Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp thực phẩm ngày càng chú trọng đến việc sử dụng các chất màu tự nhiên thay thế cho màu tổng hợp, việc khai thác nguồn nguyên liệu phế phẩm để thu nhận các hợp chất màu có hoạt tính sinh học cao trở nên cấp thiết. Thanh long (Hylocereus undatus), một loại quả phổ biến tại Việt Nam và nhiều quốc gia Đông Nam Á, có vỏ chứa hàm lượng betalains đáng kể – một nhóm chất màu tự nhiên có khả năng chống oxy hóa mạnh. Tuy nhiên, phần vỏ thanh long thường bị bỏ đi, gây lãng phí nguồn nguyên liệu quý giá. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu thu nhận betalains từ vỏ thanh long ruột trắng bằng phương pháp trích ly có hỗ trợ enzyme thủy phân, đồng thời khảo sát và tối ưu hóa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguyên liệu vỏ thanh long thu nhận từ công ty Rồng Xanh (Phan Thiết), với các thí nghiệm được thực hiện trong năm 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao giá trị sử dụng phế phẩm nông nghiệp mà còn mở ra hướng ứng dụng betalains trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trong việc phát triển các sản phẩm có tính năng chống oxy hóa và an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cấu trúc và tính chất của betalains: Betalains là nhóm chất màu tan trong nước, gồm hai nhóm chính là betacyanins (màu đỏ tím) và betaxanthins (màu vàng cam). Betalains có khả năng chống oxy hóa mạnh, ổn định trong khoảng pH 3-7 và có hoạt tính sinh học có lợi cho sức khỏe.

  • Ảnh hưởng của enzyme pectinase trong trích ly: Enzyme pectinase thủy phân pectin trong thành tế bào thực vật, làm tăng độ thấm của màng tế bào, từ đó giải phóng betalains và các hợp chất phenolic ra dung môi trích ly.

  • Mô hình Plackett-Burmann và phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM): Được sử dụng để xác định và tối ưu hóa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến hàm lượng betalains trong dịch trích, bao gồm tỉ lệ dung môi/nguyên liệu, nồng độ enzyme, nhiệt độ, pH và thời gian xử lý.

Các khái niệm chính bao gồm: betalains, phenolic tổng, hoạt tính chống oxy hóa, độ nhớt dịch trích, enzyme pectinase, và các yếu tố công nghệ trích ly.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu vỏ thanh long ruột trắng (Hylocereus undatus) thu nhận từ công ty Rồng Xanh, Phan Thiết. Chế phẩm enzyme Pectinex Ultra SP-L được sử dụng với thành phần chính là polygalacturonase và pectin methyl esterase.

  • Phương pháp phân tích: Hàm lượng betalains được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-VIS tại bước sóng 540 nm. Hàm lượng phenolic tổng được đo bằng phương pháp Folin-Ciocalteu với bước sóng 760 nm. Hoạt tính chống oxy hóa được đánh giá qua phương pháp DPPH, biểu thị bằng mM Trolox/g chất khô. Độ nhớt dịch trích được đo theo nguyên tắc thời gian chảy qua ống mao quản.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (tỉ lệ dung môi/nguyên liệu, nồng độ enzyme, nhiệt độ, pH, thời gian xử lý) được thực hiện với cỡ mẫu 30g nguyên liệu mỗi lần, lặp lại ba lần. Mô hình Plackett-Burmann được áp dụng để sàng lọc các yếu tố quan trọng, sau đó tối ưu hóa bằng phương pháp đáp ứng bề mặt.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm giai đoạn khảo sát, tối ưu hóa và đánh giá độ bền màu của dịch trích betalains trong các điều kiện bảo quản khác nhau (nhiệt độ phòng, 4°C và -18°C trong 7 ngày).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi so với nguyên liệu: Khi tăng tỉ lệ dung môi từ 15:1 lên 25:1 (mL/g chất khô), hàm lượng betalains tăng từ 5,20 mg/100g lên 9,39 mg/100g nguyên liệu tươi, tương ứng tăng khoảng 80%. Hàm lượng phenolic tổng tăng từ 32,35 mg lên 37,34 mg gallic acid/100g nguyên liệu (tăng 13,4%). Hoạt tính chống oxy hóa tăng 57%, đạt 20,75 mM Trolox/g chất khô. Độ nhớt dịch trích giảm đáng kể, tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme hoạt động.

