Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất cây ăn quả nhiệt đới, trong đó cây xoài (Mangifera indica L.) giữ vị trí nông sản chủ lực. Theo số liệu thống kê được nêu trong tài liệu, xoài được trồng tại 59/63 tỉnh thành với tổng diện tích trên 100.000 ha; năm 2020 sản lượng đạt 893,2 ngàn tấn, đưa Việt Nam xếp thứ 13 thế giới về sản lượng xoài. Vùng Đồng bằng sông Cửu Long tập trung diện tích lớn nhất (trên 47.000 ha, năng suất 11–13 tấn/ha, sản lượng khoảng 567.000 tấn), trong đó có 1.789 ha đạt chứng nhận VietGAP và GlobalGAP phục vụ xuất khẩu. Tuy nhiên, tổng kim ngạch xuất khẩu xoài năm 2020 chỉ đạt hơn 180 triệu USD (thị trường Trung Quốc chiếm 84%), mức rất khiêm tốn so với quy mô thị trường xoài toàn cầu (12,3 tỷ USD).

Thực trạng ngành sản xuất xoài trong nước đối mặt với tổn thất sau thu hoạch lớn (từ 10% đến 30% đối với rau quả nói chung). Nguyên nhân bắt nguồn từ việc sản xuất nhỏ lẻ, công nghệ xử lý bảo quản và chế biến sau thu hoạch chưa phát triển đồng bộ, quả tươi dễ bị thối hỏng trong vận chuyển. Do đó, việc nghiên cứu đa dạng hóa các sản phẩm chế biến sâu như mứt đông (jam) từ xoài kết hợp với các loại quả nhiệt đới khác như dứa (Ananas comosus) và chanh leo (Passiflora edulis Sims) là giải pháp thực tiễn nhằm giảm thiểu áp lực tiêu thụ quả tươi, giải quyết tính mùa vụ và nâng cao giá trị gia tăng cho nông sản.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là khảo sát tỷ lệ phối trộn nguyên liệu và các thông số công nghệ của quá trình sản xuất mứt đông từ xoài bổ sung dứa và chanh leo, từ đó đề xuất và hoàn thiện quy trình sản xuất mứt đông có giá trị dinh dưỡng cao, cấu trúc gel đạt tiêu chuẩn cảm quan.

Bốn nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Xác định tỉ lệ phối trộn tối ưu giữa dịch quả xoài, dứa và chanh leo làm nguyên liệu cho chế biến mứt đông.
  2. Xác định tỉ lệ axit citric bổ sung và nồng độ chất khô hòa tan tổng số (TSS) tối ưu cho quá trình tạo sản phẩm mứt đông.
  3. Xác định nồng độ pectin bổ sung phù hợp tạo cấu trúc cho sản phẩm mứt đông.
  4. Đề xuất quy trình công nghệ sản xuất mứt đông hoàn chỉnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quả xoài, quả dứa, quả chanh leo; phụ gia thực phẩm gồm đường tinh luyện (saccharose), pectin (loại pectin methoxyl hóa thấp LM 102 AS) và axit citric (E330).
  • Phạm vi không gian: Bộ môn Công nghệ chế biến – Khoa Công nghệ thực phẩm – Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
  • Phạm vi thời gian: Từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 08 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình ứng dụng

Nghiên cứu dựa trên cơ sở hóa sinh học thực phẩm về cơ chế tạo gel của pectin trong hệ thực phẩm có nồng độ chất tan và môi trường axit:

  • Cơ chế tạo gel của Pectin: Polysaccharide dị thể cấu tạo từ các đơn vị axit D-galacturonic liên kết bằng liên kết $\alpha$-(1-4)-glycoside. Nghiên cứu sử dụng pectin methoxyl hóa thấp LM 102 AS (mức độ ester hóa DE $\le$ 50%), có khả năng tạo đông trong điều kiện nồng độ đường thấp hơn (30–50%) so với pectin methoxyl hóa cao (HMP cần đường >60% và pH 3,0–3,4). Cơ chế tạo mạng lưới gel không gian ba chiều được giải thích theo lý thuyết Spiese: các sợi polymer liên kết ngang qua liên kết hydro và tương tác kỵ nước để giam giữ pha lỏng bên trong.
  • Vai trò của đường và axit: Đường saccharose đóng vai trò chất hydrat hóa, làm giảm hoạt độ nước ($a_w < 0,7$) nhằm hạn chế vi sinh vật phát triển; ion $\mathrm{H}^+$ từ axit citric làm trung hòa điện tích âm trên các nhóm carboxylate ($-\mathrm{COO}^-$) của phân tử pectin, chuyển thành gốc $-\mathrm{COOH}$, giúp các chuỗi pectin tiếp cận và liên kết với nhau.
  • Phân loại sản phẩm: Định nghĩa sản phẩm mứt đông Jam tuân theo tiêu chuẩn Codex Stan 79-1981, được chế biến từ quả tươi/puree nấu với chất tạo ngọt cacbohydrat đến độ đặc xác định.

Phương pháp nghiên cứu và bố trí thí nghiệm

Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp thực nghiệm công nghệ thực phẩm kết hợp tối ưu hóa toán học:

  • Thí nghiệm 1 (Tối ưu hóa phối trộn 3 loại quả): Sử dụng thiết kế hỗn hợp (Mixture Design) với 8 công thức phối trộn trên phần mềm JMP 16.0 (tỷ lệ xoài 70–100%, dứa 0–20%, chanh leo 0–20%), cố định tỷ lệ dịch quả : đường là 7:3, axit citric 0,6%, pectin 0,7%, cô đặc ở 70°C đến 50 °Brix.
  • Thí nghiệm 2 (Tối ưu hóa axit citric và TSS): Bố trí thí nghiệm 2 yếu tố hồi quy đa biến bậc hai trên phần mềm JMP 16.0 với 2 biến độc lập: hàm lượng axit citric bổ sung (0,5–0,7%) và TSS (40–50 °Brix). Sử dụng hàm kỳ vọng Deringer ($D$) để tìm điểm dung hòa giữa hàm lượng carotenoid và điểm cảm quan.
  • Thí nghiệm 3 (Xác định nồng độ pectin): Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố với 3 nồng độ pectin bổ sung (0,4%; 0,7%; 1,0% tính theo tổng khối lượng dịch quả). Pectin LM 102 AS được chuẩn bị bằng cách hòa tan với đường và nước theo tỷ lệ 1:1:19 trước khi phối trộn. Xử lý thống kê bằng phân tích phương sai ANOVA một chiều và kiểm định Tukey ($\alpha = 0,05$) trên phần mềm Minitab 16.0.

Phương pháp phân tích và kiểm nghiệm

  • Xác định nồng độ chất khô hòa tan (TSS): Đo bằng chiết quang kế kỹ thuật số Atago (Nhật Bản, dải đo 0–95 °Brix).
  • Xác định hàm lượng axit tổng số (%): Chuẩn độ dung dịch mẫu pha loãng bằng dung dịch $\mathrm{NaOH}\ 0,1\text{N}$ đến điểm dừng $\mathrm{pH} = 8,1$ trên máy đo pH (tính theo hệ số axit citric/malic quy đổi).
  • Xác định hàm lượng đường tổng số (%): Phương pháp đo màu quang phổ với thuốc thử 3,5-dinitrosalicylic acid (DNS) tại bước sóng $\lambda = 540\text{ nm}$ sau khi thủy phân bằng $\mathrm{HCl}\ 1\text{N}$ ở 70–80°C trong 30 phút, đối chiếu qua đường chuẩn glucose.
  • Xác định hàm lượng carotenoid tổng số ($\mu\text{g/ml}$): Thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 9042-2:2012, trích ly bằng dung môi aceton 100% trong 3–5 ngày ở 5–10°C, đo mật độ quang trên máy quang phổ UV-VIS ở các bước sóng $661,6\text{ nm}$, $644,8\text{ nm}$ và $470\text{ nm}$.
  • Đánh giá cảm quan: Phương pháp so hàng theo TCVN 11184:2015, thực hiện với hội đồng người thử gồm 30 thành viên (đối với TN1, TN2) và 25 thành viên (đối với TN3).

Nội dung chính theo từng chương

Phần thứ nhất – Đặt vấn đề

Tác giả nêu bật sự chênh lệch giữa vị thế sản xuất xoài của Việt Nam (đứng thứ 13 thế giới) và giá trị xuất khẩu thực tế, phân tích áp lực tổn thất sau thu hoạch (10–30%) do thời gian bảo quản quả tươi ngắn và hạn chế trong công nghệ chế biến. Tác giả luận giải việc phát triển sản phẩm mứt đông xoài phối chế dứa và chanh leo nhằm giải quyết tính mùa vụ, đa dạng hóa cơ cấu sản phẩm chế biến và cải thiện thu nhập cho nông dân.

Phần thứ hai – Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp các cơ sở dữ liệu về ba loại quả nguyên liệu:

  • Xoài: Cung cấp 62 kcal/100g, 30 mg vitamin C, 445 $\mu\text{g}$ beta-caroten, hợp chất chống oxy hóa mangiferin, polyphenol và giàu khoáng chất.
  • Dứa: Chứa enzyme bromelain thủy phân protein, axit hữu cơ (citric, maleic), vitamin C và mangan.
  • Chanh leo: Giàu axit hữu cơ tự do (95% là axit citric và axit aspartic), tạo hương thơm đậm và vị chua mạnh. Tác giả cũng hệ thống hóa lý thuyết tạo gel của pectin, phân loại các dòng sản phẩm mứt đông (Jelly, Jam, Marmalade) và tổng kết các lỗi kỹ thuật thường gặp trong sản xuất mứt quả (hiện tượng kết tinh đường, mứt bị vữa tách nước, mứt nổi bọt khí, mứt quá cứng hoặc khó đông) cùng nguyên nhân và giải pháp khắc phục.

Phần thứ ba – Đối tượng – Nội dung – và Phương pháp nghiên cứu

Trình bày danh mục thiết bị, hóa chất, địa điểm nghiên cứu tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ dự kiến (từ chuẩn bị nguyên liệu, ép lấy puree/dịch quả, chà tách hạt chanh leo, phối trộn đường/axit/pectin, nấu cô đặc ở 70°C, rót nóng vào lọ thủy tinh ở 80°C, thanh trùng ở 85°C trong 15 phút, làm nguội nhanh xuống 35–40°C). Mô tả chi tiết 3 mô hình thí nghiệm tối ưu và các công thức tính toán hóa lý (TSS, axit tổng, đường khử/đường tổng bằng DNS, carotenoid, điểm cảm quan so hàng).

Phần thứ tư – Kết quả và thảo luận

Chương kết quả trình bày số liệu thực nghiệm của ba bước công nghệ chính:

1. Kết quả tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn ba loại dịch quả

Số liệu từ 8 công thức thiết kế hỗn hợp cho thấy hàm lượng carotenoid và điểm cảm quan biến thiên rõ rệt tùy theo tỷ lệ phối trộn:

Công thức (CT) Tỷ lệ Xoài : Dứa : Chanh leo Xoài (%) Dứa (%) Chanh leo (%) Carotenoid ($\mu\text{g/ml}$) Điểm cảm quan so hàng
1 10 : 0 : 0 100 0 0 0,502 4,20
2 9 : 1 : 0 90 10 0 0,511 6,57
3 9 : 0 : 1 90 0 10 0,490 3,90
4 8 : 1 : 1 80 10 10 0,485 3,13
5 8 : 2 : 0 80 20 0 0,505 7,03
6 8 : 0 : 2 80 0 20 0,497 6,83
7 7 : 1 : 2 70 10 20 0,488 1,43
8 7 : 2 : 1 70 20 10 0,481 2,90

Phân tích hồi quy chỉ ra xoài có tầm quan trọng bậc nhất (hệ số ảnh hưởng >10, $p < 0,05$), tiếp theo là dứa và chanh leo (hệ số ~4,1). Tuy nhiên, khi kết hợp cả ba nguyên liệu, chanh leo với tính axit cao và mùi nồng đã lấn át hương vị tự nhiên của xoài và dứa, khiến điểm cảm quan giảm mạnh. Công thức 5 (80% xoài : 20% dứa : 0% chanh leo) đạt giá trị kỳ vọng tổng thể cao nhất ($D = 0,854$), điểm cảm quan đạt 7,03 và giữ được hàm lượng carotenoid cao (0,505 $\mu\text{g/ml}$).

2. Kết quả tối ưu hóa nồng độ TSS và axit citric bổ sung

Cố định tỷ lệ dịch quả ở mức 80% xoài : 20% dứa, các nghiệm thức khảo sát hàm lượng axit bổ sung (0,5–0,7%) và TSS (40–50 °Brix) cho thấy mối tương quan:

CT Axit bổ sung (%) TSS (°Brix) Axit tổng số (%) Đường tổng số (%) Carotenoid ($\mu\text{g/ml}$) Điểm cảm quan so hàng
9 0,5 40 0,61 35,42 0,501 2,47
10 0,7 40 0,81 35,63 0,498 2,67
11 0,5 50 0,63 46,21 0,504 3,33
12 0,7 50 0,83 46,75 0,500 3,13
13 0,6 45 0,72 41,20 0,502 4,40
14 0,6 45 0,71 41,15 0,503 4,40

Mặc dù tổ hợp 50 °Brix và 0,7% axit đạt độ bền gel lý thuyết với điểm kỳ vọng $D = 0,73$, mẫu này có vị ngọt gắt không phù hợp thị hiếu giảm đường. Mẫu 40 °Brix và 0,5% axit lại có khả năng tạo đông kém, mứt nhanh chảy nước ($D = 0,3$). Tổ hợp công nghệ tối ưu được lựa chọn là TSS = 45 °Brix và axit citric bổ sung = 0,6% (điểm cảm quan cao nhất đạt 4,40; hàm kỳ vọng $D = 0,534$).

3. Kết quả khảo sát nồng độ pectin bổ sung

Khảo sát ảnh hưởng của 3 mức pectin LM 102 AS (0,4%; 0,7%; 1,0%) đến chất lượng sản phẩm:

CT Pectin (%) TSS (°Brix) Axit tổng số (%) Đường tổng số (%) Carotenoid ($\mu\text{g/ml}$) Điểm cảm quan so hàng
15 0,4 45 0,71 41,18 0,502 $3,12^{\text{b}}$
16 0,7 45 0,72 41,22 0,503 $4,48^{\text{a}}$
17 1,0 45 0,71 41,15 0,501 $3,60^{\text{b}}$

Hàm lượng pectin không làm thay đổi có ý nghĩa thống kê đối với các chỉ tiêu hóa học (đường tổng, axit tổng, carotenoid), nhưng quyết định trực tiếp tới cấu trúc gel. Ở nồng độ 0,4%, gel mềm nhão, dễ tách nước; ở nồng độ 1,0%, gel quá cứng, tạo vón; mức 0,7% tạo cấu trúc mềm mịn, đàn hồi tốt, đạt điểm cảm quan vượt trội (4,48 điểm, khác biệt có ý nghĩa thống kê ở mức $\alpha = 0,05$).

Phần thứ năm – Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các giá trị thông số công nghệ tối ưu đã chứng minh bằng thực nghiệm và nêu các kiến nghị tiếp tục hoàn thiện đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thông số công nghệ cốt lõi

Khóa luận đã xác lập bộ thông số kỹ thuật tối ưu cho quy trình sản xuất mứt đông xoài - dứa:

Thông số công nghệ Giá trị tối ưu xác lập
Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu 80% dịch xoài : 20% dịch dứa (loại bỏ dịch chanh leo)
Tỷ lệ phối trộn dịch quả : đường 7 : 3
Nồng độ axit citric bổ sung 0,6% khối lượng
Nồng độ chất khô hòa tan (TSS) 45 °Brix
Nồng độ pectin LM 102 AS 0,7% (chuẩn bị theo tỷ lệ pectin:đường:nước là 1:1:19)
Nhiệt độ cô đặc 70°C
Nhiệt độ rót hộp 80°C
Chế độ thanh trùng và hạ nhiệt 85°C trong 15 phút; làm nguội nhanh xuống 35–40°C

Giải pháp và đóng góp khoa học - thực tiễn

  • Phát triển sản phẩm mứt đông nồng độ đường trung bình: Việc ứng dụng thành công pectin methoxyl hóa thấp (LM 102 AS) cho phép tạo gel vững chắc ở nồng độ 45 °Brix, thấp hơn đáng kể so với mức truyền thống (60–65 °Brix), đáp ứng xu hướng tiêu dùng giảm ngọt và giảm nguy cơ các bệnh rối loạn chuyển hóa.
  • Tối ưu hóa phối chế hương vị nông sản nhiệt đới: Kết quả thực nghiệm làm sáng tỏ tương tác giữa ba loại quả, chứng minh việc phối hợp 20% dịch dứa nâng cao chất lượng cảm quan và hỗ trợ giữ hàm lượng carotenoid (0,503–0,505 $\mu\text{g/ml}$), trong khi việc bổ sung chanh leo không mang lại hiệu quả cảm quan như giả thuyết ban đầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và nội dung thực tế trong văn bản khóa luận:

  • Hạn chế: Đề tài mới dừng lại ở việc đánh giá cấu trúc gel thông qua phương pháp cảm quan so hàng bằng mắt và cảm giác miệng của hội đồng thử, chưa đo đạc các chỉ tiêu cơ lý cấu trúc (độ bền gel, độ nhớt, độ đàn hồi, độ dính) bằng các thiết bị phân tích cấu trúc chuyên dụng (Texture Analyzer); chưa theo dõi sự biến đổi chất lượng dinh dưỡng, vi sinh vật và độ ổn định của mứt trong quá trình bảo quản dài hạn theo thời gian.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Khảo sát sự biến đổi các chỉ tiêu hóa lý, hàm lượng vitamin C, hoạt tính chống oxy hóa và chỉ tiêu vi sinh vật của mứt đông trong thời gian bảo quản ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau.
    • Nghiên cứu xác định hạn sử dụng (shelf-life) và thử nghiệm sản xuất ở quy mô pilot/công nghiệp nhằm hoàn thiện tính khả thi kinh tế - kỹ thuật.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Sau thu hoạch: Tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm thiết kế hỗn hợp (Mixture Design) bằng phần mềm JMP, phương pháp tối ưu hóa đa biến sử dụng hàm kỳ vọng Deringer và các quy trình phân tích định lượng carotenoid, đường khử bằng DNS.
  • Kỹ sư phát triển sản phẩm (R&D) và cơ sở chế biến rau quả: Cung cấp quy trình công nghệ cụ thể, định lượng rõ ràng các tỷ lệ phối chế nguyên liệu (xoài, dứa, đường, axit citric, pectin LM) để sản xuất mứt đông dạng Jam có nồng độ chất tan 45 °Brix.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công thức tối ưu cuối cùng lại loại bỏ hoàn toàn dịch chanh leo dù ban đầu được đưa vào nghiên cứu?

Theo kết quả đánh giá cảm quan tại Thí nghiệm 1, khi phối trộn cả 3 loại dịch quả (xoài, dứa, chanh leo), dịch chanh leo có độ axit cao và mùi thơm đặc trưng rất nồng đã lấn át hương vị tự nhiên của xoài và dứa. Các công thức có chanh leo (CT4, CT7, CT8) đều đạt điểm cảm quan rất thấp (1,43–3,13 điểm), trong khi công thức chỉ phối trộn xoài và dứa theo tỷ lệ 80:20 (CT5) đạt điểm cảm quan cao nhất (7,03 điểm) và giá trị kỳ vọng $D = 0,854$.

2. Vì sao nghiên cứu lựa chọn độ khô hòa tan 45 °Brix thay vì mức 50 °Brix có hàm kỳ vọng lý thuyết cao hơn?

Ở mức 50 °Brix kết hợp 0,7% axit citric, sản phẩm có hàm kỳ vọng đạt $D = 0,73$ nhưng hàm lượng đường cao khiến mứt có vị ngọt gắt, không phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng hiện đại vốn ưa chuộng sản phẩm ít đường để bảo vệ sức khỏe. Mức 45 °Brix kết hợp 0,6% axit citric vừa đảm bảo cấu trúc tạo gel tốt, vị chua ngọt hài hòa, vừa đạt điểm cảm quan cao nhất (4,40 điểm) trong phép thử so hàng.

3. Loại pectin nào được sử dụng trong nghiên cứu và phương pháp chuẩn bị ra sao?

Nghiên cứu sử dụng pectin methoxyl hóa thấp mang mã hiệu LM 102 AS, có khả năng tạo gel tốt ở nồng độ đường thấp (30–50%). Để pectin phân tán đều và không bị vón cục khi nấu mứt, pectin bột được xử lý hòa tan trước với đường tinh luyện và nước theo tỷ lệ khối lượng 1 : 1 : 19 trước khi bổ sung vào khối dịch quả đang cô đặc.

4. Hàm lượng carotenoid tổng số trong sản phẩm được xác định bằng phương pháp nào?

Hàm lượng carotenoid được định lượng theo tiêu chuẩn TCVN 9042-2:2012 bằng phương pháp trích ly sắc tố bằng dung môi aceton 100% (giữ mẫu trong 3–5 ngày ở nhiệt độ 5–10°C đến khi bã mẫu trắng hoàn toàn). Dung dịch trích ly sau đó được đo mật độ quang trên máy quang phổ UV-VIS tại các bước sóng $661,6\text{ nm}$, $644,8\text{ nm}$ và $470\text{ nm}$ để tính toán hàm lượng ($\mu\text{g/ml}$).

5. Chế độ thanh trùng và làm nguội của quy trình sản xuất được quy định như thế nào?

Sau khi cô đặc đạt 45 °Brix, sản phẩm được nâng nhiệt lên 80°C để rót nóng vào lọ thủy tinh nhằm bài khí và hạn chế nhiễm vi sinh vật. Tiếp đó, sản phẩm được ghép nắp và tiến hành thanh trùng nhiệt ở 85°C trong thời gian 15 phút, sau đó làm nguội nhanh xuống 35–40°C để cố định nhanh mạng gel pectin, giữ màu sắc và hương vị tự nhiên của sản phẩm.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Đinh Thị Anh Thư đã nghiên cứu và tối ưu hóa thành công các thông số công nghệ chính trong sản xuất mứt đông dạng Jam từ nguyên liệu xoài phối hợp dứa. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa toán học, nghiên cứu đã xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu là 80% xoài : 20% dứa, bổ sung 0,6% axit citric, 0,7% pectin LM 102 AS và cô đặc đến nồng độ chất khô hòa tan 45 °Brix. Quy trình công nghệ đề xuất tạo ra sản phẩm mứt đông có cấu trúc gel ổn định, giữ được hàm lượng carotenoid tự nhiên (0,503 $\mu\text{g/ml}$) và có độ ngọt vừa phải, góp phần cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi cho việc chế biến sâu nông sản nhiệt đới.