Tổng quan nghiên cứu

Cây điều (Anacardium occidentale) là cây công nghiệp quan trọng ở các tỉnh phía Nam Việt Nam với diện tích thu hoạch hơn 300 nghìn hecta. Năm 2017, Việt Nam lần đầu tiên trở thành nước xuất khẩu hạt điều đứng đầu thế giới với sản lượng xuất khẩu hơn 360 nghìn tấn, giá trị đạt trên 3 tỷ USD. Quả điều, phần lớn bị bỏ đi do chứa hàm lượng tanin cao (250-470 mg/100mL) gây vị chát, làm lãng phí nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng và kháng oxy hóa như vitamin C (126-372 mg/100mL), polyphenol và các khoáng chất. Ước tính mỗi năm Việt Nam bỏ đi khoảng 2,5-3 triệu tấn quả điều sau thu hoạch hạt.

Nghiên cứu tập trung ứng dụng enzym tanase để thủy phân tanin trong dịch ép quả điều, kết hợp với gelatin để tách loại tanin hiệu quả, giảm vị chát nhưng vẫn giữ được hàm lượng dinh dưỡng và polyphenol. Mục tiêu chính là xác định điều kiện tối ưu enzym tanase và gelatin trong xử lý dịch ép quả điều, đồng thời xây dựng quy trình lên men rượu vang từ dịch ép đã xử lý. Thời gian nghiên cứu từ tháng 5/2018 đến tháng 9/2019 tại Viện Công nghệ Hóa học và Viện Sinh học Nhiệt đới, TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng enzym tanase cho dịch ép quả điều, một hướng đi mới chưa được khai thác ở Việt Nam và thế giới. Về thực tiễn, đề tài góp phần tận dụng nguồn nguyên liệu bị bỏ phí, giảm ô nhiễm môi trường, đa dạng hóa sản phẩm ngành điều và tăng thu nhập cho nông dân.

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 enzym học về enzym tanase (EC 3.20): enzym này thủy phân tanin thủy phân thành axit gallic và glucose, có đặc hiệu cao với tanin thủy phân. Cơ chế xúc tác theo mô hình Michaelis-Menten, enzym hoạt động tối ưu ở pH 4-5 và nhiệt độ 40-50°C.

  • Tương tác hóa học giữa gelatin và tanin: gelatin là protein có khả năng tạo liên kết hydro với nhóm phenolic của tanin, giúp kết tủa và tách loại tanin khỏi dịch ép. Hiệu quả liên kết phụ thuộc vào pH gần điểm đẳng điện của gelatin (pH 5-6).

  • Mô hình lên men rượu vang: quá trình lên men kỵ khí chuyển hóa đường thành etanol dưới tác dụng của nấm men Saccharomyces spp. Các yếu tố ảnh hưởng gồm pH (4-5), nhiệt độ (22-30°C), hàm lượng đường (20-24 oBrix), tỉ lệ men (4-10% v/v), và thời gian lên men (7-10 ngày).

  • Khái niệm và phương pháp đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa: sử dụng chỉ số DPPH (IC50) và năng lực khử (EC50) để đánh giá khả năng bắt gốc tự do và khử ion của dịch ép quả điều trước và sau xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dịch ép quả điều thu hoạch tại Bình Phước, được ép bằng máy ép trục vít, bảo quản ở -10°C. Enzym tanase dạng bột từ Nhật Bản, gelatin thực phẩm từ công ty phụ gia Sài Gòn. Nấm men Saccharomyces cerevisiae K1 V1116 và Saccharomyces uvarum 664 được sử dụng cho lên men.

  • Phương pháp phân tích: Xác định hàm lượng tanin theo phương pháp chuẩn độ Lowenthal, polyphenol theo Folin-Ciocalteu, vitamin C chuẩn độ iod, khả năng kháng oxy hóa bằng DPPH và năng lực khử theo phương pháp khử ion Fe3+. Độ cồn xác định bằng phương pháp chưng cất và đo tỷ trọng. Số lượng tế bào nấm men đếm bằng buồng đếm hồng cầu.

  • Thiết kế thí nghiệm:

    • Khảo sát ảnh hưởng của pH (4-5,5), nhiệt độ (40-50°C) và hàm lượng enzym tanase (50-500 ppm) đến hiệu suất thủy phân tanin.
    • Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng gelatin (1-5 g/L) và nhiệt độ (30-60°C) đến hiệu quả tách loại tanin.
    • Lựa chọn môi trường nuôi cấy nấm men (dịch điều và Sabouraud) và chủng nấm men thích hợp dựa trên sinh trưởng và hiệu quả lên men.
    • Tối ưu hóa điều kiện lên men chính bằng phương pháp thiết kế thí nghiệm CCD với các yếu tố pH (4-5), oBrix (20-24), tỉ lệ men (4-10% v/v).

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 5/2018 đến tháng 9/2019, gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, thí nghiệm xử lý enzym và gelatin, khảo sát lên men, phân tích kết quả và xây dựng quy trình sản xuất rượu vang điều.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện tối ưu thủy phân tanin bằng enzym tanase: pH 4,5 và nhiệt độ 50°C cho hiệu suất thủy phân tanin cao nhất, giảm hàm lượng tanin từ khoảng 470 mg/100mL xuống còn khoảng 150 mg/100mL, tương đương hiệu suất tách loại trên 68%. Hàm lượng enzym tanase 300 ppm là mức tối ưu, tăng thêm enzym không cải thiện đáng kể hiệu quả.

  2. Hiệu quả tách loại tanin bằng gelatin: bổ sung gelatin 3 g/L ở nhiệt độ 50°C đạt hiệu suất tách loại tanin cao nhất, giảm tanin còn khoảng 50 mg/100mL trong dịch ép. Kết hợp enzym tanase và gelatin giúp giảm vị chát rõ rệt, đồng thời giữ lại hàm lượng polyphenol tăng 15% so với dịch ép ban đầu.

  3. Lựa chọn nấm men và môi trường lên men: Saccharomyces cerevisiae K1 V1116 sinh trưởng tốt hơn trong môi trường dịch ép quả điều đã xử lý, đạt mật độ tế bào tối đa sau 24 giờ. Quá trình lên men chính trong 7 ngày với điều kiện pH 4,5, oBrix 22 và tỉ lệ men 7,5% v/v tạo ra rượu vang điều có độ cồn 12,5% (v/v), giữ được màu vàng nhạt đặc trưng.

  4. Chất lượng sản phẩm rượu vang điều: sản phẩm đạt điểm cảm quan trung bình 4,2/5 về độ trong, màu sắc, mùi vị và vị chát giảm đáng kể so với dịch ép ban đầu. Các chỉ tiêu vi sinh vật đảm bảo an toàn theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7045:2013.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy enzym tanase có khả năng thủy phân tanin thủy phân trong dịch ép quả điều hiệu quả, giảm vị chát mà vẫn giữ được các hợp chất polyphenol có lợi. Việc kết hợp gelatin giúp tách loại tanin ngưng tụ, tăng hiệu quả xử lý. Điều kiện pH và nhiệt độ được xác định phù hợp với đặc tính hoạt động của enzym và gelatin, đồng thời bảo toàn vitamin C và các chất dinh dưỡng khác.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp truyền thống tách tanin ở nhiệt độ cao (60-80°C) làm mất vitamin, nghiên cứu này giữ được hàm lượng vitamin C cao hơn khoảng 20%. Quá trình lên men với chủng Saccharomyces cerevisiae K1 V1116 phù hợp với dịch ép quả điều, tạo ra rượu vang có độ cồn và hương vị tương đương các loại rượu vang trái cây khác trên thị trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên hàm lượng tanin, polyphenol và vitamin C trước và sau xử lý enzym và gelatin, cũng như đồ thị tăng trưởng tế bào nấm men và biến đổi độ cồn trong quá trình lên men.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình xử lý enzym tanase kết hợp gelatin: các cơ sở chế biến quả điều nên ứng dụng quy trình xử lý enzym tanase 300 ppm ở pH 4,5 và 50°C, kết hợp gelatin 3 g/L để giảm vị chát, tăng hàm lượng polyphenol, nâng cao chất lượng dịch ép làm nguyên liệu lên men.

  2. Phát triển sản phẩm rượu vang điều: khuyến khích doanh nghiệp và hợp tác xã nông nghiệp đầu tư sản xuất rượu vang điều theo quy trình lên men tối ưu với Saccharomyces cerevisiae K1 V1116, pH 4,5, oBrix 22, tỉ lệ men 7,5% v/v, thời gian lên men 7 ngày để tạo sản phẩm có độ cồn 12-13% phù hợp thị trường.

  3. Đào tạo kỹ thuật và chuyển giao công nghệ: tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật xử lý enzym và lên men rượu vang cho cán bộ kỹ thuật và nông dân tại các vùng trồng điều trọng điểm như Bình Phước, Đồng Nai trong vòng 6-12 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng: tiếp tục nghiên cứu ứng dụng enzym tanase và các enzym khác để xử lý các loại quả có hàm lượng tanin cao, đồng thời khảo sát các chủng nấm men khác để đa dạng hóa sản phẩm rượu vang trái cây.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến nông sản: có thể ứng dụng quy trình xử lý enzym và lên men để phát triển sản phẩm rượu vang điều, tận dụng nguồn nguyên liệu quả điều bị bỏ phí, nâng cao giá trị gia tăng.

  2. Hợp tác xã và nông dân trồng điều: hiểu rõ kỹ thuật xử lý dịch ép quả điều, giảm lãng phí, tăng thu nhập từ việc cung cấp nguyên liệu cho sản xuất rượu vang và các sản phẩm chế biến khác.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành sinh học thực nghiệm, công nghệ thực phẩm: tham khảo phương pháp ứng dụng enzym trong xử lý polyphenol và phát triển sản phẩm lên men từ nguyên liệu trái cây.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp: xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển ngành điều theo hướng bền vững, thúc đẩy đa dạng hóa sản phẩm và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Enzym tanase có vai trò gì trong xử lý dịch ép quả điều?
    Enzym tanase thủy phân tanin thủy phân thành axit gallic và glucose, giúp giảm vị chát trong dịch ép quả điều mà vẫn giữ lại các hợp chất polyphenol có lợi cho sức khỏe.

  2. Tại sao cần kết hợp gelatin trong quá trình xử lý tanin?
    Gelatin tạo liên kết hydro với tanin ngưng tụ, giúp kết tủa và tách loại tanin hiệu quả hơn, giảm vị chát và cải thiện chất lượng dịch ép.

  3. Chủng nấm men nào thích hợp cho lên men rượu vang điều?
    Saccharomyces cerevisiae K1 V1116 được lựa chọn do sinh trưởng tốt trong dịch ép quả điều, lên men mạnh, tạo độ cồn và hương vị đặc trưng cho rượu vang.

  4. Điều kiện lên men tối ưu để tạo rượu vang điều là gì?
    pH 4,5; hàm lượng chất khô (oBrix) 22; tỉ lệ men 7,5% v/v; nhiệt độ phòng 28-32°C; thời gian lên men chính 7 ngày cho sản phẩm có độ cồn khoảng 12,5% (v/v).

  5. Lợi ích của việc sản xuất rượu vang từ dịch ép quả điều?
    Tận dụng nguồn nguyên liệu bị bỏ phí, giảm ô nhiễm môi trường, tạo sản phẩm giá trị cao, đa dạng hóa ngành điều và tăng thu nhập cho nông dân.

Kết luận

  • Ứng dụng enzym tanase kết hợp gelatin hiệu quả trong thủy phân và tách loại tanin, giảm vị chát trong dịch ép quả điều.
  • Xác định điều kiện tối ưu enzym tanase 300 ppm, pH 4,5, nhiệt độ 50°C và gelatin 3 g/L cho hiệu suất tách tanin cao.
  • Lựa chọn Saccharomyces cerevisiae K1 V1116 và điều kiện lên men pH 4,5, oBrix 22, tỉ lệ men 7,5% v/v, thời gian 7 ngày tạo rượu vang điều chất lượng cao.
  • Quy trình sản xuất rượu vang điều đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam, giữ được hàm lượng dinh dưỡng và hương vị đặc trưng.
  • Khuyến nghị triển khai ứng dụng quy trình trong sản xuất thực tiễn, đào tạo kỹ thuật và nghiên cứu mở rộng để phát triển ngành điều bền vững.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ enzym tanase trong chế biến quả điều để tạo ra sản phẩm rượu vang độc đáo, nâng cao giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường!