Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cây atiso đỏ (tên khoa học: Hibiscus sabdariffa L., thuộc họ Malvaceae), hay còn gọi là bụp giấm, có nguồn gốc từ Tây Phi và được du nhập vào Việt Nam từ năm 1992. Loài cây này có đặc tính sinh trưởng khỏe, không kén đất, thích hợp với khí hậu nhiệt đới và đất đồi núi. Đài hoa atiso đỏ chứa hàm lượng dinh dưỡng và hoạt chất sinh học phong phú, đặc biệt là vitamin C (12 mg/100g), vitamin A (14 μg/100g), các khoáng chất như canxi (215 mg/100g), kali (208 mg/100g), cùng các hợp chất chống oxy hóa tự nhiên nhóm anthocyanin. Ngoài ra, trong hoa còn chứa hợp chất polysaccharid HIB-3 có khả năng ức chế tế bào ung thư, hỗ trợ giảm cholesterol trong máu, các acid hữu cơ hòa tan (acid citric, acid malic) và các chất có tính kháng sinh như gossypetin, chlorid hibiscin.

Mặc dù có nguồn dược tính và giá trị dinh dưỡng cao, tại Việt Nam hoa atiso đỏ chủ yếu mới được khai thác ở dạng chế biến đơn giản như trà túi lọc, mứt quả hoặc nước giải khát. Các nghiên cứu ứng dụng dịch chiết hoa atiso đỏ vào sản xuất bánh kẹo, đặc biệt là kẹo dẻo (jelly candy), vẫn còn rất hạn chế. Kẹo dẻo là dòng sản phẩm bánh kẹo được ưa chuộng nhờ cấu trúc dai mềm đặc trưng. Việc nghiên cứu ứng dụng màu sắc và vị chua tự nhiên từ hoa atiso đỏ giúp thay thế phẩm màu và hương liệu nhân tạo, đồng thời nâng cao giá trị thương phẩm cho nông sản địa phương.

Đề tài "Nghiên cứu xây dựng quy trình chế biến kẹo dẻo hoa atiso đỏ (Hibiscus sabdariffa L.)" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Xác định các thông số công nghệ và công thức phối chế tối ưu ở quy mô phòng thí nghiệm để tạo ra sản phẩm kẹo dẻo hoa atiso đỏ có giá trị cảm quan cao, cấu trúc dẻo dai ổn định, lưu giữ được hàm lượng hoạt chất sinh học (vitamin C, anthocyanin).
  2. Nội dung/nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hoa atiso đỏ (2%, 3%, 4%, 5%) và thời gian trích ly (5, 10, 15 phút) đến chất lượng cảm quan và hệ màu sắc của dịch trích.
    • Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chất tạo gel gelatin (9%, 12%, 15%) và chất đồng tạo gel pectin (0,7%, 0,9%, 1,1%) đến cấu trúc cơ lý, cảm quan và hàm lượng anthocyanin của sản phẩm.
    • Khảo sát ảnh hưởng của thời gian cô đặc (5, 10, 15 phút) ở 85°C đến cảm quan, độ màu, độ bền cấu trúc và hàm lượng vitamin C trong kẹo.
  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Hoa atiso đỏ tươi thu hái tại các nông hộ ở thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang, cùng quy trình chế biến kẹo dẻo ở quy mô phòng thí nghiệm.
    • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đề tài được tiến hành từ tháng 01/2021 đến tháng 04/2021 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học An Giang.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên các nguyên lý công nghệ chế biến thực phẩm và hóa sinh bánh kẹo:

  • Cơ chế tạo gel: Quá trình tạo gel của gelatin (protein hình thành mạng lưới không gian giữ nước khi hạ nhiệt độ xuống dưới 27–34°C) kết hợp với pectin (polysaccharide cao phân tử tạo liên kết hydro và cầu nối đường trong môi trường acid có nồng độ chất khô cao).
  • Hóa lý đường và chất chống hồi đường: Sự kết hợp giữa đường saccharose tinh luyện và mạch nha (maltose) nhằm tăng độ nhớt, ngăn chặn hiện tượng kết tinh lại của saccharose (hồi đường) và hiện tượng chảy kẹo khi bảo quản.
  • Biến đổi hóa học trong chế biến nhiệt: Động học của phản ứng tạo màu caramel hóa đường (xảy ra mạnh ở 160–180°C) và phản ứng Maillard giữa đường khử và nhóm amin của gelatin, cũng như sự suy giảm các hợp chất nhạy cảm nhiệt như vitamin C và anthocyanin.
  • Tiêu chuẩn chất lượng tham chiếu: Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5908:1995 về sản phẩm kẹo dẻo (đường toàn phần ≥ 45%, đường khử 35–45%, độ ẩm 10–12%, tro không tan trong HCl 10% ≤ 0,1%, không có vi sinh vật gây bệnh).

Nguyên liệu, phụ gia và thiết bị thí nghiệm

  • Nguyên liệu và phụ gia: Hoa atiso đỏ tươi loại bỏ hạt và cuống; đường tinh luyện RE Biên Hòa; mạch nha thương phẩm; gelatin Ewald (Công ty TNHH Thực phẩm STC); pectin thương phẩm; acid citric thực phẩm khan.
  • Dụng cụ và thiết bị phân tích: Cân điện tử, pH kế, nhiệt kế, bếp gia nhiệt, khúc xạ kế, máy đo màu theo hệ màu HunterLab ($L, a, b$), máy đo cấu trúc chuyên dụng (Texture Analyzer) đo lực nén/độ bền gel bằng đơn vị gam lực.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp bố trí thí nghiệm yếu tố hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) với 3 lần lặp lại cho từng nghiệm thức:

  • Thí nghiệm 1 (Trích ly dịch hoa): Bố trí 2 nhân tố ($4 \times 3 \times 3 = 36$ mẫu). Nhân tố A là tỷ lệ hoa/nước (2%, 3%, 4%, 5% so với 200 ml nước); nhân tố B là thời gian trích ly (5, 10, 15 phút) ở nhiệt độ cố định 90°C.
  • Thí nghiệm 2 (Phối trộn chất tạo gel): Bố trí 2 nhân tố ($3 \times 3 \times 3 = 27$ mẫu). Nhân tố C là tỷ lệ gelatin (9%, 12%, 15%); nhân tố D là tỷ lệ pectin (0,7%, 0,9%, 1,1%) trên nền mẫu dịch chiết tối ưu từ thí nghiệm 1.
  • Thí nghiệm 3 (Thời gian cô đặc): Bố trí đơn nhân tố ($3 \times 3 = 9$ mẫu). Nhân tố E là thời gian cô đặc ở 85°C (5, 10, 15 phút).

Số liệu thu thập được phân tích phương sai (ANOVA) và kiểm định sự khác biệt giữa các giá trị trung bình bằng phép thử Duncan ở mức ý nghĩa $P \le 0,05$ trên phần mềm thống kê chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của đề tài trong việc đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ cây bụp giấm tại Đồng bằng sông Cửu Long. Xác lập mục tiêu tìm ra bộ thông số tối ưu cho quy trình chế biến kẹo dẻo quy mô phòng thí nghiệm, góp phần nâng cao chuỗi giá trị cho cây trồng bản địa.

Chương 2: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Tổng hợp toàn diện các cơ sở lý luận và tài liệu khoa học liên quan:

  • Nguyên liệu hoa atiso đỏ: Phân loại thực vật học, hình thái, vùng phân bố tại Việt Nam (miền Trung, Đông Nam Bộ, An Giang, Thái Nguyên). Giá trị dinh dưỡng của 100g hoa tươi dựa trên cơ sở dữ liệu USDA 2013 (năng lượng 205 KJ, carbohydrate 11,31g, canxi 215 mg, sắt 1,48 mg, vitamin C 12 mg).
  • Phụ gia trong sản xuất kẹo:
    • Đường saccharose: Tiêu chuẩn sản xuất (độ tinh khiết $\ge 99,7%$, tro $\le 0,15%$, đường khử $\le 0,15%$). Vai trò tạo áp suất thẩm thấu cao để bảo quản và tạo vị.
    • Mạch nha: Hàm lượng chất khô 75–85%, maltose 55–65%. Đóng vai trò tăng độ nhớt, chống kết tinh saccharose.
    • Gelatin và Pectin: Tiêu chuẩn gelatin (năng lực đông tụ > 300g, ẩm $\le 18%$, tro $\le 2%$) và cơ chế tạo mạng gel phức hợp.
    • Acid citric: Tiêu chuẩn tinh khiết $\ge 99,5%$, dùng điều chỉnh vị hài hòa và hạ pH môi trường giúp sắc tố anthocyanin bền màu đỏ tươi.
  • Các quá trình công nghệ và biến đổi: Phân tích bản chất của trích ly, lọc cặn, phối trộn và cô đặc; giải thích cơ chế gây lỗi sản phẩm như chảy kẹo và hồi đường.
  • Tổng quan nghiên cứu trước: So sánh thông số chế biến kẹo dẻo từ các nguyên liệu khác: kẹo dẻo thốt nốt (Lê Thị Phương Tâm, 2011: gelatin 6,62%, pectin 1,44%), kẹo dẻo sim (Vũ Hà Trinh Nữ, 2009: gelatin 14%, đường 55%), kẹo dẻo ổi ruột đỏ (Nguyễn Kiều Phương, 2011: gelatin 15%, puree ổi 14%).

Chương 3: Phương tiện và phương pháp nghiên cứu

Trình bày sơ đồ quy trình công nghệ dự kiến và thuyết minh chi tiết từng bước:

  1. Tiếp nhận và xử lý nguyên liệu: Tách bỏ cuống, hạt, rửa sạch tạp chất trên bề mặt đài hoa.
  2. Trích ly: Gia nhiệt dịch trích ở 90°C với 200 ml nước đến khi cánh hoa nhạt màu.
  3. Lọc: Loại bỏ bã, cặn qua lưới lọc để thu dịch trong.
  4. Phối trộn: Phối chế dịch hoa với 60% đường, 1,5% acid citric, gelatin (đã ngâm nở 20–30 phút) và pectin.
  5. Cô đặc: Đun đảo nhẹ ở 85°C, bổ sung 5% mạch nha ở giai đoạn cuối để chống hồi đường.
  6. Rót khuôn và hoàn thiện: Rót khuôn ở 80–85°C, làm nguội ở 20–25°C trong 8–10 giờ, tách khuôn và bao gói kín.

Chương này cũng mô tả chi tiết phương pháp bố trí của 3 thí nghiệm đơn/đa nhân tố nhằm tối ưu hóa từng công đoạn.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Trình bày các kết quả thực nghiệm thông qua hệ thống bảng biểu và phân tích thống kê:

  • Kết quả Thí nghiệm 1 (Trích ly): Khảo sát 4 mức tỷ lệ hoa (2%, 3%, 4%, 5%) và 3 mốc thời gian (5, 10, 15 phút). Tỷ lệ hoa 5% trích ly trong 10 phút đạt điểm cảm quan cao nhất (màu 4,3; mùi 4,4; vị 4,4; mức độ yêu thích 8,0/9 điểm). Đo màu sắc HunterLab cho thấy mẫu này đạt giá trị độ sáng $L = 34,01$ và độ đỏ $a = 40,67$, thể hiện màu đỏ tươi đặc trưng của hoa atiso đỏ.
  • Kết quả Thí nghiệm 2 (Chất tạo gel): Tỷ lệ phối trộn 12% gelatin và 0,9% pectin cho điểm cảm quan cấu trúc cao nhất (4,4 điểm) và độ yêu thích vượt trội (8,1 điểm). Đo cấu trúc cơ lý cho thấy lực bền gel đạt 537,44 gam lực (đối với gelatin 12%) và 552,88 gam lực (đối với pectin 0,9%). Hàm lượng anthocyanin tại tỷ lệ này đạt mức ổn định 13,67–14,89 mg/l.
  • Kết quả Thí nghiệm 3 (Thời gian cô đặc): Thời gian cô đặc 10 phút ở 85°C cho điểm cảm quan tổng thể cao nhất (7,6 điểm), độ bền cấu trúc đạt 430,0 gam lực, giá trị màu $L = 27,28$, $a = 37,76$. Hàm lượng vitamin C được bảo tồn ở mức 0,47% (so với mẫu 15 phút bị suy giảm nhiệt chỉ còn 0,41%).
Quy trình công nghệ tối ưu xác lập từ thực nghiệm:
Hoa atiso đỏ -> Xử lý (bỏ hạt, cuống) -> Trích ly (5% hoa/200ml nước, 90°C, 10 phút) -> Lọc bỏ bã -> Phối trộn (60% đường, 1,5% acid citric, 12% gelatin, 0,9% pectin) -> Cô đặc (85°C, 10 phút; thêm 5% mạch nha ở cuối) -> Rót khuôn (80–85°C) -> Làm nguội (20–25°C, 8–10h) -> Tách khuôn -> Bao gói -> Thành phẩm

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ thông số kỹ thuật tối ưu đã chứng minh bằng thực nghiệm và đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thông số kỹ thuật tối ưu

Nghiên cứu đã xác định được bộ thông số công nghệ chuẩn cho quy trình sản xuất kẹo dẻo hoa atiso đỏ:

Công đoạn / Thành phần Thông số công nghệ tối ưu Chỉ tiêu chất lượng đạt được
Trích ly dịch hoa Tỷ lệ hoa: 5% (so với 200 ml nước)
Nhiệt độ: 90°C
Thời gian: 10 phút		 Dịch chiết màu đỏ sáng ($L = 34,01$; $a = 40,67$), điểm cảm quan màu 4,3/5
Phối chế phụ gia Gelatin: 12%
Pectin: 0,9%
Đường saccharose: 60%
Acid citric: 1,5%
Mạch nha: 5%		 Cấu trúc dẻo dai đàn hồi, lực nén gel 537,44–552,88 gam lực, điểm cấu trúc 4,4/5
Cô đặc dịch kẹo Nhiệt độ cô đặc: 85°C
Thời gian cô đặc: 10 phút		 Độ bền cấu trúc thành phẩm 430,0 gam lực; màu sắc đỏ cánh sen ($L = 27,28$; $a = 37,76$)
Hóa lý & Dinh dưỡng Hàm lượng Vitamin C: 0,47%
Hàm lượng Anthocyanin: 14,3 mg/l		 Đạt độ yêu thích cảm quan người tiêu dùng ở mức 95% (điểm yêu thích 8,0–8,1/9)

Đóng góp của đề tài

  • Giá trị thực tiễn: Xây dựng thành công quy trình công nghệ hoàn chỉnh để chế biến kẹo dẻo từ đài hoa atiso đỏ tươi, giúp tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp, gia tăng giá trị kinh tế cho người trồng hoa tại tỉnh An Giang.
  • Giá trị khoa học: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm có hệ thống về tương tác phối hợp giữa hai hệ hydrocolloid (gelatin động vật và pectin thực vật) trong môi trường giàu acid hữu cơ và đường khử, chứng minh khả năng duy trì hoạt chất sinh học (anthocyanin, vitamin C) khi tối ưu hóa chế độ nhiệt trích ly và cô đặc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với dung tích mẻ nhỏ (200 ml nước trích ly).
  • Quá trình cô đặc được thực hiện ở áp suất khí quyển hở, nhiệt độ gia nhiệt trực tiếp có thể gây tổn thất một phần các hoạt chất mẫn cảm với nhiệt độ và oxy không khí.
  • Chưa tiến hành theo dõi biến thiên chất lượng và thời hạn bảo quản thực tế của sản phẩm theo thời gian trong các điều kiện bao bì khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Theo đề xuất của tác giả trong Chương 5:

  1. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cô đặc chân không nhằm hạ nhiệt độ sôi của dịch kẹo, giúp giảm thiểu tối đa sự phân hủy của vitamin C và sắc tố anthocyanin.
  2. Khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các dải nhiệt độ cô đặc khác nhau đến tốc độ bay hơi nước và chất lượng kẹo.
  3. Nghiên cứu thử nghiệm khả năng bảo quản sản phẩm kẹo dẻo trên các màng bao bì polymer khác nhau (như màng PE, màng ghép PVC) để xác định hạn sử dụng và điều kiện bảo quản tối ưu.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học: Tham khảo cách thức bố trí thí nghiệm yếu tố hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD), phương pháp xử lý thống kê ANOVA và cách đánh giá cảm quan kết hợp đo đạc hóa lý thiết bị (máy đo màu HunterLab, máy đo kết cấu Texture Analyzer).
  • Cán bộ nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) bánh kẹo: Cung cấp tỷ lệ phối chế cụ thể giữa gelatin (12%), pectin (0,9%), mạch nha (5%) và acid citric (1,5%) để tạo hệ gel kẹo dẻo dẻo dai, ổn định, không bị chảy nước hoặc hồi đường.
  • Các cơ sở sản xuất và chế biến nông sản: Cung cấp cơ sở kỹ thuật để chuyển giao hoặc mở rộng dòng sản phẩm chế biến từ đài hoa atiso đỏ (Hibiscus sabdariffa L.).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn tỷ lệ hoa atiso đỏ 5% và thời gian trích ly 10 phút ở 90°C?

Kết quả khảo sát ở Thí nghiệm 1 cho thấy ở tỷ lệ hoa 5% và thời gian trích 10 phút, dịch trích đạt điểm cảm quan cao nhất về màu sắc (4,3), mùi (4,4), vị (4,4) và mức độ yêu thích (8,0/9 điểm). Phân tích máy đo màu cho giá trị độ đỏ $a = 40,67$ và độ sáng $L = 34,01$, mang lại màu đỏ hồng đặc trưng của đài hoa atiso đỏ. Nếu trích ly 15 phút, màu sắc bị sẫm lại ($L$ giảm xuống 31,0), còn tỷ lệ hoa dưới 4% thì dịch trích có màu nhạt và vị chua không đủ rõ nét.

2. Sự kết hợp giữa 12% gelatin và 0,9% pectin mang lại ưu điểm gì cho cấu trúc kẹo?

Khi phối chế đơn lẻ gelatin ở tỷ lệ 9%, gel tạo thành mềm bở (376,55 gam lực), trong khi ở mức 15% gelatin thì gel quá cứng và dai nhiều (627,55 gam lực), làm lấn át mùi thơm tự nhiên. Việc kết hợp 12% gelatin cùng 0,9% pectin tạo ra mạng lưới gel liên kết kép ổn định với độ cứng đạt 537,44–552,88 gam lực. Tỷ lệ này tạo độ dẻo dai đàn hồi đặc trưng cho kẹo dẻo, duy trì được độ sáng của màu kẹo và đạt điểm cảm quan cấu trúc cao nhất (4,4/5 điểm).

3. Thời gian cô đặc ảnh hưởng như thế nào đến hàm lượng Vitamin C và chất lượng cảm quan của kẹo?

Thời gian cô đặc tỷ lệ nghịch với hàm lượng vitamin C do vitamin C rất kém bền nhiệt. Ở thời gian cô đặc 5 phút, hàm lượng vitamin C đạt 0,56% nhưng kẹo chưa đủ độ bốc hơi nước nên mềm nhão (370,66 gam lực). Ở 15 phút, phản ứng caramel và Maillard xảy ra mạnh làm kẹo chuyển sang màu sẫm ($L = 21,33$), vị đắng nhẹ và vitamin C giảm xuống 0,41%. Mốc thời gian cô đặc 10 phút ở 85°C là điểm dung hòa tối ưu: cấu trúc đạt 430,0 gam lực, màu đỏ tươi ($L = 27,28$; $a = 37,76$), hàm lượng vitamin C được giữ lại ở mức 0,47% và điểm yêu thích đạt 7,6/9 điểm.

4. Mạch nha và acid citric đóng vai trò gì trong công thức kẹo dẻo hoa atiso đỏ?

  • Mạch nha (5%): Hoạt động như một tác nhân chống hồi đường nhờ khả năng làm tăng độ nhớt của dung dịch mật đường, ngăn cản các phân tử saccharose kết tinh lại thành tinh thể đường cứng. Mạch nha cũng giúp kẹo giữ được hương thơm lâu hơn.
  • Acid citric (1,5%): Điều hòa vị chua ngọt hài hòa với 60% đường, kích thích vị giác và hạ pH dung dịch, giúp cấu trúc phân tử anthocyanin chuyển dịch sang dạng cation flavylium màu đỏ sáng bền vững.

5. Tiêu chuẩn chất lượng nào được sử dụng làm căn cứ tham chiếu cho sản phẩm trong nghiên cứu?

Sản phẩm kẹo dẻo hoa atiso đỏ trong nghiên cứu được đối chiếu theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5908:1995 về kẹo dẻo. Tiêu chuẩn này quy định các chỉ tiêu hóa lý gồm: hàm lượng đường toàn phần $\ge 45%$, hàm lượng đường khử từ 35–45%, độ ẩm từ 10–12%, tro không tan trong acid HCl 10% $\le 0,1%$, cùng các yêu cầu nghiêm ngặt về cảm quan (màu sắc đặc trưng, không dính răng, dẻo dai) và an toàn vi sinh vật.

Kết luận

Chuyên đề tốt nghiệp đã nghiên cứu và xây dựng thành công quy trình công nghệ chế biến kẹo dẻo từ hoa atiso đỏ (Hibiscus sabdariffa L.) ở quy mô phòng thí nghiệm. Quy trình xác lập bộ thông số tối ưu gồm: trích ly 5% hoa atiso đỏ trong 10 phút ở 90°C; phối trộn với 12% gelatin, 0,9% pectin, 60% đường, 1,5% acid citric và cô đặc trong 10 phút ở 85°C (bổ sung 5% mạch nha ở giai đoạn cuối). Sản phẩm kẹo dẻo hoàn thiện đạt cấu trúc đàn hồi tốt, màu đỏ hồng tự nhiên, lưu giữ được 0,47% vitamin C và 14,3 mg/l anthocyanin, đạt mức độ yêu thích cảm quan lên đến 95%. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm tin cậy cho việc phát triển các dòng sản phẩm bánh kẹo có nguồn gốc tự nhiên và nâng cao giá trị nông sản bản địa.