Tổng quan nghiên cứu

Bí đỏ (Cucurbita moschata) là loại rau quả giàu dinh dưỡng và các hoạt chất sinh học có lợi cho sức khỏe như β-carotene, lycopene, polyphenol, vitamin C và axit folic. Theo báo cáo của ngành, diện tích trồng bí đỏ chiếm khoảng 22% diện tích trồng rau màu trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, sản lượng và mức tiêu thụ chủ yếu vẫn ở dạng tươi, chưa khai thác hiệu quả tiềm năng của nguyên liệu này. Các hoạt chất trong bí đỏ có tác dụng chống oxy hóa, tăng cường miễn dịch, hỗ trợ hệ thần kinh và giảm nguy cơ mắc các bệnh ung thư, tim mạch. Việc chế biến bí đỏ thành dạng bột giúp bảo quản lâu dài, thuận tiện sử dụng và đa dạng hóa sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường thực phẩm chức năng và dinh dưỡng.

Nghiên cứu tập trung nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ quả bí đỏ bằng phương pháp thủy phân enzyme cellulase và pectinase, nhằm tối ưu hóa quá trình trích ly các thành phần dinh dưỡng và hoạt chất sinh học. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trên nguyên liệu bí đỏ giống Vàm Răng, phổ biến ở khu vực miền Tây Nam Bộ Việt Nam, trong điều kiện phòng thí nghiệm. Mục tiêu cụ thể là khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian hấp, pH, tỷ lệ enzyme, nhiệt độ và thời gian thủy phân đến hiệu suất thu hồi chất khô và hàm lượng carotene, đồng thời đánh giá chất lượng sản phẩm bột bí đỏ sau sấy phun về mặt dinh dưỡng, cảm quan và an toàn vi sinh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ chế biến bí đỏ thành sản phẩm bột giàu dinh dưỡng, góp phần nâng cao giá trị kinh tế của nguyên liệu, mở rộng ứng dụng trong thực phẩm chức năng, thực phẩm bổ sung cho trẻ em, người cao tuổi và các sản phẩm bánh ngọt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết enzyme chính: enzyme cellulase và enzyme pectinase, cùng với mô hình tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (Response Surface Modeling - RSM).

  • Enzyme cellulase: Là enzyme thủy phân cellulose, thành phần chính của thành tế bào thực vật, giúp phá vỡ cấu trúc cellulose trong mô quả bí đỏ, tăng hiệu quả giải phóng chất chiết. Cellulase từ nấm mốc Trichoderma reesei có hoạt tính cao trong khoảng pH 3-7 và nhiệt độ 40-50°C.

  • Enzyme pectinase: Phân giải pectin, một polysaccharide phức tạp trong thành tế bào, giúp làm mềm mô quả và tăng hiệu suất thu hồi chất khô. Pectinase từ nấm Aspergillus hoạt động hiệu quả ở pH 4,5-6 và nhiệt độ 40-50°C.

  • Khái niệm chính:

    • Hiệu suất thu hồi chất khô (H%): Tỷ lệ phần trăm chất khô thu hồi được so với chất khô ban đầu trong nguyên liệu.
    • Phương pháp sấy phun: Kỹ thuật làm khô nguyên liệu dạng lỏng thành bột, giữ được màu sắc và hoạt tính sinh học.
    • Maltodextrin: Phụ gia dùng trong sấy phun để cải thiện tính chất bột, ổn định sản phẩm.

  • Mô hình bề mặt đáp ứng (RSM): Phương pháp thống kê dùng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân, xác định điều kiện tối ưu về nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu là quả bí đỏ giống Vàm Răng, thu mua tại tỉnh Kiên Giang, xử lý sơ bộ bằng cắt lát, hấp và nghiền. Enzyme cellulase và pectinase được cung cấp bởi hãng Novozymes (Đan Mạch).

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định thành phần dinh dưỡng (protein, carbohydrate, lipid, chất xơ, carotene) theo tiêu chuẩn AOAC.
    • Đo hiệu suất thu hồi chất khô (H%) bằng phương pháp sấy khô đến khối lượng không đổi.
    • Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa bằng phương pháp DPPH và hàm lượng phenolic tổng.
    • Đánh giá cảm quan sản phẩm bột bí đỏ theo phương pháp cho điểm thị hiếu.
    • Kiểm tra an toàn vi sinh theo tiêu chuẩn Bộ Y tế (TSVSVHK, nấm men, nấm mốc, Coliform, E. coli).

