Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam có thế mạnh lớn về sản xuất nông nghiệp với diện tích cây ăn quả năm 2018 đạt xấp xỉ 1 triệu hectare và tổng sản lượng ước tính 8 triệu tấn. Trong đó, thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus) là loại cây ăn trái nhiệt đới mang lại giá trị kinh tế cao, giàu khoáng chất, vitamin (C, B1, B2, B3) và đặc biệt chứa hàm lượng sắc tố betacyanin dồi dào có hoạt tính chống oxy hóa. Tuy nhiên, sản lượng thu hoạch thanh long thường tập trung theo mùa vụ, dẫn đến tình trạng dư thừa nguồn cung, giảm giá trị thương phẩm nếu không có biện pháp chế biến và bảo quản phù hợp. Bên cạnh đó, nước ép thanh long đơn thuần thường thiếu độ chua và mùi thơm đặc trưng nổi bật. Nhằm đa dạng hóa sản phẩm nước giải khát dinh dưỡng, việc kết hợp thanh long ruột đỏ với khóm (Ananas comosus nhóm Queen) – loại quả có vị chua thanh, giàu acid hữu cơ và hương thơm đậm đà – đã được lựa chọn để nghiên cứu quy trình chế biến hoàn chỉnh.

Khóa luận xác định mục đích chính là nghiên cứu chế biến thành công sản phẩm nước thanh long – khóm nhằm nâng cao giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Phân tích thành phần hóa học cơ bản của nguồn nguyên liệu thanh long ruột đỏ và khóm.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme pectinase và thời gian ủ enzyme đến hiệu quả trích ly (hiệu suất thu hồi dịch quả) và độ trong của dịch thanh long.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn giữa dịch ép thanh long ruột đỏ và dịch ép khóm đến chất lượng cảm quan của sản phẩm.
  4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đường saccharose và nồng độ acid ascorbic bổ sung đến chất lượng cảm quan và khả năng bảo vệ sắc tố betacyanin.
  5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thanh trùng đến chất lượng cảm quan, hàm lượng betacyanin tồn dư và mức độ an toàn vi sinh vật của sản phẩm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thanh long ruột đỏ thu nhận tại huyện Thới Lai, thành phố Cần Thơ (chọn quả đạt độ chín với 75% màu đỏ đậm trên vỏ, tai xanh) và khóm mua tại chợ An Hòa, thành phố Cần Thơ (độ chín sinh lý, thịt quả chắc, không lên men).
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học thuộc Khoa Công nghệ Thực phẩm và Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ. Phân tích vi sinh vật kiểm chứng được gửi mẫu tại Trung tâm Chất lượng Nông Lâm Thủy sản Vùng 6 và Công ty Cổ phần Chứng nhận và Giám định Vinacert – Control tại Cần Thơ.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện từ ngày 01/03/2021 đến ngày 31/05/2021; bảo vệ chính thức ngày 23/06/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng dựa trên cơ sở khoa học về công nghệ chế biến và bảo quản nước quả, cơ chế xúc tác sinh học của enzyme trong làm trong dịch bào, cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Việt Nam:

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng:

  • Lý thuyết phân loại và chế biến nước quả: Nước quả ép dạng trong theo TCVN 7946 : 2008.
  • Cơ chế tác động của enzyme pectinase: Sự thủy phân pectinase (bao gồm Pectinesterase, Polygalacturonase, Pectate lyase) giúp phân cắt chuỗi liên kết polymer pectin, làm giảm độ nhớt của dịch bào, phá vỡ cấu trúc mô tế bào, tăng hiệu suất giải phóng dịch quả và hỗ trợ quá trình lọc trong.
  • Vai trò của phụ gia và chất chống oxy hóa: Cơ chế bảo vệ sắc tố betacyanin của acid ascorbic trước các tác nhân oxy hóa và nhiệt độ theo tiêu chuẩn TCVN 11168 : 2015.
  • Tiêu chuẩn chất lượng nguồn nước và phụ gia: QCVN 01 : 2009/BYT đối với nước dùng trong chế biến thực phẩm.
  • Chỉ tiêu vi sinh vật: Quy định giới hạn tối đa ô nhiễm sinh học và hóa học trong thực phẩm theo Quyết định số 46/2007/QĐ-BYT của Bộ Y tế.
  • Đánh giá cảm quan: Phương pháp cho điểm thị hiếu theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3215 - 1979.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích:

  • Bố trí thí nghiệm: Phương pháp thực nghiệm đa yếu tố hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) với 3 lần lặp lại cho mỗi nghiệm thức.
  • Phương pháp phân tích hóa lý:
    • Độ ẩm: Phương pháp sấy khô mẫu đến khối lượng không đổi ở 105 °C.
    • Hàm lượng pectin: Phương pháp kết tủa calcium pectate.
    • Hàm lượng đường khử và đường tổng số: Phương pháp đo quang sử dụng thuốc thử acid dinitrosalicylic (DNS).
    • Hàm lượng vitamin C: Phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử bằng dung dịch iod ($KIO_3/KI$).
    • Hàm lượng betacyanin tổng số: Phương pháp đo quang phổ UV-VIS ở bước sóng đặc trưng theo quy trình của Wong và Siow (2015).
    • pH và độ khô hòa tan: Sử dụng máy đo pH điện tử và khúc xạ kế đo độ Brix (°Brix).
    • Độ trong dịch quả: Đo độ truyền quang (T%) bằng máy quang phổ UV-VIS.
  • Xử lý số liệu: Thu thập và xử lý dữ liệu thống kê bằng phần mềm Microsoft Excel và Statgraphics Centurion XV.1; phân tích phương sai (ANOVA) và so sánh sự khác biệt trung bình bằng phép thử LSD ở mức ý nghĩa $P < 0,05$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của việc phát triển các sản phẩm đồ uống đóng chai có nguồn gốc tự nhiên từ trái cây nhiệt đới tại Đồng bằng sông Cửu Long. Tác giả nhấn mạnh vấn đề thanh long ruột đỏ thường xuyên đối mặt với áp lực tiêu thụ sau thu hoạch và giải pháp phối trộn cùng dịch ép khóm nhằm cân bằng hài hòa vị chua ngọt, nâng cao giá trị kinh tế và cung cấp nguồn chất chống oxy hóa tự nhiên (betacyanin, vitamin C).

Chương 2: Lược khảo tài liệu

Tổng hợp toàn diện các cơ sở lý luận và nghiên cứu thực nghiệm tiền đề:

  • Định nghĩa, phân loại nước quả theo mức độ tự nhiên (nước quả tự nhiên, phối trộn, pha đường, cô đặc), theo trạng thái (nước quả trong, nước quả đục, nectar) và theo phương pháp bảo quản.
  • Phân tích đặc điểm thực vật học, giá trị dinh dưỡng của thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus) với hàm lượng betacyanin khoảng 32–47 mg/100 g thịt quả chín; phân loại và đặc tính của giống khóm Queen trồng phổ biến tại Việt Nam.
  • Khái quát tính chất hóa lý của đường saccharose, acid ascorbic, cơ chế động học xúc tác của phức hệ enzyme pectinase trong công nghệ làm trong nước quả.
  • Tổng quan các công nghệ thanh trùng nhiệt và các công bố liên quan của các tác giả trong nước (Lê Mỹ Hồng et al., 2009; Nguyễn Minh Thủy et al., 2013; Phan Thị Thanh Quế et al., 2017) cũng như ngoài nước (Yen-Ming Wong và Lee-Fong Siow, 2014; Heena Verma et al., 2018).

Chương 3: Đối tượng, phương tiện và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết sơ đồ công nghệ tổng quát dự kiến, danh mục hóa chất, trang thiết bị phòng thí nghiệm và kế hoạch bố trí 4 thí nghiệm đơn/đa nhân tố:

  1. Thí nghiệm 1: Khảo sát 2 nhân tố: Nồng độ pectinase (0,1%; 0,2%; 0,3% tính theo khối lượng hỗn hợp thanh long và nước tỷ lệ 1:2) và thời gian ủ (90, 120, 150 phút) ở nhiệt độ 50 °C; mẫu đối chứng không bổ sung enzyme (0%).
  2. Thí nghiệm 2: Khảo sát tỷ lệ phối trộn thể tích dịch thanh long ruột đỏ : dịch khóm (3:1; 4:1; 5:1).
  3. Thí nghiệm 3: Khảo sát 2 nhân tố: Hàm lượng đường saccharose (8%, 10%, 12%) và hàm lượng acid ascorbic (0,2%, 0,4%, 0,6%).
  4. Thí nghiệm 4: Khảo sát chế độ thanh trùng gồm nhiệt độ (75 °C, 80 °C, 85 °C) và thời gian giữ nhiệt (5, 10, 15 phút).

Chương 4: Kết quả và thảo luận

1. Thành phần hóa học của nguyên liệu

Kết quả phân tích thành phần dinh dưỡng ban đầu của thanh long ruột đỏ và khóm được thể hiện trong bảng sau:

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Thanh long ruột đỏ Dịch ép khóm
Độ ẩm % 89,64 ± 0,96 90,18 ± 0,05
Betacyanin mg/100 g 27,21 ± 1,32 –
Vitamin C mg/100 g 13,20 ± 0,10 39,60 ± 0,10
Acid tổng số % 0,36 ± 0,01 0,59 ± 0,01
Đường tổng số % 9,06 ± 0,11 8,55 ± 0,12
Đường khử % 7,74 ± 0,27 3,92 ± 0,17
pH – 4,36 ± 0,10 3,72 ± 0,01
Pectin % 0,42 ± 0,02 –
Độ khô hòa tan °Brix 10 ± 1,00 11 ± 1,00

Ghi chú: Dấu “–” biểu thị chỉ tiêu không phân tích.

2. Ảnh hưởng của enzyme pectinase và thời gian xử lý

Việc bổ sung enzyme pectinase làm tăng đáng kể hiệu suất thu hồi dịch ép thanh long ruột đỏ so với mẫu đối chứng không qua xử lý enzyme (81,13%–83,13%):

Nồng độ enzyme (%) Thời gian ủ (phút) Hiệu suất thu hồi dịch (%)
0 (Đối chứng) 90 81,13
0 (Đối chứng) 120 83,13
0 (Đối chứng) 150 82,17
0,1 90 87,71
0,1 120 90,03
0,1 150 89,49
0,2 120 92,01
0,2 150 91,53
0,3 90 89,52
0,3 120 90,62
0,3 150 91,27

Hiệu suất thu hồi đạt cực đại 92,01% ở nồng độ enzyme 0,2% và thời gian ủ 120 phút. Về độ trong (độ truyền quang T), các mẫu có xử lý enzyme dao động từ 90,27% đến 90,91%, chênh lệch không lớn nhưng kết hợp với hiệu suất trích ly cao, điều kiện nồng độ enzyme 0,2% và thời gian ủ 120 phút ở 50 °C được chọn làm thông số tối ưu.

3. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn dịch thanh long : dịch khóm

Đánh giá cảm quan trên thang điểm 5 cho thấy tỷ lệ phối trộn thể tích ảnh hưởng rõ rệt đến các thuộc tính chất lượng:

Tỷ lệ (Thanh long : Khóm) Điểm Màu sắc Điểm Mùi Điểm Vị Điểm Trạng thái
3:1 4,23 4,56 3,30 5,00
4:1 4,73 4,73 4,93 5,00
5:1 4,40 3,60 3,57 4,93

Tỷ lệ 4:1 đạt điểm cảm quan vượt trội ở cả màu sắc (4,73), mùi (4,73) và vị (4,93). Tại tỷ lệ này, màu đỏ tím của thanh long được giữ sáng, mùi thơm của khóm hòa quyện và vị chua ngọt đạt độ cân bằng cao nhất.

4. Ảnh hưởng của nồng độ đường và acid ascorbic

  • Chất lượng cảm quan: Công thức phối chế với 10% đường saccharose và 0,4% acid ascorbic đạt điểm cảm quan vị cao nhất (5,00/5,00) và mùi đạt 4,93/5,00.
  • Độ bền màu betacyanin: Hàm lượng betacyanin tồn dư chịu ảnh hưởng chính từ nồng độ acid ascorbic ($P = 0,0000$), trong khi nồng độ đường không làm thay đổi đáng kể ($P = 0,1665$). Bổ sung acid ascorbic ở mức 0,2% và 0,4% duy trì hàm lượng betacyanin lần lượt là 8,59 mg/100 g và 8,40 mg/100 g, cao hơn rõ rệt so với mức 0,6% (chỉ còn 7,00 mg/100 g). Do đó, nồng độ 10% đường và 0,4% acid ascorbic được lựa chọn.

5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thanh trùng

Khảo sát các chế độ thanh trùng nhiệt (75 °C, 80 °C, 85 °C trong thời gian 5, 10, 15 phút) cho thấy chế độ 80 °C trong thời gian 5 phút giúp sản phẩm duy trì tối đa sắc tố betacyanin, không xuất hiện mùi nấu chín khó chịu, đồng thời đảm bảo tổng số vi sinh vật hiếu khí sau 11 ngày bảo quản ở nhiệt độ 25 °C đạt yêu cầu theo Quyết định 46/2007/QĐ-BYT.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Đúc kết toàn bộ thông số kỹ thuật tối ưu đã chứng minh bằng thực nghiệm và đề xuất các giải pháp hoàn thiện quy trình cho các nghiên cứu tiếp nối.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đề tài

Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình công nghệ chế biến nước giải khát phối trộn từ thanh long ruột đỏ và khóm với các thông số tối ưu:

  • Xử lý nguyên liệu thanh long: Tỷ lệ thanh long : nước là 1:2, bổ sung chế phẩm enzyme pectinase nồng độ 0,2%, ủ ở 50 °C trong 120 phút, giúp tăng hiệu suất thu hồi dịch quả lên 92,01% (tăng gần 9–11% so với mẫu không sử dụng enzyme).
  • Tỷ lệ phối chế dịch quả: Dịch ép thanh long ruột đỏ : dịch ép khóm đạt tỷ lệ thể tích 4:1, ủ tiếp 30 phút trước khi lọc tinh qua vải lọc.
  • Phối trộn phụ gia: Bổ sung 10% đường saccharose và 0,4% acid ascorbic (tính theo khối lượng hỗn hợp dịch quả).
  • Chế độ gia nhiệt và rót chai: Gia nhiệt sơ bộ ở 85 °C trong 10 phút để vô hoạt enzyme, hòa tan phụ gia và bài khí; rót nóng vào chai thủy tinh cách miệng 2–3 cm rồi đóng nắp kín.
  • Chế độ thanh trùng: Thanh trùng ở 80 °C trong 5 phút, làm nguội nhanh bằng nước về nhiệt độ phòng.

Đóng góp thực tiễn của khóa luận

  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm cụ thể về thành phần hóa lý của giống thanh long ruột đỏ Thới Lai và khóm Queen Cần Thơ.
  • Chứng minh hiệu quả rõ rệt của enzyme pectinase trong việc khắc phục tình trạng nhớt cao do hàm lượng pectin (0,42%) trong thanh long ruột đỏ gây ra, giúp nâng cao hiệu suất ép và độ trong của sản phẩm.
  • Giải quyết bài toán cân bằng cảm quan hương vị bằng cách phối trộn khóm giàu vitamin C (39,6 mg/100 g) và acid citric (0,59%) với thanh long ruột đỏ giàu betacyanin (27,21 mg/100 g), đồng thời làm sáng tỏ vai trò chống oxy hóa bảo vệ màu của acid ascorbic ở nồng độ 0,4%.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được hoàn thiện trong phạm vi phòng thí nghiệm và thời gian thực hiện 3 tháng (từ tháng 3 đến tháng 5 năm 2021). Do đó, đề tài có một số hạn chế và hướng mở:

  • Nghiên cứu chỉ đánh giá chỉ tiêu vi sinh sau 11 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng (25 °C); cần tiếp tục theo dõi độ bền vi sinh, sự biến đổi hàm lượng vitamin C và màu sắc betacyanin trong thời gian tồn trữ dài hơn (1 đến 6 tháng) ở các điều kiện bao bì và nhiệt độ khác nhau (nhiệt độ thường và nhiệt độ mát).
  • Nghiên cứu sử dụng quy mô mẻ nhỏ trong phòng thí nghiệm; cần thử nghiệm nâng cấp quy mô pilot (bán công nghiệp) và tính toán đầy đủ hơn các chỉ số kinh tế kỹ thuật trước khi đưa vào ứng dụng sản xuất đại trà.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch, Công nghệ Sinh học: Tham khảo cách thức thiết kế thí nghiệm đa nhân tố trong tối ưu hóa quy trình trích ly enzyme, phối chế nước quả hỗn hợp và chế độ thanh trùng đồ uống.
  • Các kỹ sư phát triển sản phẩm (R&D) tại các doanh nghiệp chế biến đồ uống: Ứng dụng trực tiếp thông số tỷ lệ phối trộn (4 phần thanh long : 1 phần khóm), nồng độ phụ gia (10% đường, 0,4% acid ascorbic) và chế độ xử lý nhiệt (80 °C, 5 phút) để sản xuất nước quả đóng chai dạng trong.
  • Phần đáng tham khảo nhất là Chương 3 và Chương 4 với hệ thống bảng số liệu thực nghiệm chi tiết, quy trình phân tích thành phần hóa học (DNS, chuẩn độ iod, đo quang betacyanin) và kết quả phân tích thống kê ANOVA/LSD.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác dụng của việc bổ sung enzyme pectinase trong quy trình xử lý thanh long ruột đỏ là gì?
Thanh long ruột đỏ chứa hàm lượng pectin khá cao (0,42%), làm cho dịch quả có độ nhớt lớn, khả năng giữ nước cao và gây khó khăn khi lọc trong. Việc bổ sung 0,2% enzyme pectinase ủ trong 120 phút ở 50 °C giúp phân cắt chuỗi pectin, phá vỡ cấu trúc tế bào, từ đó làm tăng hiệu suất thu hồi dịch ép từ 83,13% lên 92,01%.

2. Tại sao tỷ lệ phối trộn thanh long ruột đỏ và khóm là 4:1 được đánh giá tối ưu về mặt cảm quan?
Ở tỷ lệ 4:1, màu đỏ tím đặc trưng của thanh long ruột đỏ được thể hiện rõ ràng và sáng màu (điểm cảm quan màu đạt 4,73/5); hương thơm của khóm không lấn át mà hòa quyện cùng thanh long (điểm mùi 4,73/5); đồng thời tạo vị chua ngọt cân bằng, hài hòa nhất (điểm vị đạt 4,93/5). Tỷ lệ 3:1 có vị quá chua do nhiều khóm, còn tỷ lệ 5:1 lại thiếu vị chua và mùi khóm mờ nhạt.

3. Acid ascorbic bổ sung vào sản phẩm có vai trò gì và nồng độ nào là phù hợp nhất?
Acid ascorbic (vitamin C) vừa đóng vai trò điều chỉnh vị chua hài hòa khi phối hợp với 10% đường, vừa hoạt động như chất khử chống oxy hóa giúp bảo vệ sắc tố betacyanin không bị phân hủy bởi nhiệt và oxy. Khảo sát thực nghiệm chứng minh nồng độ 0,4% acid ascorbic cho điểm cảm quan vị đạt 5,00/5 và duy trì hàm lượng betacyanin còn lại ở mức cao (8,40 mg/100 g).

4. Chế độ thanh trùng nào được xác định là tối ưu cho sản phẩm nước thanh long – khóm?
Chế độ thanh trùng tối ưu được chọn là 80 °C trong 5 phút. Chế độ này đủ để tiêu diệt các vi sinh vật gây hại, đáp ứng tiêu chuẩn vi sinh theo Quyết định số 46/2007/QĐ-BYT sau 11 ngày bảo quản ở 25 °C, đồng thời hạn chế tối đa sự tổn thất sắc tố betacyanin và tránh phát sinh mùi nấu chín trong sản phẩm.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Võ Thị Thư Huỳnh đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ chế biến nước thanh long ruột đỏ phối trộn dịch ép khóm dạng trong. Quy trình đã xác lập đầy đủ các thông số kỹ thuật tối ưu bao gồm: nồng độ xử lý enzyme pectinase 0,2% trong 120 phút ở 50 °C; tỷ lệ phối trộn dịch thanh long : khóm là 4:1; bổ sung 10% đường và 0,4% acid ascorbic; thanh trùng tại 80 °C trong 5 phút. Sản phẩm thu được có màu đỏ tím sáng đặc trưng, mùi thơm tự nhiên, vị chua ngọt cân bằng và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn vi sinh vật hiện hành.