ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, nhu cầu về carotenoid mà đặc biệt là β-carotene và lycopene trên thế giới tăng rất nhanh bởi các tác dụng tích cực của chúng trong việc chống oxy hóa, phòng ngừa và chữa trị các chứng bệnh tim mạch, ung thư ở người. Quả GẤC ở Việt Nam được công nhận là một nguồn tự nhiên giàu β-carotene và lycopene nhất được biết đến cho đến nay. Việc ứng dụng kỹ thuật chất lỏng siêu tới hạn cho quá trình sản xuất carotenoid từ Gấc nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu chất lượng cao chỉ có ở nước ta, nâng cao giá trị của sản xuất nông nghiệp, tạo nên những sản phẩm sạch và an toàn đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế. Trong dầu gấc chứa một lượng β-carotene cao hơn 70 lần so với lượng có trong quả cà chua – loại thực phẩm được cho rằng chứa nhiều các hợp chất carotenoid [14].
Carotenoid là những chất có màu vàng, cam và hơi pha đỏ. Nó có nhiều trong thực vật mà không hề xuất hiện trong động vật cũng như các thực phẩm có nguồn gốc động vật. β-carotene là một terpene, là một trong hơn 600 loại carotenoid tồn tại trong tự nhiên. β-carotene còn là tiền chất của vitamin A nên nó là nguồn cung cấp vitamin A tự nhiên, dồi dào cho cơ thể.
Vitamin A đóng vai trò cho khả năng của thị giác và sự phát triển của trẻ em nên β-carotene cũng có tác dụng tăng cường thị lực, tốt cho trẻ em và người cao tuổi, có tác dụng tăng cường hệ miễn dịch giúp người bệnh mau hồi sức. β-carotene có khả năng chống oxy hóa, loại bỏ những nguyên tử oxy tự do dư thừa điện tử trong da. Những nguyên tử này được hình thành khi da bị phá huỷ bởi tia cực tím, làm da bị lão hoá và gây ra bệnh ung thư. β-carotene triệt tiêu những tác hại này bằng cách loại bỏ các gốc điện tử tự do, làm vô hiệu hóa các chất gây ung thư, chậm tiến trình lão hóa da… Bên cạnh đó, dầu gấc còn chứa lycopene và curcumin là các thành phần chống oxy hóa và ức chế tế bào ung thư rất hiệu quả.
Lycopene có tác dụng ức chế các loại 2 bướu lành cũng như ác tính, được dùng trong chữa trị các loại ung thư tuyến vú, dạ dày, tuyến tiền liệt và hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm và mỹ phẩm. Curcumin được sử dụng trong điều trị chống viêm khớp, thoái hóa, Alzheimer đồng thời cũng có khả năng ngăn ngừa một số loại ung thư. Nguồn carotene thương mại hiện nay chủ yếu được chiết xuất từ các loại cà rốt và cà chua, do gấc là loại thực phẩm chỉ phân bố tại Việt Nam. Để trích ly carotenoid từ quả Gấc thì có những phương pháp trích ly truyền thống như ngâm dầm hoặc Soxhlet nhưng các phương pháp này có nhược điểm: thời gian trích ly kéo dài, dùng dung môi độc hại, độ chọn lọc không cao… Với những ưu điểm vượt bậc của phương pháp trích ly siêu tới hạn: thời gian trích ly ngắn, dung môi thân thiện với môi trường, việc phân tách dung môi ra khỏi sản phẩm dễ dàng, loại bỏ không còn dung môi trong sản phẩm trích ly… rất thích hợp cho việc chiết xuất các hợp chất carotenoid từ Gấc.
Với những ưu điểm nổi bật của phương pháp trích ly bằng CO2 siêu tới hạn và những công dụng quan trọng của β-carotene và lycopene có trong quả Gấc thì đề tài này được nghiên cứu để đưa ra một quy trình sản xuất β-carotene và lycopene tối ưu bằng phương pháp trích ly hiện đại.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Để đáp ứng yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của đề tài này bao gồm: - Vật liệu nghiên cứu: màng hạt Gấc (danh pháp khoa học: Momordica cochinchinensis, đồng nghĩa Muricia cochinchinensis, Muricia mixta). - Thiết bị trích ly siêu tới hạn Thar - SFC. - Quá trình trích ly bằng CO2 siêu tới hạn. - Phương pháp thực nghiệm tìm điều kiện tối ưu.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Dựa vào đối tượng của đề tài, mục tiêu nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố trích ly lên hiệu suất và độ chọn lọc của β-carotene và lycopene.
3 - Tối ưu hóa quá trình trích ly β-carotene và lycopene.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dựa vào mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Thực nghiệm so sánh hiệu quả trích ly β-carotene và lycopene dưới các điều kiện trích ly khác nhau. - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các yếu tố và sự tác động giữa chúng lên hiệu quả của quy trình trích ly β-carotene và lycopene bằng dung môi siêu tới hạn.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC Nghiên cứu trích ly siêu tới hạn trên đối tượng quả Gấc là nghiên cứu được thực hiện ở Việt Nam dựa trên công nghệ tiên tiến trong chiết xuất các hợp chất thiên nhiên hòa cùng với xu hướng của thế giới trong ngành công nghiệp “hóa học xanh”.6 Ý NGHĨA THỰC TIỄN Nhu cầu về quy trình sản xuất sạch, ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm ngày càng phát triển, đòi hỏi phải đáp ứng được những quy định nghiêm ngặt về môi trường. - Việc thu hồi β-carotene, lycopene và vitamin E từ Gấc là một nhu cầu thực sự bức thiết. Với nhu cầu carotenoid ngày càng cao trong khi nguồn cung cấp ngày càng hạn chế và vẫn phụ thuộc vào việc nhập khẩu.
Với giá trị thị trường carotenoid năm 2007 đạt 766 triệu USD và dự kiến đạt 915 triệu USD vào năm 2015 (FOD025C, 2008), có thể thấy rằng tiềm năng của ngành công nghiệp sản xuất carotenoid trong đó đặc trưng là beta - carotene và lycopene là rất lớn. - Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra một quy trình tối ưu cho việc thu hồi và sản xuất carotenoid, nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp, giảm thiểu những tác động của quá trình sản xuất đến môi trường, mang lại lợi ích kinh tế rất lớn. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 TỔNG QUAN VỀ GẤC VÀ CÁC THÀNH PHẦN HỢP CHẤT 2.1 Giới thiệu về gấc: [1] 2.1 Tên gọi: - Tên khoa học: Momordica cochinchinensis (Lour. - Tên Việt: Dây Gấc - Bộ: Cucurbitales - Họ: Cucurbitaceae - Chi: Momordica - Loài: Momordica cochinchinensis - Các tên cũ: Muricia cochinchinensis (Lour.), Momordica macrophylla (Gage), Momordica mixta (Roxburgh) - Tên Anh: Spiny bitter - cucumber, Chinese bitter - cucumber, Chinese - cucumber - Tên Pháp: Margose à piquants - Tên Khmer: Makkao - Tên Trung Quốc: Mộc miết 2.2 Đặc điểm thực vật: Gấc là loài cây thân thảo dây leo thuộc chi Mướp đắng.
Đây là một loại cây đơn tính khác gốc, tức là có cây cái và cây đực riêng biệt. Cây gấc leo khỏe, chiều dài có thể mọc đến 15 mét. Thân dây có tiết diện góc. Lá gấc nhẵn, thùy hình chân vịt phân ra từ 3 đến 5 dẻ, dài 8-18 cm.
Hoa có hai loại: hoa cái và hoa đực. Cả hai có cánh hoa sắc vàng nhạt. Quả hình tròn, màu lá cây, khi chín chuyển sang màu đỏ cam, đường kính 15– 20 cm. Vỏ gấc có gai rậm.
Bổ ra mỗi quả thường có sáu múi. Thịt gấc màu đỏ cam. Hạt gấc màu nâu thẫm, hình dẹp, có khía.1: Dây gấc Hình 2.2: Trái gấc Hình 2.3: Trái gấc chín 2.3 Phân bố và thời vụ: a - Phân bố: Chúng được tìm thấy trên khắp khu vực từ miền Nam Trung Quốc đến Đông Bắc nước Úc và phân bố ở độ cao 0-1500 m Ở nước ta, Gấc mọc hoang và được trồng khắp nơi. Gấc là một loài cây có sức chống chịu tốt, rất phù hợp với đất đỏ bazan, feralit, … mà những loại đất này phân bố và trải rộng ở trung du miền núi phía Bắc (Bắc Giang), Tây Nguyên ( Đắc Lắc), miền Đông Nam bộ (Tây Ninh).
Khác với các tỉnh phía Bắc, do không có mùa đông lạnh nên cây gấc ở Nam bộ xanh tốt và có trái quanh năm mặc dù chất lượng không cao như trái gấc xứ Bắc. Dọc theo sông Tiền trồng gấc rất tốt. 6 b - Thời vụ: Mùa hoa gấc từ tháng 4 đến tháng 5. Mùa quả từ tháng 6 đến tháng 2 năm sau.
Mỗi năm gấc chỉ thu hoạch được một mùa. Do vụ thu hoạch tương đối ngắn (vào khoảng tháng 12 hay tháng 1), nên gấc ít phổ biến hơn các loại quả khác. Gấc là loại cây đơn tính, thụ phấn chủ yếu nhờ gió, sâu bọ, ong bướm. để tăng năng suất tiến hành thụ phấn nhân tạo bằng cách dùng bông ướt lấy phấn trên đầu nhị của hoa đực bôi đều lên nhụy của hoa cái vào thời điểm hoa đực và hoa cái đã nở đều.
Có 3 cách trồng: trồng bằng hạt, trồng bằng thân và để gốc tái sinh. - Trồng bằng hạt: Chọn hạt già không sâu bệnh, gieo trực tiếp ở các hố đã chuẩn bị sẵn phân hữu cơ hoai. Mỗi hố cách nhau 4 - 5 m, giữ ẩm cho hạt mau nẩy mầm. Một hố để lại chừng 2 - 3 cây/hốc.
- Trồng bằng hom thân: Có thể nhân giống vô tính cây gấc bằng cách giâm hom thân. Chọn những đoạn cành bánh tẻ (tức không quá già hoặc quá non) ở những cây gấc cho năng suất và chất lượng cao để làm hom trồng. Cắt cành ra từng đoạn từ 40 - 50 cm, giâm ngay vào hốc đã chuẩn bị sẵn (nên xử lý nhún đầu hom vào nước vôi, các dung dịch thuốc trừ nấm bệnh như Benlate C hoặc Rovral 2 - 4 phần ngàn, ngâm 5 - 10 phút để chống thối cành). Đặt gốc dây hom sâu 5 - 7 cm, lấp đất và chừa ngọn 2 - 3 đốt, rồi che mát bớt nắng, tưới nước giữ ẩm.
Khi mầm gấc nhú lên thành dây thì làm giàn cho gấc leo. - Để gốc tái sinh: Cuối mùa khô, trước khi có mưa chuyển mùa, nên cắt gốc gấc chỉ để lại khoảng 10 - 15 cm, dọn vệ sinh giàn cũ, xới xáo quanh gốc, bón thêm phân các loại. Khi tưới nước đủ ẩm hoặc có mưa xuống thì từ các mắt ở gốc gấc sẽ nẩy mầm và phát triển thành cây cho năm sau. Thu hoạch lúc quả đã chín đỏ, có thể dùng ngay hay để vào chỗ mát dùng dần.4 Thành phần hóa học: Dầu gấc có chứa nhiều β-carotene, lycopene, zeaxanthin và β-cryptoxanthin.
Gấc đặc biệt giàu lycopene, có thể đạt đến 380 microg/g thịt trái. Theo tỷ lệ khối lượng, nó chứa nhiều lycopene gấp 70 lần cà chua. Người ta cũng phát hiện thấy nó chứa β-carotene nhiều gấp 10 lần cà rốt hoặc khoai lang. Ngoài ra, các carotenoid 7 có mặt trong gấc liên kết với các axít béo mạch dài, tạo ra kết quả là nó có tính hoạt hóa sinh học cao hơn.