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2015, gồm các bước khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố thủy phân, tối ưu hóa quy trình bằng RSM, sấy phun dịch lọc và đánh giá sản phẩm cuối cùng.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu nguyên liệu được chuẩn hóa về kích thước, trọng lượng và bảo quản lạnh để đảm bảo tính đồng nhất. Các thí nghiệm được lặp lại ít nhất ba lần để đảm bảo độ tin cậy.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phân tích phương sai ANOVA với mức ý nghĩa 5% để đánh giá sự khác biệt giữa các nhóm thí nghiệm, phần mềm STATGRAPHICS® Centurion XV và Modde 5.0 cho mô hình RSM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý nhiệt sơ bộ: So sánh giữa phương pháp chần và hấp, kết quả cho thấy hấp thịt bí đỏ trong 7 phút đạt hiệu suất thu hồi chất khô cao nhất là 51,74%, cao hơn đáng kể so với chần (46%). Việc hấp giúp vô hoạt enzyme nội sinh và giảm vi sinh vật, đồng thời giữ được hàm lượng carotene cao hơn.

  2. Tối ưu pH và tỷ lệ enzyme cellulase/pectinase: pH 6,0 là điều kiện tối ưu cho quá trình thủy phân, đạt hiệu suất thu hồi chất khô khoảng 50%. Tỷ lệ kết hợp enzyme cellulase và pectinase 1:1 cho hiệu suất thu hồi cao nhất, tăng khoảng 13% so với mẫu đối chứng không xử lý enzyme (37,9%).

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha loãng thịt quả/nước: Tỷ lệ 1:1 là phù hợp nhất, cân bằng giữa độ nhớt và hiệu suất thu hồi chất khô, giúp enzyme hoạt động hiệu quả và thuận lợi cho quá trình sấy phun.

  4. Tối ưu nhiệt độ và thời gian thủy phân: Nhiệt độ 50,64°C và thời gian 125 phút là điều kiện tối ưu, đạt hiệu suất thu hồi chất khô 51,08%. Nồng độ enzyme kết hợp 0,9337% theo chất khô nguyên liệu cũng được xác định là tối ưu.

  5. Chất lượng sản phẩm bột bí đỏ sau sấy phun: Bột thu được có hàm lượng carbohydrate 83,4%, protein 3,62%, năng lượng 358 kcal/100g, an toàn vi sinh theo tiêu chuẩn hiện hành. Hoạt tính chống oxy hóa của bột tăng 28,52% so với nguyên liệu tươi, trong khi hàm lượng carotene giảm nhẹ 10,65%, phenolic giảm không đáng kể.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp thủy phân enzyme kết hợp cellulase và pectinase hiệu quả trong việc phá vỡ cấu trúc tế bào bí đỏ, tăng hiệu suất thu hồi chất khô và giữ lại phần lớn các hoạt chất sinh học quan trọng. Việc lựa chọn pH, nhiệt độ và thời gian thủy phân phù hợp giúp enzyme hoạt động tối ưu, đồng thời giảm thiểu tổn thất dinh dưỡng do nhiệt độ cao hoặc thời gian xử lý quá dài.

So với các nghiên cứu trước đây về sấy phun và xử lý enzyme trên các loại rau quả khác, kết quả này tương đồng về xu hướng tăng hiệu suất thu hồi và cải thiện chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng maltodextrin làm phụ gia trong sấy phun giúp giảm độ nhớt dịch lọc, tăng hiệu quả sấy và giữ màu sắc tự nhiên của bột.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự thay đổi hiệu suất thu hồi chất khô theo các yếu tố pH, tỷ lệ enzyme, nhiệt độ và thời gian thủy phân, cũng như bảng so sánh thành phần dinh dưỡng và hoạt tính chống oxy hóa giữa nguyên liệu và sản phẩm bột.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình thủy phân enzyme kết hợp cellulase và pectinase với tỷ lệ 1:1, pH 6, nhiệt độ 50,64°C, thời gian 125 phút để nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô trong sản xuất bột bí đỏ. Thời gian thực hiện quy trình có thể điều chỉnh linh hoạt trong vòng 2-3 giờ, do các nhà sản xuất thực phẩm chức năng và chế biến thực phẩm.

  2. Sử dụng maltodextrin với tỷ lệ 15% chất khô trong dịch lọc trước khi sấy phun để cải thiện tính chất bột, giảm độ nhớt và tăng hiệu quả sấy, đảm bảo sản phẩm bột có màu sắc và hoạt tính sinh học tốt.

  3. Đầu tư trang thiết bị sấy phun hiện đại, kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng nguyên liệu chính xác nhằm giữ nguyên giá trị dinh dưỡng và hoạt tính chống oxy hóa của sản phẩm, đồng thời đảm bảo an toàn vi sinh.

  4. Phát triển các sản phẩm thực phẩm bổ sung như bột bí đỏ cho trẻ em, người cao tuổi, và nguyên liệu cho các loại bánh mì, bánh cookie, bánh ngọt nhằm đa dạng hóa thị trường tiêu thụ và nâng cao giá trị kinh tế của bí đỏ.

  5. Khuyến khích các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp để tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, đánh giá lưu trữ và ứng dụng sản phẩm bột bí đỏ trong các ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tối ưu hóa quy trình thủy phân enzyme và sấy phun, giúp phát triển các đề tài liên quan đến chế biến rau quả và thực phẩm chức năng.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và bột dinh dưỡng: Tham khảo để áp dụng công nghệ nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô, giữ nguyên giá trị dinh dưỡng và cải thiện chất lượng sản phẩm bột bí đỏ.

  3. Các cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp, chế biến thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển sản phẩm chế biến từ bí đỏ, thúc đẩy giá trị gia tăng cho nông sản địa phương.

  4. Nhà sản xuất thiết bị công nghệ chế biến thực phẩm: Tham khảo các thông số kỹ thuật và yêu cầu quy trình để thiết kế, cải tiến thiết bị sấy phun và hệ thống thủy phân enzyme phù hợp với nguyên liệu bí đỏ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải sử dụng kết hợp enzyme cellulase và pectinase trong thủy phân bí đỏ?
    Cellulase phá vỡ cellulose trong thành tế bào, còn pectinase phân giải pectin – chất keo kết dính giữa các tế bào. Sự kết hợp giúp phá vỡ cấu trúc tế bào hiệu quả hơn, tăng thu hồi chất khô và chất chiết.

  2. Điều kiện pH và nhiệt độ nào là tối ưu cho quá trình thủy phân?
    Nghiên cứu xác định pH 6, nhiệt độ khoảng 50,64°C là điều kiện tối ưu để enzyme hoạt động hiệu quả, đảm bảo hiệu suất thu hồi chất khô cao và giữ được hoạt tính sinh học.

  3. Hiệu suất thu hồi chất khô tăng bao nhiêu so với phương pháp không sử dụng enzyme?
    Hiệu suất thu hồi chất khô tăng khoảng 13% khi sử dụng phương pháp thủy phân enzyme so với mẫu đối chứng không xử lý enzyme.

  4. Sản phẩm bột bí đỏ có giữ được các hoạt chất dinh dưỡng quan trọng không?
    Bột bí đỏ sau sấy phun giữ được hàm lượng phenolic gần như không đổi, carotene giảm nhẹ khoảng 10,65%, trong khi hoạt tính chống oxy hóa tăng 28,52% so với nguyên liệu tươi.

  5. Maltodextrin có vai trò gì trong quá trình sấy phun?
    Maltodextrin giúp giảm độ nhớt dịch lọc, cải thiện khả năng phun sương, ổn định cấu trúc bột, giữ màu sắc và hương vị tự nhiên, đồng thời tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được quy trình thủy phân enzyme cellulase và pectinase tối ưu, nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ quả bí đỏ lên khoảng 51%, tăng 13% so với phương pháp không enzyme.
  • Sản phẩm bột bí đỏ sau sấy phun giữ được giá trị dinh dưỡng cao, an toàn vi sinh và phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng.
  • Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) hiệu quả trong tối ưu hóa các yếu tố thủy phân enzyme, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, thực phẩm bổ sung và các sản phẩm chế biến từ bí đỏ.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, đánh giá lưu trữ và ứng dụng sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng quy trình đã tối ưu vào sản xuất thực tế, đồng thời phát triển các sản phẩm đa dạng từ bột bí đỏ để đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng.