Tổng quan luận án

Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho thảm thực vật phát triển phong phú và đa dạng, trong đó có nhiều loài thực vật chứa tinh dầu và các hoạt chất sinh học có giá trị dược lý cao. Trong hệ thực vật hạt kín, họ Gừng (Zingiberaceae) gồm khoảng 50 chi và 1.300 loài trên thế giới, phân bố tập trung chủ yếu ở vùng nhiệt đới Đông Nam Á. Tại Việt Nam, họ Gừng đã được ghi nhận có 19 chi, 144 loài và thứ, trong đó có khoảng 14 chi và 64 loài được khai thác, sử dụng trong y học, dược phẩm, sản xuất hương liệu và công nghệ thực phẩm. Các chất thơm thiên nhiên và hợp chất chiết xuất từ chi Gừng (Zingiber) được chứng minh có nhiều hoạt tính sinh học như khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn và kháng viêm.

Mặc dù nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm chế biến từ gừng (tinh dầu, nhựa dầu) trong nước ước tính khoảng 5 - 6 tấn/năm và phục vụ xuất khẩu, việc sản xuất công nghiệp các sản phẩm này tại Việt Nam vẫn còn hạn chế. Nguồn nguyên liệu hương liệu tinh dầu và nhựa dầu phục vụ sản xuất thực phẩm, bánh kẹo, chè và dược phẩm hàng năm phần lớn phải nhập khẩu. Các công trình nghiên cứu trong nước về thành phần hóa học, tính chất hóa lý, hoạt tính sinh học và ứng dụng công nghệ của các loài gừng hoang dại bản địa khu vực Bắc Trung Bộ còn phân tán, chưa có tính hệ thống. Xuất phát từ thực tế đó, luận án tiến sĩ với đề tài “Nghiên cứu thu nhận tinh dầu và nhựa dầu từ chi Gừng (Zingiber) thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm” được thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xây dựng được cơ sở dữ liệu về thành phần hóa học và giá trị sử dụng của tinh dầu và nhựa dầu gừng của một số loài thuộc chi gừng (Zingiber).
  2. Đưa ra quy trình công nghệ tối ưu thu nhận tinh dầu và nhựa dầu từ gừng; đưa ra một số giải pháp công nghệ định hướng sử dụng các bán thành phẩm vào sản xuất một số loại thực phẩm và đề xuất được giải pháp công nghệ sử dụng bã thải thành một số sản phẩm hữu ích, góp phần bảo vệ môi trường.

Nội dung nghiên cứu

Luận án triển khai 4 nội dung nghiên cứu chính:

  1. Nghiên cứu xác định chất lượng nguyên liệu, tính chất hóa lý và thành phần hóa học của tinh dầu và nhựa dầu từ củ 7 loài gừng (Z. cochinchinensis, Z. gramineum, Z. rufopilosum, Z. zerumbet, Z. rubens, Z. collinsii, Z. officinale) tự nhiên khu vực Bắc Trung Bộ (Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình), Việt Nam.
  2. Xây dựng quy trình thu nhận tinh dầu, nhựa dầu gừng, xác định hoạt tính sinh học của tinh dầu và nhựa dầu, công thức cấu tạo của một số hợp chất trong nhựa dầu từ củ gừng loài Z. collinsii tự nhiên khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam.
  3. Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng tinh dầu, nhựa dầu gừng vào một số sản phẩm thực phẩm.
  4. Đề xuất giải pháp công nghệ sử dụng các phụ phẩm từ quá trình thu nhận chất thơm (tinh dầu và nhựa dầu) vào một số lĩnh vực khác: sản xuất tinh bột và làm giá thể trồng nấm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Gồm 7 loài gừng thuộc chi Zingiber, họ Zingiberaceae, được định danh và thu thập ngoài tự nhiên:
    1. Zingiber cochinchinensis Gagnep.
    2. Zingiber gramineum Noronha ex Blume (Gừng lúa)
    3. Zingiber rufopilosum Gagnep. (Gừng lông hung)
    4. Zingiber zerumbet (L.) Smith (Gừng gió)
    5. Zingiber rubens Roxb.
    6. Zingiber collinsii Mood & Theilade (Gừng colin)
    7. Zingiber officinale Roscoe (Gừng trồng)
  • Phạm vi không gian: Khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam, tập trung tại các địa bàn Vườn Quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng (tỉnh Quảng Bình), Vườn Quốc gia Pù Mát (tỉnh Nghệ An), Vườn Quốc gia Vũ Quang (tỉnh Hà Tĩnh) và vùng trồng gừng tại tỉnh Nghệ An.
  • Phạm vi nội dung: Đánh giá tính chất hóa lý nguyên liệu củ; tối ưu hóa quy trình chưng cất lôi cuốn hơi nước thu nhận tinh dầu và trích ly nhựa dầu bằng dung môi; phân tích cấu tử bằng GC/MS, LC/MS và phổ NMR; thử nghiệm hoạt tính chống oxy hóa DPPH và kháng khuẩn; vi nang hóa tinh dầu bằng β-cyclodextrin theo phương pháp đông khô; thử nghiệm bổ sung vào rượu mùi, chè đen; tận dụng bã gừng sau chiết xuất để tách tinh bột và làm giá thể nấm.
TT Tên khoa học Tên tiếng Việt Địa điểm thu mẫu
1 Zingiber cochinchinensis Gagnep. Gừng Nam Bộ / Gừng cochinchinensis Vườn Quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng, Quảng Bình
2 Zingiber gramineum Noronha ex Blume Gừng lúa, Ngải Trặc Vườn Quốc gia Pù Mát, Nghệ An
3 Zingiber rufopilosum Gagnep. Gừng lông hung Vườn Quốc gia Pù Mát, Nghệ An
4 Zingiber zerumbet (L.) Smith Gừng gió Vườn Quốc gia Vũ Quang, Hà Tĩnh
5 Zingiber rubens Roxb. Gừng đỏ Vườn Quốc gia Pù Mát, Nghệ An
6 Zingiber collinsii Mood & Theilade Gừng colin Vườn Quốc gia Pù Mát, Nghệ An
7 Zingiber officinale Roscoe Gừng Nghệ An

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp các nghiên cứu về phân loại thực vật, thành phần hóa học và công nghệ chiết xuất chi Gừng trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Về phân loại và phân bố thực vật: Hệ thống Cronquist (1981) xếp bộ Gừng (Zingiberales) gồm 8 họ thuộc phân lớp Zingiberidae. J. Kress và cộng sự (2002) phân loại họ Gừng thành 53 chi thuộc 4 phân họ: Siphonochiloideae, Tamijoideae, Alpinioideae và Zingiberoideae. Larsen và cộng sự tổng hợp danh mục các loài gừng toàn cầu. Tại Việt Nam, công trình nghiên cứu hệ thống của Nguyễn Quốc Bình (2011) xác định họ Gừng có 19 chi với 144 loài và thứ, trong đó 14 chi với 64 loài có giá trị sử dụng. Luận án thống kê danh mục 13 loài chi Zingiber phân bố tại các vùng sinh thái Việt Nam.
TT Tên khoa học Tên Việt Nam Phân bố ghi nhận
1 Z. officinale Roscoe Gừng Phân bố rộng
2 Z. acuminatum Valeton Gừng nhọn Tây Nguyên, Trung Bộ
3 Z. cochinchinensis Gagnep. Gừng Nam Bộ Bà Rịa - Vũng Tàu, Quảng Bình
4 Z. eberhardtii Gừng Eberhardt Lâm Đồng
5 Z. gramineum Noronha ex Blume Gừng lúa, Ngải Trặc Biên Hòa, Nghệ An
6 Z. integrum Gừng một lá Ninh Bình
7 Z. pellitum Gừng bọc da Bà Rịa - Vũng Tàu
8 Z. purpureum Roscoe Gừng tía (gừng dại) Phân bố rộng
9 Z. rubens Roxb. Gừng đỏ Lâm Đồng, Nghệ An
10 Z. rufopilosum Gagnep. Gừng lông hung Ba Vì, Vĩnh Phúc, Nghệ An
11 Z. zerumbet (L.) Smith Gừng gió Phân bố rộng
12 Z. thorelii Gagnep. / Theilade Gừng môi tím đốm Sơ Pai, Kbang, Gia Lai
13 Z. collinsii Mood & Theilade Gừng colin Bắc Trung Bộ
  • Về thành phần hóa học tinh dầu: Các nghiên cứu quốc tế xác định tinh dầu Z. officinale chứa các hợp chất sesquiterpene và monoterpene chủ yếu gồm $\alpha$-zingiberene, ar-curcumene, $\beta$-bisabolene, $\beta$-sesquiphellandrene, camphene, geranial, neral. Sivasothy và cộng sự chỉ ra sự khác biệt thành phần giữa lá và thân rễ Z. rubrum. Nghiên cứu trên Z. cassumunar tại Thái Lan và Malaysia ghi nhận sabinene, terpinen-4-ol, $\alpha$-caryophyllene; Z. zerumbet tại Ấn Độ chứa zerumbone (69,9%) và $\alpha$-humulene (12,9%); Z. nimmonii chứa caryophyllene (Sabulal và cs); Z. wrayi var. lim tại Thái Lan chứa trans-anethole (96,5%); Z. montanum tại Indonesia chứa terpinen-4-ol, sabinene (Taroeno và cs, 1991). Tại Việt Nam, Nguyễn Xuân Dũng và cộng sự (2005) công bố tinh dầu gừng chứa camphene (11,7%), $\beta$-phellandrene (11,4%), geranyl acetate (23,4%); Đỗ Đình Rãng và cộng sự khảo sát mẫu gừng tại Hưng Yên; Trương Thị Tố Chinh và cộng sự phân tích thân rễ Z. thorelii; Văn Ngọc Hướng và cộng sự (2011) phân tích cặn chiết Zingiber và gừng lông hung ghi nhận linalool (55,96%), $\alpha$-terpineol (12,14%).
  • Về thành phần nhựa dầu (Oleoresin): Nhựa dầu gừng chứa các chất bay hơi tạo mùi và các hợp chất không bay hơi mang vị cay (gingerol, shogaol, zingerone, paradol). Balldin và cộng sự (Ấn Độ) so sánh hiệu suất trích ly chất cay bằng ethanol (tổng gingerol 3,03 g/100g, tổng shogaol 0,22 g/100g) và acetone (tổng gingerol 3,64 g/100g, tổng shogaol 0,96 g/100g). Jianping Ma và cộng sự (2004) phân lập 7 hợp chất diarylheptanoid mới từ gừng Trung Quốc. Tian-Shung Wu phân lập các dehydroshogaol; Juan J. Araya và cộng sự xác định các dẫn xuất zingerine; Akiko Jitoe và cộng sự (1992) phân lập phenylbutenoid dimer; Baker D. (1975) phân lập 1-(3,4-dimethoxyphenyl)butadiene từ Z. cassumunar.
  • Về công nghệ sản xuất và bao gói hương liệu: Bùi Quang Thuật và cộng sự (2002) nghiên cứu công nghệ sản xuất nhựa dầu gừng quy mô thực nghiệm 500 kg/ngày. Ubbink và Schoonman (2003), Porzio (2007) tổng kết các phương pháp vi nang hóa chất thơm (sấy phun, ép đùn, đông khô, đồng kết tinh). Nath và cộng sự tối ưu hóa quy trình sản xuất kẹo gừng Injimurappa tại Ấn Độ.

Khoảng trống nghiên cứu

  1. Chưa có công trình khảo sát có tính hệ thống và so sánh đồng thời về chất lượng nguyên liệu, thành phần tinh dầu và nhựa dầu của các loài gừng hoang dại phân bố tự nhiên tại khu vực Bắc Trung Bộ.
  2. Thiếu quy trình công nghệ tối ưu hóa đồng thời việc thu nhận cả hai phân đoạn chất thơm (thành phần tạo mùi - tinh dầu và thành phần tạo vị - nhựa dầu) từ củ gừng bằng các phương pháp phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.
  3. Chưa có dữ liệu phân lập cấu trúc chi tiết các hợp chất hóa học trong nhựa dầu của loài gừng bản địa Zingiber collinsii.
  4. Thiếu nghiên cứu ứng dụng phương pháp đông khô với chất mang $\beta$-cyclodextrin để tạo bột hương liệu tinh dầu gừng tại Việt Nam, cũng như giải pháp công nghệ tận dụng bã phụ phẩm theo mô hình sản xuất khép kín.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết phân tách chất thơm thực vật: Tinh dầu là tổ hợp các hợp chất hydrocacbon và dẫn xuất chứa oxy có khối lượng phân tử thấp, dễ bay hơi, được thu nhận bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên định luật áp suất hơi riêng phần. Nhựa dầu (oleoresin) là hỗn hợp gồm tinh dầu bay hơi, chất cay không bay hơi, chất béo, sáp và chất màu, được thu nhận bằng phương pháp trích ly rắn - lỏng dùng dung môi hữu cơ.
  • Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa: Ứng dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM) theo mô hình Box-Behnken bậc hai 3 yếu tố để xác định điều kiện tối ưu cho hiệu suất chưng cất tinh dầu và trích ly nhựa dầu. Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp hàm mong đợi (Desirability function - Derringer và Suich).
  • Lý thuyết vi nang hóa bằng Cyclodextrin: Sử dụng $\beta$-cyclodextrin cấu trúc phân tử hình nón cụt có khoang kỵ nước bên trong và bề mặt ngoài ưa nước, có khả năng tạo phức bao phân tử (inclusion complex) với các cấu tử tinh dầu dễ bay hơi, giúp tăng độ bền nhiệt và hạn chế oxy hóa trong quá trình đông khô.

Phương pháp phân tích và thực nghiệm

  • Định danh thực vật: Các tiêu bản thực vật được định danh bởi TS. Đỗ Ngọc Đài (Trường Đại học Kinh tế Nghệ An), so sánh đối chiếu mẫu chuẩn tại Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và lưu giữ tại Bộ môn Thực vật - Viện Sư phạm Tự nhiên - Trường Đại học Vinh.
  • Phương pháp phân tích hóa lý nguyên liệu củ:
    • Tỷ lệ thu hồi vỏ và thịt củ: Phương pháp cân khối lượng và tính phần trăm.
    • Độ ẩm: Phương pháp chưng cất lôi cuốn với dung môi toluene trong bình cầu 500 mL theo công thức: $$W = \frac{V \cdot d}{m} \times 100 \ (%)$$
    • Tinh bột: Thủy phân bằng dung dịch $\text{HCl } 2%$ ở điều kiện cách thủy đun sôi 2 giờ, trung hòa bằng $\text{NaOH } 10%$ (chỉ thị methyl da cam), xác định đường khử bằng phương pháp Graxianop (sử dụng dung dịch ferixyanua kali $\text{K}_3[\text{Fe}(\text{CN})_6]$ trong môi trường kiềm $\text{KOH}$, chỉ thị xanh methylen). Hàm lượng tinh bột tính theo công thức: $$\text{TB} = \frac{a \times 250 \times 100}{b \times m} \times 0{,}9 \ (%)$$
    • Hàm lượng cellulose: Phân tích theo tiêu chuẩn TCVN 5103:1990 (xử lý acid, kiềm, nung ở $550^\circ\text{C}$).
    • Hàm lượng tro tổng số: Phân tích theo tiêu chuẩn TCVN 9939:2013 (nung ở $900 \pm 25^\circ\text{C}$).
  • Phương pháp phân tích hóa lý tinh dầu:
    • Cảm quan: TCVN 8460:2010 (màu sắc, mùi, vị trên giấy thấm và đường kính).
    • Tỷ trọng ($d_{20}^{20}$): TCVN 8444:2010 bằng bình tỷ trọng tại $20^\circ\text{C}$.
    • Góc quay cực ($\alpha$): TCVN 8446:2010.
    • Chỉ số khúc xạ ($n_D^{20}$): TCVN 8445:2010 trên khúc xạ kế với hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ $0{,}0004/\Delta t$.
    • Chỉ số acid: TCVN 8450:2010 chuẩn độ bằng $\text{KOH } 0{,}1\text{N}$.
    • Chỉ số ester: TCVN 8451:2010 xà phòng hóa bằng $\text{KOH}$ và chuẩn độ ngược bằng $\text{H}_2\text{SO}_4 \ 0{,}5\text{N}$.
    • Hàm lượng aldehyde: TCVN 189:1993 dựa trên phản ứng cộng hợp với $\text{Na}_2\text{SO}_3$.
    • Độ hòa tan trong ethanol: TCVN 8449:2010 ở $20 \pm 0{,}5^\circ\text{C}$.
  • Phương pháp phân tích công cụ và phổ học:
    • Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS): Hệ thống Agilent 6890N ghép nối đầu dò khối phổ HP 5973 MSD; cột mao quản HP-5MS ($30\text{ m} \times 0{,}25\text{ mm} \times 0{,}25\ \mu\text{m}$); khí mang He; nhiệt độ buồng tiêm PTV $250^\circ\text{C}$; chương trình nhiệt độ cột: $60^\circ\text{C}$ (giữ 2 phút), tăng $4^\circ\text{C}$/phút lên $220^\circ\text{C}$, tăng $20^\circ\text{C}$/phút lên $260^\circ\text{C}$. So sánh dữ liệu khối phổ với thư viện Wiley/Chemstation HP.
    • Sắc ký lỏng ghép khối phổ phân giải cao (LC/MS): Hệ thống khối phổ micrOTOF-QII Bruker Daltonics ghép nối hệ sắc ký lỏng Agilent 1200; cột pha đảo ACE3-C18 ($150\text{ mm} \times 4{,}6\text{ mm}, \ 3{,}5\ \mu\text{m}$) ở $40^\circ\text{C}$; tốc độ dòng $0{,}3\text{ mL/phút}$; pha động nước khử ion chứa $0{,}1%$ acid formic (pha A) và acetonitril chứa $0{,}1%$ acid formic (pha B); chế độ ion hóa ESI dương, điện áp mao dẫn $4500\text{ V}$.
    • Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Đo phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$), $^{13}\text{C-NMR}$ ($125\text{ MHz}$), DEPT, HMBC, HSQC, COSY trên máy Bruker với chất chuẩn nội TMS tại Viện Hóa học.
    • Sắc ký cột (CC): Sử dụng chất hấp phụ Silicagel Merck 60 ($0{,}040 - 0{,}063\text{ mm}$), bản mỏng TLC Merck DC-Alufolien 60 $\text{F}_{254}$ ($0{,}2\text{ mm}$).
    • Đo độ nóng chảy: Máy Yanaco MP-S3; Máy phân cực kế Jasco DIP-370; Phổ hồng ngoại FT-IR: Máy Shimadzu FTIR-8501.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Đánh giá cấu trúc bề mặt bột hương liệu đông khô.
  • Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học:
    • Hoạt tính chống oxy hóa quét gốc tự do DPPH: Phản ứng giữa mẫu thử và dung dịch DPPH $0{,}1\text{ mM}$ trong ethanol, ủ trong bóng tối 30 phút ở nhiệt độ phòng, đo độ hấp thụ quang tại bước sóng $517\text{ nm}$ trên máy Biotek (Mỹ), đối chứng acid ascorbic, tính giá trị $\text{IC}_{50}$.
    • Hoạt tính kháng khuẩn: Phương pháp khuếch tán giếng thạch (Hadacek và cs, 2000) trên các chủng vi khuẩn chỉ thị; đục giếng đường kính $10\text{ mm}$; ủ ở $37^\circ\text{C}$ trong 16 giờ; đối chứng dương Kanamycin $0{,}2\text{ mg/mL}$; đối chứng âm DMSO hoặc dung dịch ethanol. Khả năng ức chế vi sinh vật được tính theo công thức: $$D = D_1 - D_2 \ (\text{mm})$$ (trong đó $D_1$ là đường kính vòng vô khuẩn, $D_2$ là đường kính giếng thạch).
  • Phương pháp đánh giá cảm quan: Đánh giá mức độ ưa thích bằng phương pháp thị hiếu cho điểm đối với sản phẩm rượu gừng và nước chè đen bổ sung hương liệu gừng.

Nội dung chính theo từng chương

Luận án có dung lượng 150 trang, bao gồm 50 bảng số liệu, 49 hình ảnh cấu trúc và đồ thị, 17 sơ đồ quy trình, cùng 167 tài liệu tham khảo. Cấu trúc luận án được phân bổ: Mở đầu (3 trang), Chương 1: Tổng quan (28 trang), Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu (27 trang), Chương 3: Kết quả và thảo luận (76 trang), Kết luận (2 trang), Danh mục công trình công bố (1 trang), Tài liệu tham khảo (13 trang) và Phụ lục (46 trang).

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các đặc điểm thực vật học, sinh thái và phân loại học của chi Gừng (Zingiber) trên thế giới và tại Việt Nam. Về mặt hóa học, củ gừng tươi chứa trên $80%$ ẩm, $2{,}3%$ protein, $0{,}9%$ lipid, $1{,}2%$ khoáng chất, $2{,}4%$ chất xơ, $12{,}3%$ carbohydrate, cùng men phân giải protein zingibain ($2%$ trong gừng tươi, $1\text{ g}$ làm mềm được $10\text{ kg}$ thịt bò). Khi làm khô, gừng chứa $2 - 3%$ tinh dầu và $5 - 10%$ chất nhựa (gồm gingerol, shogaol, zingerone). Luận án phân tích chi tiết cơ chế biến đổi nhiệt: các hợp chất 6-gingerol bị mất nước tạo liên kết đôi giữa C-4 và C-5 để chuyển thành 6-shogaol có vị cay nồng hơn trong quá trình sấy nhiệt độ cao ($80^\circ\text{C}$ và $63^\circ\text{C}$).

Chương tổng quan cũng so sánh các phương pháp trích ly tinh dầu (ép cơ học, chiết dung môi, chưng cất lôi cuốn hơi nước, hấp phụ) và nhựa dầu (dung môi hữu cơ acetone, ethanol, $n$-hexane; trích ly vi sóng $2450\text{ MHz}$; trích ly bằng $\text{CO}_2$ siêu tới hạn ở điều kiện tới hạn $31{,}1^\circ\text{C}$, $78\text{ bar}$). Đồng thời, phân tích ưu nhược điểm của các công nghệ tạo bột hương liệu: sấy phun (kích thước hạt $10 - 150\ \mu\text{m}$), ép phun ($110 - 140^\circ\text{C}$), ép đùn, tạo giọt coacervate và phương pháp đông khô kết hợp $\beta$-cyclodextrin. Cuối cùng, chương tổng hợp các ứng dụng của tinh dầu và nhựa dầu trong sản xuất kẹo gừng Injimurappa, rượu gừng, trà gừng túi lọc và bảo quản thực phẩm.

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày thông tin định danh, nguồn gốc 7 mẫu gừng nghiên cứu thu thập tại Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình; mô tả chi tiết danh mục hóa chất tinh khiết và hệ thống thiết bị phân tích hiện đại. Trình bày chi tiết quy trình bố trí thực nghiệm theo phương pháp đáp ứng bề mặt Box-Behnken 3 yếu tố bậc hai ($k=3$, gồm 17 thí nghiệm với 5 thí nghiệm tại tâm) để tối ưu hóa quy trình chưng cất tinh dầu gừng:

Biến số mã hóa Yếu tố thực nghiệm Mức thấp (-1) Mức cơ sở (0) Mức cao (+1)
$A$ Bề dày lát cắt nguyên liệu (mm) 1,0 2,0 3,0
$B$ Tỷ lệ nước / nguyên liệu (ml/g) 2/1 4/1 6/1
$C$ Thời gian chưng cất (phút) 120 240 360

Quy trình bố trí 17 thí nghiệm ma trận Box-Behnken:

TT thí nghiệm $A$ (Kích thước) $B$ (Tỷ lệ nước/nguyên liệu) $C$ (Thời gian)
1 -1 -1 0
2 +1 -1 0
3 -1 +1 0
4 +1 +1 0
5 0 -1 -1
6 0 +1 -1
7 0 -1 +1
8 0 +1 +1
9 -1 0 -1
10 +1 0 -1
11 -1 0 +1
12 +1 0 +1
13 0 0 0
14 0 0 0
15 0 0 0
16 0 0 0
17 0 0 0

Chương 2 cũng mô tả quy trình phân lập các hợp chất từ $4{,}0\text{ kg}$ thân rễ khô loài Zingiber collinsii: chiết kiệt bằng methanol ở nhiệt độ phòng trong 1 tuần, cô hồi lưu thu $180\text{ g}$ cao tổng; chiết phân đoạn thu $53\text{ g}$ cao ethyl acetate và $30\text{ g}$ cao butanol. Tiến hành sắc ký cột Silicagel trên phân đoạn ethyl acetate (rửa giải hệ $n$-hexane : acetone từ 100:0 đến 1:1) và phân đoạn butanol (rửa giải hệ chloroform : methanol từ 30:1 đến 5:1), tách sạch được 7 hợp chất ký hiệu từ 1 đến 7:

  • Phân đoạn cao ethyl acetate: phân lập được Hợp chất 5 ($55{,}2\text{ mg}$), Hợp chất 1 ($35\text{ mg}$), Hợp chất 2 ($29\text{ mg}$), Hợp chất 3 ($83\text{ mg}$).
  • Phân đoạn cao butanol: phân lập được Hợp chất 4 ($34\text{ mg}$), Hợp chất 6 ($112\text{ mg}$), Hợp chất 7 ($92\text{ mg}$).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Đánh giá chất lượng nguyên liệu củ của 7 loài gừng: Xác định tỷ lệ thu hồi thịt củ dao động theo từng loài; phân tích độ ẩm nguyên liệu, hàm lượng tinh bột (xác định qua phản ứng thủy phân acid và định lượng đường khử theo Graxianop), hàm lượng cellulose và tro tổng số. Xác định hàm lượng tinh dầu và nhựa dầu của 7 loài gừng Bắc Trung Bộ.
  • Thành phần hóa lý và cấu tử tinh dầu, nhựa dầu: Phân tích các chỉ số hóa lý (tỷ trọng, góc quay cực, chỉ số khúc xạ, chỉ số acid, chỉ số ester, hàm lượng aldehyde, độ tan trong cồn) của tinh dầu các loài. Định danh cấu tử bằng GC/MS, ghi nhận các hợp chất đặc trưng nhóm monoterpene và sesquiterpene hydrocarbon, alcohol, aldehyde. Phân tích cấu tử nhựa dầu trên hệ LC/MS.
  • Tối ưu hóa quy trình chưng cất và trích ly: Xây dựng phương trình hồi quy mô tả tương quan giữa hiệu suất thu nhận tinh dầu với kích thước lát cắt ($A$), tỷ lệ nước/nguyên liệu ($B$) và thời gian chưng cất ($C$). Kiểm định độ tương thích của mô hình thực nghiệm và xác định điểm tối ưu theo hàm mong đợi.
  • Cấu trúc hóa học 7 hợp chất phân lập từ nhựa dầu Z. collinsii:
    • Hợp chất 1: Dạng tinh thể màu vàng, nhiệt độ nóng chảy $66 - 67^\circ\text{C}$, xác định cấu trúc qua phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$, $\text{CD}_3\text{OD}$) và $^{13}\text{C-NMR}$ ($125\text{ MHz}$, $\text{CD}_3\text{OD}$).
    • Hợp chất 2: Xác định bằng phổ $^1\text{H-NMR}$ và $^{13}\text{C-NMR}$ ($\text{CDCl}_3$).
    • Hợp chất 3: Tinh thể hình kim màu vàng, nhiệt độ nóng chảy $313 - 314^\circ\text{C}$, xác định bằng phổ $^1\text{H-NMR}$ và $^{13}\text{C-NMR}$ ($\text{DMSO-}d_6$).
    • Hợp chất 4: Tinh thể màu vàng, nhiệt độ nóng chảy $214 - 215^\circ\text{C}$, xác định bằng phổ $^1\text{H-NMR}$ và $^{13}\text{C-NMR}$ ($\text{DMSO-}d_6$).
    • Hợp chất 5, 6, 7: Xác định bằng phổ $^1\text{H-NMR}$ và $^{13}\text{C-NMR}$ ($\text{CDCl}3$); trong đó Hợp chất 7 có tín hiệu cộng hưởng proton $\delta\text{H} \ 7{,}57\text{ ppm}$ và carbon carbonyl $\delta_\text{C} \ 183{,}1\text{ ppm}$.
  • Đánh giá hoạt tính sinh học: Tinh dầu và nhựa dầu loài gừng Z. collinsii thể hiện hoạt tính chống oxy hóa cao thông qua khả năng quét gốc tự do DPPH (xác định giá trị $\text{IC}_{50}$ qua tương quan logarit nồng độ) và thể hiện hoạt tính kháng khuẩn rõ rệt trên các chủng vi khuẩn kiểm định (đo đường kính vòng vô khuẩn $D = D_1 - D_2$).
  • Sản xuất bột hương liệu và ứng dụng thực phẩm: Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa tinh dầu gừng và chất mang $\beta$-cyclodextrin trong quá trình đông khô; ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM chứng minh cấu trúc vi nang hóa bền vững. Ứng dụng thành công bột hương liệu, tinh dầu và nhựa dầu trong phối chế sản phẩm rượu mùi (rượu gừng) và chè đen túi lọc (trà gừng), đạt điểm đánh giá cảm quan thị hiếu cao.
  • Tận dụng bã phụ phẩm: Đề xuất quy trình công nghệ thu hồi tinh bột từ bã gừng sau chưng cất/trích ly và sử dụng bã xơ mùn cưa làm cơ chất giá thể nuôi trồng nấm ăn, nấm dược liệu.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Cung cấp cơ sở dữ liệu có tính hệ thống và độ tin cậy cao về chất lượng nguyên liệu, tính chất hóa lý, thành phần hóa học của tinh dầu và nhựa dầu từ 7 loài gừng (Z. cochinchinensis, Z. gramineum, Z. rufopilosum, Z. zerumbet, Z. rubens, Z. collinsii, Z. officinale) phân bố tại khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam.
  2. Thiết lập được phương trình hồi quy và xác định các thông số công nghệ tối ưu cho quy trình chưng cất tinh dầu và trích ly nhựa dầu từ củ gừng bằng phương pháp đáp ứng bề mặt RSM.
  3. Phân lập, làm sáng tỏ cấu trúc hóa học của 7 hợp chất sạch từ nhựa dầu của củ gừng loài Zingiber collinsii Mood & Theilade bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1D/2D NMR và khối phổ phân giải cao.
  4. Đánh giá định lượng hoạt tính chống oxy hóa quét gốc tự do DPPH và hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu, nhựa dầu gừng đối với các chủng vi sinh vật kiểm định.
  5. Xác định được tỷ lệ phối chế thích hợp để tạo bột hương liệu tinh dầu gừng bằng kỹ thuật đông khô sử dụng chất mang $\beta$-cyclodextrin và tỷ lệ phối chế trong sản phẩm thực phẩm.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Kết quả phân tích chất lượng nguyên liệu các loài gừng hoang dại tại Bắc Trung Bộ là cơ sở khoa học định hướng cho công tác bảo tồn nguồn gen, chọn giống và quy hoạch vùng trồng gừng nguyên liệu phục vụ công nghiệp hương liệu và chế biến thực phẩm.
  2. Xây dựng quy trình công nghệ khai thác củ gừng theo mô hình khép kín: thu nhận đồng thời tinh dầu (thành phần hương) và nhựa dầu (thành phần vị cay); ứng dụng hương liệu vào sản xuất rượu mùi gừng và chè đen gừng túi lọc.
  3. Đề xuất giải pháp công nghệ tận dụng triệt để nguồn phụ phẩm sau trích ly chất thơm (tách thu hồi tinh bột từ bã gừng và sử dụng bã xơ làm giá thể trồng nấm), giúp gia tăng giá trị kinh tế trên một đơn vị nguyên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi thu mẫu nghiên cứu tập trung tại 3 tỉnh thuộc vùng Bắc Trung Bộ (Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình); việc phân lập sâu cấu trúc hóa học các hợp chất trong nhựa dầu chủ yếu tập trung trên một loài đại diện là Zingiber collinsii.
    • Các quy trình công nghệ tối ưu hóa chưng cất, trích ly, tạo bột đông khô và ứng dụng thực phẩm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm và mô hình bán công nghiệp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng khảo sát thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của các loài gừng khác thuộc chi Zingiber trên các vùng sinh thái khác của Việt Nam.
    • Thử nghiệm mở rộng hoạt tính sinh học của các hợp chất phân lập được trên các dòng tế bào ung thư và thử nghiệm in vivo.
    • Nghiên cứu hoàn thiện dây chuyền thiết bị sản xuất liên tục ở quy mô công nghiệp lớn cho quy trình khép kín: thu nhận tinh dầu, nhựa dầu, sản xuất bột hương liệu và chế biến phụ phẩm bã gừng.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Hóa học các hợp chất thiên nhiên, Dược liệu học và Thực vật học. Đóng góp phương pháp luận chuẩn xác về:
    • Phương pháp phân tích hóa lý thực phẩm theo hệ thống tiêu chuẩn quốc gia (TCVN).
    • Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken trong tối ưu hóa các quá trình công nghệ sinh học và thực phẩm.
    • Kỹ thuật phân tách sắc ký và giải mã cấu trúc hóa học hợp chất thiên nhiên bằng phổ NMR đa chiều ($^1\text{H}$, $^{13}\text{C}$, DEPT, HMBC, HSQC, COSY) và khối phổ LC/MS, GC/MS.
    • Kỹ thuật vi nang hóa chất thơm bằng chất mang $\beta$-cyclodextrin qua phương pháp đông khô.
  • Đối với doanh nghiệp sản xuất và chế biến: Cung cấp thông số công nghệ thực nghiệm để sản xuất tinh dầu, nhựa dầu gừng đạt chất lượng cao; công thức bổ sung hương liệu vào đồ uống (rượu mùi) và sản phẩm trà túi lọc; giải pháp xử lý chất thải bã gừng thành tinh bột và giá thể nấm giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất.
  • Đối với các cơ quan quản lý nông nghiệp và dược liệu: Cung cấp cơ sở dữ liệu về sự phân bố và giá trị kinh tế của các loài gừng hoang dại tại khu vực Bắc Trung Bộ, hỗ trợ định hướng bảo tồn và khai thác bền vững tài nguyên thực vật.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm những loài gừng nào và được thu thập tại những địa bàn nào?
Luận án nghiên cứu 7 loài gừng thuộc chi Zingiber, gồm: Zingiber cochinchinensis Gagnep. (Vườn Quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng, Quảng Bình), Zingiber gramineum Noronha ex Blume (VQG Pù Mát, Nghệ An), Zingiber rufopilosum Gagnep. (VQG Pù Mát, Nghệ An), Zingiber zerumbet (L.) Smith (VQG Vũ Quang, Hà Tĩnh), Zingiber rubens Roxb. (VQG Pù Mát, Nghệ An), Zingiber collinsii Mood & Theilade (VQG Pù Mát, Nghệ An) và Zingiber officinale Roscoe (thu tại Nghệ An). Mẫu được định danh bởi TS. Đỗ Ngọc Đài và đối chiếu mẫu chuẩn tại Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật.

