Tổng quan nghiên cứu

Bánh bông lan (sponge cake) là một trong những sản phẩm bánh ngọt phổ biến với giá trị dinh dưỡng cao và được tiêu thụ rộng rãi. Tuy nhiên, hạn sử dụng của bánh bông lan hiện nay thường ngắn, dao động từ 3 đến 10 tháng tùy theo điều kiện bảo quản và thành phần nguyên liệu. Việc sử dụng các chất bảo quản hóa học truyền thống đang gây ra nhiều lo ngại về sức khỏe người tiêu dùng, do đó nhu cầu tìm kiếm các chất bảo quản tự nhiên, an toàn và hiệu quả ngày càng tăng. Củ cải trắng (Raphanus sativus L) là một loại rau củ chứa nhiều hợp chất flavonoid, tannin, alkaloid có hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm mạnh mẽ, hứa hẹn là nguồn nguyên liệu tiềm năng để phát triển chất bảo quản tự nhiên thay thế các chất bảo quản hóa học.

Nghiên cứu này nhằm mục tiêu tối ưu hóa quy trình chiết ly flavonoid từ củ cải trắng để thu được dịch chiết có hàm lượng flavonoid tổng (TFC) và hoạt tính kháng oxy hóa (ABTS) cao nhất. Đồng thời, đánh giá hoạt tính kháng nấm của dịch chiết trên 4 chủng nấm mốc gây hư hỏng thực phẩm phổ biến gồm Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Aspergillus clavatus và Fusarium solani. Cuối cùng, nghiên cứu khảo sát khả năng kéo dài thời gian bảo quản bánh bông lan khi bổ sung dịch chiết củ cải trắng dưới điều kiện bảo quản mát 20°C và gia tốc nhiệt 37°C.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2019, với các thí nghiệm chiết ly, thử nghiệm kháng nấm in vitro và thử nghiệm bảo quản bánh bông lan. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển chất bảo quản tự nhiên an toàn, góp phần nâng cao chất lượng và thời gian bảo quản sản phẩm bánh bông lan, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực của các chất bảo quản hóa học hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết flavonoid và hoạt tính kháng oxy hóa: Flavonoid là hợp chất phenol tự nhiên có cấu trúc C6-C3-C6, có khả năng khử gốc tự do, ức chế quá trình oxy hóa lipid và bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa. Hoạt tính kháng oxy hóa được đánh giá bằng phương pháp ABTS, đo khả năng trung hòa gốc tự do.

  • Mô hình chiết ly flavonoid: Ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ ethanol, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ và thời gian chiết ly đến hàm lượng flavonoid tổng (TFC) và hoạt tính kháng oxy hóa của dịch chiết.

  • Lý thuyết kháng nấm mốc: Dịch chiết flavonoid có khả năng ức chế sự phát triển của các chủng nấm mốc gây hư hỏng thực phẩm thông qua cơ chế phá vỡ màng tế bào, ức chế enzyme và tạo phức với ion kim loại cần thiết cho hoạt động enzyme của nấm.

  • Khái niệm thời gian bảo quản (shelf-life): Thời gian mà sản phẩm giữ được các chỉ tiêu vật lý, cảm quan và vi sinh trong giới hạn cho phép khi bảo quản dưới điều kiện nhất định.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu củ cải trắng (Raphanus sativus L) được thu hoạch tại các trang trại ở TP. Hồ Chí Minh, xử lý sấy khô và nghiền bột. Các chủng nấm mốc Aspergillus flavus NBRC 33021, Aspergillus niger NBRC 4066, Aspergillus clavatus NBRC 33020 và Fusarium solani NBRC 31094 được cung cấp từ phòng thí nghiệm Viện Vi sinh vật và Công nghệ Sinh học, Đại học Quốc gia Hà Nội.

  • Phương pháp chiết ly: Thí nghiệm chiết ly flavonoid bằng dung môi ethanol với các biến số: nồng độ ethanol (50-75% v/v), tỷ lệ nguyên liệu/dung môi (1:10 đến 1:30), nhiệt độ (30-50°C) và thời gian (1-3 giờ). Dịch chiết được lọc qua giấy Whatman số 1, cô quay chân không và sấy phun với maltodextrin để thu dịch chiết dạng bột.

  • Phân tích hàm lượng flavonoid tổng (TFC): Đo quang phổ UV-Vis theo chuẩn quercetin, kết quả tính bằng mg quercetin tương đương trên gram dịch chiết.

  • Đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa (ABTS): Phương pháp đo khả năng ức chế gốc tự do ABTS, kết quả biểu thị bằng TEAC (Trolox equivalent antioxidant capacity).

  • Thử nghiệm kháng nấm mốc: Phương pháp khoanh giấy khuếch tán trên môi trường SDA với các nồng độ dịch chiết khác nhau (10, 20, 30 mg/mL) so sánh với Natamycin 0.2 mg/mL. Xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MFC) của dịch chiết trên từng chủng nấm.

  • Thí nghiệm bảo quản bánh bông lan: Bánh bông lan được sản xuất theo quy trình công nghiệp, bổ sung dịch chiết củ cải trắng với liều 30 mg/mL. Bánh được bảo quản ở 20°C (mát) và 37°C (gia tốc nhiệt), theo dõi các chỉ tiêu vật lý (độ cứng), cảm quan và vi sinh trong suốt thời gian bảo quản.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2019, gồm các giai đoạn thu thập nguyên liệu, chiết ly, thử nghiệm kháng nấm, sản xuất bánh và thử nghiệm bảo quản.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa quy trình chiết ly flavonoid:

    • Nồng độ ethanol 75% (v/v), tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1:30, nhiệt độ 50°C và thời gian 3 giờ cho hàm lượng flavonoid tổng (TFC) cao nhất là 6.03 mg/g.
    • Hoạt tính kháng oxy hóa ABTS đạt giá trị TEAC là 28, cho thấy dịch chiết có khả năng chống oxy hóa mạnh.

  2. Hoạt tính kháng nấm mốc in vitro:

    • Dịch chiết củ cải trắng (WRE) ức chế sự phát triển của 4 chủng nấm mốc Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Aspergillus clavatus và Fusarium solani với đường kính vòng kháng nấm khoảng 9 mm ở nồng độ 75 mg/mL.
    • Nồng độ ức chế tối thiểu (MFC) của WRE lần lượt là 30 mg/mL với Aspergillus flavus và Fusarium solani, 20 mg/mL với Aspergillus clavatus và 10 mg/mL với Aspergillus niger.
    • So sánh với Natamycin 0.2 mg/mL, WRE thể hiện hiệu quả kháng nấm tương đối tốt, đặc biệt với Aspergillus niger.

  3. Ảnh hưởng của WRE đến thời gian bảo quản bánh bông lan:

    • Bánh bông lan bổ sung WRE 30 mg/mL có thời gian bảo quản đạt chất lượng chấp nhận được khoảng 8 tuần ở điều kiện mát 20°C, tăng gần gấp đôi so với bánh không bổ sung.
    • Ở điều kiện gia tốc nhiệt 37°C, thời gian bảo quản bánh có WRE là 2 tuần, trong khi bánh đối chứng chỉ khoảng 1 tuần.
    • Các chỉ tiêu vật lý như độ cứng và cảm quan bánh được duy trì ổn định trong suốt thời gian bảo quản.

Thảo luận kết quả

Kết quả tối ưu hóa chiết ly flavonoid phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy ethanol 75% là dung môi hiệu quả nhất để chiết flavonoid từ củ cải trắng, do khả năng hòa tan tốt các hợp chất polyphenol và flavonoid. Nhiệt độ 50°C và thời gian 3 giờ cân bằng giữa hiệu suất chiết và tránh phân hủy các hợp chất hoạt tính.

Hoạt tính kháng nấm của dịch chiết củ cải trắng được giải thích bởi sự hiện diện của flavonoid, tannin và alkaloid có khả năng phá vỡ màng tế bào nấm, ức chế enzyme và tạo phức với ion kim loại cần thiết cho sự phát triển của nấm. So sánh với Natamycin, một chất kháng nấm phổ biến, dịch chiết thể hiện hiệu quả cạnh tranh, đặc biệt với Aspergillus niger.

Việc bổ sung dịch chiết vào bánh bông lan giúp kéo dài thời gian bảo quản nhờ khả năng ức chế sự phát triển của nấm mốc gây hư hỏng, đồng thời duy trì các đặc tính vật lý và cảm quan của sản phẩm. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu ứng dụng chất bảo quản tự nhiên trong thực phẩm, góp phần giảm thiểu sử dụng chất bảo quản hóa học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng flavonoid và hoạt tính ABTS theo các điều kiện chiết ly, bảng đường kính vòng kháng nấm của dịch chiết và Natamycin, cùng biểu đồ thời gian bảo quản bánh bông lan với và không có dịch chiết dưới hai điều kiện nhiệt độ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng dịch chiết củ cải trắng làm chất bảo quản tự nhiên trong sản xuất bánh bông lan:

    • Động từ hành động: Bổ sung, kiểm soát liều lượng.
    • Target metric: Tăng thời gian bảo quản bánh lên ít nhất 2 lần.
    • Timeline: Triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp trong 6-12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp sản xuất bánh kẹo và thực phẩm.

  2. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng dịch chiết trong các sản phẩm thực phẩm khác:

    • Động từ hành động: Khảo sát, đánh giá hiệu quả.
    • Target metric: Xác định hiệu quả bảo quản trên các loại thực phẩm dễ hư hỏng.
    • Timeline: 12-18 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành công nghệ thực phẩm.

  3. Phát triển quy trình chiết ly flavonoid quy mô lớn, tối ưu chi phí và hiệu suất:

    • Động từ hành động: Tối ưu hóa, chuẩn hóa quy trình.
    • Target metric: Giảm chi phí sản xuất dịch chiết dưới mức 50% so với hiện tại.
    • Timeline: 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm công nghệ sinh học và doanh nghiệp công nghệ thực phẩm.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn chất lượng và an toàn cho dịch chiết củ cải trắng sử dụng trong thực phẩm:

    • Động từ hành động: Xây dựng, kiểm định.
    • Target metric: Đạt các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm quốc gia và quốc tế.
    • Timeline: 6-9 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức chứng nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất bánh kẹo và thực phẩm:

    • Lợi ích: Áp dụng dịch chiết củ cải trắng làm chất bảo quản tự nhiên, nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài thời gian bảo quản.
    • Use case: Sản xuất bánh bông lan, bánh ngọt, thực phẩm chế biến sẵn.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm:

    • Lợi ích: Tham khảo quy trình chiết ly flavonoid, phương pháp đánh giá hoạt tính kháng nấm và bảo quản thực phẩm.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm:

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn và quy định về sử dụng chất bảo quản tự nhiên trong thực phẩm.
    • Use case: Đánh giá, cấp phép và kiểm tra chất lượng sản phẩm.

  4. Nhà sản xuất nguyên liệu và chế biến dược liệu:

    • Lợi ích: Khai thác tiềm năng củ cải trắng làm nguyên liệu chiết xuất flavonoid và các hợp chất sinh học có hoạt tính sinh học.
    • Use case: Phát triển sản phẩm chiết xuất, thực phẩm chức năng, dược phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dịch chiết củ cải trắng có an toàn khi sử dụng trong thực phẩm không?
    Dịch chiết được chiết xuất từ củ cải trắng tự nhiên, không sử dụng hóa chất độc hại, đã được kiểm nghiệm an toàn và không gây độc tính ở liều lượng sử dụng trong nghiên cứu. Ví dụ, bánh bông lan bổ sung dịch chiết vẫn giữ được các chỉ tiêu cảm quan và không có dấu hiệu ô nhiễm vi sinh.

  2. Liều lượng dịch chiết tối ưu để bảo quản bánh bông lan là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy liều lượng 30 mg/mL dịch chiết là hiệu quả nhất trong việc kéo dài thời gian bảo quản bánh bông lan mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Liều lượng thấp hơn có thể không đủ kháng nấm, còn liều lượng cao hơn có thể ảnh hưởng đến cảm quan.

  3. Dịch chiết có thể thay thế hoàn toàn các chất bảo quản hóa học hiện nay không?
    Dịch chiết có tiềm năng thay thế một phần các chất bảo quản hóa học nhờ hoạt tính kháng nấm và kháng oxy hóa tốt. Tuy nhiên, để thay thế hoàn toàn cần nghiên cứu thêm về tính ổn định, hiệu quả lâu dài và chi phí sản xuất quy mô lớn.

  4. Phương pháp chiết ly flavonoid có thể áp dụng cho nguyên liệu khác không?
    Có thể áp dụng tương tự cho các nguyên liệu thực vật giàu flavonoid khác, tuy nhiên cần tối ưu lại các điều kiện chiết ly phù hợp đặc tính từng nguyên liệu để đạt hiệu quả cao nhất.

  5. Thời gian bảo quản bánh bông lan có thể kéo dài bao lâu khi sử dụng dịch chiết?
    Ở điều kiện bảo quản mát 20°C, thời gian bảo quản bánh có thể kéo dài đến khoảng 8 tuần, gấp gần 2 lần so với bánh không sử dụng dịch chiết. Ở điều kiện gia tốc nhiệt 37°C, thời gian bảo quản đạt khoảng 2 tuần, tăng gấp đôi so với đối chứng.

Kết luận

  • Dịch chiết củ cải trắng (Raphanus sativus L) chứa hàm lượng flavonoid tổng 6.03 mg/g và hoạt tính kháng oxy hóa TEAC đạt 28 khi chiết ly tối ưu với ethanol 75%, tỷ lệ 1:30, nhiệt độ 50°C, thời gian 3 giờ.
  • Dịch chiết có khả năng ức chế hiệu quả 4 chủng nấm mốc Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Aspergillus clavatus và Fusarium solani với MFC từ 10 đến 30 mg/mL.
  • Bổ sung dịch chiết vào bánh bông lan giúp kéo dài thời gian bảo quản lên đến 8 tuần ở 20°C và 2 tuần ở 37°C, đồng thời duy trì các chỉ tiêu vật lý và cảm quan.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển chất bảo quản tự nhiên an toàn, hiệu quả thay thế các chất bảo quản hóa học trong ngành thực phẩm.
  • Các bước tiếp theo gồm mở rộng ứng dụng dịch chiết trong các sản phẩm thực phẩm khác, tối ưu quy trình sản xuất quy mô lớn và xây dựng tiêu chuẩn chất lượng.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các sản phẩm bảo quản tự nhiên từ dịch chiết củ cải trắng nhằm nâng cao chất lượng và an toàn thực phẩm.