Tổng quan nghiên cứu

Cây xáo tam phân (Paramignya trimera (Oliv.) Burkill) là một loại dược liệu quý, phân bố chủ yếu tại khu vực Nam Trung Bộ Việt Nam như Khánh Hòa, Phú Yên, với nhiều hoạt chất sinh học có giá trị như phenolic và saponin. Theo ước tính, hàm lượng phenolic tổng (TPC) và saponin tổng (TSC) trong các bộ phận của cây có thể đạt đến 19,17 mgGAE/g và 302,65 mgEE/g chất khô, tương ứng ở rễ và lá. Tuy nhiên, việc khai thác và trích ly các hợp chất này còn gặp nhiều khó khăn do cấu trúc tế bào thực vật phức tạp và các phương pháp truyền thống chưa tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình trích ly dịch chiết chứa phenolic và saponin từ cây xáo tam phân sử dụng enzyme pectinase và cellulase kết hợp với kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất chiết xuất. Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu thu hoạch tại Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên trong khoảng thời gian từ tháng 9/2022 đến 9/2023.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu quả thu nhận các hợp chất có hoạt tính sinh học phục vụ cho ngành thực phẩm và dược phẩm, mà còn góp phần bảo tồn nguồn gen quý hiếm của cây xáo tam phân, đồng thời thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương thông qua việc ứng dụng công nghệ enzyme thân thiện với môi trường và kỹ thuật siêu âm hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết enzyme hỗ trợ trích ly và lý thuyết chiết xuất có hỗ trợ siêu âm. Enzyme pectinase và cellulase được sử dụng để phá vỡ cấu trúc pectin và cellulose trong thành tế bào thực vật, giúp giải phóng phenolic và saponin vào dung môi. Pectinase thủy phân các liên kết pectin, trong khi cellulase phân cắt cellulose thành các phân tử nhỏ hơn, tăng khả năng thẩm thấu của dung môi.

Kỹ thuật siêu âm tạo ra các bọt khí trong môi trường lỏng, khi vỡ ra sẽ tạo áp lực cơ học phá vỡ tế bào, tăng cường khuấy trộn và khuếch tán, từ đó nâng cao hiệu quả trích ly. Các khái niệm chính bao gồm: tổng phenolic (TPC), tổng saponin (TSC), enzyme-assisted extraction (EAE), ultrasound-assisted extraction (UAE), và sự kết hợp enzyme với siêu âm (U-EAE, E-UAE, UES-AE).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là dịch chiết từ các bộ phận rễ, thân, lá của cây xáo tam phân 4 năm tuổi, thu hoạch tại Phú Yên. Mẫu được xử lý sơ bộ bằng cách rửa sạch, sấy khô ở 40°C trong 48 giờ, xay mịn và bảo quản ở -18°C.

Phương pháp phân tích gồm: xác định hàm lượng TPC bằng phương pháp Folin-Ciocalteu, TSC bằng phản ứng tạo màu với vanillin, và các thành phần hóa học khác theo tiêu chuẩn AOAC và ISO. Thiết kế thí nghiệm sử dụng ma trận Plackett-Burman để sàng lọc 5 yếu tố ảnh hưởng (tỉ lệ enzyme, nhiệt độ, thời gian, pH, tỉ lệ nước/nguyên liệu), tiếp theo là thiết kế bề mặt đáp ứng (RSM-CCD) để tối ưu hóa điều kiện trích ly trên từng bộ phận cây.

Quy trình trích ly kết hợp enzyme và siêu âm được khảo sát theo ba phương pháp: enzyme trước siêu âm sau (E-UAE), siêu âm trước enzyme sau (U-EAE), và đồng thời enzyme với siêu âm (UES-AE). Mỗi thí nghiệm được lặp lại ít nhất ba lần, dữ liệu được phân tích thống kê bằng phần mềm JMP 13.0 với mức ý nghĩa p < 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học của xáo tam phân: Tổng carbohydrate chiếm trên 70% chất khô, trong đó xơ không tan (cellulose, hemicellulose) chiếm khoảng 46,47-66,93%. Hàm lượng TPC cao nhất ở rễ (19,17 mgGAE/g chất khô), TSC cao nhất ở lá (302,65 mgEE/g chất khô).

  2. Yếu tố ảnh hưởng đến trích ly enzyme: Qua ma trận Plackett-Burman, các yếu tố quan trọng gồm tỉ lệ enzyme, nhiệt độ và thời gian xử lý enzyme có ảnh hưởng rõ rệt đến năng suất TPC và TSC, với giá trị TPC và TSC dao động từ 7,34 đến 8,58 mgGAE/g và 62,2 đến 87,9 mgEE/g chất khô tùy điều kiện.

  3. Thông số tối ưu trích ly:

    • Rễ: tỉ lệ enzyme pectinase-cellulase 0,91%, nhiệt độ 46,8°C, thời gian 105 phút.
    • Thân: tỉ lệ enzyme 0,8%, nhiệt độ 45°C, thời gian 105 phút.
    • Lá: tỉ lệ enzyme 0,8%, nhiệt độ 52,7°C, thời gian 120,4 phút.

  4. Hiệu quả phương pháp kết hợp enzyme và siêu âm: Phương pháp siêu âm trước enzyme sau (U-EAE) đạt năng suất trích ly cao nhất với TPC rễ 12,63 mgGAE/g, TSC 274,46 mgEE/g; TPC thân 9,09 mgGAE/g, TSC 160,55 mgEE/g; TPC lá 23,11 mgGAE/g, TSC 291,08 mgEE/g, tăng từ 1,2 đến 3,3 lần so với mẫu không xử lý.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy enzyme pectinase và cellulase có khả năng phá vỡ cấu trúc pectin và cellulose trong thành tế bào xáo tam phân, giúp giải phóng phenolic và saponin hiệu quả hơn so với phương pháp truyền thống. Việc kết hợp siêu âm làm tăng áp lực cơ học, phá vỡ tế bào nhanh chóng, tăng diện tích tiếp xúc giữa enzyme và nguyên liệu, từ đó nâng cao năng suất trích ly.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hàm lượng TPC và TSC thu được qua phương pháp kết hợp enzyme và siêu âm cao hơn đáng kể, chứng tỏ tính ưu việt của kỹ thuật này. Biểu đồ bề mặt đáp ứng và bảng so sánh các phương pháp xử lý minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu suất trích ly, giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng bộ phận cây.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình trích ly enzyme kết hợp siêu âm (U-EAE) trong sản xuất thực phẩm chức năng: Tăng năng suất thu nhận phenolic và saponin, nâng cao chất lượng sản phẩm, thời gian thực hiện trong vòng 3-6 tháng, do các doanh nghiệp dược liệu và thực phẩm chức năng thực hiện.

  2. Phát triển mô hình trồng và nhân giống xáo tam phân tại các vùng Nam Trung Bộ: Bảo tồn nguồn gen quý, đảm bảo nguyên liệu đầu vào ổn định, triển khai trong 1-2 năm, phối hợp giữa chính quyền địa phương và các viện nghiên cứu.

  3. Đào tạo kỹ thuật cho cán bộ và công nhân trong ngành chế biến dược liệu: Nâng cao năng lực vận hành công nghệ enzyme và siêu âm, tổ chức các khóa đào tạo định kỳ hàng năm tại các trung tâm đào tạo chuyên ngành.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng enzyme kết hợp siêu âm cho các loại dược liệu khác: Tăng cường hiệu quả chiết xuất các hợp chất sinh học quý, thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Dược liệu: Nắm bắt kỹ thuật trích ly enzyme kết hợp siêu âm, áp dụng vào nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và dược phẩm: Áp dụng quy trình tối ưu để nâng cao hiệu quả chiết xuất, giảm chi phí sản xuất và tăng giá trị sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp, dược liệu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách bảo tồn và phát triển nguồn nguyên liệu dược liệu bền vững.

  4. Nông dân và nhà vườn trồng cây xáo tam phân: Hiểu rõ giá trị kinh tế và kỹ thuật thu hoạch, bảo quản nguyên liệu phù hợp để nâng cao thu nhập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao sử dụng enzyme pectinase và cellulase trong trích ly phenolic và saponin?
    Enzyme pectinase và cellulase phá vỡ cấu trúc pectin và cellulose trong thành tế bào thực vật, giúp giải phóng các hợp chất phenolic và saponin vào dung môi, tăng hiệu suất trích ly so với phương pháp truyền thống.

  2. Kỹ thuật siêu âm hỗ trợ trích ly có ưu điểm gì?
    Siêu âm tạo ra các bọt khí và áp lực cơ học phá vỡ tế bào, tăng cường khuấy trộn và khuếch tán, giúp dung môi thẩm thấu tốt hơn, rút ngắn thời gian và nâng cao năng suất chiết xuất.

  3. Phương pháp kết hợp enzyme và siêu âm nào hiệu quả nhất?
    Phương pháp siêu âm trước enzyme sau (U-EAE) cho hiệu suất trích ly cao nhất, tăng từ 1,2 đến 3,3 lần hàm lượng phenolic và saponin so với mẫu không xử lý.

  4. Quy trình trích ly có thể áp dụng cho các loại dược liệu khác không?
    Có, quy trình enzyme kết hợp siêu âm là phương pháp thân thiện môi trường và hiệu quả, có thể được điều chỉnh để áp dụng cho nhiều loại dược liệu khác nhau nhằm tăng năng suất chiết xuất.

  5. Làm thế nào để bảo quản nguyên liệu xáo tam phân sau thu hoạch?
    Nguyên liệu nên được rửa sạch, sấy khô ở nhiệt độ khoảng 40°C đến khi đạt độ ẩm 5-10%, xay mịn và bảo quản ở nhiệt độ -18°C để giữ nguyên hàm lượng hoạt chất sinh học.

Kết luận

  • Xác định thành công thông số tối ưu trích ly phenolic và saponin từ rễ, thân, lá cây xáo tam phân sử dụng enzyme pectinase và cellulase.
  • Phương pháp kết hợp siêu âm trước enzyme sau (U-EAE) nâng cao hiệu suất trích ly lên 1,2-3,3 lần so với phương pháp không xử lý.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ chiết xuất thân thiện môi trường, ứng dụng trong ngành thực phẩm và dược phẩm.
  • Kết quả hỗ trợ bảo tồn và phát triển nguồn gen cây xáo tam phân tại vùng Nam Trung Bộ.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng quy trình trong sản xuất và mở rộng nghiên cứu cho các dược liệu khác trong 1-2 năm tới.

Hãy áp dụng quy trình trích ly enzyme kết hợp siêu âm để nâng cao giá trị sản phẩm dược liệu và thực phẩm chức năng, đồng thời góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá.