Tổng quan nghiên cứu

Chất màu tự nhiên ngày càng được quan tâm trong ngành công nghiệp thực phẩm do tính an toàn và giá trị dinh dưỡng cao so với chất màu tổng hợp có thể gây độc hại. Bí đỏ (Cucurbita pepo L.) là nguồn nguyên liệu giàu carotenoids, một nhóm sắc tố tự nhiên có vai trò quan trọng trong bảo vệ sức khỏe con người, đặc biệt là vitamin A và khả năng chống oxy hóa. Hàm lượng carotenoids trong bí đỏ được ước tính khoảng 204 µg/g, góp phần tạo màu vàng cam đặc trưng và giá trị dinh dưỡng cao. Tuy nhiên, carotenoids rất nhạy cảm với các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng và pH, dẫn đến giảm chất lượng trong quá trình bảo quản và chế biến.

Luận văn tập trung nghiên cứu chiết xuất chất màu carotenoids từ ba loại bí đỏ phổ biến tại Việt Nam gồm bí Vàm Răng (Cucurbita maxima), bí Hồ Lô (Cucurbita moschata) và bí Nhật (Delica). Mục tiêu chính là xây dựng quy trình chiết xuất hiệu quả, đánh giá tính chất và độ bền của sản phẩm cao màu, đồng thời phát triển phương pháp encapsule để nâng cao độ ổn định của chất màu trong các điều kiện bảo quản khác nhau. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2015 đến tháng 6/2017 tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn nguyên liệu chất màu tự nhiên, góp phần nâng cao giá trị cảm quan và an toàn thực phẩm, đồng thời mở ra hướng ứng dụng trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Các chỉ số hiệu quả chiết xuất, hàm lượng carotenoids và khả năng kháng oxy hóa được sử dụng làm tiêu chí đánh giá, giúp định hướng phát triển sản phẩm bền vững và thân thiện với môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết về carotenoids: Carotenoids là nhóm sắc tố hữu cơ thuộc nhóm tetraterpene, có cấu trúc gồm các đơn vị isoprene liên kết, tạo nên hệ liên hợp nối đôi liên tục, mang lại khả năng hấp thụ ánh sáng và chống oxy hóa mạnh mẽ. Carotenoids được chia thành hai nhóm chính: carotene (hydrocarbon không chứa oxy) và xanthophyll (dẫn xuất oxy hóa của carotene). Chúng có vai trò sinh học quan trọng như bảo vệ mắt, chống ung thư và tăng cường miễn dịch.

  • Mô hình chiết xuất sắc tố tự nhiên: Quá trình chiết xuất phụ thuộc vào các yếu tố như loại dung môi, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu, nhiệt độ và thời gian chiết. Sự lựa chọn dung môi có độ cồn cao (96%) giúp tăng hiệu quả chiết carotenoids do tính không phân cực của sắc tố này.

  • Phương pháp encapsule bằng β-cyclodextrin (β-CD): Cyclodextrin là oligosaccharide có cấu trúc vòng ống với lỗ hổng kỵ nước bên trong và bề mặt ưa nước, tạo phức bao bọc các phân tử khách như carotenoids, giúp bảo vệ sắc tố khỏi tác động oxy hóa, ánh sáng và nhiệt độ. Phương pháp encapsule giúp tăng độ bền màu và khả năng hòa tan trong nước của carotenoids.

Các khái niệm chính bao gồm: carotenoids, khả năng kháng oxy hóa (DPPH), encapsule, β-cyclodextrin, hiệu quả chiết xuất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu gồm ba loại bí đỏ: bí Vàm Răng (C. maxima), bí Hồ Lô (C. moschata) và bí Nhật (Delica), thu mua từ các vùng Đông Nam Bộ, Kiên Giang và Đà Lạt. Nguyên liệu được sơ chế, sấy khô bằng lò vi sóng và nghiền thành bột kích thước 0,02-0,3 cm.

  • Phương pháp phân tích:

    • Hàm lượng carotenoids được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 444 nm và sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với đầu dò DAD ở bước sóng 450 nm.
    • Khả năng kháng oxy hóa được đánh giá bằng phương pháp bắt gốc tự do DPPH, đo độ hấp thu tại 517 nm.
    • Màu sắc ngoại quan được đo theo hệ CIE-LCh để đánh giá cường độ và sắc độ màu.
    • Độ bền sản phẩm được khảo sát qua lưu trữ trong điều kiện ánh sáng và nhiệt độ khác nhau, có bổ sung vitamin C 1% để so sánh.
    • Quá trình encapsule carotenoids với β-cyclodextrin được thực hiện ở tỷ lệ 1:10 (g/g), hiệu suất được tính dựa trên lượng carotenoids tạo phức so với ban đầu.
    • Độ hòa tan của phức carotenoids-β-CD trong nước được xác định bằng phương pháp siêu âm và ly tâm.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 8/2015 đến tháng 6/2017, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, khảo sát điều kiện chiết, đánh giá sản phẩm và thử nghiệm encapsule.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi thí nghiệm được thực hiện ít nhất 3 lần để đảm bảo độ tin cậy, sử dụng mẫu bột bí khô 5 g cho các khảo sát chiết xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện chiết xuất tối ưu:

    • Dung môi ethanol 96° với tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 12:1 (mL/g), nhiệt độ 50 °C, thời gian 60 phút cho hiệu quả chiết cao nhất.
    • Hàm lượng carotenoids trong dịch chiết đạt khoảng 7,5-8 µg/mL, hiệu quả chiết đạt 85-98 µg/g nguyên liệu khô.
    • Tăng độ cồn dung môi từ 40% lên 96% làm tăng hàm lượng carotenoids thu được, tuy nhiên trên 80% không có sự thay đổi đáng kể.

  2. So sánh hàm lượng carotenoids giữa các loại bí:

    • Cao màu thu được có hàm lượng carotenoids lần lượt là 88,37 µg/g (bí Vàm Răng), 90,52 µg/g (bí Hồ Lô) và 59,03 µg/g (bí Nhật).
    • Bí Hồ Lô và bí Vàm Răng có hàm lượng carotenoids cao hơn đáng kể so với bí Nhật, phù hợp với đặc điểm sinh học và nguồn gốc địa lý.

  3. Khả năng kháng oxy hóa và độ bền màu:

    • Khả năng bắt gốc DPPH của cao màu bí Hồ Lô và Vàm Răng tăng lên khi bổ sung vitamin C 1%, với mức tăng hàm lượng carotenoids còn lại sau lưu trữ lần lượt là 58,48% và 54,08%, cao hơn 1,5 lần so với mẫu không bổ sung.
    • Sau 30 ngày lưu trữ ở 0-5 °C, bột màu encapsule với β-cyclodextrin đạt độ ổn định trên 90%, trong khi mẫu không encapsule giảm mạnh hàm lượng carotenoids.

  4. Hiệu suất encapsule và độ hòa tan:

    • Hiệu suất encapsule carotenoids với β-cyclodextrin đạt trên 85% khi tỷ lệ mol 1:10.
    • Phức carotenoids-β-CD có khả năng hòa tan trong nước tốt hơn nhiều so với carotenoids tự do, giúp mở rộng ứng dụng trong thực phẩm và dược phẩm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng ethanol 96° làm dung môi chiết xuất phù hợp với tính chất không phân cực của carotenoids, giúp tăng hiệu quả thu hồi sắc tố. Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 12:1 đảm bảo đủ lượng dung môi để hòa tan sắc tố mà không gây lãng phí. Nhiệt độ 50 °C là điều kiện tối ưu giúp tăng tốc độ chiết mà không làm biến đổi cấu trúc carotenoids do nhiệt độ cao.

So sánh hàm lượng carotenoids giữa các loại bí phản ánh sự khác biệt về giống và điều kiện trồng trọt, phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế. Việc bổ sung vitamin C giúp bảo vệ carotenoids khỏi oxy hóa trong quá trình lưu trữ, tăng độ bền màu và giá trị dinh dưỡng.

Phương pháp encapsule bằng β-cyclodextrin đã chứng minh hiệu quả trong việc bảo vệ carotenoids khỏi các tác nhân gây phân hủy như ánh sáng, oxy và nhiệt độ, đồng thời cải thiện độ hòa tan trong nước, mở rộng khả năng ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng và mỹ phẩm. Các biểu đồ so sánh hàm lượng carotenoids còn lại theo thời gian lưu trữ và hiệu suất encapsule minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa mẫu encapsule và không encapsule.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình chiết xuất ethanol 96° với tỷ lệ 12:1, nhiệt độ 50 °C, thời gian 60 phút để sản xuất cao màu carotenoids từ bí đỏ, nhằm tối ưu hiệu quả chiết và chất lượng sản phẩm. Thời gian triển khai: ngay lập tức, chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thực phẩm chức năng và nguyên liệu thực phẩm.

  2. Bổ sung vitamin C 1% trong quá trình bảo quản cao màu để tăng cường độ bền oxy hóa và giữ màu sắc tự nhiên, giảm thiểu hao hụt hoạt chất trong quá trình lưu trữ. Thời gian áp dụng: trong vòng 1 tháng đầu bảo quản, chủ thể: nhà sản xuất và nhà phân phối.

  3. Phát triển sản phẩm bột màu carotenoids bằng phương pháp encapsule với β-cyclodextrin nhằm nâng cao độ ổn định, khả năng hòa tan và tiện lợi trong ứng dụng thực phẩm, mỹ phẩm. Thời gian nghiên cứu và triển khai: 6-12 tháng, chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về các giống bí đỏ khác và điều kiện trồng trọt để tối ưu nguồn nguyên liệu carotenoids chất lượng cao, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Thời gian: dài hạn, chủ thể: các viện nghiên cứu nông nghiệp và trường đại học.

  5. Xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng sản phẩm cao màu và bột màu dựa trên các chỉ số hàm lượng carotenoids, khả năng kháng oxy hóa và độ bền màu, đảm bảo tính ổn định và an toàn cho người tiêu dùng. Thời gian: 3-6 tháng, chủ thể: các cơ quan quản lý và doanh nghiệp sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ thực phẩm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về chiết xuất và bảo quản sắc tố tự nhiên, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất nguyên liệu thực phẩm chức năng và mỹ phẩm thiên nhiên: Thông tin về quy trình chiết xuất và encapsule carotenoids giúp cải tiến công nghệ sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng thị trường.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu khoa học về tính ổn định và an toàn của chất màu tự nhiên, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn và quy định liên quan.

  4. Nông dân và nhà sản xuất nông nghiệp: Hiểu rõ về giá trị dinh dưỡng và ứng dụng của các giống bí đỏ, từ đó có thể phát triển mô hình trồng trọt phù hợp, nâng cao giá trị kinh tế và chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn ethanol 96° làm dung môi chiết xuất carotenoids?
    Ethanol 96° có tính không phân cực phù hợp với carotenoids, giúp tăng hiệu quả chiết xuất sắc tố. Nghiên cứu cho thấy hàm lượng carotenoids thu được cao nhất và ổn định khi sử dụng ethanol 96°, đồng thời an toàn cho ứng dụng thực phẩm.

  2. Encapsule bằng β-cyclodextrin có lợi ích gì?
    Phương pháp encapsule giúp bảo vệ carotenoids khỏi oxy hóa, ánh sáng và nhiệt độ, tăng độ bền màu trên 90% sau 30 ngày lưu trữ. Ngoài ra, nó cải thiện khả năng hòa tan trong nước, thuận tiện cho ứng dụng trong thực phẩm và dược phẩm.

  3. Vitamin C ảnh hưởng thế nào đến độ bền của chất màu?
    Vitamin C là chất chống oxy hóa mạnh, khi bổ sung 1% vào cao màu giúp giảm sự phân hủy carotenoids trong quá trình lưu trữ, tăng hàm lượng carotenoids còn lại lên đến 58%, cao hơn 1,5 lần so với mẫu không bổ sung.

  4. Có thể áp dụng quy trình này cho các loại nguyên liệu khác không?
    Quy trình chiết xuất và encapsule có thể điều chỉnh để áp dụng cho các nguyên liệu giàu carotenoids khác như cà rốt, cà chua, tuy nhiên cần khảo sát đặc tính riêng của từng nguyên liệu để tối ưu điều kiện.

  5. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả chiết xuất carotenoids?
    Hiệu quả được đánh giá qua hàm lượng carotenoids trong dịch chiết (µg/mL), hiệu quả chiết so với nguyên liệu khô (µg/g), màu sắc ngoại quan và khả năng kháng oxy hóa (DPPH). Các chỉ số này được đo bằng UV-Vis, HPLC và phương pháp bắt gốc tự do.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình chiết xuất carotenoids từ ba loại bí đỏ phổ biến tại Việt Nam với điều kiện tối ưu: ethanol 96°, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 12:1, nhiệt độ 50 °C, thời gian 60 phút.
  • Hàm lượng carotenoids thu được cao nhất ở bí Hồ Lô và bí Vàm Răng, đạt trên 88 µg/g trong cao màu.
  • Bổ sung vitamin C 1% giúp tăng độ bền oxy hóa và giữ màu sắc tự nhiên của sản phẩm trong quá trình bảo quản.
  • Phương pháp encapsule bằng β-cyclodextrin nâng cao độ ổn định carotenoids trên 90% sau 30 ngày lưu trữ, đồng thời cải thiện khả năng hòa tan trong nước.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm, đồng thời đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm từ nguyên liệu tự nhiên.

Next steps: Triển khai ứng dụng quy trình sản xuất quy mô pilot, mở rộng nghiên cứu các giống bí đỏ khác và phát triển sản phẩm thương mại.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ chiết xuất, bảo quản chất màu tự nhiên từ bí đỏ để nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng.