Nghiên cứu thu nhận gum từ hạt é (Ocimum basilicum L.) - Luận văn ĐH Bách Khoa

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu thu nhận gum từ hạt é, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Nguyễn Lê Hoài Thương
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Ngọc Hòa
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Khoa Học Thực Phẩm
• Đề tài: Thu Nhận Gum Hạt É: Ứng Dụng Tiềm Năng Thực Phẩm
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Cách thu nhận Gum Hạt É tối ưu từ nguồn tự nhiên Việt Nam

Trong quá trình nghiên cứu, thu nhận gum hạt é đòi hỏi kỹ thuật phù hợp để tối đa hóa hiệu suất và đảm bảo chất lượng. Quá trình này bắt đầu bằng lựa chọn nguyên liệu phù hợp, xử lý sơ bộ nhằm tách lớp chất nhầy, và sau đó trích xuất bằng các phương pháp cơ học hoặc sử dụng dung môi phù hợp như nước nóng hoặc vi sóng. Điều kiện tối ưu như tỉ lệ nước/ngâm, nhiệt độ, pH và thời gian ngâm đóng vai trò then chốt để nâng cao hàm lượng gum thu hồi. Các kỹ thuật này được tối ưu dựa trên các nghiên cứu khoa học như của Nazir và cộng sự (2017) nhằm đảm bảo hiệu suất thu nhận tối đa và giữ gìn các tính chất chức năng của gum hạt é.

1.1. Phương pháp tách lớp chất nhầy tối ưu từ hạt é

Phương pháp cơ học kết hợp với tác dụng của nhiệt độ và pH được sử dụng để tách lớp chất nhầy từ hạt é. Các kỹ thuật như ly tâm, chà xát và sử dụng dung môi ethanol giúp loại bỏ tạp chất, nâng cao độ tinh khiết của gum. Ngoài ra, phương pháp vi sóng còn giúp rút ngắn thời gian và tăng hiệu suất trích xuất, đồng thời bảo toàn tính chất của gum.

1.2. Ảnh hưởng của các yếu tố tối ưu đến hiệu suất thu hồi

Các yếu tố như tỉ lệ nước/hạt, nhiệt độ, pH và thời gian ngâm được tối ưu dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm. Nhiệt độ tối ưu khoảng 65°C với pH khoảng 8, giúp đảm bảo độ trương nở của lớp chất nhầy, từ đó nâng cao hiệu suất thu nhận. Tỷ lệ nước/ngâm thích hợp là 70/1, giúp tối đa hóa lượng gum thu hồi mà vẫn giữ độ tinh khiết của sản phẩm.

II. Ứng dụng của Thu Nhận Gum Hạt É trong ngành Thực Phẩm và Y Dược

Gum hạt é sau khi được trích xuất và tinh sạch có nhiều ứng dụng nổi bật trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Các đặc tính như khả năng giữ nước, nhũ hóa, tạo kết cấu gel và ổn định bọt giúp nó trở thành phụ gia thay thế các loại gum thương mại như Xanthan và Guar. Trong thực phẩm, gum é giúp cải thiện cảm quan, tăng độ đồng đều của các sản phẩm như kem, nước giải khát, chè và các loại bánh. Đồng thời, các tính chất chống oxy hóa, giảm vi khuẩn và nâng cao khả năng giữ dầu giúp mở rộng phạm vi ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, mỹ phẩm và thuốc uống. Các nghiên cứu của Bahramparvar (2013) đã chứng minh rằng gum từ hạt é có thể thay thế một phần chất béo, giúp giảm lượng năng lượng trong các sản phẩm truyền thống.

2.1. Tính năng nổi bật của Gum Hạt É trong thực phẩm

Gum hạt é có độ nhớt cao, khả năng giữ nước và ổn định nhũ tương vượt trội, phù hợp làm chất tạo đặc, ổn định bọt, và làm mềm cảm giác trong miệng. Ngoài ra, khả năng hỗ trợ tạo bọt và độ bền bọt cao giúp nó phù hợp cho các sản phẩm như kem, sữa chua và đồ uống có ga. Tính chất chống oxy hóa còn giúp kéo dài hạn sử dụng của các sản phẩm chứa gum từ hạt é.

2.2. Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm

Các sản phẩm từ gum hạt é được dùng làm chất làm đặc trong các loại bánh kẹo, thực phẩm chức năng, dạng gel trong mỹ phẩm và thuốc. Nghiên cứu cho thấy, nó còn có khả năng giảm vi khuẩn và chống oxy hóa, rất phù hợp cho các sản phẩm yêu cầu tính kháng khuẩn và lâu dài. Bên cạnh đó, khả năng tạo cấu trúc gel giúp các nhà chế biến thực phẩm tối ưu cảm quan và nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

III. Phương pháp tinh sạch và tối ưu hóa tính chất của Gum Hạt É

Sau giai đoạn thu nhận, gum hạt é cần được tinh sạch để đảm bảo chất lượng phù hợp cho ứng dụng thực phẩm. Quá trình tinh sạch thường dựa trên phương pháp kết tủa bằng ethanol, loại bỏ tạp chất như protein, lipid và các hợp chất không mong muốn. Điểm chính yếu là kiểm soát tỷ lệ ethanol, nhiệt độ và thời gian để tối đa hóa hiệu quả thu hồi và giữ nguyên các tính chất chức năng của gum. Các nghiên cứu của Razavi (2009) cho thấy, hiệu suất thu hồi khoảng 20-25% được duy trì khi dùng ethanol 96% với điều kiện tối ưu. Ngoài ra, công nghệ xử lý bằng vi sóng hoặc hỗ trợ siêu âm giúp rút ngắn quá trình, nâng cao độ đồng đều và độ tinh khiết của gum sau tinh sạch.

3.1. Quá trình tinh sạch và các điều kiện tối ưu

Quá trình này bắt đầu bằng hòa tan gum thô trong nước, giữ nhiệt độ khoảng 80°C trong thời gian nhất định, sau đó kết tủa bằng ethanol lạnh. Điều chỉnh tỷ lệ ethanol phù hợp giúp loại bỏ tạp chất hiệu quả nhất, duy trì độ nhớt cao và tính chất chức năng của gum. Quá trình này cần kiểm tra tỷ lệ dung môi, nhiệt độ và thời gian để tránh giảm hiệu suất thu hồi và mất các tính chất vật lý quan trọng.

3.2. Ảnh hưởng của quá trình tinh sạch đến tính chất của gum

Chất gum sau khi tinh sạch có thể giữ nguyên hoặc tăng độ đồng nhất về cấu trúc phân tử, nâng cao độ trong suốt và khả năng giữ nước. Các nghiên cứu cho thấy, gum tinh sạch có khả năng hỗ trợ nhũ hóa, tạo gel và ổn định bọt tốt hơn gum thô. Kỹ thuật ethanol kết hợp với phương pháp cơ học giúp giảm protein dư thừa, làm giảm nguy cơ phản ứng dị ứng và nâng cao tính ổn định trong các công thức thực phẩm.

IV. Tiềm năng của Gum Hạt É trong tương lai ngành Thực phẩm và Nông nghiệp

Với đặc tính tự nhiên, khả năng tái tạo nhanh, và phù hợp với tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, gum hạt é hứa hẹn mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong tương lai, công nghệ trích xuất và tinh sạch sẽ được cải tiến để nâng cao hiệu quả, giảm chi phí và thân thiện môi trường. Việc nâng cao nhận thức cộng đồng về lợi ích của nguyên liệu từ tự nhiên và sự phát triển của các sản phẩm thực phẩm chức năng từ gum hạt é ngày càng phổ biến cũng sẽ thúc đẩy thị trường tiêu thụ. Khả năng ứng dụng như chất nhũ hóa, tạo gel, làm dày trong chế biến thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm là tiềm năng lớn để dẫn dắt các xu hướng mới về thực phẩm lành mạnh, giàu dinh dưỡng, và phù hợp với lối sống bền vững.

4.1. Phát triển công nghệ thu nhận và ứng dụng mới

Nghiên cứu các phương pháp tối ưu hơn như sử dụng siêu âm và vi sóng giúp rút ngắn thời gian, giảm tiêu thụ năng lượng, và nâng cao chất lượng gum. Đồng thời, khai thác nguồn nguyên liệu địa phương như hạt é từ Việt Nam giúp giảm chi phí, thúc đẩy nền nông nghiệp bền vững và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường quốc tế.

