Tổng quan nghiên cứu

Rau ngót (Sauropus androgynus) là loại cây phổ biến tại Việt Nam với năng suất khoảng 22,86 tấn/ha/ngày, chứa hàm lượng cao các hoạt chất sinh học như chlorophyll và polyphenol có hoạt tính chống oxy hóa mạnh. Chlorophyll là sắc tố tự nhiên tạo màu xanh lá cây, được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm như một chất tạo màu thay thế các chất tổng hợp có thể gây hại sức khỏe. Tuy nhiên, việc trích ly chlorophyll hiệu quả từ nguyên liệu thực vật vẫn còn nhiều thách thức do tính chất dễ phân hủy của sắc tố này khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc môi trường axit.

Nghiên cứu này nhằm khảo sát quy trình trích ly chlorophyll từ lá rau ngót tươi bằng phương pháp vật lý kết hợp tiền xử lý như chần, lạnh đông và hỗ trợ vi sóng, sử dụng dung môi ethanol 40% thân thiện với môi trường. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa các điều kiện tiền xử lý và trích ly để đạt hiệu suất thu nhận chlorophyll cao nhất, đồng thời đánh giá đặc tính của sản phẩm bột chlorophyll sau sấy phun. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM và Trường Đại học Thủ Dầu Một trong khoảng thời gian từ tháng 06/2022 đến tháng 12/2023.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển quy trình chiết xuất chlorophyll xanh, an toàn, chi phí thấp, góp phần nâng cao giá trị sử dụng rau ngót trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về phụ gia thực phẩm tự nhiên, thân thiện với 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:

  • Lý thuyết quang hợp và cấu trúc chlorophyll: Chlorophyll là sắc tố quang hợp chính, gồm các loại a, b, c, d và f, trong đó chlorophyll a và b phổ biến trong thực vật. Cấu trúc porphyrin với ion Mg2+ trung tâm quyết định tính chất hấp thụ ánh sáng và màu sắc của chlorophyll.

  • Mô hình trích ly sắc tố thực vật: Trích ly chlorophyll phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, dung môi, và phương pháp tiền xử lý. Các phương pháp vật lý như chần, lạnh đông và hỗ trợ vi sóng giúp phá vỡ thành tế bào, tăng hiệu quả chiết xuất.

  • Khái niệm hiệu suất trích ly chlorophyll (CRY): Tỷ lệ phần trăm chlorophyll thu nhận được so với tổng hàm lượng chlorophyll trong nguyên liệu ban đầu, là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả quy trình.

  • Phương pháp sấy phun tạo bột: Sấy phun giúp chuyển dịch chiết chlorophyll dạng lỏng thành bột hòa tan, thuận tiện cho bảo quản và ứng dụng trong thực phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Lá rau ngót tươi thu hoạch tại tỉnh Bình Dương, Việt Nam. Nguyên liệu được sơ chế, chần, lạnh đông và xử lý vi sóng theo các điều kiện khác nhau.

  • Phương pháp phân tích: Hàm lượng chlorophyll được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 664 nm và 648 nm, tính toán theo công thức Lichtenthaler và Buschmann. Độ hòa tan, thành phần dinh dưỡng, cảm quan màu sắc và đặc tính bột chlorophyll được đánh giá bằng các phương pháp chuẩn AOAC và đánh giá cảm quan chuyên gia.

  • Thiết kế thí nghiệm: Các biến số khảo sát gồm thời gian và nhiệt độ chần, thời gian lạnh đông, thời gian và công suất vi sóng, thời gian và nhiệt độ trích ly. Mỗi thí nghiệm được lặp lại ít nhất ba lần, dữ liệu phân tích bằng ANOVA với phần mềm Statgraphics Centurion XIX.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 06/2022 đến tháng 12/2023, bao gồm thu thập nguyên liệu, thực hiện các thí nghiệm trích ly, phân tích dữ liệu và hoàn thiện sản phẩm bột chlorophyll.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thời gian chần: Hàm lượng chlorophyll tối ưu đạt 0,816 mg/g d.w ở 180 giây không hỗ trợ vi sóng và 0,849 mg/g d.w ở 150 giây có hỗ trợ vi sóng. Thời gian chần ngắn không đủ làm bất hoạt enzyme, gây chuyển màu vàng và giảm hiệu quả trích ly.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ chần: Nhiệt độ 90°C là tối ưu, với hàm lượng chlorophyll đạt 0,856 mg/g d.w (không hỗ trợ vi sóng) và 0,872 mg/g d.w (có hỗ trợ vi sóng). Nhiệt độ cao hơn không làm tăng đáng kể hàm lượng chlorophyll và gây biến đổi màu sắc.

  3. Ảnh hưởng của thời gian lạnh đông: Thời gian 24 giờ đông lạnh sau chần cho hiệu suất trích ly cao nhất, với hàm lượng chlorophyll lần lượt 0,835 mg/g d.w (không hỗ trợ vi sóng) và tương tự với mẫu có hỗ trợ vi sóng. Thời gian đông lạnh dài hơn không cải thiện đáng kể hiệu quả.

  4. Ảnh hưởng của thời gian và công suất vi sóng: Thời gian vi sóng 3 phút và công suất 550 W (tương đương 55 W/g) là điều kiện tối ưu, đạt hàm lượng chlorophyll 1,081 mg/g d.w, cao hơn 32% so với phương pháp không hỗ trợ vi sóng (25,784%). Công suất và thời gian vi sóng quá cao gây phân hủy chlorophyll và đổi màu sang nâu ô liu.

  5. Hiệu quả trích ly và đặc tính sản phẩm bột: Sản phẩm bột chlorophyll sấy phun từ dịch chiết có hỗ trợ vi sóng có hiệu suất trích ly cao nhưng màu sắc bột chuyển sang nâu ô liu và dễ vón cục do phản ứng Maillard, trong khi mẫu không hỗ trợ vi sóng giữ được màu xanh lục bắt mắt hơn.

Thảo luận kết quả

Các phương pháp tiền xử lý vật lý như chần, lạnh đông và hỗ trợ vi sóng đã làm tăng hiệu quả phá vỡ thành tế bào lá rau ngót, giúp giải phóng chlorophyll dễ dàng hơn. Việc sử dụng vi sóng giúp rút ngắn thời gian trích ly từ 20 phút xuống còn 7 phút, đồng thời tăng hiệu suất thu nhận chlorophyll lên khoảng 32%. Tuy nhiên, xử lý vi sóng quá mức gây phân hủy sắc tố và ảnh hưởng tiêu cực đến màu sắc sản phẩm cuối cùng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng dung môi acetone hoặc ethanol nồng độ cao, phương pháp này sử dụng ethanol 40% thân thiện môi trường, chi phí thấp và vẫn đạt hiệu quả trích ly cao. Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian chần đến sự bất hoạt enzyme và bảo toàn sắc tố chlorophyll.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng chlorophyll theo thời gian chần, nhiệt độ chần, thời gian lạnh đông và công suất vi sóng, giúp minh họa rõ ràng xu hướng tăng giảm hiệu suất trích ly. Bảng tổng hợp các điều kiện tối ưu và hiệu suất tương ứng cũng hỗ trợ đánh giá toàn diện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình tiền xử lý kết hợp chần 150 giây ở 90°C, lạnh đông 24 giờ và hỗ trợ vi sóng 3 phút, công suất 550 W để tối ưu hiệu suất trích ly chlorophyll, giảm thời gian và chi phí sản xuất. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất phụ gia thực phẩm, thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  2. Sử dụng ethanol 40% làm dung môi trích ly nhằm đảm bảo an toàn thực phẩm và thân thiện môi trường, đồng thời giữ lại các thành phần dinh dưỡng có lợi. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất, thời gian áp dụng: ngay lập tức.

  3. Phát triển sản phẩm bột chlorophyll sấy phun không hỗ trợ vi sóng để giữ màu sắc xanh lá tự nhiên, phù hợp cho các ứng dụng thực phẩm đòi hỏi màu sắc bắt mắt. Chủ thể thực hiện: bộ phận R&D, thời gian áp dụng: 3-6 tháng.

  4. Nghiên cứu thêm về cải tiến công nghệ sấy phun và bảo quản bột chlorophyll nhằm hạn chế hiện tượng vón cục và biến đổi màu sắc do phản ứng Maillard, nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu và doanh nghiệp, thời gian áp dụng: 12-18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm: Nắm bắt quy trình trích ly chlorophyll xanh, phương pháp tiền xử lý vật lý và kỹ thuật sấy phun, phục vụ nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất phụ gia thực phẩm và dược phẩm: Áp dụng quy trình chiết xuất chlorophyll an toàn, hiệu quả, thân thiện môi trường để phát triển sản phẩm tự nhiên thay thế chất tạo màu tổng hợp.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Tham khảo các tiêu chuẩn, phương pháp đánh giá hiệu quả trích ly và đặc tính sản phẩm chlorophyll nhằm xây dựng quy định phù hợp.

  4. Nhà sản xuất rau sạch và nông dân: Hiểu rõ giá trị dinh dưỡng và tiềm năng ứng dụng của rau ngót, từ đó nâng cao giá trị kinh tế và phát triển chuỗi cung ứng nguyên liệu chất lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chlorophyll là gì và tại sao quan trọng trong thực phẩm?
    Chlorophyll là sắc tố tự nhiên tạo màu xanh lá cây trong thực vật, có tác dụng chống oxy hóa và được sử dụng làm chất tạo màu tự nhiên trong thực phẩm, giúp thay thế các chất màu tổng hợp có thể gây hại sức khỏe.

  2. Tại sao cần sử dụng phương pháp tiền xử lý vật lý trong trích ly chlorophyll?
    Phương pháp tiền xử lý như chần, lạnh đông và vi sóng giúp phá vỡ thành tế bào thực vật, làm tăng độ thẩm thấu và hiệu quả chiết xuất chlorophyll, đồng thời rút ngắn thời gian trích ly.

  3. Lợi ích của việc sử dụng ethanol 40% làm dung môi trích ly là gì?
    Ethanol 40% vừa đủ để hòa tan chlorophyll hiệu quả, đồng thời an toàn cho thực phẩm và thân thiện với môi trường, giảm thiểu ô nhiễm so với các dung môi hữu cơ nồng độ cao.

  4. Tại sao màu sắc bột chlorophyll có hỗ trợ vi sóng lại kém ưa thích hơn?
    Xử lý vi sóng tạo nhiệt độ cao có thể gây phản ứng Maillard giữa đường khử và protein, làm màu bột chuyển sang nâu ô liu và gây vón cục, ảnh hưởng đến cảm quan sản phẩm.

  5. Quy trình trích ly chlorophyll này có thể áp dụng trong sản xuất công nghiệp không?
    Quy trình sử dụng các phương pháp vật lý đơn giản, dung môi an toàn và thiết bị phổ biến, có thể dễ dàng áp dụng trong sản xuất công nghiệp với chi phí hợp lý và hiệu quả cao.

Kết luận

  • Phương pháp kết hợp tiền xử lý chần 150 giây ở 90°C, lạnh đông 24 giờ và hỗ trợ vi sóng 3 phút, công suất 550 W đạt hiệu suất trích ly chlorophyll cao nhất (32,035%).
  • Sử dụng ethanol 40% làm dung môi trích ly vừa hiệu quả vừa thân thiện môi trường.
  • Sản phẩm bột chlorophyll sấy phun giữ được màu xanh tự nhiên khi không sử dụng hỗ trợ vi sóng, phù hợp ứng dụng thực phẩm.
  • Quy trình trích ly đơn giản, chi phí thấp, an toàn thực phẩm, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm và dược phẩm.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục cải tiến công nghệ sấy phun và bảo quản để nâng cao chất lượng sản phẩm bột chlorophyll.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đánh giá tính ổn định sản phẩm và mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp liên quan.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển quy trình trích ly chlorophyll xanh nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường về phụ gia thực phẩm tự nhiên, an toàn và bền vững.