Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đời sống hiện đại phát triển, nhu cầu của người tiêu dùng đối với các sản phẩm tiện lợi, hỗ trợ chăm sóc sức khỏe và có nguồn gốc từ thảo mộc tự nhiên ngày càng gia tăng. Trà là thức uống truyền thống lâu đời tại châu Á và là đồ uống phổ biến thứ hai trên thế giới sau nước uống. Bên cạnh các sản phẩm trà truyền thống từ lá sấy khô hoặc trà túi lọc, trà hòa tan (instant tea) nổi lên như một dạng sản phẩm tiện dụng, tiết kiệm thời gian pha chế nhưng vẫn giữ được các hoạt chất sinh học quý giá từ nguồn nguyên liệu ban đầu.

Cây Nhượng Lê Kim Cang (Myxopyrum smilacifolium Blume), thuộc chi Myxopyrum, họ Nhài (Oleaceae), là loài cây bụi leo thân gỗ có phân bố tự nhiên tại các vách đá vôi thuộc vùng núi Tây Bắc Việt Nam như Hà Giang, Lào Cai, Lai Châu. Trong y học cổ truyền tại một số quốc gia châu Á như Ấn Độ, rễ và lá của cây được sử dụng để hỗ trợ điều trị sốt, ho, viêm khớp, làm lành vết thương và chống dị ứng. Các nghiên cứu hóa học và dược lý hiện đại ghi nhận loài thực vật này chứa nhiều nhóm hoạt chất sinh học có giá trị cao như polysaccharide, flavonoid, saponin, iridoid glycoside, alkaloid, tannin và terpenoid, thể hiện hoạt tính chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng viêm và hạ sốt. Tuy nhiên, việc khai thác và chế biến loài cây này thành các sản phẩm thương mại tiện ích tại Việt Nam vẫn còn hạn chế.

Từ thực tiễn trên, đề tài khóa luận "Research of the instant tea production process from Myxopyrum smilacifolium Blume plant" (Nghiên cứu quy trình sản xuất trà hòa tan từ cây Nhượng Lê Kim Cang) được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  • Mục tiêu tổng quát: Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất trà hòa tan từ cây Nhượng Lê Kim Cang (Myxopyrum smilacifolium Blume) ở quy mô phòng thí nghiệm, góp phần đa dạng hóa sản phẩm trà chức năng và gia tăng giá trị ứng dụng kinh tế của nguồn dược liệu tự nhiên.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu chi tiết:
    1. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ (thời gian xử lý sóng siêu âm, nồng độ dung môi ethanol, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, thời gian chiết, nhiệt độ chiết) đến hiệu suất thu nhận polysaccharide tổng số từ nguyên liệu.
    2. Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa cao chiết Nhượng Lê Kim Cang và các phụ liệu, dịch chiết thảo mộc bổ sung (lactose, cỏ ngọt, cam thảo) để đạt chất lượng cảm quan tốt nhất.
    3. Xác định nhiệt độ sấy phù hợp cho hỗn hợp bột trà hòa tan và hoàn thiện sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Bộ phận rễ/thân cây Nhượng Lê Kim Cang (Myxopyrum smilacifolium Blume); phụ liệu độn lactose; cao chiết cỏ ngọt (Stevia rebaudiana Bertoni) và cao chiết cam thảo (Glycyrrhiza glabra L.).
    • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên.
    • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ tháng 02/2020 đến tháng 10/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tổng quan tài liệu

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên cơ sở khoa học về phân loại thực vật học, thành phần hóa học, hoạt tính dược lý của cây Nhượng Lê Kim Cang và nguyên lý công nghệ trích ly, phối chế sản phẩm trà hòa tan:

  • Đặc điểm nguyên liệu chính (Myxopyrum smilacifolium Blume): Cây thuộc Giới Plantae, Ngành Tracheophyta, Lớp Magnoliopsida, Bộ Lamiales, Họ Oleaceae, Chi Myxopyrum. Thân cây dạng bụi có 4 cạnh; rễ mọc từ các đốt thân phát triển trong mùn đá vôi. Các hoạt chất chủ yếu bao gồm iridoid glycoside (myxopyrosid), triterpenoid (axit ursolic, $\alpha$-amyrin, $\beta$-amyrin, betulin), hợp chất phenolic, saponin và polysaccharide tan trong nước.
  • Vai trò của phụ liệu và thảo mộc hỗ trợ:
    • Lactose ($C_{12}H_{22}O_{11}$): Đóng vai trò là chất mang tá dược (adjuvant/carrier), ít hút ẩm, vị ngọt nhẹ (bằng 30% so với saccharose), hỗ trợ quá trình tạo hạt, sấy khô và bảo vệ hoạt chất.
    • Cỏ ngọt (Stevia rebaudiana Bertoni): Chứa các diterpenoid glycoside (chủ yếu là stevioside và rebaudioside A) có độ ngọt gấp 300 lần đường saccharose, năng lượng thấp, an toàn cho người tiểu đường.
    • Cam thảo (Glycyrrhiza glabra L.): Chứa saponin glycyrrhizin (ngọt gấp 60 lần đường mía) và các flavonoid (liquiritin, isoliquiritin), giúp điều vị, tăng cường mùi thơm và hỗ trợ giải độc, chống viêm.
  • Cơ sở công nghệ trích ly: Áp dụng nguyên lý chiết rắn - lỏng có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (Ultrasound-assisted extraction). Sóng siêu âm tạo hiệu ứng xâm thực khí, phá vỡ cấu trúc tế bào thực vật, làm tăng diện tích tiếp xúc và đẩy nhanh tốc độ khuếch tán hoạt chất vào dung môi.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Đề tài sử dụng các phương pháp thực nghiệm công nghệ thực phẩm và phân tích tiêu chuẩn:

  • Phương pháp bố trí thí nghiệm đơn yếu tố: Khảo sát lần lượt từng thông số công nghệ trích ly trong khi cố định các yếu tố còn lại, bao gồm:
    • Thời gian xử lý siêu âm: 0, 2, 4, 6 phút (ở cường độ âm thanh 100 dB).
    • Nồng độ dung môi ethanol: 60%, 70%, 80%, 90%, 96% (v/v).
    • Tỷ lệ nguyên liệu/dung môi: 1/10, 1/15, 1/20, 1/25 (g/ml).
    • Thời gian chiết: 30, 60, 90, 120 phút.
    • Nhiệt độ chiết: 60°C, 70°C, 80°C, 90°C.
  • Phương pháp phối trộn và sấy: Khảo sát các tỷ lệ phối chế cao chiết Nhượng Lê Kim Cang, lactose, cao cam thảo, cao cỏ ngọt; khảo sát nhiệt độ sấy sản phẩm ở 35°C, 45°C và 55°C.
  • Phương pháp phân tích hóa lý và cảm quan:
    • Xác định độ ẩm: Phương pháp sấy đến khối lượng không đổi ở 105°C theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9741:2013.
    • Xác định hàm lượng tro tổng số: Phương pháp nung mẫu tại nhiệt độ 500 - 600°C trong lò nung đến khi tro trắng hoàn toàn.
    • Đánh giá cảm quan: Đánh giá theo phương pháp cho điểm thị hiếu theo tiêu chuẩn TCVN 3215-79 trên thang điểm 20 (6 bậc từ 0 đến 5 điểm cho từng chỉ tiêu: trạng thái, màu sắc, mùi, vị), với hội đồng đánh giá gồm 7 thành viên đã qua đào tạo.
  • Phương pháp xử lý thống kê: Xử lý và phân tích dữ liệu thực nghiệm bằng phần mềm SPSS 20.0, kiểm tra sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các nghiệm thức ở mức $\alpha = 0.05$.
  • Trang thiết bị thí nghiệm chính: Bể siêu âm Elmasonic S 100 H (Đức), hệ thống cô quay chân không Rotavap (Đức), tủ sấy (Đức), lò nung Nabertherm (Trung Quốc), cân phân tích độ chính xác 0.001 g.

Nội dung chính theo từng chương

Tổng quan tài liệu (Part II. Overview)

Chương tổng quan tập trung hệ thống hóa các tài liệu khoa học về cây Myxopyrum smilacifolium Blume, phụ liệu sản xuất và công nghệ trà hòa tan:

  • Trình bày chi tiết vị trí phân loại, hình thái học và phân bố địa lý của cây Nhượng Lê Kim Cang tại Việt Nam và trên thế giới (Ấn Độ, Thái Lan, Bangladesh, Campuchia...).
  • Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về thành phần hóa học: nhận diện các hợp chất iridoid glycoside (myxopyrosid), alkaloid, triterpene ($\alpha$-amyrin, $\beta$-amyrin, betulin, axit ursolic), carbohydrate và polyphenol.
  • Tóm lược các bằng chứng dược lý: hoạt tính kháng khuẩn đối với Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis; hoạt tính quét gốc tự do DPPH và nitric oxide; khả năng ức chế biến tính protein chống viêm tương đương diclofenac; tác dụng hạ sốt.
  • Giới thiệu các đặc tính công nghệ của tá dược lactose, dịch chiết cỏ ngọt và dịch chiết cam thảo; phân tích tình hình thị trường và dây chuyền sản xuất trà hòa tan hiện nay.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu (Part III. Research contents and methods)

Chương này mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị mẫu, quy hoạch thực nghiệm và quy trình phân tích kiểm nghiệm:

  • Chuẩn bị mẫu rễ cây Nhượng Lê Kim Cang: rửa sạch, sấy sơ bộ ở 45°C đến độ ẩm 10 - 13%, thái lát kích thước 1 cm.
  • Xây dựng 7 mô hình bố trí thí nghiệm đơn yếu tố (từ Thí nghiệm 1 đến Thí nghiệm 7), quy định rõ các yếu tố biến đổi và yếu tố cố định cho từng thí nghiệm trích ly, phối trộn và sấy.
  • Trình bày quy trình chiết mẫu cỏ ngọt và cam thảo bằng dung môi ethanol 70% ở 40 - 45°C trong 3 giờ, sau đó cô quay chân không thu hồi dung môi để tạo cao đặc.
  • Mô tả chi tiết kỹ thuật phân tích độ ẩm (TCVN 9741:2013), tro tổng số và hệ số quan trọng cho đánh giá cảm quan trà hòa tan theo TCVN 3215-79.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận (Part IV. Results and discussion)

Chương kết quả trình bày các dữ liệu thực nghiệm qua các giai đoạn nghiên cứu:

  • Ảnh hưởng của thời gian siêu âm: Xử lý siêu âm giúp tăng khả năng phá vỡ màng tế bào. Hàm lượng polysaccharide tổng số tăng từ 5.42 mg/g (mẫu đối chứng không siêu âm) lên 8.00 mg/g (siêu âm 2 phút) và đạt cực đại 8.52 mg/g ở thời gian 4 phút. Khi kéo dài thời gian siêu âm lên 6 phút, hàm lượng polysaccharide giảm do nhiệt độ cục bộ và năng lượng cao làm phân hủy một phần hoạt chất. Mức thời gian 4 phút được lựa chọn.
  • Ảnh hưởng của nồng độ dung môi ethanol: Nồng độ ethanol tăng từ 60% đến 80% làm tăng hiệu suất chiết polysaccharide (từ 8.64 mg/g lên giá trị tối ưu). Khi tăng tiếp nồng độ lên 90% và 96%, hàm lượng polysaccharide thu được không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê ($p > 0.05$). Do đó, nồng độ ethanol 80% được chọn để tối ưu hóa chi phí dung môi.
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi: Hàm lượng polysaccharide tăng khi tăng lượng dung môi từ tỷ lệ 1/10 (đạt 6.68 mg/g) lên 1/15. Khi tiếp tục tăng tỷ lệ lên 1/20 và 1/25, lượng hoạt chất trích ly tăng không đáng kể và không có sự khác biệt thống kê ở mức $\alpha = 0.05$. Tỷ lệ 1/15 (g/ml) được chọn để tiết kiệm dung môi và giảm tải cho công đoạn cô đặc.
  • Ảnh hưởng của thời gian chiết: Chiết trong 30 phút chỉ thu được 5.46 mg/g polysaccharide; tăng lên 60 phút đạt 6.80 mg/g và đạt giá trị cao nhất tại mốc 90 phút. Tại mốc 120 phút, hàm lượng polysaccharide có xu hướng giảm nhẹ và không khác biệt có ý nghĩa so với mốc 90 phút. Thời gian chiết 90 phút được lựa chọn.
  • Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết: Khi nhiệt độ tăng từ 60°C (thu được 7.42 - 7.52 mg/g) lên 70°C (đạt 9.64 mg/g) và 80°C, hàm lượng polysaccharide tăng rõ rệt do độ nhớt giảm và độ hòa tan tăng. Ở mức 80°C và 90°C, hiệu suất chiết tương đương nhau ($p > 0.05$). Để tránh tiêu tốn năng lượng và giảm thiểu nguy cơ biến tính nhiệt, nhiệt độ 80°C được chọn.
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ phối chế: Công thức phối trộn F25 (11.4% cao chiết Nhượng Lê Kim Cang, 88% lactose, 0.3% cao cam thảo, 0.3% cao cỏ ngọt tính theo chất khô) đạt điểm đánh giá cảm quan cao nhất, tạo ra sản phẩm có màu sắc hài hòa, giữ được mùi vị đặc trưng của sâm Nhượng Lê Kim Cang kết hợp vị ngọt thanh tự nhiên từ cỏ ngọt và cam thảo.
  • Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy: Sấy ở 35°C (F26) kéo dài thời gian làm giảm hương vị đặc trưng (điểm cảm quan 2.93); sấy ở 55°C (F28) có nguy cơ làm biến màu đường. Nhiệt độ sấy 45°C trong 7 giờ (F27) cho chất lượng cảm quan tốt nhất, đưa độ ẩm sản phẩm về mức an toàn từ 3 - 5%.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các thông số công nghệ tối ưu

Thông số công nghệ Giá trị khảo sát Giá trị tối ưu được lựa chọn Hiệu suất / Mục tiêu đạt được
Thời gian xử lý siêu âm 0, 2, 4, 6 phút 4 phút Hàm lượng polysaccharide đạt cực đại (8.52 mg/g)
Nồng độ ethanol 60%, 70%, 80%, 90%, 96% 80% (v/v) Hiệu suất chiết cao, tiết kiệm chi phí dung môi
Tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1/10, 1/15, 1/20, 1/25 (w/v) 1/15 (g/ml) Đảm bảo thấm ướt và hòa tan tối ưu
Thời gian trích ly 30, 60, 90, 120 phút 90 phút Chiết kiệt hoạt chất, tránh thất thoát nhiệt
Nhiệt độ trích ly 60°C, 70°C, 80°C, 90°C 80°C Tối ưu hóa hòa tan, hạn chế phân hủy hoạt chất
Nhiệt độ sấy hỗn hợp bột 35°C, 45°C, 55°C 45°C (trong 7 giờ) Độ ẩm sản phẩm đạt 3 - 5%, cảm quan tốt

Bảng công thức phối chế tối ưu (Công thức F25)

Thành phần nguyên liệu Tỷ lệ (% chất khô) Vai trò chức năng trong sản phẩm
Cao chiết M. smilacifolium 11.4% Cung cấp hoạt chất sinh học chính (polysaccharide, saponin)
Lactose 88.0% Chất mang, tạo cấu trúc hạt bột khô, ít hút ẩm
Cao chiết cam thảo (G. glabra) 0.3% Hỗ trợ điều vị ngọt đậm, tạo hương thơm thảo mộc
Cao chiết cỏ ngọt (S. rebaudiana) 0.3% Tạo vị ngọt tự nhiên, không sinh năng lượng

Đóng góp khoa học và thực tiễn

  • Đóng góp khoa học: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm có hệ thống về quá trình trích ly hoạt chất polysaccharide từ cây Nhượng Lê Kim Cang (Myxopyrum smilacifolium Blume) sinh trưởng tại Việt Nam; xác lập các thông số động học trích ly có hỗ trợ siêu âm.
  • Đóng góp thực tiễn: Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất trà hòa tan thảo mộc ở quy mô phòng thí nghiệm; đề xuất công thức phối chế kết hợp phụ liệu tự nhiên (cỏ ngọt, cam thảo, lactose) giúp cải thiện chất lượng cảm quan và định hướng thương mại hóa nguồn dược liệu bản địa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (laboratory scale) với các mẻ mẫu nhỏ, chưa tiến hành thử nghiệm trên dây chuyền thiết bị bán công nghiệp hoặc công nghiệp.
    • Các chỉ tiêu đánh giá hiệu suất trích ly tập trung chủ yếu vào nhóm hoạt chất polysaccharide tổng số, chưa định lượng chi tiết từng hợp chất đơn lẻ (như myxopyrosid hay axit ursolic) trong suốt quá trình xử lý nhiệt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Khảo sát độ ổn định chất lượng, thời hạn bảo quản và sự biến đổi hàm lượng hoạt chất sinh học của sản phẩm trà hòa tan trong các loại bao bì khác nhau.
    • Đánh giá thử nghiệm hoạt tính sinh học (kháng oxy hóa, kháng khuẩn, điều hòa miễn dịch) in vitro và in vivo của sản phẩm trà hòa tan thành phẩm.
    • Nghiên cứu nâng cấp quy mô sản xuất thử nghiệm (pilot plant) và tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ thực phẩm, Công nghệ sinh học, Hóa dược: Tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm đơn yếu tố, phương pháp trích ly có hỗ trợ siêu âm và kỹ thuật đánh giá cảm quan thực phẩm theo tiêu chuẩn TCVN 3215-79.
  • Cán bộ nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển sản phẩm thảo dược: Tham khảo thông số công nghệ trích ly dược liệu Myxopyrum smilacifolium Blume và công thức phối trộn tạo vị cho dòng sản phẩm trà hòa tan không sử dụng đường bổ sung năng lượng cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Thông số công nghệ trích ly polysaccharide tối ưu từ cây Nhượng Lê Kim Cang được xác định như thế nào?
Nghiên cứu xác định bộ thông số tối ưu gồm: xử lý sóng siêu âm 4 phút (100 dB), sử dụng dung môi ethanol 80% (v/v), tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/15 (g/ml), nhiệt độ chiết 80°C và thời gian chiết 90 phút.

2. Vì sao thời gian siêu âm 4 phút lại cho hiệu quả tốt hơn so với 6 phút?
Ở thời gian 4 phút, sóng siêu âm phá vỡ cấu trúc mô tế bào thực vật hiệu quả, giúp giải phóng lượng polysaccharide cao nhất (8.52 mg/g). Khi kéo dài lên 6 phút, năng lượng âm thanh lớn và sự gia tăng nhiệt độ cục bộ gây phá hủy các mạch polysaccharide hoạt tính, đồng thời trích ly thêm nhiều tạp chất không mong muốn làm giảm hàm lượng hoạt chất mục tiêu.

3. Tỷ lệ phối trộn nào cho chất lượng cảm quan trà hòa tan tốt nhất?
Công thức F25 cho điểm cảm quan cao nhất, gồm: 11.4% cao chiết Myxopyrum smilacifolium Blume, 88.0% tá dược lactose, 0.3% cao cam thảo và 0.3% cao cỏ ngọt (tính theo phần trăm chất khô). Công thức này tạo sự hài hòa giữa vị đắng nhẹ đặc trưng của dược liệu và vị ngọt thanh của thảo mộc.

4. Chế độ sấy hỗn hợp trà hòa tan được lựa chọn là bao nhiêu và nhằm mục đích gì?
Hỗn hợp sau phối trộn được sấy ở nhiệt độ 45°C trong 7 giờ. Chế độ này giúp hạ độ ẩm của sản phẩm xuống mức an toàn 3 - 5%, đảm bảo khả năng bảo quản lâu dài mà không làm biến tính các thành phần mẫn cảm với nhiệt hay làm caramen hóa đường.

5. Sản phẩm trà hòa tan trong nghiên cứu được kiểm tra các chỉ tiêu chất lượng nào?
Sản phẩm được đánh giá cảm quan (trạng thái, màu sắc, mùi, vị) theo tiêu chuẩn TCVN 3215-79 bằng thang điểm 20, kiểm tra độ ẩm theo tiêu chuẩn TCVN 9741:2013 và kiểm tra hàm lượng tro tổng số bằng phương pháp nung vô cơ hóa ở 500 - 600°C.


Kết luận

Khóa luận đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ sản xuất trà hòa tan từ cây Nhượng Lê Kim Cang (Myxopyrum smilacifolium Blume) ở quy mô phòng thí nghiệm. Bằng phương pháp thực nghiệm khoa học, tác giả đã xác lập được hệ thống thông số trích ly tối ưu (siêu âm 4 phút, ethanol 80%, tỷ lệ 1/15, chiết ở 80°C trong 90 phút) và công thức phối chế F25 hài hòa về mặt cảm quan. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng, mở ra tiềm năng ứng dụng và thương mại hóa các dòng sản phẩm đồ uống bảo vệ sức khỏe từ nguồn dược liệu bản địa Việt Nam.