Nghiên Cứu Trích Ly Màu Hạt Điều Màu (Bixa orellana L.) Tạo Chế Phẩm Nhũ Annatto

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu bixa orellana l tạo chế phẩm nhũ annatto, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Đào Phan Thoại
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thế Đồng
• Trường học: Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Trích Ly Màu Hạt Điều Màu Tạo Chế Phẩm Nhũ Annatto
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Trang tựa
• Lý lịch cá nhân
• Lời cam đoan
• Lời cảm tạ
• Danh sách các chữ viết tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan về hạt điều màu
• 1.1.1. Cây điều màu
• 1.1.1.1. Tên gọi và vị trí phân loại
• 1.1.1.2. Nguồn gốc, phân bố và sản lượng
• 1.1.1.3. Đặc điểm sinh học
• 1.1.2. Thành phần hóa học của hạt điều màu
• 1.1.2.1. Cấu tạo phân tử
• 1.1.3. Chế phẩm từ annatto dùng làm phụ gia thực phẩm
• 1.1.3.1. Ứng dụng của phẩm màu annatto trong ngành thực phẩm
• 1.1.3.2. Độc tính và liều lượng khuyên dùng
• 1.1.3.3. Tiêu chuẩn quy định về chế phẩm phụ gia annatto
• 1.2. Vi sóng và thiết bị liên quan
• 1.2.1. Bản chất của vi sóng
• 1.2.2. Cơ chế hỗ trợ trích ly của vi sóng
• 1.2.3. Thiết bị vi sóng
• 1.3. Một số phương pháp nghiên cứu dùng trong trích ly các hợp chất tự nhiên
• 1.3.1. Phương pháp trích ly bằng dung môi hữu cơ
• 1.3.2. Phương pháp trích ly bằng dung môi có sự hỗ trợ của vi sóng (MASE)
• 1.3.3. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.4.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.4.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
• 2.3. Vật liệu, hoá chất và trang thiết bị
• 2.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.3.2. Dụng cụ và thiết bị
• 2.4. Bố trí và phương pháp tiến hành thí nghiệm
• 2.4.1. Bố trí thí nghiệm
• 2.4.2. Phân tích tính chất nguyên liệu hạt điều màu
• 2.4.3. Thí nghiệm 1: Lựa chọn dung môi phù hợp cho quá trình trích ly có hỗ trợ bởi vi sóng
• 2.4.4. Thí nghiệm 2: Tối ưu nồng độ dung môi trích ly màu annatto
• 2.4.5. Thí nghiệm 3: Tối ưu chế độ hỗ trợ vi sóng và tỷ lệ dung môi / nguyên liệu
• 2.4.6. Thí nghiệm 4: Khảo sát thời gian trích ly phụ sau khi hỗ trợ vi sóng
• 2.4.7. Thí nghiệm 5: Khảo sát thể tích acid acetic đậm đặc để kết tủa annatto tự do
• 2.4.8. Thí nghiệm 6: Thử nghiệm sơ bộ khả năng tạo chế phẩm nhũ annatto ổn định trong dung môi nước pH thấp
• 2.5. Phương pháp phân tích
• 2.5.1. Phương pháp xác định các thành phần
• 2.5.2. Phương pháp tính hiệu suất trích ly và hiệu suất thu hồi annatto
• 2.6. Phương pháp tiến hành thí nghiệm
• 2.7. Thiết kế và xử lý số liệu
• 2.7.1. Phương pháp thống kê
• 2.7.2. Phần mềm xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tính chất vật liệu hạt điều màu dùng cho nghiên cứu
• 3.2. Lựa chọn dung môi phù hợp cho quá trình trích ly có hỗ trợ bởi vi sóng
• 3.3. Tối ưu nồng độ dung môi để trích ly annatto
• 3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến hiệu suất trích ly màu annatto
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ ammonia đến hiệu suất trích ly màu annatto
• 3.3.3. Tối ưu hóa nồng độ dung môi và chất hỗ trợ
• 3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và chế độ hỗ trợ vi sóng đến hiệu suất trích ly annatto
• 3.4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất trích ly annatto
• 3.4.2. Ảnh hưởng của công suất vi sóng đến hiệu suất trích ly màu annatto
• 3.4.3. Ảnh hưởng của thời gian hỗ trợ vi sóng đến hiệu suất trích ly annatto
• 3.4.4. Tối ưu hóa tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và chế độ hỗ trợ vi sóng
• 3.5. Ảnh hưởng của thời gian trích ly phụ sau khi hỗ trợ vi sóng
• 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ acid acetic dùng để kết tủa annatto
• 3.7. Chỉ tiêu chất lượng, quy trình thử nghiệm và tính toán giá thành
• 3.7.1. Chỉ tiêu chất lượng
• 3.7.2. Quy trình thử nghiệm và tính toán giá thành
• 3.8. Thử nghiệm sơ bộ khả năng tạo chế phẩm nhũ annatto ổn định trong dung môi nước pH thấp
• 3.8.1. Lựa chọn chất nhũ hóa thích hợp
• 3.8.2. Khảo sát tỷ lệ chất nhũ hóa tween 80
• 3.8.3. Khảo sát sự ổn định của chế phẩm nhũ annatto trong dung môi nước có pH khác nhau
• 3.8.4. Sử dụng chế phẩm nhũ annatto phối màu cho nước cam ép
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu

Nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu (Bixa orellana L.) đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm. Màu sắc tự nhiên từ hạt điều màu không chỉ mang lại giá trị thẩm mỹ mà còn đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng. Việc tìm hiểu về quy trình trích ly màu sắc này giúp phát triển các sản phẩm thực phẩm an toàn và chất lượng.

1.1. Đặc điểm sinh học và hóa học của hạt điều màu

Hạt điều màu chứa các hợp chất màu chính như bixin và norbixin, có khả năng tan trong dầu và nước. Đặc điểm này giúp hạt điều màu trở thành nguyên liệu lý tưởng cho ngành thực phẩm.

1.2. Ứng dụng của màu hạt điều trong thực phẩm

Màu hạt điều được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm như một chất tạo màu tự nhiên, giúp tăng cường giá trị dinh dưỡng và thẩm mỹ cho sản phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu màu hạt điều

Mặc dù màu hạt điều có nhiều ưu điểm, nhưng việc sử dụng chúng trong thực phẩm vẫn gặp phải một số thách thức. Tính ổn định của màu sắc ở pH thấp và khả năng kết tủa là những vấn đề cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

2.1. Tính ổn định của màu hạt điều ở pH thấp

Màu hạt điều dễ bị kết tủa khi gặp môi trường axit, điều này hạn chế khả năng sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm có tính acid.

2.2. So sánh với phẩm màu tổng hợp

Mặc dù phẩm màu tổng hợp có độ bền cao hơn, nhưng chúng lại tiềm ẩn nhiều rủi ro cho sức khỏe. Do đó, việc phát triển màu tự nhiên như annatto là cần thiết.

III. Phương pháp trích ly màu hạt điều hiệu quả

Nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để tối ưu hóa quy trình trích ly màu từ hạt điều. Sử dụng sóng vi sóng là một trong những phương pháp tiên tiến giúp tăng hiệu suất trích ly.

3.1. Phương pháp trích ly bằng dung môi hữu cơ

Phương pháp này sử dụng dung môi hữu cơ để chiết xuất màu từ hạt điều, giúp tăng cường hiệu suất trích ly.

3.2. Ứng dụng sóng vi sóng trong trích ly

Sóng vi sóng hỗ trợ quá trình trích ly, giúp tăng tốc độ và hiệu suất thu hồi màu sắc từ hạt điều.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy quy trình trích ly màu hạt điều màu có thể đạt hiệu suất cao khi áp dụng các phương pháp tối ưu. Chế phẩm nhũ annatto ổn định có thể được ứng dụng trong nhiều sản phẩm thực phẩm.

4.1. Hiệu suất trích ly màu đạt được

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất trích ly màu có thể đạt tới 3,08% khi áp dụng các điều kiện tối ưu.

4.2. Ứng dụng chế phẩm nhũ annatto trong thực phẩm

Chế phẩm nhũ annatto có khả năng tạo màu tốt trong các sản phẩm đồ uống có tính acid, mở ra cơ hội mới cho ngành thực phẩm.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành thực phẩm.

5.1. Tầm quan trọng của màu tự nhiên trong thực phẩm

Màu tự nhiên như annatto ngày càng được ưa chuộng, giúp nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng nhu cầu tiêu dùng an toàn.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng của màu hạt điều trong các sản phẩm thực phẩm khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phẩm màu annatto chiết xuất từ hạt cây điều màu (Bixa orellana L.) hiện chiếm hơn 70% tổng sản lượng chất màu tự nhiên trên toàn cầu và tại các quốc gia sản xuất lớn như Brazil, con số này đạt tới 90%. Với sản lượng hạt điều màu khô trên thế giới đạt khoảng 14.500 tấn mỗi năm, nguồn nguyên liệu này sở hữu tiềm năng kinh tế vô cùng lớn. Tuy nhiên, trong bối cảnh các chất màu tổng hợp ngày càng bị hạn chế do nguy cơ gây hại cho sức khỏe con người, việc ứng dụng màu annatto tự nhiên vẫn gặp rào cản kỹ thuật đáng kể. Thành phần tạo màu chính gồm bixin và norbixin rất kém bền nhiệt, dễ bị thoái hóa quang học và đặc biệt dễ bị kết tủa tách pha trong môi trường có độ pH thấp dưới 5,5. Điều này khiến annatto truyền thống không thể phối chế trực tiếp vào các sản phẩm đồ uống trong suốt có tính acid như nước ép trái cây hay nước giải khát có ga.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề công nghệ trên, đề tài tập trung nghiên cứu tối ưu hóa quá trình trích ly hoạt chất màu từ hạt điều màu bằng phương pháp dung môi có sự hỗ trợ của vi sóng, đồng thời thử nghiệm chế tạo thành công chế phẩm nhũ annatto ổn định ở môi trường nước pH thấp. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm thuộc Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 8 năm 2013 đến tháng 2 năm 2014. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi nâng cao hiệu suất trích ly toàn phần đạt 3,08%, thu hồi bột màu annatto E có hàm lượng sắc tố đạt 64,89% (vượt xa mức tối thiểu 35% quy định bởi các tổ chức quốc tế), mở ra hướng đi đột phá trong việc nội địa hóa phụ gia màu tự nhiên và gia tăng giá trị thương phẩm cho cây điều màu tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Quá trình nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành công nghệ thực phẩm và hóa học các hợp chất tự nhiên:

Thứ nhất là lý thuyết chiết xuất có sự hỗ trợ của vi sóng (Microwave-Assisted Solvent Extraction - MASE). Sóng vi sóng ở tần số bức xạ 2450 MHz tác động trực tiếp lên các phân tử phân cực và các ion trong hệ dung môi thông qua cơ chế quay phân tử và dẫn truyền ion. Năng lượng điện từ chuyển hóa nhanh chóng thành nhiệt năng cục bộ làm nước liên kết bên trong tế bào bốc hơi tức thì, tạo ra áp suất nội bào cực lớn phá vỡ vách tế bào chỉ trong vòng vài chục giây, giải phóng triệt để sắc tố vào dung môi mà không gây tổn thất nhiệt kéo dài.

Thứ hai là lý thuyết về cấu tạo và tính chất lý hóa của nhóm sắc tố Carotenoid trong hạt điều màu. Sắc tố annatto bao gồm hai thành phần chủ lực là bixin (chiếm 70% đến 82% tổng lượng màu, công thức phân tử C25H30O4, phân cực yếu, tan trong dầu và dung môi hữu cơ) và norbixin (công thức C24H28O4, chứa hai nhóm carboxyl tự do, tan tốt trong kiềm loãng). Khung lý thuyết này giải thích rõ cơ chế chuyển đổi đồng phân cis/trans, phản ứng xà phòng hóa tạo muối norbixinat và phản ứng tạo sắc tố vàng thoái hóa McKeown khi xử lý nhiệt trên 50 độ C.

Thứ ba là lý thuyết hóa keo và cơ chế tạo nhũ tương micelle bền vững. Để ngăn ngừa sự kết tủa của norbixin trong môi trường acid, hệ chất nhũ hóa có chỉ số cân bằng ưa nước - ưa béo cao (HLB) như Polysorbate 80 (Tween 80 có HLB bằng 15) được phối trộn trong môi trường dung môi trung gian phân cực kiềm hóa Propylene glycol, giúp bao bọc các phân tử màu và tạo lực đẩy tĩnh điện ngăn chặn sự tụ tập hạt màu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng 20 kg hạt điều màu thu hoạch từ giống quả hình tim tại các nông hộ thuộc huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai. Mẫu hạt được sàng lọc kỹ lưỡng, loại bỏ hạt lép, sấy khô ở 40 độ C đến khi độ ẩm đạt khoảng 10%, sau đó đồng nhất hóa mẫu và đóng gói chân không trong các túi PE bảo quản ở 4 độ C trong bóng tối nhằm hạn chế tối đa quá trình oxy hóa quang học.

Hệ thống phương pháp phân tích và bố trí thực nghiệm bao gồm:

• Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng 404 nm và 500 nm bằng máy Thermo Scientific Genesis 20 với cuvet thủy tinh chuyên dụng Hellma 6030 OG, giúp xác định chính xác hàm lượng bixin và norbixin mà không bị hiện tượng thoái hóa quang học như khi dùng cuvet thạch anh.
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) theo mô hình phức hợp tâm xoay (CCD) và mô hình Box-Behnken. Việc sử dụng RSM được lựa chọn vì khả năng phân tích tương tác đa yếu tố đồng thời và định vị chính xác điểm tối ưu toàn cục với số lượng mẫu thực nghiệm tối thiểu.
• Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được xử lý thống kê bằng phần mềm chuyên dụng JMP 9.2, sử dụng kỹ thuật phân tích phương sai ANOVA và kiểm định so sánh bội Tukey’s HSD ở mức ý nghĩa thống kê p < 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã mang lại các kết quả cốt lõi như sau:

Thứ nhất, việc sàng lọc hệ dung môi chứng minh hỗn hợp Ethanol phối hợp Ammonia mang lại hiệu suất trích ly vượt trội hoàn toàn so với các dung môi đơn lẻ như Chloroform, Ethyl acetate hay Acetone. Nồng độ tối ưu xác lập qua mô hình toán học là Ethanol 63 độ kết hợp Ammonia 0,47 M ở tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu là 10/1 (thể tích/khối lượng), cho hiệu suất trích ly ban đầu đạt 2,36% tính theo chất khô.

Thứ hai, tối ưu hóa công nghệ vi sóng MASE theo mô hình Box-Behnken đã xác định các thông số vận hành lý tưởng gồm: công suất phát sóng 760 W, thời gian chiếu xạ vi sóng 49 giây và tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu là 12/1 (thể tích/khối lượng). Tại chế độ này, hiệu suất trích ly tức thời đạt 2,58%. Đặc biệt, khi kéo dài quá trình ngâm chiết phụ ở nhiệt độ phòng trong 30 phút sau khi xử lý vi sóng, hiệu suất trích ly tổng thể tăng vọt lên mức 3,08%, cao hơn 19,38% so với khi chỉ xử lý vi sóng đơn thuần.

Thứ ba, khảo sát quá trình thu hồi sắc tố cho thấy Acid acetic đậm đặc 99,5% ở nồng độ 2,37 M (tương đương tỷ lệ 15% thể tích acid so với thể tích dịch trích) là tác nhân kết tủa hiệu quả nhất, giúp hiệu suất thu hồi annatto đạt tới 96,43%. Sản phẩm bột màu annatto E sau khi sấy khô sở hữu các chỉ tiêu chất lượng xuất sắc với độ ẩm 7,1% và hàm lượng chất màu tinh khiết đạt 64,89%.

Thứ tư, thử nghiệm tạo nhũ xác định tỷ lệ phối trộn chất nhũ hóa Tween 80 tối ưu là 50% (khối lượng/khối lượng) so với lượng bột màu annatto E hòa tan trong Propylene glycol kiềm (pH 10). Chế phẩm siêu nhũ tạo thành thể hiện độ phân tán hoàn hảo và giữ màu bền vững trong môi trường dung dịch nước có độ pH từ 3 đến 5 cũng như trong mẫu nước cam ép tự nhiên mà không xảy ra hiện tượng lắng cặn hay tách lớp sau thời gian dài theo dõi.

Thảo luận kết quả

Khi phân tích động học trích ly, tác động hiệp đồng giữa sóng vi sóng và dung môi kiềm yếu giải phóng hoạt chất vô cùng mạnh mẽ. Sắc tố annatto vốn phân bố chủ yếu ở lớp áo ngoài của hạt (aril), do đó việc chiếu xạ vi sóng công suất 760 W trong 49 giây đã làm bay hơi lớp ẩm tế bào biểu bì, tạo vi bọt khí phá vỡ màng liên kết mà không cần tiêu tốn năng lượng để nghiền nhỏ toàn bộ hạt. Kết quả này đồng nhất với các quan sát khoa học khi nghiên cứu cấu trúc tế bào thực vật dưới bức xạ điện từ.

Dữ liệu tối ưu hóa đa biến được minh họa trực quan thông qua đồ thị bề mặt đáp ứng ba chiều (3D Response Surface) và biểu đồ Pareto trong phần mềm JMP 9.2. Mặt cắt contour thể hiện rõ đỉnh cực đại của hàm mục tiêu hiệu suất, chứng minh tính tương thích rất cao giữa phương trình hồi quy bậc hai và dữ liệu thực nghiệm với hệ số xác định R2 đạt trên 0,95.

So với các nghiên cứu truyền thống của các tác giả trước đây tại Việt Nam vốn đòi hỏi ngâm chiết nhiệt độ 80 đến 100 độ C kéo dài từ 10 đến 24 giờ, giải pháp trích ly MASE rút ngắn thời gian xử lý xuống dưới 1 phút. Sự rút ngắn thời gian này không chỉ tiết kiệm hơn 85% năng lượng tiêu thụ mà còn bảo toàn nguyên vẹn liên kết đôi liên hợp trong phân tử bixin, ngăn chặn hiện tượng thoái hóa sinh sắc tố phụ không mong muốn. Chế phẩm bột annatto E đạt độ tinh khiết 64,89% sắc tố, hoàn toàn vượt mức chuẩn 35% theo quy định tại Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 4-10:2010/BYT và tiêu chuẩn quốc tế FAO JECFA Monographs 3, đảm bảo đầy đủ các điều kiện thương mại hóa khắt khe.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên những phát hiện khoa học từ đề tài, bốn nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn sản xuất:

1. Chuẩn hóa quy trình công nghệ trích ly vi sóng quy mô công nghiệp: Các nhà máy chế biến nông sản và phụ gia cần đầu tư hệ thống thiết bị vi sóng dòng liên tục ở dải tần số công nghiệp 915 MHz hoặc 2450 MHz, vận hành ở thông số công suất 760 W, thời gian lưu 49 giây và duy trì tỷ lệ dung môi Ethanol/Ammonia 12/1 nhằm đạt mục tiêu hiệu suất trích ly trên 3,0% liên tục trong vòng 6 tháng tới.
2. Ứng dụng chế phẩm nhũ annatto trong ngành công nghiệp đồ uống: Doanh nghiệp sản xuất nước giải khát cần triển khai thử nghiệm phối chế hệ nhũ annatto (Tween 80 tỷ lệ 50% trong Propylene glycol kiềm) vào các dòng sản phẩm nước cam ép, nước giải khát vị chanh và trà đóng chai có độ pH dao động từ 3,0 đến 4,5, với mục tiêu thay thế 100% phẩm màu tổng hợp Tartrazine (E102) và Sunset Yellow (E110) trong lộ trình 12 tháng.
3. Thiết lập hệ thống tuần hoàn và thu hồi dung môi khép kín: Bộ phận kỹ thuật nhà máy cần tích hợp tháp chưng cất ngưng tụ chân không để tái thu hồi tối thiểu 85% lượng dung môi Ethanol và Acid acetic sau công đoạn kết tủa, giúp giảm chi phí sản xuất hoạt chất xuống dưới mức 350.000 VNĐ cho mỗi kilôgam chế phẩm bột annatto thương phẩm.
4. Kiểm soát chất lượng theo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm nghiêm ngặt: Phòng Quản lý chất lượng (QA/QC) của các đơn vị sản xuất phải áp dụng quy trình kiểm định thường kỳ bằng quang phổ UV-Vis và HPLC, đảm bảo dư lượng dung môi Ethanol dưới 50 ppm, hàm lượng kim loại nặng Arsen không quá 3 mg/kg, Chì không quá 2 mg/kg và Thủy ngân dưới 1 mg/kg theo đúng cam kết trong QCVN 4-10:2010/BYT và hướng dẫn của Ủy ban Tiêu chuẩn Thực phẩm Quốc tế CODEX.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với bốn nhóm đối tượng sau:

• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) ngành thực phẩm: Ứng dụng công thức nhũ hóa annatto chịu acid để nghiên cứu tạo màu cho các dòng sản phẩm nước quả, thạch rau câu, sữa chua lên men, phô mai và các loại nước xốt có tính acid cao mà không lo ngại rủi ro mất màu hay phân tầng dung dịch.
• Doanh nghiệp sản xuất phụ gia và chế biến nông sản: Khai thác chi tiết quy trình công nghệ và bảng tính toán định mức kinh tế kỹ thuật để xây dựng dự án đầu tư nhà máy chế biến sâu hạt điều màu tại các vùng nguyên liệu trọng điểm như Đồng Nai, Bình Phước và Tây Nguyên.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp bố trí thí nghiệm tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (RSM - Box Behnken, CCD) trên phần mềm JMP, cùng kỹ thuật phân tích các hợp chất màu Carotenoid tự nhiên bằng quang phổ UV-Vis.
• Chuyên viên kiểm định và quản lý an toàn vệ sinh thực phẩm: Tham khảo các căn cứ pháp lý, hồ sơ độc tính, chỉ số dung nạp hàng ngày (ADI) và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN, quốc tế JECFA đối với chất màu tự nhiên E160b.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải chuyển đổi bột màu annatto thành dạng chế phẩm nhũ?

Bột màu annatto tự nhiên chứa bixin không tan trong nước và norbixin rất dễ bị kết tủa tách lớp khi đưa vào môi trường nước có độ pH acid dưới 5,5. Việc điều chế thành dạng nhũ tương với chất hoạt động bề mặt Tween 80 trong Propylene glycol kiềm giúp phân tán đều các phân tử màu thành hạt siêu mịn được bao bọc bền vững, ngăn ngừa hoàn toàn hiện tượng tụ tập hạt và lắng cặn trong nước ngọt hoặc nước ép quả.

Phương pháp trích ly có hỗ trợ vi sóng (MASE) ưu việt hơn phương pháp truyền thống ở điểm nào?

So với phương pháp ngâm chiết gia nhiệt thông thường tốn từ 10 đến 24 giờ ở 80 đến 100 độ C, phương pháp MASE sử dụng công suất 760 W chỉ mất 49 giây để giải phóng sắc tố nhờ cơ chế tăng nhiệt nội bào cực nhanh làm vỡ vỏ tế bào. MASE giúp nâng cao hiệu suất trích ly toàn bộ lên 3,08%, tiết kiệm hơn 85% năng lượng tiêu thụ và bảo vệ sắc tố bixin không bị thoái hóa nhiệt.

Tỷ lệ chất nhũ hóa Tween 80 bao nhiêu là thích hợp nhất cho chế phẩm nhũ?

Thực nghiệm chứng minh tỷ lệ Tween 80 bằng 50% so với khối lượng bột màu annatto E (hòa tan trong Propylene glycol ở pH 10) là tỷ lệ tối ưu nhất. Ở mức tỷ lệ này, hệ nhũ tương tạo ra độ trong, độ phân tán đồng nhất cao nhất và duy trì độ bền màu hoàn hảo khi pha loãng vào môi trường acid pH từ 3 đến 5 cũng như trong nền mẫu nước cam ép tự nhiên.

Chất lượng bột màu annatto E thu được từ nghiên cứu có đáp ứng tiêu chuẩn an toàn không?

Bột màu annatto E thu hồi bằng phương pháp kết tủa acid acetic 2,37 M đạt hàm lượng chất màu nguyên chất là 64,89% và độ ẩm 7,1%. Chỉ số này vượt trội so với yêu cầu tối thiểu 35% chất màu quy định tại Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 4-10:2010/BYT của Bộ Y tế và tiêu chuẩn FAO JECFA Monographs 3, đảm bảo đầy đủ điều kiện an toàn phụ gia thực phẩm.

Khi trích ly màu annatto có bắt buộc phải nghiền mịn hạt điều màu hay không?

Hoàn toàn không cần nghiền nhỏ hạt. Sắc tố màu annatto tập trung hoàn toàn ở lớp áo hạt ngoài cùng (aril), do đó việc giữ nguyên hạt khô trong quá trình xử lý vi sóng với dung môi Ethanol - Ammonia vừa đảm bảo trích ly triệt để sắc tố với hiệu suất 3,08%, vừa giúp công đoạn lọc tách bã hạt sau trích ly diễn ra nhanh chóng, hạn chế tạp chất dầu béo từ phôi hạt đi vào dịch chiết.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu công nghệ và đóng góp những giá trị khoa học - thực tiễn quan trọng:

• Xác lập hệ dung môi trích ly tối ưu gồm Ethanol 63 độ phối hợp Ammonia 0,47 M ở tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu 10/1.
• Làm chủ chế độ chiết xuất hỗ trợ vi sóng MASE ở công suất 760 W trong 49 giây với tỷ lệ dung môi 12/1, kết hợp 30 phút trích phụ giúp hiệu suất trích ly đạt đỉnh 3,08%.
• Đạt hiệu suất thu hồi sắc tố 96,43% bằng Acid acetic 2,37 M, sản xuất thành công bột màu annatto E có hàm lượng sắc tố cao 64,89%, vượt chuẩn QCVN 4-10:2010/BYT.
• Chế tạo thành công chế phẩm nhũ annatto bền vững ở pH acid dưới 5 bằng cách phối trộn Tween 80 tỷ lệ 50% trong Propylene glycol kiềm.
• Thử nghiệm ứng dụng thành công chế phẩm nhũ tạo màu cam tươi tự nhiên, đồng nhất và ổn định lâu dài trên mô hình nước cam ép thương phẩm.

Quy trình công nghệ đã được hoàn thiện sẵn sàng cho giai đoạn thử nghiệm pilot quy mô 100 kg hạt/mẻ trong 6 tháng tới. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm và nhà sản xuất đồ uống hãy chủ động liên hệ hợp tác, tiếp nhận chuyển giao công nghệ để tối ưu hóa chi phí sản xuất, thay thế phụ gia tổng hợp và nâng tầm nông sản Việt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về hạt điều màu 1. Cây điều màu 1. Tên gọi và vị trí phân loại Tên thường gọi: cây điều màu, cây điều nhuộm, cây màu cà ri.

Những tên gọi khác: annatto, anatto,arnatto,achiote, aploppas,lipstick tree, (tiếng Anh),atole, roucou, roucouyer, annato, orelana (tiếng Pháp), kam tai (tiếng Thái), kesumba (tiếng Indonesia),urucum, acafroa–do–brasil hoặc anato (tiếng Bồ Đào Nha), Jarak belanda (tiếng Malaysia), Anotto (tiếng Ý). Tên khoa học: Bixa orellana L. Vị trí trong hệ thống phân loại (Chengaiah et al., 2010): Giới (Regnum): Thực vật (Plantae) Ngành (Division): Thực vật có hoa (Angiospermae) Lớp (Class): Hai lá mầm (Eudicots) Bộ (Ordo): Cẩm quỳ (Malvales) Họ (Familia): Điều màu (Bixaceae) Chi (Genus): Điều màu (Bixa) Loài (Species): Bixa orellana Linn 1. Nguồn gốc, phân bố và sản lượng Điều màu có nguồn gốc từ khu vực nhiệt đới của châu Mỹ, được trồng nhiều ở Bolivia, Brazil, Colombia, Ecuador, Jamaica, Mexico, Peru, Puerto Rico và Dominica.

Cây điều màu du nhập vào Ấn Độ và khu vực Đông Nam Á do người 3 Tây Ban Nha đưa tới vào thế kỷ 17 để làm chất nhuộm màu thực phẩm. Sau đó được du nhập vào Hoa Kỳ, Ấn Độ và Châu Phi. Một số nước Châu Âu như Anh, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy cũng đã thuần hóa loài cây này nhưng chúng phát triển kém hơn so với vùng nhiệt đới. Cây này cũng được trồng ở Hawaii và các đảo ở khu vực Thái Bình Dương.

Ở Việt Nam cây điều màu được nhập nội để trồng vào thời kỳ Pháp thuộc, hiện nay loài cây nàymọc hoang dại hoặc được trồng rải rác ở vùng đồng bằng Nam Bộ, Tây Nguyên và miền Trung để thu hoạch hạt, làm cảnh hoặc làm thuốc (Võ Văn Chi, 1969). Loại cây này có thể trồng vào bất kỳ thời điểm nào trong năm, sau hai năm cho thu hoạch hạt nếu được chăm sóc đúng cách. Cây điều màu ra hoa vào đầu mùa mưa (khoảng tháng 4, tháng 5), cho thu hoạch vào khoảng tháng 10 và tháng 11. Cây từ 4 năm tuổi có thể cho thu hoạch 270 kg hạt / ha.

Các nước đóng góp sản lượng nhiều nhất là Brazil, Peru, Kenya, và Dominican; các nước sản xuất ít hơn là Jamaica, Ấn Độ, Sri Lanka, Philippine,Thổ Nhĩ Kỳ, Angola, Colombia, Ecuador và Bolivia (ITC, 1993). Hiện nay sản lượng hạt điều màu trên toàn thế giới hàng năm khoảng 14 500 tấn hạt khô (số liệu năm 2010). Đặc điểm sinh học Điều màu là cây nhiệt đới, xanh quanh năm, có thể sống tới 50 năm. Thân dạng gỗ nhỏ, nhiều cành, cao khoảng 4 – 5 m, có cây cao đến 10 m.

Lá đơn mềm, nhẵn, hình ba cạnh, đầu nhọn, hình tim ở gốc, nhọn ở chóp, dài khoảng 12 cm, rộng 7 cm hoặc hơn; cuống phình ở đỉnh, dài 3 – 4 cm. Hoa tương đối lớn, có màu tía hoặc trắng, mọc thành chùy ngắn ở đầu ngọn. Quả nang hình tim, bao bọc bởi gai cứng, mọc thành chùm, màu đỏ tím, mở bằng hai van, mỗi mảnh nang chứa nhiều hạt, khi chín có màu đỏ tươi đến nâu. Trong mỗi quả có khoảng 50 hạt, hạt có dạng gần lập phương tập trung trên một cuống ngắn, cuống hạt nở ra thành một cái áo hạt ngắn màu đỏ, xung quanh hạt có lớp màu đỏ.

Vỏ quả non màu xanh thẫm, mềm, hạt ở trong có màu đỏ tươi, ướt, mềm và trơn. Khi già vỏ quả có màu xanh hơi vàng, hạt phía trong cứng, khô, khó bóp, hạt khô và có màu đỏ thẫm. Khi quả chín mà 4 không thu hoạch kịp thời thì quả bị khô và nứt ra làm khô các hạt ở trong và hạt tự rơi xuống đất, rất dễ phát tán để phát triển thành cá thể khác (Đỗ Tất Lợi, 1999). Cây, hoa và trái điều màu (Bixa orellana L.

Quả và hạt điều màu lúc mới thu hoạch 1. Thành phần hóa học của hạt điều màu Kết quả phân tích cho thấy hạt annattochứa 40 % đến 45 % cellulose, 3,5 % đến 5,5 % sucrose, 0,3 % đến 0,9 % tinh dầu, 3 % dầu không bay hơi, và 13 % đến 16 % protein (The Raintree Group, 1997). Nhìn chung, hàm lượng sắc số annatto trong hạt điều màu khoảng 5 % đối với loài có quả hình bán cầu, 3 % – 3,58 % đối với quả hình nón, còn quả hình oval chỉ có 1,5 % – 2 % (ITC, 1993; Mantovani et 5 al. Sắc tố annatto gồm cis–bixin (ester monomethyl của acid dicarboxylic norbixin), một phần trans–bixin và cis–norbixin, chúng có bản chất là carotenoid; trong đó bixin chiếm khoảng 70 – 82 % màu tổng số (McKeown và Mark, 1962; Aparnathi và Sharma, 1991).

Ngoài bixin và norbixin, hạt điều màu còn chứa alpha–và beta–carotencùng một số thành phần khác như tannin, ethereal oil, saponin, hợp chất tương tự dầu mustard, mono– và sesquiterpene bixaghanene, bixein, bixol, crocetin, ellagic acid, ishwarane, isobixin, phenylalanine, salicylic acid, threonine, tomentosic acid và tryptophan (The Raintree Group, 1997). Màu annatto chỉ nằm ở lớp áo hạt – aril of seed nên khi trích ly không cần thiết phải nghiền hạt (Smiths và Wallin, 2006; Amaral et al. Thực tế Nobre et al. (2006) và đã so sánh và thấy rằng hàm lượng annatto trích nguyên hạt và hạt nghiền nhỏ cho kết quả như nhau.

Lê Thị Hoa (2012) dùng dung môi KOH để so sánh hiệu suất trích ly màu của hạt điều màu nguyên hạt và bột hạt điều màu, kết quả cho thấy dạng nguyên hạt có hiệu suất trích ly màu cao hơn dạng bột. Cấu tạo phân tử Hình 1. Cấu trúc phân tử của norbixin (A) và bixin (B) (Magestea et al., 2012) 6 Màu annatto có bản chất là carotenoid, gồm 2 thành phần tạo màu chính là bixin và norbixin, công thức cấu tạo của bixin là C25H30O4 và norbixin là C24H28O4. Mạch carbon của bixin và norbixin có 9 nối đôi liên hợp xen kẽ đều đặn giữa các nối đơn.

Norbixin là một hợp chất dicarboxylic có hai gốc carboxyl tự do còn bixin là methyl ester của acid norbixin, nên bixin chỉ còn có một nhóm carboxyl tự do. Tính chất lý hóa Bixin có màu đỏ đến cam, phân tử phân cực yếu nên không tan trong nước, có thể tan trong dầu, dung môi hữu cơ như chloroform, ethyl acetate, acetone,. (Marco et al. Norbixin cho màu cam pha vàng, phân tử phân cực mạnh hơn, không tan trong nước pH thấp, tan tốt trong kiềm, tan không nhiều trong dung môi hữu cơ (Scotter, 2009).

Do có nhiều nối đôi trong mạch carbon nên cả bixin và norbixin đều dễ bị biến đổi khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng cường độ cao trong thời gian dài. Norbixin bị kết tủa trong môi trường pH thấp (thường là dưới 5,5), khi norbixin kết tủa thường tạo phức bền với protein, tinh bột và một số thành phần khác và tạo ra sự đồng đều màu sắc trong sản phẩm, đồng thời ngăn cản được hiện tượng bị trôi màu. Annatto rất bền trong môi trường kiềm (Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000). Sự có mặt của nhiều nối đôi trong phân tử cũng khiến annatto dễ bị oxy hóa, đây là lý do annatto được coi là chất tạo màu, vừa là chất chống oxy hóa.

Nhiều tác giả như Kiokias và Gordon (2003), Cardarelli et al. (2008), Vasu et al. (2010), Santos et al. (2011) và Garcia et al.

(2012) đã công bố nghiên cứu về hoạt tính chống oxy hóa của annatto. Trong nhóm carotenoid, annatto là nhóm màu gần như duy nhất vẫn giữ màu khi thay đổi các dạng cấu trúc hóa học. Ở điều kiện nhiệt độ và pH nhất định, bixin bị thủy phân thành norbixin hoặc xà phòng hóa thành muối K+ hoặc Na+ của norbixin (Hình 1. Ở nhiệt độ thấp hơn 50 0C, bixin và norbixin khá ổn định, nhưng từ 50 0C trở lên, cis–bixin dễ bị phân hủy thành một số sản phẩm, trong đó có chất màu vàng C17 có tên là sắc tố McKeown và metaxilen (Preston và Rickard, 1980; Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000) (Hình 1.

7 nhiệt nhiệt cis-bixin trans-bixin Hợp chất phân hủy Thủy phân (xà phòng hóa) Thủy phân (xà phòng hóa) Muối Na+ hoặc K+ Muối Na+ hoặc K+ của cis-norbixin của trans-norbixin Acid hóa (hoặc trung hòa) Acid hóa (hoặc trung hòa) cis-norbixin trans-norbixin Hình 1. Chuyển đổi qua lại giữa các dạng annatto (Smiths và Wallin, 2006) Hình 1. Phản ứng sinh sắc tố McKeown và metaxilen (Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000) 1. Chế phẩm từ annatto dùng làm phụ gia thực phẩm Hình 1.

Chế phẩm bột annatto và huyền phù trong dầu (Walmart, 2013) 8 Trên thị trường, chế phẩm annatto được cung cấp dưới nhiều dạng tùy theo mục đích sử dụng như: lỏng, bột, bột vi tinh thể, sệt, nhũ, huyền phù trong dầu (Bảng 1. Chế phẩm annatto dạng sệt (oleoresin) bảo quản được lâu hơn so với dạng bột (Balaswamy et al. Phẩm màu annatto chiếm tới 70 % tổng sản lượng màu tự nhiên toàn cầu và riêng tại Brazil là 90 % (Veríssimo, 2003). Các loại chế phẩm annatto chủ yếu (Smith và Wallin, 2006) Tên chế Hàm lượng Mô tả chế phẩm Mô tả quy trình phẩm màu Annatto Bixin dạng sệt được 20 % bixin.

Không có tài liệu mô tả. A trích bằng dung môi rồi loại bỏ dung môi. Annatto Bixin dạng tinh thể Tối thiểu: Ngâm hạt với dung môi để hòa tan sắc tố. Lọc B được trích bằng dung 80 %, mong dịch chiết để loại thành phần không tan.

muốn: ≈ 90 đoạn tiếp theo là loại chất béo và sáp, loại dung % bixin. môi, kết tinh và sấy khô. Dư lượng dung môi: ≤ 50 ppm. Bột mịn với kích thước hạt nhỏ hơn 250 micron.

Annatto Bixin tinh thể được Tối thiểu 70 Hạt được xử lý như quy trình sản xuất Annatto B. C chiết, xà phòng hóa, % norbixin, Thêm kiềm loãng vào bột thu được, kế đến đun thủy phân, kết tủa mong muốn nóng để thủy phân sắc tố rồi làm nguội. Lọc dịch bằng acid, rửa rồi sấy ≈ 80 %. rồi acid hóa để tủa norbixin.

Lọc tủa, rửa, sấy rồi khô. nghiền, cuối cùng thu được bột norbixin. Annatto Dịch huyền phù bixin Tối thiểu 10 Cọ xát hạt điều màu trong dầu thực vật nóng để D thu được sau khi xử % bixin, tách sắc tố từ bề mặt của hạt. Rây sơ bộ để loại bỏ lý bằng dầu (không muốn hạt.

dùng dung môi). Annatto Tách bixin bằng dung Tối thiểu 25 Cọ xát hạt điều màu trong dung dịch kiềm nguội E dịch kiềm nguội, sấy % bixin, (KOH hoặc NaOH) để tách sắc tố. Acid hóa khô rồi nghiền thành mong muốn huyền phù thu được (H2SO4) để tủa bixin. Lọc, dạng bột.

rửa, sấy khô rồi nghiền tủa thành dạng bột. Annatto Dùng kiềm để thu rồi Tối thiểu 35 Cọ xát hạt điều màu trong dung dịch kiềm nguội F acid hóa để tủa % norbixin, (KOH hoặc NaOH) để tách sắc tố. Thêm kiềm vào norbixin, cuối cùng mong muốn huyền phù thu được rồi đun nóng để hòa tan sắc sấy khô thành dạng ≈ 40 %. tố, sau đó làm nguội, loại chất béo và sáp.