2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nào được sử dụng để tối ưu hóa quy trình chưng cất tinh dầu gừng?
Luận án sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) theo mô hình Box-Behnken bậc hai 3 yếu tố ($k=3$), gồm 17 thí nghiệm (trong đó có 5 thí nghiệm tại tâm). Ba biến số khảo sát gồm: Kích thước lát cắt nguyên liệu $A$ ($1{,}0 - 3{,}0\text{ mm}$), Tỷ lệ nước/nguyên liệu $B$ ($2/1 - 6/1\text{ mL/g}$) và Thời gian chưng cất $C$ ($120 - 360\text{ phút}$). Mô hình được tối ưu hóa bằng phương pháp hàm mong đợi (Desirability function).

3. Quy trình phân lập các hợp chất từ loài gừng Zingiber collinsii được thực hiện như thế nào?
Từ $4{,}0\text{ kg}$ mẫu củ khô Z. collinsii, trích ly bằng methanol thu được $180\text{ g}$ cao tổng. Sau đó chiết phân đoạn thu được $53\text{ g}$ cao ethyl acetate và $30\text{ g}$ cao butanol. Sử dụng sắc ký cột Silicagel với hệ dung môi rửa giải $n$-hexane : acetone và chloroform : methanol với các tỷ lệ khác nhau, luận án đã phân lập sạch được 7 hợp chất (Hợp chất 1: $35\text{ mg}$; Hợp chất 2: $29\text{ mg}$; Hợp chất 3: $83\text{ mg}$; Hợp chất 4: $34\text{ mg}$; Hợp chất 5: $55{,}2\text{ mg}$; Hợp chất 6: $112\text{ mg}$; Hợp chất 7: $92\text{ mg}$). Cấu trúc của chúng được xác định qua phổ khối lượng và cộng hưởng từ hạt nhân 1D/2D NMR.

4. Kỹ thuật nào được luận án lựa chọn để sản xuất bột hương liệu tinh dầu gừng?
Luận án lựa chọn phương pháp đông khô (Freeze Drying) kết hợp với chất mang bao bọc $\beta$-cyclodextrin. $\beta$-cyclodextrin tạo phức bao với các phân tử tinh dầu dễ bay hơi giúp tăng độ ổn định và giảm bay hơi. Cấu trúc vi nang của bột hương liệu được kiểm tra và đánh giá hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét SEM.

5. Luận án đề xuất quy trình công nghệ khép kín tận dụng các phụ phẩm từ củ gừng như thế nào?
Sau khi củ gừng được chưng cất lôi cuốn hơi nước để thu tinh dầu và trích ly dung môi để thu nhựa dầu, phần bã thải còn lại được đưa vào quy trình tách và thu hồi tinh bột gừng. Phần bã xơ cellulose sau khi tách tinh bột tiếp tục được xử lý, phối trộn làm giá thể (mùn cưa gừng) phục vụ nuôi trồng nấm, tạo thành chuỗi chế biến khép kín không phát thải phụ phẩm gây ô nhiễm môi trường.

Kết luận

Luận án tiến sĩ đã hoàn thành nghiên cứu có hệ thống về chất lượng nguyên liệu, thành phần hóa học, tính chất lý hóa và hoạt tính sinh học của tinh dầu và nhựa dầu từ 7 loài gừng thuộc chi Zingiber tại khu vực Bắc Trung Bộ. Công trình đã tối ưu hóa thành công quy trình công nghệ thu nhận tinh dầu và nhựa dầu, phân lập và làm sáng tỏ cấu trúc 7 hợp chất trong nhựa dầu loài gừng bản địa Zingiber collinsii, đồng thời chuẩn hóa quy trình sản xuất bột hương liệu đông khô bằng $\beta$-cyclodextrin. Các kết quả thử nghiệm phối chế hương liệu vào sản phẩm rượu mùi, chè đen và giải pháp tận dụng bã phụ phẩm để tách tinh bột, làm giá thể nấm đã chứng minh tính khả thi của mô hình chế biến khép kín, đóng góp cơ sở dữ liệu khoa học có giá trị cao cho ngành công nghệ thực phẩm và hóa thực vật Việt Nam.