4.2. Thúc đẩy hình thành thị trường và ứng dụng rộng rãi

Cam kết về sản phẩm tự nhiên, an toàn sẽ tạo điều kiện cho các doanh nghiệp và nhà chế biến phát triển các dòng sản phẩm mới dựa trên gum hạt é, phù hợp với xu hướng tiêu dùng lành mạnh. Hợp tác nghiên cứu liên ngành giữa nông nghiệp, công nghiệp chế biến và khoa học vật liệu sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ứng dụng vào dược phẩm, thực phẩm chức năng, và mỹ phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Nguyễn Lê Hoài Thương một số tính chất chức năng và ứng dụng của gum từ hạt húng giổi đã được thực hiện ở nhiều phòng nghiên cứu trên thế giới, phổ biến ở các nước như Ấn Độ, Iran, Canada… Tuy nhiên, những nghiên cứu chi tiết về vấn đề này ở Việt Nam, một nước khí hậu ấm áp, phù hợp với việc trồng và phát triển các cây é vẫn chưa nhiều. Hiện nay, xu hướng trồng và thu hoạch hạt é đang ngày càng phổ biến ở Việt Nam. Theo số liệu được thống kê ở trang Tridge, Việt Nam trong năm 2020 lọt trong top 20 nước có giá trị xuất khẩu hạt é cao nhất của thế giới với tỉ lệ khoảng 1.13% với giá trị 34.34 triệu đô la Mỹ, tăng gần 50% trong giai đoạn 5 năm 2015-2020 [4]. Điều này cho thấy thị trường ngày càng mở rộng, khả năng trồng và thu hoạch sản phẩm này ở nước ta ngày càng phát triển.

Tuy nhiên, sự xuất hiện của nhiều công ty phân phối hạt như ZenBasil, Sustainable Seed Company, Satvikk Specialty Foods… đã gây ra sự cạnh tranh gay gắt hơn trong thị trường [5]. Điều này có thể cũng đã ảnh hưởng đến khả năng xuất khẩu hạt é của Việt Nam khi lượng hạt é xuất khẩu trong năm 2019 và 2020 giảm khoảng 3. Do đó, việc sử dụng hạt é ổn định bằng cách nghiên cứu sử dụng phần dầu hạt (có lượng dầu lớn và hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học cao) và phần gum từ chất nhầy có thể là một giải pháp hỗ trợ cho thị trường hạt é. Từ những lý do trên, “Nghiên cứu thu nhận gum từ hạt é (Ocimum basilicum L.)” được thực hiện nhằm bước đầu thực hiện thu nhận và ghi nhận những tính chất có ở chất nhầy hạt é Việt Nam.

Chất nhầy này có tiềm năng là một chất gum có các tính chất của một chất keo, chất làm dày, tạo độ nhớt, chất nhũ hóa và ổn định bọt để dùng các sản phẩm thực phẩm. 2 Chương 2: Tổng quan Nguyễn Lê Hoài Thương CHƯƠNG 2.1 Gum và polysaccharide 2.1 Giới thiệu chung về Gum và Polysaccharide Gum Gum thực vật, thành phần chủ yếu chứa các loại polysaccharide có thể tan trong nước, có công dụng rất lớn và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là thực phẩm và dược phẩm. Các ứng dụng này chủ yếu được dựa trên các tính chất có được do phân tử có khối lượng rất lớn, hydrate hóa trong nhiều trạng thái khác nhau. Polysaccharide được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm bởi vì chúng có thể áp dụng rộng rãi, giá thành rẻ và không độc hại [6].

Gum thường được sử dụng trong thực phẩm có thể kể đến tinh bột, các dẫn xuất cellulose, guar gum, locust bean gum, alginat, carrageenan, xanthan gum và arabic gum [6]. Các loại gum mới vẫn được nghiên cứu và thương mại hóa làm đa dạng hóa sự lựa chọn cho những loại sản phẩm khác nhau [7]. Gum hiếm khi là thành phần chính trong sản phẩm, nhưng thường được sử dụng như là một chất phụ gia để cải thiện hoặc kiểm soát các đặc tính của sản phẩm thực phẩm. Trong ngành công nghệ thực phẩm, gum có thể được sử dụng như là một chất độn, nguyên liệu không chứa calo và làm giảm calo của một số loại thực phẩm nhất định [6].

Ngoài ra, tính chất chính của polysaccharide gum là dễ dàng hydrate hóa để tạo ra dung dịch có độ nhớt cao ngay cả ở nồng độ gum thấp. Ví dụ ở gum đậu bắp (okra gum) ở nồng độ 25 phần triệu trong nước có thể làm giảm ma sát của dòng chảy đến 80% [6]. Ngoài ra, ở những điều kiện kiểm soát khác nhau, gum cũng có thể tạo cấu trúc gel có độ mạnh và độ bền khác nhau. Hơn nữa, gum được cho là hoạt động trong việc ngăn huyền phù kết tụ lại và làm chúng lắng chậm hơn, một số loại gum có đặc tính hoạt động bề mặt và do đó chúng được xem như là một chất nhũ hóa tốt [6].

Ngoài ra, hầu hết các loại gum đều có thể được sử dụng như là tác nhân kiểm soát độ ẩm cũng như có thể kiểm soát độ đặc cần thiết cho sản phẩm. Tính chất của mỗi loại gum khác nhau là kết quả của cấu trúc phân tử đặc trưng. Sách Industrial Gum [6] đã đưa ra mô tả cho các chất được gọi là gum, định nghĩa chính thức hiện chưa được phát biểu mà chỉ là những mô tả trên thực nghiệm. Trong thực tế, gum là những phân tử có khối lượng phân tử lớn, ưa nước hoặc kị nước, thường có tính chất keo, khi được phân tán trong dung môi hoặc tác nhân trương nở phù hợp 3 Chương 2: Tổng quan Nguyễn Lê Hoài Thương tạo ra gel hoặc huyền phù có độ nhớt cao, có hàm lượng chất khô thấp [6].

Do đó, thuật ngữ “gum” được áp dụng cho nhiều loại chất có đặc điểm “gummy” được kể trên, và hiện chưa có định nghĩa chính xác [6]. Các loại gum có tính chất kị nước là những hợp chất hydrocarbon cao phân tử và một số sản phẩm từ dầu mỏ, cao su, một số loại polymer tổng hợp, nhựa cây chicle làm kẹo chewing gum, gum hương (chẳng hạn như myrhh, huataco và nhũ hương, là những chất tiết ra từ thực vật, là hỗn hợp của resin và carbohydrate, có tính dẻo và kị nước)… [6]. Tuy nhiên, về mặt kĩ thuật, gum thường được dùng để chỉ các polysaccharide nguồn gốc từ thực vật hoặc các dẫn xuất của chúng, có thể phân tán trong nước nóng hoặc nước lạnh để tạo ra một hỗn hợp hoặc dung dịch có độ nhớt tăng đáng kể [6]. Do đó, cách sử dụng gum phổ biến ngày nay là phân tán các hợp chất hòa tan hoặc trương nở trong nước ở hàm lượng chất khô thấp, sẽ thu được gel hoặc dung dịch phân tán có độ nhớt cao.

Như vậy, định nghĩa này không yêu cầu gum phải có tính chất độ dính (tackiness), mà gum bao gồm những polysachharide và những dẫn xuất của chúng có dạng nhầy (mucilaginous) và nhớt (slimy). Cũng như tác giả của sách đã nói rằng, về mặt logic, sẽ hợp lý hơn nếu xem tính dính (tackniness) và tính nhớt (sliminess) là hai biểu hiện vật lý có thể kiểm soát được, điều này có thể được hiểu là có thể thay đổi tính chất của một loại gum bằng cách giảm độ dính của nó và tăng tính nhớt lên, làm cho gum vẫn giữ được khả năng ưa nước và có thể làm tăng độ nhớt của dung dịch nó tạo ra với nồng độ thấp [6]. Ngoài thành phần chính là polysaccharide, trong gum còn có chứa các thành phần khác như một số loại protein, lipid… có thể ảnh hưởng đến tính chất của gum [8]. Polysaccharide Carbohydrate là loại hợp chất hữu cơ tự nhiên phong phú, chúng được tổng hợp và tiêu thụ bởi hầu hết các loại thực vật, động vật và vi sinh vật trên Trái Đất.

Cơ thể thực vật và động vật lưu trữ các phân tử năng lượng tồn tại dưới dạng các polymer carbohydrate dự trữ, chúng bao gồm tinh bột trong các loại hạt ngũ cốc, nhân polysaccharide có trong hạt me, galactomannan polysaccharide trong hạt các cây họ đậu và các glycogen có trong gan người và động vật [9]. Thực vật thực hiện quá trình quang hợp để tạo ra các phân tử carbohydrate để dự trữ năng lượng, hầu hết chúng có con đường quang hợp chung. Sản phẩm trung gian của quá trình này là 2-phosphoglyceric acid —HOOC. Tùy thuộc vào loại thực vật, các sản phẩm cao phân tử khác nhau được hình thành bao gồm hemicellulose, pectin, các loại polysaccharide tảo biển, và một lượng lớn đường sucrose và các loại đường khác [10].

Ngoài ra, một loạt các loại homopolysaccharide và heteropolysaccharide cũng được tạo ra trong quá trình này, chúng bao gồm galactomannan, glucomannan, và gum tiết từ thực vật. Như vậy, polysaccharide là một trong những chất phổ biến nhất trong cuộc sống [11]. Đối với cơ thể sống, polysaccharide có chức năng tạo năng lượng và cấu trúc nền tảng cho thành phần tế bào. Trong thành phần polysaccharide có rất nhiều monomer, chúng được nối với nhau bằng liên kết O-glycoside [12].

Đối với các oligosacchride hoặc polysaccharide có mạch thẳng được hình thành bằng cách liên kết liên tiếp các đơn vị monosaccharide ở nguyên tử carbon glycoside. Khi các đơn phân đường kể tiếp nhau có liên kết trục (liên kết α-glycoside), xuất hiện sự uốn ở mỗi liên kết glycoside, điều này có thể dẫn đến việc hình thành cấu trúc xoắn ốc, chẳng hạn như trong phân tử amylose của tinh bột [10]. Ngược lại với điều này, khi các đơn phân nối với nhau bằng liên kết β-glycoside thì tạo ra một chuỗi gần như thẳng, ví dụ với phân tử cellulose và hầu hết các phân tử galactomannan, nhiều phân tử này sẽ cấu thành dạng sợi ở cấu trúc vĩ mô do chúng có chuỗi mạch thẳng cũng như do xuất hiện liên kết hydro nội và ngoại phân tử [10]. Trong trường hợp tại các liên kết β-glycoside mannan của mạch chính phân tử galactomannan, liên kết hydro có xu hướng bị giảm đi bởi sự hiện diện của rất nhiều phân tử galactose đơn lẻ; do đó, trong các dung dịch, chúng có thể được phân tán để có dạng gấp cuộn ngẫu nhiên.

Khi một chuyển động trượt được sử dụng, các cuộn ngẫu nhiên này sẽ mở ra và các phân tử sẽ có xu hướng định hướng sắp xếp song song với nhau và đi theo dòng chảy chất lỏng, tạo ra dịch có độ nhớt cao [10]. Cấu trúc của các polysaccharide có thể ảnh hưởng đến các đặc tính lưu biến của dịch lỏng nó tạo thành: xét trong cùng khối lượng phân tử, các polysaccharide mạch thẳng chiếm nhiều không gian và có thể tạo độ nhớt cao hơn so với phân tử có mạch phân nhánh nhiều, ngược lại, các phân tử phân nhánh nhiều có thể tạo gel dễ dàng và bền hơn vì các chuỗi dài khó tạo các liên kết rộng rãi hơn [8]. Hiện nay các loại gum và chất nhầy đang được tìm hiểu nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi. Vì bản chất polysaccharide đa dạng nên chúng có thể được phân loại theo nhiều 5 Chương 2: Tổng quan Nguyễn Lê Hoài Thương cách khác nhau.

Bảng dưới đây thể hiện các khóa phân loại khác nhau phổ biến của các polysaccharide tự nhiên dựa theo nguồn gốc, theo bản chất hóa học (điện tích, cấu trúc mạch).1 Phân loại các nguồn gum tự nhiên [8] Phân loại Tính chất Ví dụ Tragacanth, Arabic, Karaya, Gellan Anion gum, Agar, Pectin, Algin, Carrgeenan. Theo điện tích Cation Chitosan. ion Guar gum, Locust bean gum, Gum hạt Không điện tích ion me, Arabinans, Xanthan gum. Thủy sinh (tảo biển) Alginates, Agar, Carrageenan.

Động vật Gelatin, Chitosan. Locust bean gum, Guar gum, Gum hạt Từ hạt me. Thực Theo nguồn gốc Dịch tiết từ cây Gum arabia, Tragacanth, Ghatti, Karaya. vật Trích ly Pectin, Larch gum.