 1 nghiên cứu và cho kết quả khả quan [17]–[20]. Sóng siêu âm thúc đẩy sự phá vỡ thành tế bào trong khi sóng vi sóng đẩy nhanh quá trình phân tán dịch chiết vào dung môi [20].
Betacyanin là một hợp chất phân cực, vì vậy thường được trích ly bằng các dung môi phân cực như nước, methanol, ethanol [21]. pH của dung môi trích ly betacyanin thường từ 3-7, ở ngoài phạm vi nói trên, hợp chất này dễ dàng bị phân huỷ [22]. Tương tự như pectin, kỹ thuật MAE, UAE cũng đã được áp dụng để thu hồi betacyanin. Khi sử dụng UAE, hàm lượng betacyanin trích ly ở dung môi có pH = 5 là 0,6 - 0,8 mg/g vỏ thanh long tươi, cao hơn 1,4 lần so với khi không sử dụng UAE ở cùng điều kiện pH [24, [23].
Theo những tài liệu chúng tôi tổng hợp được, các nghiên cứu trước đây hầu như tập trung khảo sát và tối ưu hoá quá trình trích ly pectin hoặc betacyanin từ vỏ thanh long ruột đỏ một cách riêng lẻ mà chưa quan tâm đến khả năng trích ly đồng thời hai hợp chất này. Betacyanin và pectin đều là các hợp chất tan trong nước [21], vì thế mà trong quá trình trích ly pectin, một lượng betacyanin đáng kể cũng được hòa tan vào dung môi và ngược lại [24]. Từ đó có thể thấy được quá trình trích ly đồng thời pectin và betacyanin từ vỏ thanh long ruột đỏ là hoàn toàn có khả năng. Trích ly đồng thời (Co-extraction) là kỹ thuật mang lại nhiều lợi ích như thu nhận nhiều hợp chất có giá trị từ nguyên liệu và tiết kiệm chi phí sản xuất [25].
Kỹ thuật này đã được sử dụng để đồng trích ly polyphenol và pectin từ phụ phẩm nông nghiệp như vỏ xoài [28], bã táo [26], bã dâu tằm [27]. Như vậy có thể thấy, pH của dung môi trích ly và các kỹ thuật MAE, UAE và UMAE có ảnh hưởng đến quá trình trích ly pectin hoặc betacyanin. Vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của pH và các phương pháp hỗ trợ đến hàm lượng và đặc tính của pectin và betacyanin trích ly đồng thời từ vỏ thanh long đỏ (Hylocereus polyrhizus).Mục tiêu đề tài Đề tài “Khảo sát ảnh hưởng của pH và các phương pháp hỗ trợ đến hàm lượng và đặc tính của pectin và betacyanin trích ly đồng thời từ vỏ thanh long đỏ (Hylocereus polyrhizus)” được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của các pH 2,5, pH 3,0 và pH 3,5 cùng các phương pháp trích ly truyền thống (CE) và phương pháp có hỗ trợ của siêu âm (UAE), vi sóng (MAE), siêu âm kết hợp vi sóng (UMAE) để trích ly đồng thời pectin và betacyanin từ vỏ thanh long, từ đó tìm ra pH dung môi và phương pháp hỗ trợ phù hợp để trích ly đồng thời hai hợp chất này. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối tượng: Pectin và betacyanin từ vỏ thanh long ruột đỏ.
2 Phạm vi: Dung môi được sử dụng là đệm sodium citrate 0.5M có các giá trị pH lần lượt là 2,5; 3 và 3,5 và bốn phương pháp được sử dụng là trích ly gồm trích ly truyền thống (CE), trích ly kết hợp vi sóng (MAE), trích ly kết hợp siêu âm (UAE) và trích ly kết hợp vi sóng và siêu âm (UMAE). Nội dung nghiên cứu Đề tài “Khảo sát ảnh hưởng của pH và các phương pháp hỗ trợ đến hàm lượng và đặc tính của pectin và betacyanin trích ly đồng thời từ vỏ thanh long đỏ (Hylocereus polyrhizus)” bao gồm các nội dung nghiên cứu sau: - Khảo sát ảnh hưởng của pH dung môi ở pH 2,5, pH 3 và pH 3,5 cùng các phương pháp như truyền thống (CE), các kỹ thuật hỗ trợ như vi sóng (MAE), siêu âm (UAE) và siêu âm kết hợp vi sóng (UMAE) lên hiệu suất thu hồi pectin và hàm lượng betacyanin từ quá trình đồng trích ly. Từ đó lựa chọn pH dung môi mang lại hiệu suất thu hồi pectin và betacyanin cao để phân tích tính chất của pectin và betacyanin. - Khảo sát ảnh hưởng của pH của dung môi trích ly và phương pháp CE, UAE, MAE, UMAE đến tính chất của pectin.
- Khảo sát ảnh hưởng của pH dung môi và phương pháp CE, UAE, MAE, UMAE đến khả năng chống oxy hoá của betacyanin. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Tìm ra pH của dung môi và phương pháp hỗ trợ phù hợp để trích ly đồng thời pectin và betacyanin trong vỏ thanh long ruột đỏ. - Ý nghĩa thực tiễn: Tạo ra hướng phát triển về việc tạo ra các phụ phẩm từ phế thải nông nghiệp. 3 Chương 2: TỔNG QUAN 2.
Tổng quan về thanh long Thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus) là một loại trái cây nhiệt đới thuộc họ xương rồng (Cactaceae), được trồng đầu tiên ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới của Mexico và Trung Nam Mỹ. Ngày nay, thanh long được trồng rộng rãi của khu vực Đông Nam Á như Malaysia, Thái Lan, Việt Nam, Đài Loan và Philippine [16]. Ở nước ta, đây là một trong những cây ăn quả quan trọng bởi giá trị kinh tế và dinh dưỡng nó mang lại. Thanh long ruột đỏ được trồng nhiều ở các tỉnh Bình Thuận, Long An, Tiền Giang và rải rác ở một số tỉnh khác.
Thanh long ruột đỏ Giá trị dinh dưỡng của thanh long ruột đỏ thay đổi tùy theo loài, nguồn gốc và thời điểm thu hoạch. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một quả thanh long khi thu hoạch chứa một lượng chất rắn hòa tan đáng kể, ngoài ra còn có acid hữu cơ, protein, anthocyanins và các khoáng chất khác như kali, magie, canxi và vitamin C [28]. Thanh long ruột đỏ đã thu hút được sự quan tâm của người tiêu dùng vì hàm lượng chất dinh dưỡng và màu sắc rực rỡ của quả. Như đã đề cập ở trên, thanh long ruột đỏ là nguồn cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu như đường, vitamin, khoáng chất, chất xơ và chất chống oxy hóa.
4 Thanh long đỏ thường được tiêu thụ bằng cách ăn trực tiếp hoặc được chế biến thành nước ép, mứt, bánh, kẹo. Do đó, một lượng lớn vỏ bị thải ra. Phần vỏ ngoài chiếm 22% trọng lượng trái [3]. Tuy nhiên vỏ cũng chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học cao.
Vỏ thanh long tươi và khô đều giàu pectin và betalains. Đây là hai phụ gia được ứng dụng trong thực phẩm với vai trò lần lượt là chất làm đặc và chất tạo màu tự nhiên. Tổng hàm lượng chất xơ trong vỏ thanh long đỏ rất cao khoảng 69,3%, bao gồm xơ không hòa tan 56,50% và xơ hòa tan 14,82% [4]. Cả vỏ và lẫn phần thịt quả đều mang lại giá trị cao, đặc biệt là trong ngành thực phẩm.
Giới thiệu Pectin là một heteropolysaccharide chứa trong thành tế bào sơ cấp của thực vật. Cấu trúc và thành phần hóa học của pectin khác nhau tuỳ thuộc vào loại thực vật và bộ phận khác nhau của cùng loại cây. Trong tế bào thực vật, phần lớn pectin tồn tại dưới dạng protopectin. Protopectin là một hợp chất hình thành do sự kết hợp giữa cellulose với các phân tử pectin [29].
Protopectin không hòa tan trong nước, trong khi pectin là hợp chất tan tốt trong nước [30]. Trong thành tế bào, pectin gắn với hemicellulose và cellulose bằng các liên kết hydro và liên kết este. Vị trí của pectin trong thành tế bào được mô tả ở Hình 2. Hiện nay, nguồn trích ly pectin chủ yếu đến từ vỏ của họ cam quýt, cụ thể là từ vỏ cam.
Ngoài ra, nhiều nghiên cứu cũng đã báo cáo trong vỏ của các loại chanh dây, chuối, và đặc biệt là thanh long cũng chứa một hàm lượng đáng kể pectin [31], [32]. Vị trí của pectin trong cấu trúc của thành tế bào 5 2. Cấu trúc hóa học Pectin là một polysaccharide mạch thẳng, gồm các phân tử acid galacturonic (GalA) liên kết với nhau bằng liên kết α-(1-4) glycoside. Các chuỗi GalA tạo thành mạch chính của pectin.