Tổng quan luận án

Cây chè (Camellia sinensis) là cây công nghiệp có vị trí kinh tế quan trọng tại Việt Nam. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê tính đến hết năm 2019, diện tích và sản lượng chè của Việt Nam đứng thứ 5 nhưng năng suất đứng thứ 3 trong tổng số 50 quốc gia sản xuất chè trên thế giới. Cả nước có 34 tỉnh, thành phố trồng chè với tổng diện tích 123.000 ha, năng suất trung bình đạt gần 95 tạ/ha, sản lượng đạt 1,02 triệu tấn chè búp tươi, khối lượng xuất khẩu đạt 136.000 tấn với giá trị 235 triệu USD. Hoạt động canh tác và chế biến chè cung cấp việc làm cho hơn 400.000 nông dân, góp phần phát triển kinh tế khu vực trung du và miền núi. Tuy nhiên, chuỗi sản xuất hiện nay chủ yếu tập trung khai thác búp và lá chè non; nguồn phụ phẩm hạt chè sinh ra với khối lượng lớn chưa được quan tâm thu gom và nghiên cứu chế biến, ngoại trừ một tỷ lệ nhỏ được dùng làm hạt giống. Khảo sát tại vùng chè thâm canh Mộc Châu (Sơn La) cho thấy năng suất hạt chè có thể đạt bình quân 10 tấn/ha, tương ứng sản lượng tiềm năng khoảng 20.000 tấn hạt/năm.

Về mặt hóa sinh thực vật, hạt chè chứa hàm lượng lipid dao động trong khoảng 14% đến 32%. Dầu hạt chè có thành phần axit béo không bão hòa chiếm tỷ lệ trên 83%, đặc biệt giàu axit oleic (khoảng 71,82%) và axit linoleic (khoảng 9,58%), tương đồng với dầu ô liu. Dầu hạt chè còn chứa các hợp chất có hoạt tính sinh học thuộc nhóm phenolic (chủ yếu là các catechin), vitamin E (tocopherol và tocotrienol) và carotenoid. Trong khi đó, các loại dầu thực vật giàu axit béo không no đa nối đôi (PUFA) trên thị trường rất dễ bị biến chất do quá trình tự oxy hóa. Để bảo quản, các nhà sản xuất thường bổ sung phụ gia tổng hợp như BHT (Butylated Hydroxy Toluene) hoặc BHA (Butylated Hydroxyanisole), song các chất này tiềm ẩn nguy cơ gây hại cho sức khỏe con người khi tích lũy lâu dài. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là chưa có công trình nào tại Việt Nam tiến hành khảo sát toàn diện đặc tính hạt chè của các giống phổ biến ở các vùng sinh thái khác nhau, đồng thời chưa xây dựng được quy trình công nghệ trích ly thu nhận dầu hạt chè có hiệu suất cao gắn liền với việc bảo toàn hoạt tính chống oxy hóa để ứng dụng bảo quản thực phẩm thay thế chất bảo quản tổng hợp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung chính:

  1. Xác định được hàm lượng, thành phần và hoạt tính sinh học của dầu hạt chè của một số giống chè tại một số địa phương khác nhau.
  2. Xây dựng được quy trình công nghệ thu nhận dầu từ hạt chè cho hiệu suất thu nhận dầu cao, đảm bảo chất lượng dùng cho thực phẩm, đồng thời có hoạt tính chống oxy hoá cao.
  3. Đánh giá được khả năng ứng dụng dầu hạt chè trong công nghệ thực phẩm.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hạt chè của 4 giống phổ biến tại Việt Nam gồm: giống Trung du (Camellia sinensis var. sinensis), giống Shan (Camellia sinensis var. shan), giống PH1 và giống LDP1. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm 7 vùng trồng chè đại diện: Phú Thọ, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Yên Bái, Lào Cai, Nghệ An và Quảng Trị. Phạm vi thời gian thu thập mẫu nguyên liệu được thực hiện trong vụ thu hoạch từ tháng 10 đến tháng 12 của hai năm 2017 và 2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các hướng nghiên cứu về phương pháp tách chiết dầu, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của dầu hạt chè trên thế giới và tại Việt Nam:

Về phương pháp cơ học và trích ly dung môi, Lee và cộng sự (2006, 2007) sử dụng phương pháp ép trục vít đối với hạt chè C. sinensis sau khi xử lý nhiệt ở 120°C trong 20 phút. Mohammad và Zarringhalami (2010) trích ly dầu hạt chè bằng kỹ thuật ngâm chiết kết hợp khuấy từ trong 4 giờ bằng dung môi petroleum ở 40 - 60°C hoặc hỗn hợp n-hexan, petroleum và benzen ở 50 - 70°C. Aijun (2009) áp dụng kỹ thuật trích ly dung môi có hỗ trợ siêu âm thu nhận hiệu suất dầu từ hạt C. oleifera đạt 45,23%. Rajaei và cộng sự (2005, 2008) so sánh các kỹ thuật chiết tách dầu hạt chè C. sinensis, ghi nhận hiệu suất chiết bằng chất lỏng siêu tới hạn (SFE) đạt 31,6%, cao hơn hệ thống Soxhlet (30,3%), phương pháp B-I5 theo chuẩn DGF (23,3%) và chiết có hỗ trợ siêu âm (21,0%). Yuefei Wang (2011) sử dụng CO2 siêu tới hạn (SC-CO2) kết hợp mô hình bề mặt đáp ứng (RSM) để tối ưu hóa quá trình tách chiết, thu được hàm lượng dầu đạt 29,2% (so với 25,3% của Soxhlet) với tỷ lệ axit béo chưa bão hòa đạt khoảng 80%. Geogre và cộng sự (2013) thực hiện trích ly dầu từ hạt chè tại Kenya bằng phương pháp Soxhlet ghi nhận hàm lượng dầu dao động từ 16,9% đến 25,2% tùy theo giống.

Tác giả Phương pháp chiết tách Hiệu suất / Hàm lượng dầu (%) Ghi chú thành phần
Rajaei và cs (2005) Chiết chất lỏng siêu tới hạn (SFE) 31,6 Oleic 49,5%; Palmitic 21,5%; Linoleic 20,4%
Rajaei và cs (2005) Hệ thống Soxhlet 30,3 Oleic 36,9%; Palmitic 19,3%; Linoleic 14,6%
Rajaei và cs (2005) Phương pháp chuẩn DGF 23,3 Oleic 49,5%; Palmitic 21,5%; Linoleic 20,4%
Rajaei và cs (2005) Hỗ trợ siêu âm (UE) 21,0 Oleic 46,3%; Palmitic 18,1%; Linoleic 18,9%
Wang và cs (2011) Chiết SC-CO2 29,2 Oleic 57,5%; Linoleic 22,3%; Palmitic 15,3%
Wang và cs (2011) Hệ thống Soxhlet 25,3 Oleic 52,9%; Linoleic 24,2%; Palmitic 17,7%

Về thành phần axit béo và hoạt tính chống oxy hóa, Sahari và cộng sự (2004) xác định thành phần axit béo của dầu hạt chè bằng sắc ký khí (GC), chỉ ra rằng dầu hạt chè có tỷ lệ axit oleic (56,97%) và linoleic (22,17%) tương đồng với dầu ô liu, đồng thời thử nghiệm phối trộn 5% và 10% dầu hạt chè giúp kéo dài thời gian bảo quản của dầu hướng dương ở 60°C. Fazel và cộng sự (2008) xác định dầu hạt chè chứa 65,87% axit oleic, 22,17% linoleic, 16,50% palmitic, 3,33% stearic và 0,3% linolenic. Yahaya (2011) công bố dầu hạt chè có 25,7% axit béo bão hòa và 73,3% axit béo chưa bão hòa. Nghiên cứu của Patel và cộng sự (2018) về thành phần hóa học hạt chè xác định hạt chứa 32,5% tinh bột, 22,9% dầu béo, 19,9% gluxit khác, 9,1% saponin, 8,5% albumin, 3,8% xenlulo và 3,3% chất vô cơ. Về chất chống oxy hóa, Marina (2013) nghiên cứu bổ sung β-tocopherol nồng độ 100 ppm vào dầu hướng dương bảo quản ở 60°C trong 23 ngày ghi nhận trị số peroxit đạt 61 meq/kg, thấp hơn nghiệm thức bổ sung axit citric (99 meq/kg) và axit ascorbic (80 meq/kg).

Tại Việt Nam, Trần Đình Phả và cộng sự (2010) trích ly dầu hạt chè Mộc Châu bằng dung môi thu nhận hàm lượng dầu thô đạt 29,12%. Nguyễn Thị Ngọc Yến (2013) nghiên cứu hạt chè xanh tại Lâm Đồng, so sánh các phương pháp: trích ly dung môi thông thường đạt hàm lượng dầu 23,85% (hiệu suất 83,25%), trích ly dung môi kết hợp tiền xử lý enzym Viscozym đạt 35,35% (hiệu suất 87,39%), ép nguội thủy lực đạt 15,76% (hiệu suất 55,01%) và ép nguội kết hợp enzym Viscozym đạt 27,80% (hiệu suất 68,73%). Dầu hạt chè Lâm Đồng chứa 71,82% axit oleic, 11,85% axit palmitic, 9,58% axit linoleic, 4,08% axit stearic và 0,62% axit linolenic.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình trong nước trước đây chỉ khảo sát đơn lẻ một giống tại một địa phương hẹp (Mộc Châu hoặc Lâm Đồng), chưa phản ánh bức tranh tổng thể về nguồn nguyên liệu hạt chè Việt Nam. Đồng thời, các nghiên cứu tách chiết trước đây chỉ hướng tới tối ưu hóa hiệu suất thu hồi dầu béo thuần túy, chưa nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời hiệu suất trích ly và khả năng thu nhận các hợp chất có hoạt tính sinh học chống oxy hóa (polyphenol, carotenoid, tocopherol). Luận án giải quyết khoảng trống này thông qua nghiên cứu có hệ thống trên 4 giống chè tại 7 tỉnh, xây dựng quy trình công nghệ trích ly dung môi tối ưu đa mục tiêu và kiểm chứng thực nghiệm khả năng phối trộn dầu hạt chè để bảo quản dầu hạt lanh thay thế chất bảo quản tổng hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án dựa trên các nguyên lý hóa học và công nghệ thực phẩm:

  • Quá trình oxy hóa dầu thực vật: Xảy ra chủ yếu theo cơ chế tự oxy hóa gồm ba giai đoạn: khởi mạch tạo gốc tự do alkyl lipit (RH $\rightarrow$ R• + H•), phát triển mạch tạo gốc peroxy và hydroperoxit (R• + O2 $\rightarrow$ ROO•; ROO• + RH $\rightarrow$ ROOH + R•), và kết thúc mạch khi các gốc tự do kết hợp tạo sản phẩm không chứa gốc tự do (ROO• + ROO• $\rightarrow$ ROOR + O2; R• + R• $\rightarrow$ RR). Cơ chế oxy hóa quang học xảy ra khi có sự hiện diện của chất nhạy sáng (chlorophyll) chuyển đổi oxy phân tử sang oxy đơn bội hoạt động hóa học cao.
  • Cơ chế chống oxy hóa của các hợp chất phenolic: Hợp chất polyphenol (ArOH) khống chế các gốc tự do thông qua ba cơ chế: (1) Cơ chế chuyển nguyên tử hydro (ArOH + ROO• $\rightarrow$ ROOH + ArO•); (2) Cơ chế chuyển một electron - chuyển một proton (ArOH + ROO• $\rightarrow$ ArOH+• + ROO- $\rightarrow$ ArO• + ROOH); (3) Cơ chế chuyển proton - mất electron trong môi trường phân cực. Cơ chế chống oxy hóa của D-α-tocopherol (vitamin E) dựa trên khả năng nhường nguyên tử hydro từ nhóm OH của vòng chromanol để vô hoạt gốc lipoperoxit.
  • Lý thuyết trích ly rắn - lỏng: Quá trình hòa tan và khuếch tán chất béo từ cấu trúc tế bào thực vật vào dung môi qua 4 giai đoạn: dung môi tiếp xúc bề mặt và thấm ướt qua hệ thống mao quản; dung môi hòa tan chất béo và các cấu tử hòa tan; chất tan khuếch tán phân tử từ bên trong tế bào ra bề mặt; và chất tan khuếch tán đối lưu từ bề mặt vào pha dung môi tự do.

Phương pháp thực tế của luận án bao gồm các phương pháp thực nghiệm định lượng và công cụ phân tích hóa lý:

  • Phương pháp công nghệ: Chuẩn bị nguyên liệu (tách vỏ sành, thu nhận nhân hạt, sấy, nghiền đến kích thước xác định); thực hiện trích ly bằng dung môi hữu cơ với bình phản ứng có kiểm soát nhiệt độ và tốc độ khuấy lắc; tách pha lỏng bằng lọc và thu hồi dung môi dưới áp suất giảm trên hệ thống cô quay chân không 2L và hệ thống cô quay chân không 20L.
  • Khảo sát các thông số công nghệ đơn yếu tố: Nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung môi (Hexan, Diclometan, Etyl axetat, Ethanol và hỗn hợp của chúng), kích thước hạt nghiền, nhiệt độ trích ly, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu, thời gian trích ly, tốc độ lắc và số lần trích ly.
  • Phương pháp bố trí thí nghiệm và tối ưu hóa: Thiết kế thực nghiệm đáp ứng bề mặt theo mô hình Box-Behnken 3 yếu tố. Xây dựng phương trình hồi quy bậc hai và phân tích phương sai (ANOVA) cho 4 hàm mục tiêu: hiệu suất trích ly dầu (%), chỉ số bắt gốc tự do DPPH biểu thị qua IC50 (mg/ml), hàm lượng polyphenol tổng số - TPC (mg GAE/g) và hàm lượng carotenoid ($\mu$g/g). Xác định vùng công nghệ tối ưu bằng hàm mong đợi (Desirability function - D).
  • Phương pháp phân tích chỉ tiêu hóa lý và hoạt tính sinh học:
    • Xác định chỉ số axit (AV), trị số peroxit (PV), trị số iot (IV), trị số xà phòng hóa (SV) theo các phương pháp chuẩn của TCVN 7597:2013, AOAC và AOCS.
    • Xác định hàm lượng polyphenol tổng số (TPC) bằng phương pháp đo quang với thuốc thử Folin-Ciocalteu, tính theo đương lượng axit gallic (GAE) dựa trên đường chuẩn axit gallic.
    • Đánh giá hoạt tính bắt gốc tự do bằng thuốc thử DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl), xác định nồng độ ức chế 50% gốc tự do (IC50).
    • Xác định tổng hàm lượng carotenoid bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử.
    • Phân tích thành phần và hàm lượng các axit béo sau khi chuyển hóa thành metyl este của axit béo (FAME) bằng hệ thống sắc ký khí sử dụng đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID).
    • Đánh giá độ bền oxy hóa gia tốc nhiệt ở 60°C qua các chỉ số PV, trị số para-anisidine (p-AV), giá trị oxy hóa tổng số totox (Totox = 2PV + p-AV), sự hình thành dienes và triens liên hợp.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Ứng dụng phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích cụm phân tầng (HCA) để phân nhóm nguyên liệu hạt chè và đánh giá chất lượng dầu theo giống, vùng sinh thái và dung môi trích ly.

Nguồn tư liệu và dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ các lô mẫu hạt chè thu hái tại 7 tỉnh đại diện; các tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7597:2013 (về dầu thực vật); các chuẩn mực quốc tế AOAC, AOCS và các công bố khoa học chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 có độ dài 35 trang, hệ thống hóa toàn bộ cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài. Về phân loại thực vật, cây chè thuộc họ Theaceae, chi Camellia L., loài Camellia sinensis (L.). Tác giả phân tích đặc điểm thổ nhưỡng, khí hậu và năng suất của 6 vùng trồng chè lớn tại Việt Nam: vùng Tây Bắc (Sơn La, Lai Châu); vùng Việt Bắc - Hoàng Liên Sơn (Tuyên Quang, Hà Giang, Lào Cai, Cao Bằng, Bắc Cạn, Yên Bái với diện tích 41.404 ha); vùng Trung du Bắc Bộ (Phú Thọ, Thái Nguyên, Hòa Bình); vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh); vùng Tây Nguyên (Lâm Đồng, Gia Lai, Kon Tum); và vùng Duyên hải miền Trung. Đồng thời, chương 1 mô tả đặc tính sinh học, năng suất búp và quả của 4 giống nghiên cứu chính (Trung du, Shan, PH1, LDP1) cùng một số giống khảo nghiệm khác như Ấn Độ, Gay, TRI777, LDP2, Kim Tuyên và 1A.

Về cấu trúc và thành phần hạt chè, hạt chè có cấu tạo gồm vỏ sành dày cứng, lớp vỏ lụa mỏng và nhân lá mầm chiếm 3/4 khối lượng hạt. Theo Patel và cộng sự (2018), nhân hạt chè chứa 32,5% tinh bột, 22,9% dầu béo, 19,9% gluxit khác, 9,1% saponin, 8,5% albumin, 3,8% xenlulo và 3,3% khoáng vô cơ. Dầu hạt chè là chất lỏng trong suốt, màu vàng sáng, giàu các axit béo không bão hòa đơn và đa. Luận án trích dẫn số liệu thành phần vitamin E và hợp chất phenolic trong dầu hạt chè:

Nhóm hoạt chất Thành phần cấu tử Hàm lượng (mg/kg)
Vitamin E $\alpha$-tocopherol 210 $\pm$ 2,3
$\alpha$-tocotrienol 119 $\pm$ 1,9
$\gamma$-tocopherol 23,6 $\pm$ 0,45
$\gamma$-tocotrienol 23,3 $\pm$ 0,25
$\delta$-tocopherol 11,2 $\pm$ 0,33
$\beta$-tocotrienol 2,2 $\pm$ 0,08
Hợp chất Phenolic Epigallocatechin (EGC) 12,93 $\pm$ 0,97
Catechin (C) 6,32 $\pm$ 0,21
Gallocatechin gallate (GCG) 1,76 $\pm$ 0,06
Epigallocatechin gallate (EGCG) 1,72 $\pm$ 0,07
Gallocatechin (GC) 1,01 $\pm$ 0,07
Epicatechin (EC) 0,79 $\pm$ 0,08
Epicatechin gallate (ECG) 0,28 $\pm$ 0,03

Chương này cũng phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp thu nhận dầu: phương pháp ép cơ học (hiệu suất thấp, lượng dầu sót trong bã từ 8 - 14%); trích ly dung môi hữu cơ (chiết kiệt dầu, khả năng hòa tan hoạt chất linh hoạt); trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn SC-CO2 (sản phẩm sạch, không dung môi độc hại nhưng chi phí thiết bị cao, khó trích ly hoạt chất phân cực nếu không có chất bổ trợ); và trích ly có hỗ trợ siêu âm (thúc đẩy phá vỡ vách tế bào nhưng khó triển khai quy mô lớn). Đồng thời, tác giả tổng hợp các quy định tại TCVN 7597:2013 về chỉ tiêu hóa lý dầu thực vật (AV tối đa 0,6 mg KOH/g đối với dầu tinh luyện và 4,0 mg KOH/g đối với dầu ép nguội; PV tối đa 10 meq/kg đối với dầu tinh luyện và 15 meq/kg đối với dầu ép nguội) cùng giới hạn hàm lượng chất chống oxy hóa cho phép (BHA tối đa 175 mg/kg, BHT tối đa 75 mg/kg, hỗn hợp BHA/BHT không quá 200 mg/kg, tocopherol tối đa 300 mg/kg).

Chương 2: Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 có độ dài 23 trang, trình bày chi tiết danh mục nguyên vật liệu, hóa chất, thiết bị và các phương pháp bố trí thí nghiệm, phân tích và xử lý số liệu.

  • Nguyên vật liệu và thiết bị: Mẫu hạt chè thu thập từ 7 địa phương (Phú Thọ, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Yên Bái, Lào Cai, Nghệ An, Quảng Trị) thuộc 4 giống chè (Trung du, Shan, PH1, LDP1). Hóa chất phân tích gồm: Folin-Ciocalteu, gốc tự do DPPH, axit gallic chuẩn, d-α-tocopherol, hỗn hợp chuẩn FAME, các dung môi tinh khiết phân tích (Hexan, Diclometan, Etyl axetat, Ethanol). Thiết bị nghiên cứu chính gồm: Hệ thống cô quay chân không 20L và hệ thống cô quay chân không 2L, máy nghiền mẫu, máy ly tâm lạnh, máy đo quang phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis, hệ thống sắc ký khí GC-FID.
  • Phương pháp bố trí thí nghiệm:
    • Thí nghiệm khảo sát đặc tính cơ lý hạt: Xác định kích thước hạt, khối lượng 1000 hạt, tỷ lệ nhân/vỏ, độ ẩm ban đầu của hạt chè từ các vùng.
    • Thí nghiệm khảo sát dung môi: Đánh giá 4 dung môi đơn lẻ (Hexan - Hx, Diclometan - DCM, Etyl axetat - EtOAc, Ethanol - EtOH) và các hệ dung môi hỗn hợp đến hiệu suất thu hồi dầu và hàm lượng hoạt chất chống oxy hóa.
    • Thí nghiệm đơn yếu tố: Khảo sát kích thước hạt (0,5 - 2,5 mm), nhiệt độ trích ly (40 - 70°C), tỷ lệ dung môi/nguyên liệu (3/1 - 7/1 ml/g), thời gian trích ly (60 - 240 phút), tốc độ lắc (100 - 250 vòng/phút), và số lần trích ly (1 - 3 lần).
    • Thí nghiệm tối ưu hóa: Thiết kế ma trận thực nghiệm Box-Behnken 3 yếu tố gồm nhiệt độ trích ly ($X_1$), thời gian trích ly ($X_2$) và tỷ lệ dung môi/nguyên liệu ($X_3$) ở 3 mức mã hóa (-1, 0, +1). Các hàm mục tiêu gồm: hiệu suất trích ly dầu ($Y_1$), chỉ số IC50 của DPPH ($Y_2$), hàm lượng TPC ($Y_3$), và hàm lượng carotenoid ($Y_4$).
    • Thí nghiệm ứng dụng bảo quản: Thiết kế các nghiệm thức phối trộn dầu hạt chè vào dầu hạt lanh (LSO) ở các tỷ lệ khác nhau, so sánh đối chứng với các chất bảo quản tự nhiên (GTE - chiết xuất chè xanh, vitamin E) và chất tổng hợp (BHT, BHA) ở điều kiện ủ nhiệt gia tốc 60°C trong 12 ngày.
  • Phương pháp phân tích và thống kê: Phân tích AV, PV, IV, SV theo TCVN 7597:2013; đo quang phổ xác định TPC theo đường chuẩn axit gallic; xác định IC50 DPPH; phân tích FAME bằng GC-FID; xử lý số liệu bằng phần mềm thống kê chuyên dụng để phân tích hồi quy, ANOVA, biểu diễn bề mặt đáp ứng, phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích cụm phân tầng (HCA).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 có độ dài 70 trang, là phần trọng tâm của luận án, tập trung vào 5 nhóm kết quả thực nghiệm:

  1. Khảo sát nguyên liệu hạt chè và dầu hạt chè ở các giống, địa phương: Phân tích thành phần cơ lý chỉ ra hạt chè giống Shan có kích thước và khối lượng lớn nhất, tiếp theo là Trung du, PH1 và LDP1. Thành phần hóa học trong nhân hạt chè có hàm lượng dầu béo biến động từ 18% đến trên 28% tùy giống và địa bàn canh tác. Kết quả phân tích thành phần chính (PCA) và phân cụm phân tầng (HCA) dựa trên các tính chất hóa lý (AV, PV, IV, SV) và thành phần axit béo đã phân nhóm rõ rệt các mẫu dầu hạt chè theo nguồn gốc giống và vùng sinh thái. Axit oleic (C18:1) luôn chiếm ưu thế vượt trội (từ 68% đến 76%), tiếp theo là axit linoleic (C18:2, từ 8% đến 15%), axit palmitic (C16:0, từ 10% đến 14%), trong khi axit linolenic (C18:3) duy trì ở mức rất thấp (< 1%).

  2. Đánh giá ảnh hưởng của dung môi trích ly: Nghiên cứu so sánh 4 loại dung môi (Hx, DCM, EtOAc, EtOH) và các hệ hỗn hợp. Kết quả cho thấy:

  • Hexan (Hx) cho dầu có màu vàng sáng, độ trong cao, chỉ số axit (AV) và chỉ số peroxit (PV) thấp, tuy nhiên khả năng trích ly các hợp chất phân cực (polyphenol tổng số) bị hạn chế.
  • Ethanol (EtOH) và Etyl axetat (EtOAc) hòa tan được lượng polyphenol và carotenoid cao hơn, giúp dịch dầu có chỉ số IC50 thấp (hoạt tính khử gốc tự do DPPH cao), nhưng hiệu suất trích ly lipid thuần túy và độ tinh sạch dầu kém hơn Hexan, đồng thời cuốn theo nhiều tạp chất phân cực.
  • Phân tích PCA phân nhóm dầu theo tính chất hóa lý và hoạt tính chống oxy hóa xác định việc phối hợp hệ dung môi thích hợp giúp cân bằng giữa hiệu suất thu nhận lipid và bảo tồn hoạt chất sinh học.
  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trích ly:
  • Kích thước nguyên liệu: Bột hạt chè nghiền kích thước 1,0 mm cho hiệu suất trích ly và khả năng khuếch tán hoạt chất tối ưu; kích thước lớn hơn làm giảm diện tích tiếp xúc pha, kích thước quá mịn gây khó khăn cho quá trình lọc tách bã.
  • Nhiệt độ trích ly: Tăng nhiệt độ làm giảm độ nhớt của dầu, tăng hệ số khuếch tán; tuy nhiên nhiệt độ vượt quá 60°C làm tăng nhẹ chỉ số PV và làm suy giảm một phần các hợp chất polyphenol nhạy nhiệt.
  • Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu (DM/NL): Tỷ lệ tăng từ 3/1 đến 5/1 ml/g làm tăng mạnh hiệu suất trích ly do chênh lệch nồng độ chất tan lớn; tiếp tục tăng lên 7/1 ml/g hiệu suất tăng không đáng kể nhưng làm tăng chi phí năng lượng cô hồi dung môi.
  • Thời gian trích ly và tốc độ lắc: Thời gian tối ưu đạt được trong khoảng 150 - 180 phút với tốc độ lắc 150 - 200 vòng/phút, đảm bảo quá trình khuếch tán đối lưu diễn ra triệt để. Số lần trích ly thích hợp là 2 lần để thu hồi trên 90% lượng dầu trong nguyên liệu.

  1. Tối ưu hóa quá trình trích ly theo mô hình Box-Behnken: Ma trận thực nghiệm 3 yếu tố gồm Nhiệt độ ($X_1$), Thời gian ($X_2$) và Tỷ lệ DM/NL ($X_3$) đã thiết lập được 4 phương trình hồi quy tương quan bậc hai mô tả sự biến thiên của: Hiệu suất trích ly ($Y_1$), Chỉ số IC50 ($Y_2$), Hàm lượng TPC ($Y_3$), và Hàm lượng carotenoid ($Y_4$). Các phân tích phương sai (ANOVA) khẳng định mô hình có độ tương thích cao. Dựa trên việc giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng hàm mong đợi $D$, tác giả xác định được chế độ công nghệ trích ly tối ưu. Kiểm định thực nghiệm tại điều kiện tối ưu cho thấy sản phẩm dầu hạt chè đạt chất lượng hóa lý theo TCVN 7597:2013, bảo lưu hàm lượng TPC, carotenoid và hoạt tính chống oxy hóa cao.

  2. Đánh giá khả năng ứng dụng dầu hạt chè trong công nghệ thực phẩm:

  • Nghiên cứu độ bền oxy hóa của dầu hạt chè: Thử nghiệm bảo quản gia tốc nhiệt ở 60°C trong 12 ngày cho thấy dầu hạt chè có tốc độ gia tăng chỉ số AV, PV và các sản phẩm oxy hóa bậc hai (p-AV, totox, dienes và triens liên hợp) rất chậm so với các dầu đối chứng, nhờ hàm lượng axit oleic cao và sự bảo vệ tự nhiên của hệ chất chống oxy hóa nội sinh (tocopherol, polyphenol).
  • Tác dụng bảo quản đối với dầu hạt lanh (LSO): Dầu hạt lanh có hàm lượng PUFA rất cao nên bị oxy hóa nhanh chóng. Kết quả thử nghiệm phối trộn dầu hạt chè vào dầu hạt lanh ghi nhận: ở các tỷ lệ phối trộn thích hợp, dầu hạt chè ức chế đáng kể tốc độ tích lũy peroxit (PV) và các sản phẩm phân hủy carbonyl (p-AV) qua 12 ngày ở 60°C. Hiệu quả làm chậm quá trình oxy hóa của dầu hạt chè vượt trội so với đối chứng không bổ sung, đồng thời tương đương với các chất chống oxy hóa tự nhiên (GTE, vitamin E) và chất bảo quản tổng hợp (BHT, BHA) ở liều lượng quy định.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án được tác giả tổng kết bao gồm:

Về mặt khoa học và lý luận:

  • Luận án là công trình nghiên cứu có hệ thống đầu tiên tại Việt Nam thiết lập được bộ cơ sở dữ liệu tương đối toàn diện về đặc tính cơ lý, hàm lượng lipid, thành phần axit béo và các hợp chất có hoạt tính sinh học chống oxy hóa (catechin, vitamin E, carotenoid) của hạt và dầu hạt chè từ 4 giống chè phổ biến (Shan, Trung du, PH1, LDP1) phân bố tại 7 vùng sinh thái lớn.
  • Làm sáng tỏ ảnh hưởng của các loại dung môi trích ly có độ phân cực khác nhau đến hiệu suất thu hồi dầu béo và sự bảo tồn các hợp chất phenolic, carotenoid; ứng dụng thành công phương pháp phân tích đa biến (PCA, HCA) trong việc phân loại và đánh giá chất lượng nguyên liệu hạt chè và dầu hạt chè Việt Nam.
  • Thiết lập mô hình toán học thực nghiệm Box-Behnken mô tả đồng thời mối quan hệ giữa các thông số công nghệ trích ly với hiệu suất thu hồi dầu và hoạt tính chống oxy hóa của sản phẩm.

Về mặt thực tiễn và công nghệ:

  • Xây dựng thành công quy trình công nghệ trích ly thu nhận dầu hạt chè ở điều kiện tối ưu, cho hiệu suất trích ly cao, sản phẩm dầu thu được đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn chất lượng dầu thực vật dùng cho thực phẩm theo TCVN 7597:2013, đồng thời lưu giữ hàm lượng hoạt chất chống oxy hóa tự nhiên cao.
  • Chứng minh được khả năng ứng dụng thực tế của dầu hạt chè như một chất chống oxy hóa tự nhiên thông qua việc phối trộn để kéo dài độ bền oxy hóa và thời gian bảo quản của các loại dầu thực vật giàu axit béo chưa bão hòa (như dầu hạt lanh), mở ra hướng đi thay thế các chất chống oxy hóa tổng hợp BHA, BHT.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ cho việc tận dụng nguồn phụ phẩm hạt chè có khối lượng lớn tại các vùng nông thôn miền núi, nâng cao giá trị gia tăng của chuỗi ngành hàng chè, tạo thêm việc làm và thu nhập cho người nông dân trồng chè.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Triển khai hoàn thiện quy trình công nghệ trích ly dầu hạt chè trên hệ thống thiết bị pilot và quy mô bán công nghiệp nhằm đánh giá đầy đủ các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.
  • Nghiên cứu xây dựng mạng lưới thu gom, bảo quản và sơ chế hạt chè phụ phẩm tại các địa phương trồng chè tập trung để đảm bảo chất lượng nguyên liệu ổn định cho quá trình chế biến dầu thực phẩm.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng dầu hạt chè trong các hệ thực phẩm khác như hệ nhũ tương thực phẩm, sốt mayonnaise, đồ hộp, cũng như nghiên cứu ứng dụng bã hạt chè sau trích ly để thu hồi saponin và protein làm thức ăn chăn nuôi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu giới hạn đối tượng khảo sát trên 4 giống chè (Trung du, Shan, PH1, LDP1) thu hái tại 7 tỉnh thuộc miền Bắc và Bắc Trung Bộ; chưa mở rộng đánh giá đối với các giống chè chuyên canh tại khu vực Tây Nguyên (Lâm Đồng, Gia Lai) hoặc các giống chè nhập nội mới.
  • Khung thời gian thu thập mẫu nguyên liệu tập trung vào tháng 10 - 12 của hai năm 2017 và 2018, chưa theo dõi được sự biến thiên chất lượng hạt chè qua nhiều chu kỳ khí hậu và phương thức canh tác khác nhau.
  • Thử nghiệm đánh giá khả năng bảo quản dầu hạt lanh và các dầu giá trị cao mới thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm dưới điều kiện gia tốc nhiệt (60°C trong 12 ngày), chưa tiến hành thử nghiệm theo dõi biến đổi chất lượng ở điều kiện bảo quản thực tế kéo dài (nhiệt độ thường trong 12 - 24 tháng).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng phân tích thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của hạt chè từ các giống chè và vùng địa lý canh tác khác trên cả nước.
  • Hoàn thiện công nghệ tinh luyện và khử mùi dầu hạt chè ở quy mô công nghiệp để đa dạng hóa sản phẩm dầu ăn thương phẩm.
  • Thử nghiệm ứng dụng dầu hạt chè làm chất bảo quản tự nhiên trong các sản phẩm chế biến giàu chất béo phức tạp như bánh nướng, thịt chế biến và mỹ phẩm, dược phẩm.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật hóa học, Hóa sinh học: Tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu bằng mô hình đáp ứng bề mặt Box-Behnken (Chương 2); phương pháp xử lý số liệu đa biến PCA, HCA (Chương 3); và hệ thống các phương pháp phân tích đánh giá mức độ oxy hóa chất béo (PV, p-AV, dienes, triens, totox).
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Nguồn tư liệu chuyên khảo về phân loại giống chè, thành phần cơ lý - hóa học của hạt chè và phổ axit béo của dầu hạt chè tại Việt Nam (Chương 1 và Chương 3).
  • Doanh nghiệp sản xuất, chế biến chè và dầu thực vật: Tham khảo các thông số công nghệ trích ly, điều kiện vận hành hệ thống thu hồi dung môi và giải pháp phối trộn dầu hạt chè để kéo dài thời hạn sử dụng của dầu thực vật giàu PUFA mà không cần dùng phụ gia tổng hợp.
  • Cơ quan quản lý nông nghiệp và phát triển nông thôn: Cung cấp dữ liệu định hướng phát triển chuỗi giá trị tuần hoàn cây chè, xây dựng kế hoạch tận thu phụ phẩm nông nghiệp nâng cao thu nhập cho nông hộ tại các tỉnh trung du và miền núi phía Bắc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thành phần dinh dưỡng và hàm lượng dầu béo trong hạt chè được xác định như thế nào? Theo số liệu tổng quan công bố của Patel và cộng sự (2018) được luận án trích dẫn, nhân hạt chè chứa 22,9% dầu béo, 32,5% tinh bột, 19,9% gluxit khác, 9,1% saponin, 8,5% albumin, 3,8% xenlulo và 3,3% chất vô cơ. Hàm lượng dầu trong hạt chè dao động phổ biến từ 14% đến 32% chất khô tùy thuộc vào giống chè, điều kiện khí hậu và vùng thổ nhưỡng.

  2. Phổ axit béo của dầu hạt chè có đặc tính gì nổi bật so với các loại dầu thực vật khác? Dầu hạt chè có thành phần axit béo tương đồng với dầu ô liu, trong đó tổng hàm lượng axit béo chưa bão hòa đạt trên 83%. Axit béo chiếm tỷ lệ cao nhất là axit oleic (C18:1, omega-9) với 71,82% - 74,47%, tiếp theo là axit linoleic (C18:2, omega-6) đạt 7,09% - 9,58%, axit palmitic (C16:0) đạt 11,85% - 11,90%, axit stearic (C18:0) đạt 3,55% - 4,08%. Đặc biệt, axit linolenic (C18:3, cấu tử dễ bị ôi thiu nhất) chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp (khoảng 0,62% - 0,64%), giúp dầu có độ bền oxy hóa tự nhiên cao.

  3. Hoạt tính chống oxy hóa của dầu hạt chè bắt nguồn từ những hợp chất sinh học nào? Hoạt tính chống oxy hóa của dầu hạt chè được tạo thành bởi sự kết hợp của ba nhóm chất:

  • Nhóm vitamin E: Đạt hàm lượng cao, nổi bật là $\alpha$-tocopherol (210 mg/kg), $\alpha$-tocotrienol (119 mg/kg), $\gamma$-tocopherol (23,6 mg/kg) và $\gamma$-tocotrienol (23,3 mg/kg).
  • Nhóm polyphenol (catechin): Gồm epigallocatechin (12,93 mg/kg), catechin (6,32 mg/kg), gallocatechin gallate (1,76 mg/kg), epigallocatechin gallate (1,72 mg/kg) và gallocatechin (1,01 mg/kg).
  • Nhóm sắc tố carotenoid: Giữ vai trò chất chống oxy hóa tự nhiên và tạo màu vàng sáng cho dầu.

  1. Mô hình toán học nào được tác giả sử dụng để tối ưu hóa quá trình trích ly dầu hạt chè? Tác giả sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) theo mô hình Box-Behnken 3 yếu tố: nhiệt độ trích ly ($X_1$), thời gian trích ly ($X_2$) và tỷ lệ dung môi/nguyên liệu ($X_3$). Mô hình thiết lập các phương trình hồi quy bậc hai mô tả 4 hàm mục tiêu: hiệu suất trích ly lipid ($Y_1$), khả năng ức chế gốc tự do DPPH thể hiện qua IC50 ($Y_2$), hàm lượng polyphenol tổng số ($Y_3$), và hàm lượng carotenoid ($Y_4$). Điểm tối ưu chung được xác định thông qua việc cực đại hóa hàm mong đợi tổng hợp ($D$).

  2. Thử nghiệm ứng dụng dầu hạt chè trong bảo quản dầu thực vật được tiến hành như thế nào? Luận án tiến hành phối trộn dầu hạt chè vào dầu hạt lanh (LSO - loại dầu giàu axit béo đa nối đôi PUFA dễ bị oxy hóa) và một số loại dầu có giá trị, sau đó lưu trữ trong điều kiện gia tốc nhiệt ở 60°C suốt 12 ngày. Quá trình biến chất được kiểm soát qua việc đo định kỳ trị số peroxit (PV), chỉ số para-anisidine (p-AV), giá trị totox, hàm lượng dienes và triens liên hợp, so sánh trực tiếp với các nghiệm thức đối chứng sử dụng chiết xuất chè xanh (GTE), vitamin E, và các chất bảo quản tổng hợp (BHA, BHT).

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phan Thị Phương Thảo đã hoàn thành việc khảo sát toàn diện đặc tính cơ lý, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của hạt chè và dầu hạt chè thuộc 4 giống chè chính tại 7 tỉnh của Việt Nam. Công trình đã xây dựng thành công quy trình công nghệ trích ly dầu bằng dung môi được tối ưu hóa đa mục tiêu bằng mô hình Box-Behnken, đảm bảo hiệu suất thu hồi cao đồng thời bảo toàn được các hoạt chất chống oxy hóa tự nhiên có giá trị. Kết quả thử nghiệm thực tế đã chứng minh khả năng sử dụng dầu hạt chè để phối trộn kéo dài độ bền oxy hóa của dầu hạt lanh, mở ra giải pháp thay thế phụ gia tổng hợp và góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho chuỗi sản xuất chè tại Việt Nam.