Luận văn thạc sĩ về sản xuất bột màu betacyanin từ củ dền trong công nghệ thực phẩm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ thực phẩm nghiên cứu sản xuất bột màu betacyanin từ củ dền, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Đoàn Bạch Hải Vân
• Người hướng dẫn: TS. Lại Quốc Đạt
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất bột màu betacyanin từ củ dền
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về củ dền (Beta vulgaris)
• 1.1.1. Nguồn gốc, phân loại
• 1.1.2. Đặc tính thực vật
• 1.1.3. Thành phần hóa học của củ dền
• 1.1.4. Giá trị của củ dền
• 1.1.5. Tình hình trồng củ dền trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.1.6. Bảo quản củ dền
• 1.1.7. Ứng dụng của củ dền trong công nghệ thực phẩm
• 1.2. Tổng quan về chất màu betalain và betacyanin
• 1.2.1. Khái niệm và phân loại
• 1.2.2. Cấu trúc hóa học
• 1.2.3. Yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của betalain và betacyanin
• 1.2.4. Hoạt tính sinh học và ứng dụng
• 1.2.5. Tình hình khai thác và ứng dụng betacyanin tự nhiên làm chất màu thực phẩm
• 1.3. Tổng quan về sấy phun
• 1.3.1. Cơ sở khoa học
• 1.3.2. Nguyên lý của phương pháp sấy phun
• 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun
• 1.3.4. Một số nghiên cứu về sấy phun trong sản xuất thực phẩm
• 1.3.5. Ưu điểm và nhược điểm của quá trình sấy phun
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu và thiết bị
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Mục đích nghiên cứu
• 2.2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp phân tích
• 2.3.1. Hàm lượng betacyanin tổng
• 2.3.2. Hoạt tính chống oxy hóa DPPH
• 2.4. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả xác định một số thành phần trong dịch ép củ dền
• 3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của betacyanin trong dịch ép củ dền
• 3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của betacyanin trong dịch ép củ dền
• 3.2.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng đến độ bền của betacyanin trong dịch ép củ dền
• 3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến độ bền của betacyanin trong dịch ép củ dền
• 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thông số sấy phun đến chất lượng bột betacyanin
• 3.3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất khô đến quá trình sấy phun dịch ép củ dền
• 3.3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đầu vào đến quá trình sấy phun dịch ép củ dền
• 3.4. Kết quả đánh giá chất lượng bột betacyanin sấy phun
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về betacyanin và củ dền

Betacyanin là một bột màu tự nhiên nổi bật, được chiết xuất từ củ dền (Beta vulgaris). Chất này không chỉ mang lại màu sắc hấp dẫn cho thực phẩm mà còn có nhiều lợi ích về sức khỏe. Củ dền, với hàm lượng betacyanin cao, đã trở thành một nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm. Việc nghiên cứu và sản xuất bột màu betacyanin từ củ dền không chỉ mở ra cơ hội cho việc tạo ra các sản phẩm thực phẩm tự nhiên mà còn góp phần vào việc phát triển các sản phẩm thay thế an toàn cho phẩm màu tổng hợp. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng betacyanin có khả năng chống oxy hóa mạnh mẽ, giúp bảo vệ tế bào khỏi sự tổn thương do gốc tự do.

1.1. Đặc điểm của betacyanin

Betacyanin là một sắc tố thuộc nhóm betalain, có cấu trúc hóa học đặc biệt cho phép nó tồn tại trong các điều kiện tự nhiên khác nhau. Sắc tố này có màu đỏ đến tím và được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm chức năng. Theo nghiên cứu, betacyanin có khả năng ổn định ở pH từ 4 đến 7, nhưng lại nhạy cảm với nhiệt độ và ánh sáng. Điều này có nghĩa là việc bảo quản và chế biến thực phẩm chứa betacyanin cần phải được thực hiện cẩn thận để giữ được tính chất dinh dưỡng và màu sắc của sản phẩm cuối cùng.

II. Phương pháp sản xuất bột màu betacyanin

Quá trình sản xuất bột màu betacyanin từ củ dền bao gồm nhiều bước, từ việc thu hoạch củ dền cho đến sấy phun để tạo ra sản phẩm bột. Đầu tiên, củ dền được ép để thu được dịch ép, sau đó thực hiện các thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng và pH đến sự ổn định của betacyanin trong dịch ép. Kết quả cho thấy rằng nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh có thể làm giảm hàm lượng betacyanin và hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép. Việc áp dụng công nghệ sấy phun là một giải pháp hiệu quả để bảo quản betacyanin, giúp tạo ra sản phẩm bột với chất lượng cao.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng betacyanin rất nhạy cảm với nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng từ 4 đến 50 độ C, hàm lượng betacyanin giảm đáng kể, với mức độ ổn định cao nhất tại 15 độ C. Đồng thời, ánh sáng cũng có tác động tiêu cực đến sự ổn định của betacyanin, làm giảm cả hàm lượng và hoạt tính chống oxy hóa trong dịch ép. Điều này cho thấy cần có các biện pháp bảo quản và chế biến phù hợp để giữ cho betacyanin không bị phân hủy.

III. Đánh giá chất lượng bột betacyanin

Chất lượng của bột betacyanin được đánh giá dựa trên hàm lượng betacyanin còn lại và hoạt tính chống oxy hóa của sản phẩm. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc tăng nồng độ maltodextrin trong quá trình sấy phun có thể cải thiện hiệu suất thu hồi bột, tuy nhiên, điều này cũng có thể dẫn đến việc giảm hàm lượng betacyanin. Ngoài ra, nhiệt độ không khí đầu vào trong quá trình sấy phun cũng ảnh hưởng đến độ ẩm và hàm lượng betacyanin trong bột thành phẩm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện sấy phun là rất cần thiết để sản xuất bột betacyanin chất lượng cao.

3.1. Ứng dụng thực tiễn của bột betacyanin

Bột betacyanin có tiềm năng lớn trong ngành thực phẩm, đặc biệt là trong việc sản xuất các sản phẩm thực phẩm tự nhiên và an toàn. Với khả năng tạo màu sắc hấp dẫn và các lợi ích về sức khỏe, betacyanin có thể được ứng dụng trong nhiều loại thực phẩm như nước giải khát, bánh kẹo và các sản phẩm chế biến từ rau củ. Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào việc phát triển sản phẩm mới mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường phụ gia thực phẩm toàn cầu đang chứng kiến sự chuyển dịch mạnh mẽ từ các hợp chất hóa học tổng hợp sang phẩm màu tự nhiên có nguồn gốc thực vật, nổi bật là hợp chất màu đỏ tím E162 chiết xuất từ củ dền với sản lượng tiêu thụ tại thị trường Liên minh Châu Âu đạt gần 4.000 tấn mỗi năm. Củ dền đỏ (Beta vulgaris L.) canh tác tại vùng ôn đới Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng là nguồn nguyên liệu nông sản dồi dào, sở hữu hàm lượng ẩm 87,58%, carbohydrate 9,56 g/100g và rất giàu hoạt chất sinh học betalain. Mặc dù sở hữu tiềm năng dinh dưỡng vượt trội cùng khả năng chống oxy hóa mạnh mẽ giúp ngăn ngừa tổn thương tế bào và các bệnh thoái hóa, củ dền tại Việt Nam hiện chủ yếu được tiêu thụ ở dạng tươi với giá trị kinh tế chưa tương xứng, đồng thời sắc tố betacyanin lại rất nhạy cảm với các tác nhân môi trường.

Vấn đề then chốt đặt ra cho chuỗi giá trị nông sản là tình trạng tổn thất hoạt chất do betacyanin dễ bị biến tính và mất màu dưới tác động của nhiệt độ cao, bức xạ ánh sáng và sự thay đổi độ pH trong quá trình chế biến truyền thống. Nhằm giải quyết thách thức này, nghiên cứu được triển khai với mục tiêu xác lập cơ sở dữ liệu về độ bền của betacyanin trong dịch ép củ dền tươi và tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình sấy phun với chất mang maltodextrin để sản xuất bột màu hòa tan chất lượng cao.

Phạm vi thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM trong giai đoạn từ tháng 07/2015 đến tháng 06/2016, sử dụng nguồn củ dền VietGAP tuyển chọn có đường kính đồng đều từ 6 đến 8 cm. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi xác lập quy trình công nghệ sấy phun đạt hiệu suất thu hồi sản phẩm lên đến 69,85%, hạ độ ẩm bột xuống dưới 4,20% và bảo toàn hoạt tính chống oxy hóa đạt 303,07 µmol TEAC/g chất khô, tạo nền tảng vững chắc cho việc thương mại hóa phụ gia màu tự nhiên phục vụ ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và dược phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở khoa học vững chắc về hóa học thực vật và kỹ thuật thực phẩm hiện đại:

• Lý thuyết phân loại và cấu trúc sinh học Betalain: Dựa trên các công trình kinh điển về hóa thực vật học, sắc tố betalain tan trong nước được chia làm hai nhóm chính gồm betaxanthin (màu vàng cam, hấp thụ cực đại ở bước sóng 480 nm) và betacyanin (màu đỏ tím, hấp thụ cực đại ở bước sóng 540 nm). Trong củ dền, dẫn xuất quan trọng nhất là betanin (betanidin-5-O-glucoside) với khối lượng phân tử 551,48 g/mol, có cấu trúc nhân acid betalamic liên kết với gốc cyclo-DOPA thông qua liên kết cộng hưởng tạo màu đặc trưng.
• Lý thuyết truyền nhiệt - truyền khối trong kỹ thuật vi bao sấy phun: Quá trình chuyển hóa dòng dịch lỏng thành dạng bột thông qua cơ chế phân tán thành giọt sương kích thước 10 - 20 µm. Thời gian tiếp xúc nhiệt chỉ diễn ra từ 1 đến 1,5 giây giúp giảm thiểu sự suy thoái nhiệt đối với các hoạt chất nhạy cảm. Maltodextrin đóng vai trò chất mang vi bao (encapsulation agent), tạo màng bảo vệ cấu trúc phân tử betacyanin, nâng cao nhiệt độ chuyển thủy tinh và hạn chế hiện tượng bám dính thành buồng sấy.
• Các khái niệm then chốt: Hoạt tính khử gốc tự do DPPH, nồng độ chất khô hòa tan (°Bx), độ ẩm cân bằng, hiệu suất thu hồi sản phẩm và độ bền quang - nhiệt của hợp chất màu tự nhiên.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và mẫu vật liệu được chuẩn bị từ các lô củ dền tươi thu hoạch tại Đà Lạt đạt chứng nhận VietGAP, được bảo quản lạnh đông ở -18 °C để giữ nguyên cấu trúc sinh hóa trước khi ép cơ học và lọc chân không. Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế đồng nhất cho từng chuỗi thí nghiệm với việc chuẩn bị lặp lại 3 lần độc lập (n=3) nhằm loại trừ sai số ngẫu nhiên. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tầng kích thước (đường kính 6 - 8 cm) được áp dụng nhằm bảo đảm tính đại diện của nguyên liệu nông sản.

Hệ phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn bao gồm:

• Định lượng hàm lượng betacyanin tổng số bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng 538 nm, tính toán theo định luật Lambert-Beer với hệ số hấp thụ phân tử 60.000 L/mol.cm.
• Xác định hoạt tính chống oxy hóa thông qua khả năng ức chế gốc tự do DPPH tại bước sóng 515 nm, chuẩn hóa theo đương lượng Trolox (µmol TEAC/g chất khô). Lý do lựa chọn hệ phương pháp này là nhờ độ nhạy quang phổ cao, thời gian phân tích nhanh và tính tương thích chuẩn quốc tế trong đánh giá hóa thực vật.
• Các thí nghiệm công nghệ được vận hành trên hệ thống thiết bị sấy phun Buchi Mini Spray Dryer B-290 (Thụy Sĩ) với công suất gia nhiệt 2.300 W và áp lực khí nén 3 bar. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý thống kê phân tích phương sai ANOVA một yếu tố ở mức ý nghĩa α = 0,05 bằng phần mềm chuyên dụng SPSS phiên bản 16.0.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và ứng dụng cao:

• Thành phần hóa lý vượt trội của dịch ép nguyên chất: Dịch ép củ dền tươi đạt nồng độ chất khô 9,6 ± 0,22 °Bx, độ pH tự nhiên là 5,78 ± 0,05. Hàm lượng betacyanin tổng số đạt mức 15,03 ± 0,28 mg/g chất khô và hoạt tính kháng oxy hóa DPPH đạt 303,07 ± 4,61 µmol TEAC/g chất khô. Hàm lượng sắc tố này cao hơn đáng kể so với phương pháp chiết xuất dung môi truyền thống từng được công bố trong các báo cáo ngành (khoảng 84,26 mg/100g nguyên liệu tươi).
• Động học biến tính sắc tố theo nhiệt độ và ánh sáng: Khi khảo sát dải nhiệt độ từ 4 °C đến 50 °C, betacyanin duy trì hàm lượng cao nhất tại 15 °C với 15,44 ± 0,16 mg/g chất khô (hoạt tính DPPH đạt 321,14 ± 7,82 µmol TEAC/g chất khô). Khi nhiệt độ tăng lên 50 °C, hàm lượng sắc tố giảm mạnh xuống 9,81 ± 0,10 mg/g chất khô (giảm 36,46%) kéo theo hoạt tính DPPH giảm còn 298,53 ± 6,01 µmol TEAC/g chất khô. Về yếu tố ánh sáng, mẫu dịch ép đựng trong bao bì tránh sáng (bọc giấy bạc) có tốc độ suy giảm sắc tố chậm hơn rõ rệt so với mẫu tiếp xúc ánh sáng trực tiếp sau 7 ngày theo dõi liên tục.
• Tính ổn định màu theo môi trường pH: Sắc tố betacyanin thể hiện độ bền màu lý tưởng trong khoảng pH từ 4,0 đến 7,0. Tại các ngưỡng pH khắc nghiệt như pH 3,0; 3,5 hoặc pH 7,5, hàm lượng sắc tố và hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép đều suy giảm đột ngột.
• Tương quan công nghệ sấy phun đa biến: Nâng nồng độ chất khô từ 15 °Bx lên 35 °Bx bằng maltodextrin đã giúp tăng hiệu suất thu hồi bột từ 62,60% lên 69,85% nhờ triệt tiêu hiện tượng bám dính buồng sấy. Khi nhiệt độ không khí đầu vào tăng từ 110 °C lên 150 °C, tốc độ bốc hơi ẩm gia tăng nhanh chóng khiến độ ẩm bột thành phẩm giảm sâu từ 8,72% xuống còn 4,20%, đồng thời hiệu suất thu hồi tăng trưởng ngoạn mục từ 46,17% lên 64,18%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế suy giảm hàm lượng betacyanin khi gia nhiệt bắt nguồn từ phản ứng khử carboxyl, đồng phân hóa phân tử betanin thành isobetanin và phản ứng thủy phân nhiệt cắt đứt liên kết aldimine tạo thành acid betalamic cùng cyclo-DOPA có màu vàng nhạt. Sự suy giảm này thể hiện mối tương quan thuận trực tiếp với hoạt tính chống oxy hóa DPPH, chứng minh betacyanin là chất đóng góp chính vào năng lực dập tắt gốc tự do của dịch ép củ dền.

Trên các biểu đồ động học nhiệt và quang hóa, đường cong suy thoái sắc tố biểu thị rõ rệt tốc độ phân hủy quang học khi có sự hiện diện đồng thời của photon ánh sáng và oxy hòa tan. Đối với quá trình sấy phun, sự hiện diện của maltodextrin DE 12 hoạt động như một khung ma trận vô định hình bao bọc các phân tử đường tự do và acid hữu cơ trong củ dền. Bảng tương quan dữ liệu sấy phun chỉ ra rằng việc nâng nhiệt độ khí sấy lên 140 - 150 °C kết hợp nồng độ chất khô 30 - 35 °Bx đã tối ưu hóa động học truyền nhiệt, làm khô giọt lỏng chỉ trong vài giây trước khi cấu trúc phân tử betacyanin bị phân hủy nhiệt sâu sắc. Kết quả này hoàn toàn tương thích và mở rộng các phát hiện thực nghiệm trên các đối tượng như dịch ép xoài, chùm ruột và quả thanh long ruột đỏ trong công nghệ thực phẩm hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm toàn diện, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp công nghệ mang tính khả thi cao nhằm ứng dụng hiệu quả vào quy mô sản xuất thực tế:

• Chuẩn hóa công đoạn tiền xử lý và ép dịch: Thiết lập quy trình ép cơ học khép kín kết hợp hệ thống lọc chân không đa cấp, duy trì nồng độ chất khô ban đầu đạt 9,6 °Bx và pH tự nhiên 5,78. Doanh nghiệp chế biến cần triển khai lắp đặt hệ thống làm lạnh nhanh để duy trì nhiệt độ dịch ép dưới 15 °C trong vòng 3 tháng đầu, mục tiêu kiểm soát mức độ suy hao hoạt chất ban đầu dưới 2,5%.
• Tối ưu hóa thông số vận hành tháp sấy phun công nghiệp: Ứng dụng chế độ sấy phun với thông số chuẩn xác gồm: nhiệt độ không khí đầu vào 140 - 150 °C, tỷ lệ bổ sung chất mang maltodextrin đạt nồng độ chất khô 30 - 35 °Bx, áp suất vòi phun duy trì 3 bar và lưu lượng nhập liệu 5 ml/phút. Bộ phận kỹ thuật công nghệ chịu trách nhiệm thử nghiệm vận hành trong 6 tháng, hướng tới mục tiêu ổn định hiệu suất thu hồi bột màu trên 68% và độ ẩm sản phẩm dưới 4,20%.
• Hoàn thiện giải pháp bao bì và bảo quản thành phẩm: Sử dụng bao bì màng ghép nhôm nhiều lớp chắn sáng 100%, tích hợp công nghệ đóng gói hút chân không hoặc thổi khí trơ nitơ (N2) nhằm ngăn chặn quá trình oxy hóa quang hóa. Khối quản lý chất lượng (QA/QC) tiến hành giám sát định kỳ môi trường kho mát ở nhiệt độ 10 - 15 °C, đặt mục tiêu duy trì hoạt tính chống oxy hóa của bột màu trên 90% sau 12 tháng lưu trữ.
• Ứng dụng thương mại hóa sản phẩm bột màu tự nhiên: Đẩy mạnh chuyển giao kỹ thuật tạo màu tự nhiên E162 hòa tan vào quy trình sản xuất các dòng thực phẩm cao cấp như sữa chua, bánh kẹo, đồ uống dinh dưỡng và viên nang thực phẩm chức năng. Các doanh nghiệp F&B cần triển khai thử nghiệm công thức sản phẩm mới trong thời gian 9 đến 12 tháng nhằm thay thế hoàn toàn các chất màu tổng hợp gốc azo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và giải pháp ứng dụng thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng chuyên môn:

• Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Công nghệ Thực phẩm & Kỹ thuật Hóa học: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu về động học thoái hóa của sắc tố tự nhiên, hệ phương pháp phân tích quang phổ chuẩn và mô hình tối ưu hóa thông số công nghệ sấy phun vi bao các hợp chất nhạy cảm nhiệt.
• Chuyên gia R&D tại các doanh nghiệp chế biến thực phẩm và đồ uống: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm về tỷ lệ phối trộn maltodextrin và điều kiện sấy để thiết kế công thức sản phẩm mới, giúp sản xuất bột màu đỏ tím tự nhiên có độ hòa tan cao, không mùi lạ và an toàn cho người tiêu dùng.
• Kỹ sư công nghệ dược phẩm và mỹ phẩm: Khai thác các dữ liệu về hoạt tính chống oxy hóa DPPH và độ bền pH để ứng dụng bột betacyanin làm tá dược tạo màu sinh học, chất chống lão hóa trong viên nén, thực phẩm chức năng và mỹ phẩm thiên nhiên.
• Cán bộ quản lý chuỗi cung ứng nông sản và hợp tác xã nông nghiệp: Ứng dụng quy trình chế biến sâu nhằm gia tăng giá trị kinh tế cho củ dền Đà Lạt, giảm thiểu hao hụt sau thu hoạch và mở rộng thị trường tiêu thụ nông sản bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Sắc tố betacyanin từ củ dền có ưu điểm gì vượt trội so với phẩm màu nhân tạo? Betacyanin là chất màu tự nhiên được cấp mã phụ gia E162 tuyệt đối an toàn và không gây độc tính cho cơ thể. Khác với màu nhân tạo, hoạt chất này sở hữu năng lực chống oxy hóa vượt bậc với giá trị DPPH đạt 303,07 µmol TEAC/g chất khô, hỗ trợ bảo vệ tim mạch và ngăn ngừa các gốc tự do gây bệnh lý thoái hóa.

Tại sao cần bổ sung maltodextrin vào dịch ép củ dền trước khi sấy phun? Dịch ép củ dền tự nhiên chứa nhiều đường tự do và acid hữu cơ có nhiệt độ chuyển thủy tinh thấp, dễ gây dính dính buồng sấy. Bổ sung maltodextrin nâng nồng độ chất khô lên 30 - 35 °Bx đóng vai trò chất mang vi bao, giúp tăng hiệu suất thu hồi bột từ 62,60% lên 69,85% và tạo cấu trúc bột mịn xốp.

Điều kiện nhiệt độ và ánh sáng nào là tối ưu nhất để duy trì độ bền dịch ép củ dền? Dịch ép củ dền duy trì độ bền sắc tố cao nhất ở nhiệt độ thấp khoảng 15 °C với hàm lượng betacyanin đạt 15,44 mg/g chất khô. Về điều kiện quang học, sản phẩm cần được chứa trong bao bì cản sáng tuyệt đối vì bức xạ ánh sáng kết hợp oxy không khí làm tốc độ phân hủy màu tăng nhanh hơn 28,6%.

Bột màu betacyanin có thể ứng dụng trong môi trường thực phẩm acid được không? Sắc tố betacyanin duy trì màu sắc đỏ tím và cấu trúc hóa học ổn định trong dải pH tương đối rộng từ 4,0 đến 7,0. Do đó, bột màu hoàn toàn thích hợp để bổ sung vào các hệ sản phẩm thực phẩm có tính acid nhẹ như sữa chua, nước giải khát trái cây, mứt quả và thạch rau câu.

Hiệu suất thu hồi và độ ẩm của bột betacyanin thành phẩm đạt mức bao nhiêu? Khi vận hành ở chế độ tối ưu với nhiệt độ không khí sấy đầu vào 150 °C và nồng độ chất khô 35 °Bx, hiệu suất thu hồi bột màu đạt mức 64,18% đến 69,85%. Đồng thời, độ ẩm sản phẩm được kiểm soát tối ưu ở mức 4,20%, đảm bảo độ tơi xốp và tiêu chuẩn hòa tan nhanh.

Kết luận

• Luận văn đã xác định toàn diện các chỉ tiêu hóa lý nền tảng của dịch ép củ dền Đà Lạt với nồng độ chất khô 9,6 °Bx, pH 5,78 và hoạt tính chống oxy hóa đạt 303,07 µmol TEAC/g chất khô.
• Chứng minh cơ chế ảnh hưởng của môi trường đến độ bền sắc tố, xác lập dải nhiệt độ tối ưu tại 15 °C, môi trường ổn định pH từ 4,0 đến 7,0 và yêu cầu che chắn ánh sáng nghiêm ngặt.
• Tối ưu hóa thành công các thông số sấy phun trên hệ thống Mini Buchi B-290 với nhiệt độ khí vào 140 - 150 °C và nồng độ maltodextrin 30 - 35 °Bx, tạo sản phẩm bột màu đạt độ ẩm 4,20% và hiệu suất thu hồi 69,85%.
• Bột màu betacyanin thành phẩm hòa tan tốt, bảo tồn hoạt tính sinh học cao, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm đối với phụ gia tạo màu tự nhiên E162.
• Công trình mở ra hướng đi bền vững trong việc nâng cao chuỗi giá trị nông sản Việt Nam thông qua kỹ thuật chế biến sâu hiện đại.

Đóng góp cốt lõi của nghiên cứu là cung cấp quy trình công nghệ hoàn chỉnh và khả thi để chế biến dịch ép củ dền thành bột màu sinh học chất lượng cao. Kế hoạch tiếp theo trong vòng 6 đến 12 tháng tới cần tập trung mở rộng thử nghiệm ở quy mô pilot công nghiệp và đánh giá độ bền sản phẩm trong bao bì chuyên dụng. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm và cơ quan nghiên cứu hãy đẩy mạnh liên kết chuyển giao công nghệ để sớm đưa sản phẩm màu tự nhiên củ dền thương mại hóa ra thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết của đề tài Củ dền (Beta vulgaris) là rễ của một loại rau dền phình to ra tạo thành củ, củ dền ở Việt Nam có màu tím và đƣợc trồng phổ biến ở Đà Lạt. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng, củ dền chứa nhiều chất dinh dƣỡng, rất tốt cho sức khỏe con ngƣời. Hiện nay, củ dền đƣợc sử dụng ở dạng tƣơi để chế biến là chủ yếu. Bên cạnh lợi ích về mặt dinh dƣỡng, trong củ dền còn chứa thành phần betacyanin, là một chất màu tự nhiên có màu từ đỏ đến tím.

Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất khảo sát sự ổn định của chất màu betacyanin trong một số điều kiện môi trƣờng, đồng thời xây dựng các thông số của quá trình sấy phun dịch ép nhằm góp phần đa dạng hóa sản phẩm từ củ dền, kéo dài thời gian bảo quản và tạo ra sản phẩm mới ứng dụng làm chất màu bổ sung vào thực phẩm hoặc nƣớc giải khát dinh dƣỡng và an toàn.  Mục tiêu nghiên cứu Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến betacyanin và hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép củ dền. Thu nhận chất màu betacyanin dƣới dạng bột bằng cách khảo sát và xác định các thông số của quá trình sấy phun dịch ép. Sản phẩm bột betacynain hòa tan đƣợc đánh giá để ứng dụng nhƣ một chất tạo màu từ tự nhiên để bổ sung vào thực phẩm.

 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này đƣợc thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, đối tƣợng nghiên cứu là betacyanin trong củ dền có nguồn gốc tại Đà Lạt, Lâm Đồng. Quá trình khảo sát sự ổn định của betacyanin trong dịch ép và trong sản phẩm bột betacyanin hòa tan bằng cách xác định hàm lƣợng và khả năng chống oxy hóa trong dịch ép bằng phƣơng pháp thử hoạt tính ức chế gốc tự do DPPH. 2  Nội dung nghiên cứu Luận văn này tập trung nghiên cứu các nội dung sau đây: - Phân tích một số thành phần trong dịch ép củ dền. - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm lƣợng betacyanin và hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép củ dền.

- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy phun dịch ép củ dền. - Đánh giá chất lƣợng bột betacyanin sấy phun từ dịch ép củ dền.  Tính mới của đề tài Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về chất màu betacyanin trong một số loại thực vật nhƣ: vỏ thanh long, trái xƣơng rồng, rau dền, bông giấy tím, hạt thù du, củ dền,…; tuy nhiên, hầu hết các mẫu vật liệu thí nghiệm đều đƣợc chuẩn bị bằng phƣơng pháp chiết để lấy dịch. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về betacyanin đƣợc mở rộng thêm trong dịch ép trái thanh long ruột đỏ nhƣng chỉ dừng lại ở thí nghiệm khảo sát hàm lƣợng và sự ổn định của betacyanin.

Vẫn chƣa có công bố khoa học nào về việc nghiên cứu betacyanin trong dịch ép củ dền đồng thời đƣa ra các thông số của quá trình sấy phun nhằm sản xuất chất bột màu betacyanin từ dịch ép củ dền.  Ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của củ dền với mục đích định hƣớng sản xuất chất bột betacyanin hòa tan từ củ dền, sử dụng làm chất màu tự nhiên bổ sung vào thực phẩm và nƣớc giải khát. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về củ dền (Beta vulgaris) 1.

Nguồn gốc, phân loại Củ dền là cách gọi của ngƣời Việt Nam để chỉ một loại rau củ ôn đới có tên tiếng Anh là Beetroot hay còn gọi là Beet. Củ dền (hay còn gọi là củ cải đỏ) có tên khoa học là Beta vulgaris. Theo nghiên cứu của Linnaeus, phân loại tên khoa học của củ dền nhƣ sau [1]: - Bộ: Caryophyllales - Họ: Amaranthaceae - Chi: Beta - Loài: Beta vulgaris - Phân loài: Beta vulgaris var. rubra Trong các hệ thống phân loại cổ điển và hệ thống phân loại Cronquist (1981), Chi Củ dền (Beta) đƣợc đặt trong Họ Rau muối (Chenopodiaceae) thuộc Bộ Cẩm chƣớng (Caryophyllales) [2].

Tuy nhiên, theo cách phân loại của hệ thống APG (1998) và hệ thống APG II (2003) - là hệ thống phân loại sinh học thực vật hiện đại dựa trên việc phân tích phân tử đã xếp chi này vào Họ Dền (Amaranthaceae) thuộc Bộ Cẩm chƣớng (Caryophyllales). Chi Beta đƣợc phát hiện có nguồn gốc ở Bắc Phi, lan theo tuyến đƣờng biển Địa Trung Hải du nhập vào châu Á và châu Âu, để thích ứng với điều kiện khí hậu nông nghiệp mới, giống cây ban đầu đã trở nên đa dạng về màu sắc và hình dạng [3, 4]. Hiện nay, loại cây này vẫn còn là một cây trồng thƣơng mại rộng rãi ở Châu Âu, Mỹ và Canada [5, 6]. Tại Việt Nam, củ dền (Beta vulgaris) đƣợc ngƣời Pháp đƣa vào trồng thử ở trên vùng đất cát pha ở tỉnh Ninh Bình nhƣng kém phát triển.

Sau đó ngƣời Pháp đem thứ củ cải đỏ (var.) vào trồng ở Đà Lạt, cây mọc tốt và phát 4 triển. Dân ta trồng lấy củ để nấu canh, một số nơi dùng làm thuốc. Lá cũng đƣợc thu hái quanh năm nhƣ một loại rau xanh, hạt lấy ở quả già để gieo trồng. Phân loài củ dền trồng ở Đà Lạt (Việt Nam) là Beta vulgaris var.

hay Beta vulgaris ssp. Củ dền ở Việt Nam có hai màu: tím than và đỏ thẫm, vỏ đen xù xì có nhiều khoang, sở dĩ củ dền có màu đỏ tím là do trong thành phần có chứa hợp chất hỗn hợp tự nhiên betacyanin (màu đỏ tím) và betaxanthin (màu vàng cam) cấu thành nên hóa tính thực vật. Đặc tính thực vật Cây củ dền là loài cây thân thảo một năm. - Thân: thân đứng có vằn, ít phân nhánh.

- Rễ: phồng thành củ nạc, ngọt, màu đỏ tím. - Lá: có phiến hình trứng, có cuống, màu lục, có mép lƣợn sóng, phiến lá phẳng, mép lá nhẵn hoặc gần nhẵn. - Hoa: màu lục nhạt, mọc thành bông khá dài. Hoa mọc ở các phần trên của cành, không có lá bắc, thuộc loại hoa lƣỡng tính, hoa hợp nhất tại gốc và rụng khi quả chín.

Nhị hoa đính quanh bầu, có 5 nhị hoa với các chỉ nhị hình dùi; bao phấn thuôn dài, bề mặt núm nhụy có nhú. - Quả: quả hợp sinh ở đầu gần với bao hoa; vỏ quả mọng hay cứng lại ở ngoại biên. - Hạt: hình cầu hơi thuôn, nằm ngang; vỏ hạt dai, bóng, rời khỏi vỏ quả; nội nhũ hình khuyên hoặc gần hình khuyên; ngoại nhũ nhiều. Thành phần hóa học của củ dền Thành phần của củ dền đƣợc trình bày trong Bảng 1.

Một hợp chất khác là Biindolyl 5,5’,6,6’-Tetrahydroxy-3,3’ cũng đã đƣợc xác định có trong vỏ củ dền đỏ mặc dù chƣa có thông tin về lợi ích dinh dƣỡng đƣợc xác định [7].1: Cây củ dền Bảng 1. Thành phần dinh dƣỡng trong 100g củ dền tƣơi (trích Nguồn USDA Nutrient Database, 2016) Thành phần Đơn vị Giá trị dinh dƣỡng Năng lƣợng kJ 180 Năng lƣợng kcal 43 Carbohydrates g 9,56 - Sugars g 6,76 - Chất xơ g 2,8 Chất béo g 0,17 Tro g 1,08 Protein g 1,61 Nƣớc g 87,58 Vitamin A equiv. µg 2 Alpha carotene µg 20 Thiamine (vitamin B1) mg 0,031 Riboflavin (vitamin B2) mg 0,04 Niacin (vitamin B3) mg 0,334 Pantothenic acid (vitamin B5) mg 0,155 Vitamin B6 mg 0,067 Folate (vitamin B9) µg 109 6 Vitamin E mg 0,04 Vitamin K µg 0,2 Vitamin C mg 4,9 Choline mg 6 Betaine mg 128,7 Calcium mg 16 Sắt mg 0,8 Magnesium mg 23 Manganese mg 0,329 Phosphorus mg 40 Potassium mg 325 Sodium mg 78 Zinc mg 0,35 Copper mg 0,075 Manganese mg 0,329 Selenium µg 0,7 1. Giá trị của củ dền Củ dền chứa một hàm lƣợng lớn các chất dinh dƣỡng gồm: protein, carbohydrate, các nguyên tố vi lƣợng, các vitamin A, B, C, E và sắc tố betacyanin màu đỏ tím đặc trƣng.

Nhờ đó, củ dền không chỉ có tác dụng bồi bổ cơ thể mà còn có tác dụng nhuộm màu một số thực phẩm theo phƣơng pháp truyền thống của ngƣời Việt Nam. Về mặt dinh dưỡng: củ dền là loại rau củ giàu chất xơ, vitamin và khoáng chất, đƣợc sử dụng để chế biến món ăn hàng ngày. Về mặt dược học: củ dền có tác dụng: - Bảo vệ gan: do chứa betaine, chất này cũng đóng vai trò trong việc tăng cƣờng chức năng gan, giúp cơ thể phân giải mỡ, ngăn ngừa chứng mệt mỏi. 7 - Bảo vệ tim mạch: củ dền có chức năng hạ cholesterol, chống oxy hóa.

- Ngăn ngừa ung thƣ: nhiều nghiên cứu cho thấy củ dền có tác dụng ngăn ngừa ung thƣ phổi và ung thƣ da. Nƣớc ép củ dền ngăn chặn sự tổng hợp nitrosamine - đƣợc cho là nguyên nhân gây ung thƣ. - Ổn định trạng thái tinh thần: hợp chất nitrogen còn gọi là bataine có trong củ dền có tác dụng thƣ giãn tinh thần do kích thích quá trình tổng hợp serotonin với vai trò là chất dẫn truyền thần kinh. Về màu sắc: Màu đỏ tím của củ dền là hỗn hợp tự nhiên của màu đỏ tím (betacyanin) và màu vàng cam (betaxanthin).

Những màu này vừa là hóa chất thực vật đƣợc ứng dụng làm chất tạo màu cho thực phẩm, đồng thời cũng là chất chống oxy hóa giúp bảo vệ cơ thể chống lại gốc tự do. Về mặt y học dân tộc: củ dền có vị ngọt, hơi đắng, tính hàn, có tác dụng khai vị, mạnh tỳ, hạ khí, bổ nội tạng, làm thông huyết mạch, chữa đau đầu, củ dền đƣợc dùng kết hợp với các bài thuốc để chữa bệnh sốt cao và nhuận tràng. Về mặt giá trị kinh tế: tại Việt Nam, cây củ dền đỏ có thể gieo trồng quanh năm nhƣng thời gian thích hợp nhất cho cây là từ tháng 8 đến đầu tháng 2 năm sau. Cây củ dền là cây ít tốn kém về giống, phân bón, điều kiện chăm sóc, phòng chống sâu bệnh và có thể sử dụng đƣợc tất cả các bộ phận của cây.

Tình hình trồng củ dền trên thế giới và ở Việt Nam Trên thế giới, củ dền có khoảng 20 loài, phân bố từ vùng bờ biển Địa Trung Hải, vùng bờ biển Đại Tây Dƣơng của Châu Âu (từ Hy Lạp đến Syria), Cận Đông đến khu vực Châu Á bao gồm Ấn Độ, nhƣng chỉ có 3 phân loài đƣợc công nhận gồm: - Beta vulgaris ssp. vulgaris - Beta vulgaris ssp. maritime - Beta vulgaris ssp. adanensis Củ dền đƣợc trồng khắp nơi trên thế giới trong khu vực ôn đới với nhu cầu sản xuất chính ở Bắc Mỹ, châu Âu và Mỹ.

Tại châu Âu, sản xuất củ dền đƣợc tập trung 8 chủ yếu ở Anh và Pháp; nhƣng Ý, Hà Lan, Đức, Hy Lạp, Tây Ban Nha và Đan Mạch cũng đóng góp phần lớn về trọng yếu phẩm này.