  2. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme pectinase: Tăng nồng độ enzyme từ 0% lên 0,1% làm hàm lượng betalains tăng 42% (từ 5,96 lên 10,35 mg/100g nguyên liệu tươi). Hàm lượng phenolic tổng tăng 47%, đạt 40,14 mg gallic acid/100g nguyên liệu. Hoạt tính chống oxy hóa đạt 23,03 mM Trolox/g chất khô. Độ nhớt giảm mạnh từ 95,52 xuống 5,25, giúp tăng hiệu quả trích ly. Tuy nhiên, khi nồng độ enzyme vượt quá 0,1%, các chỉ số này giảm do sự phân hủy betalains bởi enzyme oxy hóa trong chế phẩm.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý enzyme: Nhiệt độ 30°C cho hàm lượng betalains cao nhất 11,41 mg/100g nguyên liệu tươi, hàm lượng phenolic tổng 42,30 mg gallic acid/100g nguyên liệu và hoạt tính chống oxy hóa 24,34 mM Trolox/g chất khô. Nhiệt độ cao hơn (50-60°C) làm giảm các chỉ số này do betalains dễ bị phân hủy nhiệt.

  4. Ảnh hưởng của pH dung môi: pH 5 là điều kiện tối ưu, đạt hàm lượng betalains 11,41 mg/100g nguyên liệu tươi, phenolic tổng 42,30 mg gallic acid/100g nguyên liệu và hoạt tính chống oxy hóa 23,34 mM Trolox/g chất khô. Độ nhớt dịch trích thấp nhất tại pH này, hỗ trợ enzyme hoạt động hiệu quả.

  5. Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme: Thời gian 60 phút là tối ưu, với hàm lượng betalains 11,41 mg/100g nguyên liệu tươi và hoạt tính chống oxy hóa 24,34 mM Trolox/g chất khô. Thời gian dài hơn làm giảm hàm lượng betalains do sự phân hủy enzyme oxy hóa.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy tỉ lệ dung môi so với nguyên liệu và thời gian xử lý enzyme là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly betalains. Việc tăng lượng dung môi làm giảm độ nhớt dịch trích, tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme pectinase phá vỡ cấu trúc mô vỏ thanh long, giải phóng betalains và phenolic tổng. Tuy nhiên, tăng quá mức không làm tăng đáng kể hàm lượng betalains do giới hạn hòa tan và khuếch tán.

Nồng độ enzyme tối ưu 0,1% giúp cân bằng giữa khả năng thủy phân pectin và hạn chế sự phân hủy betalains do enzyme oxy hóa có trong chế phẩm. Nhiệt độ và pH tối ưu tương ứng với điều kiện hoạt động của enzyme pectinase, đồng thời bảo vệ betalains khỏi phân hủy nhiệt và biến đổi pH.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về trích ly betalains từ củ dền và thanh long ruột đỏ, kết quả nghiên cứu này cho thấy vỏ thanh long ruột trắng cũng là nguồn nguyên liệu tiềm năng với hàm lượng betalains đạt khoảng 11,41 mg/100g nguyên liệu tươi, tương đương hoặc cao hơn một số nguồn khác. Độ bền màu của dịch trích betalains được khảo sát cho thấy bảo quản ở nhiệt độ thấp (4°C và -18°C) giúp duy trì hàm lượng betalains và hoạt tính chống oxy hóa cao hơn so với nhiệt độ phòng, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự biến đổi hàm lượng betalains, phenolic tổng và hoạt tính chống oxy hóa theo các yếu tố công nghệ, giúp minh họa rõ ràng xu hướng và điểm tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình trích ly betalains từ vỏ thanh long ruột trắng với enzyme pectinase: Sử dụng tỉ lệ dung môi/nguyên liệu 25:1, nồng độ enzyme 0,1%, nhiệt độ 30°C, pH 5 và thời gian xử lý 60 phút để tối ưu hàm lượng betalains và hoạt tính chống oxy hóa. Thời gian thực hiện quy trình trong vòng 1-2 giờ, phù hợp cho quy mô công nghiệp nhỏ và vừa.

  2. Bảo quản dịch trích betalains ở nhiệt độ thấp: Khuyến nghị bảo quản dịch trích ở 4°C hoặc -18°C để duy trì độ bền màu và hoạt tính chống oxy hóa trong ít nhất 7 ngày, đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra.

  3. Phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng và mỹ phẩm từ betalains thu nhận: Khai thác tính năng chống oxy hóa và màu sắc tự nhiên của betalains để sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng, hướng tới thị trường tiêu dùng quan tâm sức khỏe và thiên nhiên.

  4. Khuyến khích sử dụng phế phẩm nông nghiệp trong công nghiệp thực phẩm: Tận dụng vỏ thanh long – nguồn nguyên liệu sẵn có và giá thành thấp – để giảm chi phí sản xuất và góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu chất thải.

  5. Nghiên cứu tiếp theo về ổn định betalains trong các điều kiện chế biến thực phẩm khác nhau: Đề xuất thực hiện các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ, pH, ánh sáng và các thành phần thực phẩm khác đến độ bền betalains nhằm mở rộng ứng dụng trong các sản phẩm đa dạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm: Có thể áp dụng kiến thức về trích ly betalains và tối ưu hóa quy trình enzyme để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến chất màu tự nhiên và hoạt tính sinh học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và mỹ phẩm thiên nhiên: Tận dụng quy trình trích ly betalains từ phế phẩm thanh long để phát triển sản phẩm mới, nâng cao giá trị và tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm: Tham khảo để xây dựng các chương trình khuyến khích sử dụng phế phẩm nông nghiệp, thúc đẩy phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

  4. Nhà sản xuất và chế biến thanh long: Áp dụng công nghệ trích ly betalains để tận dụng phế phẩm vỏ thanh long, giảm lãng phí và tăng thu nhập từ sản phẩm phụ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Betalains là gì và tại sao chúng quan trọng trong công nghiệp thực phẩm?
    Betalains là nhóm chất màu tự nhiên tan trong nước, gồm betacyanins và betaxanthins, có khả năng chống oxy hóa mạnh. Chúng được sử dụng để tạo màu tự nhiên cho thực phẩm, thay thế màu tổng hợp, đồng thời mang lại lợi ích sức khỏe nhờ tính năng chống oxy hóa.

  2. Tại sao sử dụng enzyme pectinase trong quá trình trích ly betalains?
    Enzyme pectinase thủy phân pectin trong thành tế bào thực vật, làm tăng độ thấm của màng tế bào, giúp giải phóng betalains và phenolic tổng ra dung môi trích ly, nâng cao hiệu suất thu nhận chất màu.

  3. Các yếu tố công nghệ nào ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu suất trích ly betalains?
    Tỉ lệ dung môi so với nguyên liệu và thời gian xử lý enzyme là hai yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng betalains và hoạt tính chống oxy hóa trong dịch trích.

  4. Làm thế nào để bảo quản dịch trích betalains hiệu quả?
    Bảo quản dịch trích ở nhiệt độ thấp (4°C hoặc -18°C) giúp duy trì độ bền màu và hoạt tính chống oxy hóa tốt hơn so với nhiệt độ phòng, hạn chế sự phân hủy betalains trong quá trình lưu trữ.

  5. Có thể ứng dụng betalains thu nhận từ vỏ thanh long vào những sản phẩm nào?
    Betalains có thể được sử dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, nước giải khát, mỹ phẩm thiên nhiên và các sản phẩm chăm sóc sức khỏe, tận dụng màu sắc tự nhiên và tính năng chống oxy hóa của chúng.

Kết luận

  • Đã xác định và tối ưu hóa thành công quy trình trích ly betalains từ vỏ thanh long ruột trắng sử dụng enzyme pectinase với các điều kiện: tỉ lệ dung môi/nguyên liệu 25:1, nồng độ enzyme 0,1%, nhiệt độ 30°C, pH 5 và thời gian 60 phút.
  • Hàm lượng betalains thu được đạt 12,43 mg/100g nguyên liệu tươi, cùng với hàm lượng phenolic tổng và hoạt tính chống oxy hóa cao, chứng minh hiệu quả của phương pháp.
  • Độ bền màu betalains được cải thiện khi bảo quản ở nhiệt độ thấp, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp thực phẩm.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sử dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu về ổn định betalains trong các điều kiện chế biến thực phẩm và phát triển sản phẩm ứng dụng betalains thu nhận.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai ứng dụng quy trình trích ly betalains trong sản xuất thực phẩm và mỹ phẩm, đồng thời tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ và mở rộng thị trường tiêu thụ.