Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm tối ưu hóa điều kiện trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học từ phụ phẩm nho bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm

Luận văn về tối ưu hóa trích ly hợp chất sinh học từ phụ phẩm nho. Nghiên cứu công nghệ thực phẩm, sử dụng enzyme và siêu âm để tăng hiệu quả.

• Tác giả: Hồ Thị Kim Bằng
• Người hướng dẫn: PGS. TS Kha Chấn Tuyền
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học và Thực phẩm
• Đề tài: Tối Ưu Hóa Điều Kiện Trích Ly Các Hợp Chất Có Hoạt Tính Sinh Học Từ Phụ Phẩm Nho Bằng Enzyme Có Hỗ Trợ Siêu Âm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nho và phụ phẩm nho
• 1.2. Các hợp chất có hoạt tính sinh học trong bã nho
• 1.3. Enzyme Cellulase, enzyme Pectinase và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly bằng enzyme
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu
• 2.2. Thiết bị và dụng cụ
• 2.3. Quy trình chuẩn bị mẫu bột bã nho
• 2.4. Quy trình trích ly bột bã nho bằng enzyme
• 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng loại enzyme đến quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học từ bột bã nho
• 2.4.2. Xác định tỷ lệ enzyme bổ sung thích hợp cho quá trình trích ly
• 2.4.3. Xác định tỷ lệ dung môi: nguyên liệu thích hợp cho quá trình trích ly
• 2.4.4. Xác định nhiệt độ trích ly thích hợp cho quá trình trích ly
• 2.4.5. Xác định thời gian trích ly thích hợp cho quá trình trích ly
• 2.4.6. So sánh hiệu quả của phương pháp trích ly bằng enzyme, siêu âm và sự kết hợp
• 2.5. Tối ưu hóa điều kiện trích ly hợp chất có hoạt tính sinh học từ phụ phẩm nho bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm
• 2.5.1. Tối ưu hóa quá trình trích ly bằng phương pháp bề mặt đáp ứng
• 2.5.2. Hàm lượng phenolic tổng (TPC), saponin tổng (TSC), proanthocyanidin tổng (PAC)
• 2.5.3. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định loại enzyme thích hợp cho quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học từ phụ phẩm nho
• 3.2. Xác định hàm lượng enzyme bổ sung thích hợp cho quá trình trích ly
• 3.3. Xác định tỷ lệ dung môi: nguyên liệu thích hợp cho quá trình trích ly
• 3.4. Xác định nhiệt độ thích hợp cho quá trình trích ly
• 3.5. Xác định thời gian trích ly của quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học trong bột bã
• 3.6. So sánh hàm lượng trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học từ bã nho giữa các phương pháp trích ly
• 3.7. Tối ưu quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học trong dịch chiết từ bã nho bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm (U-EAE)
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC HÌNH

Tóm tắt

I. Bã Nho Tiềm Năng và Hướng Tận Dụng Hợp Chất Sinh Học

Bã nho, phụ phẩm từ sản xuất rượu vang, chiếm tới 25% khối lượng nho. Thay vì lãng phí, bã nho lại chứa kho tàng hợp chất sinh học giá trị như phenolic acid, procyanidins, và resveratrol. Các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và người tiêu dùng đều quan tâm đến lợi ích sức khỏe từ các hợp chất này. Bã nho còn giàu chất béo, protein, chất xơ không hòa tan và khoáng chất. Hạt nho chứa 13-19% chất béo (axit béo thiết yếu), 11% protein, carbohydrate không tiêu hóa và chất chống oxy hóa (tocopherols, beta-carotene) (Yu và Ahmedna, 2013). Ngoài ra, còn có các hợp chất triterpenoid tiềm năng ứng dụng cao (chống tiểu đường, viêm, oxy hóa).

1.1. Thành phần dinh dưỡng và hoạt chất sinh học trong bã nho

Bã nho, mặc dù là phụ phẩm, lại sở hữu thành phần dinh dưỡng phong phú. Nghiên cứu chỉ ra rằng bã nho chứa đáng kể chất xơ (37.4% trong bã nho đỏ), protein (3.8% trong bã nho đỏ), và các khoáng chất quan trọng. Đặc biệt, bã nho là nguồn giàu các hợp chất phenolic, được biết đến với hoạt tính chống oxy hóa mạnh mẽ. Các hợp chất này bao gồm flavonoid, anthocyanin, và resveratrol, những chất có tiềm năng lớn trong việc bảo vệ sức khỏe và phòng ngừa bệnh tật. Do đó, việc khai thác các thành phần này từ bã nho không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.2. Ứng dụng tiềm năng của bã nho trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm

Nhờ vào hàm lượng cao các hợp chất sinh học và dinh dưỡng, bã nho mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Trong ngành thực phẩm, bã nho có thể được sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng, chất chống oxy hóa tự nhiên, hoặc thành phần chức năng trong các sản phẩm như bánh, kẹo, và đồ uống. Trong ngành dược phẩm, các chiết xuất từ bã nho có tiềm năng được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc sức khỏe, thực phẩm chức năng, hoặc thậm chí là thuốc điều trị. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này không chỉ tăng thêm giá trị cho bã nho mà còn góp phần vào sự phát triển của các sản phẩm tự nhiên và an toàn hơn cho người tiêu dùng.

II. Trích Ly Bã Nho Thách Thức và Ưu Điểm Phương Pháp Xanh

Việc khai thác bã nho như nguồn hợp chất sinh học có lợi và rẻ tiền là hướng đi bền vững cho ngành thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm. Thay vì dùng phương pháp trích ly bằng hợp chất hữu cơ, các phương pháp xanh được ưu tiên vì tiết kiệm chi phí, năng lượng, thân thiện môi trường và giảm dung môi. Các phương pháp này bao gồm: trích ly lỏng siêu tới hạn (SFE), trích ly bằng enzyme (EAE), trích ly có hỗ trợ siêu âm (UAE), trích ly bằng vi sóng (MAE). Kết hợp 2 phương pháp (ví dụ, trích ly bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm - UAEE) mang lại hiệu quả cao.

2.1. Giới thiệu các phương pháp trích ly hợp chất sinh học từ bã nho

Có nhiều phương pháp trích ly khác nhau được sử dụng để thu hồi các hợp chất sinh học từ bã nho, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp truyền thống sử dụng dung môi hữu cơ có thể hiệu quả nhưng lại gây lo ngại về môi trường và an toàn. Các phương pháp xanh như trích ly lỏng siêu tới hạn (SFE), trích ly bằng enzyme (EAE), và trích ly có hỗ trợ siêu âm (UAE) đang ngày càng được ưa chuộng vì tính thân thiện với môi trường và hiệu quả cao. Việc lựa chọn phương pháp trích ly phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại hợp chất mong muốn thu hồi, đặc tính của nguyên liệu, và yêu cầu về chi phí và hiệu quả.

2.2. Ưu điểm và nhược điểm của trích ly bằng enzyme và siêu âm

Trích ly bằng enzyme (EAE) có ưu điểm là tính chọn lọc cao, khả năng hoạt động ở điều kiện nhẹ nhàng, và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, quá trình này có thể diễn ra chậm và đòi hỏi chi phí enzyme cao. Trích ly bằng siêu âm (UAE) giúp tăng cường hiệu quả trích ly bằng cách phá vỡ tế bào thực vật và tăng khả năng tiếp xúc giữa dung môi và chất cần trích ly. UAE có ưu điểm là nhanh chóng, đơn giản, và có thể áp dụng cho nhiều loại nguyên liệu khác nhau. Tuy nhiên, UAE có thể gây ra sự phân hủy một số hợp chất nhạy cảm với nhiệt. Do đó, việc kết hợp enzyme và siêu âm có thể tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp để đạt được hiệu quả trích ly tối ưu.

III. Tối Ưu Hóa Trích Ly Enzyme và Siêu Âm cho Bã Nho Hiệu Quả

Thí nghiệm đã dùng siêu âm hỗ trợ enzyme cellullase và pectiness trích ly lycopene từ vỏ cà chua, trích ly dầu từ cây thông pumila, cho thấy hiệu quả cao hơn phương pháp đơn (Wen và ctv, 2020). Do đó, trích ly bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm (UAEE) được chọn để nghiên cứu, tìm điều kiện tối ưu trích ly hợp chất sinh học từ bột bã nho. Mục tiêu là xác định thông số tối ưu, thu hiệu quả trích ly cao nhất.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly enzyme và siêu âm

Hiệu quả trích ly bằng enzyme và siêu âm chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm loại enzyme, nồng độ enzyme, tỷ lệ dung môi và nguyên liệu, nhiệt độ, thời gian trích ly, tần số siêu âm, và cường độ siêu âm. Việc điều chỉnh các yếu tố này một cách hợp lý có thể giúp tối ưu hóa quá trình trích ly và đạt được hiệu quả cao nhất. Ví dụ, việc lựa chọn enzyme phù hợp với thành phần tế bào của nguyên liệu, điều chỉnh nhiệt độ và thời gian trích ly để tránh phân hủy hợp chất, và sử dụng tần số siêu âm phù hợp để tăng cường sự xâm nhập của dung môi vào tế bào có thể cải thiện đáng kể hiệu quả trích ly.

3.2. Phương pháp bề mặt đáp ứng RSM để tối ưu hóa điều kiện trích ly

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) là một công cụ thống kê mạnh mẽ được sử dụng để tối ưu hóa các quá trình phức tạp, bao gồm cả quá trình trích ly bằng enzyme và siêu âm. RSM cho phép xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình, xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố và đáp ứng, và tìm ra các điều kiện tối ưu để đạt được hiệu quả trích ly cao nhất. RSM giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết, tiết kiệm thời gian và chi phí, và cung cấp thông tin chi tiết về quá trình trích ly.

IV. Ứng Dụng Hợp Chất Sinh Học Từ Bã Nho Cho Sức Khỏe và Làm Đẹp

Đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến trích ly hợp chất sinh học từ bột bã nho bằng enzyme và siêu âm là tài liệu tham khảo cho trích ly hợp chất từ phụ phẩm thực vật. Kết quả là cơ sở cho nghiên cứu ứng dụng tiếp theo, nâng cao hiệu quả sử dụng, góp phần giải quyết vấn đề lượng lớn phụ phẩm từ công nghiệp chế biến rượu vang, nước ép nho tại Việt Nam.

4.1. Nghiên cứu điển hình về ứng dụng hợp chất sinh học từ bã nho

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của các hợp chất sinh học từ bã nho trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, các chiết xuất từ bã nho giàu polyphenol đã được chứng minh là có khả năng chống oxy hóa, chống viêm, và bảo vệ tim mạch. Chúng cũng có thể được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc da để chống lão hóa, bảo vệ da khỏi tác hại của tia UV, và cải thiện độ đàn hồi của da. Các nghiên cứu khác đã tập trung vào việc sử dụng bã nho như một nguồn chất xơ và prebiotics để cải thiện sức khỏe đường ruột.

4.2. Tiềm năng phát triển sản phẩm từ bã nho tại Việt Nam

Với nguồn cung dồi dào từ ngành công nghiệp sản xuất rượu vang và nước ép nho, bã nho có tiềm năng lớn để phát triển các sản phẩm giá trị gia tăng tại Việt Nam. Các sản phẩm này có thể bao gồm thực phẩm chức năng, mỹ phẩm tự nhiên, và các sản phẩm chăm sóc sức khỏe. Việc tận dụng bã nho không chỉ giúp giảm thiểu lãng phí và ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra cơ hội kinh doanh mới và đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm Việt Nam.

V. Kết Luận Tương Lai Tận Dụng Bã Nho Bằng Enzyme và Siêu Âm

Tóm lại, việc tối ưu hóa trích ly hợp chất sinh học từ bã nho bằng enzyme và siêu âm là hướng đi đầy hứa hẹn. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc phát triển các quy trình trích ly hiệu quả, thân thiện với môi trường. Với sự quan tâm ngày càng tăng đối với các sản phẩm tự nhiên và bền vững, tương lai của việc tận dụng bã nho hứa hẹn nhiều tiềm năng.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cao hiệu quả trích ly

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong việc trích ly hợp chất sinh học từ bã nho, vẫn còn nhiều cơ hội để tiếp tục nghiên cứu và cải thiện quy trình. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các loại enzyme mới, tối ưu hóa điều kiện siêu âm, kết hợp các phương pháp trích ly khác nhau, và phát triển các quy trình trích ly quy mô lớn. Ngoài ra, việc nghiên cứu sâu hơn về thành phần và tính chất của các hợp chất sinh học trong bã nho cũng rất quan trọng để phát triển các ứng dụng tiềm năng của chúng.

5.2. Đề xuất chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ trích ly bã nho

Để thúc đẩy việc tận dụng bã nho và phát triển ngành công nghiệp trích ly hợp chất sinh học tại Việt Nam, cần có sự hỗ trợ từ các chính sách của nhà nước. Các chính sách này có thể bao gồm việc cung cấp kinh phí cho các nghiên cứu khoa học, hỗ trợ các doanh nghiệp đầu tư vào công nghệ trích ly, khuyến khích sử dụng các phương pháp trích ly xanh, và xây dựng tiêu chuẩn chất lượng cho các sản phẩm từ bã nho. Sự hợp tác giữa nhà nước, các nhà khoa học, và các doanh nghiệp là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của bã nho và góp phần vào sự phát triển bền vững của đất nước.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất rượu vang và nước ép trái cây từ nho, phụ phẩm bã nho chiếm khoảng 20-25% trọng lượng quả nho sau khi ép, bao gồm vỏ, hạt và cuống nho. Đây là nguồn nguyên liệu giàu các hợp chất có hoạt tính sinh học như phenolic, saponin và proanthocyanidin, có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Tuy nhiên, phần lớn phụ phẩm này thường bị loại bỏ, gây lãng phí tài nguyên và ảnh hưởng đến môi trường. Do đó, việc tối ưu hóa quá trình trích ly các hợp chất sinh học từ bã nho nhằm thu hồi và tái sử dụng là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa kinh tế và môi trường quan trọng.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học từ bột bã nho bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm, nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi các hợp chất này. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Phát triển sản phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2023. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm hàm lượng phenolic tổng (TPC), saponin tổng (TSC) và proanthocyanidin tổng (PAC) trong dịch trích ly.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao giá trị sử dụng phụ phẩm nho trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm mà còn hỗ trợ phát triển các phương pháp trích ly xanh, thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và dung môi. Qua đó, đề tài mang lại ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm thiểu lượng phụ phẩm thải ra và tạo ra nguồn nguyên liệu quý giá cho các ngành công nghiệp liên quan.

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 enzyme trích ly (Enzyme-assisted extraction - EAE): Enzyme cellulase và pectinase được sử dụng để phá vỡ cấu trúc polysaccharide trong thành tế bào thực vật, giúp giải phóng các hợp chất phenolic, saponin và proanthocyanidin. Cellulase thủy phân cellulose, còn pectinase phân hủy pectin, làm tăng khả năng hòa tan và thu hồi các hợp chất sinh học.

• Lý thuyết siêu âm hỗ trợ trích ly (Ultrasound-assisted extraction - UAE): Sóng siêu âm tạo ra các bong bóng cộng hưởng trong dung môi, gây ra lực cắt và xâm thực tế bào, làm tăng diện tích tiếp xúc và khả năng khuếch tán của dung môi vào mô thực vật, từ đó nâng cao hiệu quả trích ly.

• Mô hình kết hợp enzyme và siêu âm (Ultrasound-enzyme-assisted extraction - U-EAE): Kết hợp ưu điểm của enzyme và siêu âm giúp tăng cường phá vỡ thành tế bào, thúc đẩy quá trình truyền khối và giải phóng các hợp chất sinh học với hàm lượng cao hơn so với phương pháp đơn lẻ.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Phenolic tổng (TPC): Tổng hàm lượng các hợp chất phenolic, được xác định bằng phương pháp Folin-Ciocalteu, biểu thị bằng mg gallic acid tương đương trên gam vật chất khô (mg GAE/g vck).

• Saponin tổng (TSC): Tổng hàm lượng saponin, được xác định bằng phương pháp vanillin-sulfuric acid, biểu thị bằng mg aescin tương đương trên gam vật chất khô (mg AE/g vck).

• Proanthocyanidin tổng (PAC): Tổng hàm lượng proanthocyanidin, được xác định bằng phương pháp vanillin-HCl, biểu thị bằng mg catechin tương đương trên gam vật chất khô (mg CE/g vck).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Phụ phẩm nho thu gom từ Công ty TNHH SX TM DV Ba Mọi, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam. Mẫu bã nho được sấy bơm nhiệt ở 35°C đến độ ẩm dưới 10%, xay mịn và bảo quản ở -18°C.

• Thiết bị và hóa chất: Enzyme cellulase (Cellulast 1.5L) và pectinase (Pectinex Ultra SP-L) mua từ Novozymes; máy siêu âm Hielscher Ultrasonics UP100H; thiết bị phân tích UV-Vis Agilent 8453; các hóa chất chuẩn catechin, gallic acid, rutin.

• Phương pháp phân tích: Hàm lượng TPC, TSC, PAC được xác định bằng phương pháp đo quang phổ UV-Vis theo tiêu chuẩn quốc tế. Độ ẩm được xác định theo TCVN 10788:2015.

• Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) với thiết kế CCD (Central Composite Design) để tối ưu các yếu tố: nhiệt độ (40-60°C), thời gian trích ly (60-180 phút), tỷ lệ dung môi: nguyên liệu (8:1 - 14:1 w/w). Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần.

• Phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm JMP Pro 13 và Microsoft Excel 2013 để phân tích phương sai, xây dựng mô hình hồi quy đa thức bậc hai và xác định điều kiện tối ưu.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2023, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, so sánh phương pháp trích ly và tối ưu hóa quy trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của loại enzyme: Sự kết hợp giữa cellulase (14 U/g) và pectinase (76 U/g) cho hàm lượng TPC, TSC, PAC cao nhất lần lượt là 8,870 mg GAE/g vck, 28,292 mg AE/g vck và 2,658 mg CE/g vck, cao hơn đáng kể so với việc chỉ sử dụng một loại enzyme hoặc không sử dụng enzyme (p < 0,05).

2. Tỷ lệ enzyme tối ưu: Khi tăng nồng độ cellulase từ 14 U/g lên 42 U/g kết hợp với 76 U/g pectinase, hàm lượng TPC tăng từ 8,305 lên 9,356 mg GAE/g vck; TSC tăng từ 28,866 lên 32,322 mg AE/g vck; PAC tăng từ 2,664 lên 2,806 mg CE/g vck. Tuy nhiên, tăng cellulase lên 56 U/g hoặc pectinase lên 152 U/g làm giảm hàm lượng các hợp chất này (p < 0,05).

3. Tỷ lệ dung môi: nguyên liệu: Tỷ lệ 10:1 (w/w) là tối ưu, đạt tổng hàm lượng các hợp chất sinh học cao nhất khoảng 44,012 mg/g vck. Tỷ lệ thấp hơn không đủ dung môi để hòa tan, tỷ lệ cao hơn làm giảm hiệu quả do mất cân bằng pha.

4. Nhiệt độ trích ly: Nhiệt độ 50°C cho hiệu quả trích ly cao nhất với TPC 9,513 mg GAE/g vck, TSC 32,015 mg AE/g vck và PAC 2,830 mg CE/g vck. Nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn đều làm giảm hàm lượng do ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme.

5. Thời gian trích ly: Thời gian 120 phút là tối ưu, với hàm lượng TPC 9,701 mg GAE/g vck, TSC 31,732 mg AE/g vck và PAC 2,827 mg CE/g vck. Thời gian dài hơn làm giảm hàm lượng do sự thoái hóa các hợp chất sinh học.

6. So sánh phương pháp trích ly: Phương pháp kết hợp siêu âm và enzyme (U-EAE) cho hàm lượng TPC, TSC, PAC cao hơn đáng kể so với phương pháp đơn lẻ (EAE hoặc UAE). Ví dụ, TSC trong dịch chiết từ E-UAE đạt 30,806 mg AE/g vck, trong khi U-EAE đạt TPC cao nhất 10,753 mg GAE/g vck.

7. Tối ưu hóa bằng RSM: Điều kiện tối ưu được xác định là enzyme cellulase 42 U/g, pectinase 76 U/g, tỷ lệ dung môi: nguyên liệu 10,5:1, nhiệt độ 56°C, thời gian 125 phút, siêu âm hỗ trợ với mật độ năng lượng 15 W/g trong 10 phút. Dịch trích thu được có hàm lượng TPC 13,22 mg GAE/g vck, TSC 40,61 mg AE/g vck và PAC 4,96 mg CE/g vck.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự kết hợp enzyme cellulase và pectinase tạo điều kiện phá vỡ cấu trúc polysaccharide phức tạp trong thành tế bào nho, giúp giải phóng các hợp chất phenolic, saponin và proanthocyanidin hiệu quả hơn so với việc sử dụng riêng lẻ. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy enzyme cellulase có khả năng thủy phân cellulose, còn pectinase phân hủy pectin, hai thành phần chính trong thành tế bào thực vật.

Việc sử dụng siêu âm hỗ trợ làm tăng khả năng thâm nhập của dung môi vào mô thực vật, phá vỡ màng tế bào, tăng diện tích tiếp xúc và thúc đẩy quá trình truyền khối, từ đó nâng cao hiệu suất trích ly. So sánh các phương pháp cho thấy U-EAE vượt trội hơn hẳn so với EAE hoặc UAE đơn lẻ, đồng thời giảm thời gian và lượng dung môi sử dụng.

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng như tỷ lệ enzyme, tỷ lệ dung môi, nhiệt độ và thời gian trích ly cho thấy sự cân bằng giữa các điều kiện này là cần thiết để đạt hiệu quả tối ưu. Nồng độ enzyme quá cao hoặc thời gian trích ly quá dài dẫn đến hiện tượng bão hòa hoặc thoái hóa hợp chất sinh học, làm giảm hiệu suất thu hồi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ cột so sánh hàm lượng TPC, TSC, PAC theo từng điều kiện thí nghiệm và biểu đồ 3D thể hiện tương tác giữa các yếu tố trong mô hình RSM, giúp trực quan hóa ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ dung môi đến hiệu quả trích ly.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình trích ly enzyme có hỗ trợ siêu âm (U-EAE) trong công nghiệp: Khuyến nghị các nhà sản xuất rượu vang và nước ép nho tận dụng phụ phẩm bã nho để trích ly các hợp chất sinh học có giá trị, nhằm tăng hiệu quả kinh tế và giảm thiểu lãng phí. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng để triển khai quy mô pilot.

2. Tối ưu hóa điều kiện trích ly theo kết quả nghiên cứu: Sử dụng enzyme cellulase 42 U/g và pectinase 76 U/g, tỷ lệ dung môi: nguyên liệu 10,5:1, nhiệt độ 56°C, thời gian 125 phút, siêu âm hỗ trợ mật độ năng lượng 15 W/g trong 10 phút. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm R&D và nhà máy chế biến.

3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân trong ngành công nghiệp thực phẩm về quy trình trích ly enzyme có hỗ trợ siêu âm, nhằm nâng cao năng lực sản xuất và ứng dụng công nghệ xanh. Thời gian đào tạo dự kiến 3-6 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các hợp chất trích ly được trong lĩnh vực mỹ phẩm, dược phẩm và thực phẩm chức năng, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị gia tăng. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm.

5. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm soát chất lượng: Phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật cho sản phẩm dịch chiết từ bã nho, đảm bảo tính ổn định và an toàn, phục vụ cho việc thương mại hóa sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý và tổ chức tiêu chuẩn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Hóa học và Thực phẩm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về phương pháp trích ly enzyme có hỗ trợ siêu âm, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến trích ly hợp chất sinh học từ nguyên liệu thực vật.

2. Doanh nghiệp sản xuất rượu vang, nước ép và thực phẩm chức năng: Thông tin về tối ưu hóa trích ly các hợp chất sinh học từ phụ phẩm nho giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu, giảm chi phí và phát triển sản phẩm mới có giá trị gia tăng.

3. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ: Luận văn cung cấp dữ liệu khoa học và công nghệ để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, thúc đẩy tái sử dụng phụ phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm.

4. Các nhà sản xuất enzyme và thiết bị siêu âm: Thông tin về hiệu quả kết hợp enzyme cellulase, pectinase và siêu âm trong trích ly hợp chất sinh học giúp cải tiến sản phẩm enzyme và thiết bị siêu âm phù hợp với nhu cầu công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải kết hợp enzyme cellulase và pectinase trong trích ly?
   Sự kết hợp này giúp phá vỡ đồng thời cellulose và pectin trong thành tế bào thực vật, tăng hiệu quả giải phóng các hợp chất sinh học hơn so với sử dụng riêng lẻ. Ví dụ, cellulase thủy phân cellulose, còn pectinase phân hủy pectin, làm tăng độ hòa tan và thu hồi phenolic, saponin và proanthocyanidin.

2. Siêu âm hỗ trợ trích ly có ưu điểm gì?
   Siêu âm tạo ra lực xâm thực và bong bóng cộng hưởng, phá vỡ màng tế bào, tăng diện tích tiếp xúc dung môi và thúc đẩy quá trình truyền khối, giúp rút ngắn thời gian trích ly và tăng hàm lượng hợp chất thu được. Nghiên cứu cho thấy phương pháp kết hợp siêu âm và enzyme cho hiệu quả cao hơn đáng kể.

3. Tại sao không nên tăng nồng độ enzyme quá cao?
   Khi nồng độ enzyme vượt quá mức bão hòa với cơ chất, vận tốc phản ứng không tăng thêm mà còn gây lãng phí enzyme và có thể làm giảm hiệu quả do hiện tượng ức chế enzyme hoặc thoái hóa hợp chất sinh học.

4. Tỷ lệ dung môi: nguyên liệu ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả trích ly?
   Tỷ lệ dung môi quá thấp không đủ để hòa tan các hợp chất, trong khi tỷ lệ quá cao làm giảm hiệu quả do mất cân bằng pha và tăng tạp chất trong dịch trích. Tỷ lệ 10:1 (w/w) được xác định là tối ưu trong nghiên cứu này.

5. Có thể áp dụng quy trình này cho các phụ phẩm thực vật khác không?
   Có, phương pháp enzyme có hỗ trợ siêu âm là phương pháp trích ly xanh, hiệu quả và có thể điều chỉnh để áp dụng cho nhiều loại nguyên liệu thực vật giàu hợp chất sinh học như vỏ trái cây, hạt, lá cây, giúp khai thác tối đa giá trị từ phụ phẩm nông nghiệp.

Kết luận

• Sự kết hợp enzyme cellulase (42 U/g) và pectinase (76 U/g) trong điều kiện trích ly tối ưu (nhiệt độ 56°C, thời gian 125 phút, tỷ lệ dung môi: nguyên liệu 10,5:1) cho hàm lượng phenolic tổng, saponin tổng và proanthocyanidin tổng cao nhất.

• Hỗ trợ siêu âm với mật độ năng lượng 15 W/g trong 10 phút trước quá trình trích ly làm tăng đáng kể hiệu quả thu hồi các hợp chất sinh học so với phương pháp đơn lẻ.

• Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) giúp xác định và tối ưu hóa các điều kiện trích ly, đảm bảo hiệu suất cao và tiết kiệm nguyên liệu, thời gian.

• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để ứng dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm, góp phần nâng cao giá trị sử dụng phụ phẩm nho.

• Đề xuất triển khai ứng dụng quy trình trích ly enzyme có hỗ trợ siêu âm trong các nhà máy chế biến nho tại Việt Nam trong vòng 6-12 tháng, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các nguyên liệu thực vật khác.

Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đào tạo nhân lực và phát triển sản phẩm từ dịch chiết bã nho nhằm khai thác tối đa tiềm năng nguồn nguyên liệu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TÔNG QUAN 1. Nho và phụ phẩm nho Nho là một trong những loại trái cây được sản xuất với sản lượng lớn trên toàn cầu với hơn 74,5 tỉ tan 2014 (Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2017), 75,7 ti tấn vào 2015 (Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2017). Các sản phẩm từ nho bao gồm: rượu vang, nước trai cây, mức nho, nho khô. có giá trị lớn về mặt kinh tế.

Nho có khoảng 60 loài, trong đó Vitis vinifera thì loại phổ biến trong sản xuất rượu vang. Ở Việt Nam, Ninh Thuận được xem là thủ phủ các loại nho đa dạng nhất nước. Một số giống nho chính đang được trồng tại Ninh Thuận gồm: nho xanh Ninh Thuận, nho đỏ Ninh Thuận, nho đỏ ngón tay, nho đen ngón tay và nho thân gỗ. Trong đó giống nho đỏ Ninh Thuận (Red Cardinal) là giỗng nho thuần Việt, cây phát triển khỏe, dé trồng và dé chăm sóc và năng suất cao.

Trái có hình cầu, bằng đầu ngón tay, vỏ mỏng có màu hồng nhạt đến đỏ đậm, vị ngọt hài hòa và chua nhẹ. Chính vì năng suất cao, vị chua ngọt hài hòa và được trồng quanh năm, trái nho được sử dụng dạng tươi và cũng được sử dụng nhiều trong sản xuất rượu, nước ép trái cây. Nho là loại trái cây rất phô biến trên thế giới ké cả Việt Nam khi được ứng dụng lớn trong ngành sản xuất nước giải khát và đặc biệt là ngành sản xuất rượu vang. Chính vì thé, phụ phâm nho thải ra hàng năm từ nganh công nghiệp này vô cùng lớn, chiếm khoảng 20% trọng lượng còn lại của nho sau khi ép dịch trích ly bao gồm cả vỏ, hạt và cuốn nho.

Trong khi đó, một lượng lớn các hợp chất sinh học vẫn giữ lại khá lớn trong phụ phẩm nho này. Vì thế, các nhà khoa học đã nghiên cứu các hợp chất sinh học trong phụ phẩm nho cùng với các phương pháp trích ly phù hợp và những ứng dụng cụ thé trong công nghiệp mỹ phẩm ,y học và thực phẩm. Thành phan của phụ phẩm nho, được tinh theo g/ 100g trọng lượng tươi Bã nho đồ Bã nho trắng Độ âm 53,9 67,1 Chất sơ 37.4 23,9 Hàm lượng béo 0,5 0,8 Đường 24 35 Protein 3,8 3,1 Tro 2,1 1,9 1. Các hợp chất có hoạt tinh sinh học trong bã nho Phenolic là hợp chất chuyên hóa thứ cấp của thực vật.

Về mặt hóa học, phenolic có thé được định nghĩa như một chất có vòng thom mang một hoặc nhiều nhóm hydroxyl, bao gồm các dẫn xuất chức năng của chúng. Phenolic là những hợp chất mà chứa một hay nhiều nhóm hydroxyl phenol mang một hay nhiều vòng thơm (Yu và Ahmedna, 2013). Trong nghiên cứu khoa học thực phẩm, hợp chất phenolic tự nhiên được phân loại chung thành những loại chính và phụ dựa trên cấu trúc hóa học tương tự, đó là loại khối xây dựng dẫn xuất dạng các đơn vị lặp lại. Bốn nhóm chính của phenolic được tìm thấy trong thực phẩm là acid phenolic, lignans và stilbenes.

Những stilbenoid chính được tìm thay trong thực phẩm có nguồn gốc thực vật là resveratrol và glycosids của nó. Resveratrol là một phytoalexin được sản xuất trong thực vật đề phản ứng lại sự tấn công của mầm bệnh. Nó có độc tính thấp đối voi con người và là chất diệt nắm tự nhiên. Axít phenolic là phenol có một nhóm chức axit carboxylic và được chia làm hai loại đó là axít hydroxycinnamic và axit hydroxybenzoic.

Thực tế, axit hydroxycinnamic phổ biến hơn axit hydroxybenzoic và chúng bao gồm thành phần chính như axit gallic, p-coumaric, caffeic, axit chlorogenic, ferulic và axít sinapic (Yu và Ahmedna, 2013). Phenolic được nghiên cứu rộng và sâu nhất chính là những flavonoids. Dựa vào cấu trúc phân tử của chúng được chia làm bảy lớp nhỏ: flavones, flavanones, flavonols, isoflavones, anthocyanidins/anthocyanins, flavanols (hay catechins và procyanidins) và chalcones (Karakaya, 2004). Một nhóm khác của flavonoids mà không bao gồm trong phân lớp này đó chính là proanthocyanidins hay còn gọi là procyanidins, condensed tannins hay oligomeric procyanidins (Prior va Gu, 2005).

Mặc dù phenolic hiện tại trong hau như trong tat cả các loại thức ăn có nguồn gốc động vật nhưng các loại trái cây như nho, táo, việt quốc và nam việt quốc thì cực kỳ giàu những hợp chat sinh học này. Trong quả nho, thì các hợp chất phenolic chủ yêu ở vỏ, hạt và cuốn nho. Vỏ nho thì rất giàu chất chồng oxi hóa phenolic trích ly được (10-11% trọng lượng khô). Anthocyanins, catechins, proxyanidins, flavonol glycosides và stilbenes là những phenolic quan trọng được tìm thấy trong bã nho (Yu và Ahmedna, 2013).

Không những thành phần phenolic trong các giống nho khác nhau ma còn khác nhau trên các phần của quả nho. Nho đỏ rất giảu anthocyaninins, nó là một phenolic chính trong nho đỏ, khoảng 69 -151 mg/kg trong lượng nho tươi, trong khi đó flavan-3-ols là phenol phong phú nhất trong các nhóm nho trắng chiếm khoảng 52-§1 mg/kg trọng lượng nho tươi (Yu và Ahmedna, 2013). Nghiên cứu về hàm lượng của hợp chất phenolic và hoạt tính chống oxi hóa đã cho thấy trong catechin là hợp chất không anthocyanic phong phú nhất được xác định trong bã nho (150,16 mg/100g) cho tat cả các giống. Giống nho đỏ Cabernet Sauvignon chứa ham lượng cao nhất hợp chat phenolic tổng (75 mg/g), trong khi giống Bordeaux cho thay hàm lượng tổng số anthocyanins cao nhất.

Vỏ nho, một phan của bã nho được chứng minh là nguồn giàu anthocyanins, axit hydroxycinnamic, flavanol và flavonol glycoside, trong khi axít gallic và flavanol chủ yêu có trong phan hạt (Kammerer va ctv, 2004). Theo phân tích của Montealegre và ctv (2006) thì vỏ nho đỏ chứa nhiều hydroxycinnamates and flavonols hơn là vỏ nho trắng. Vỏ nho đỏ chứa lượng hydroxycinnamates cao hơn vỏ nho trắng (31-55 mg/kg nho tươi), nhưng lượng catechin thấp hơn nhiều (9,0—18 mg/kg nho tươi), chat làm mờ procyanidin (8,0-18 mg/kg nho tươi) và tổng số flavonols (12—19 mg/kg nho tươi). Các proanthocyanidin tạo nên vị đắng của sôcôla, vị chát của đồ uống và trái cây do chúng có khả năng tạo phức hợp với protein nước bọt.

PAC có thể được sử dụng như một chat phụ gia thực phẩm dé tạo ra tính làm se, tính 6n định của vi sinh vật, khả năng tạo bọt, én định oxy hóa và ôn định nhiệt cho các sản phẩm thực phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng PAC giúp bảo vệ cơ thê khỏi tác hại của ánh nắng mặt trời, cải thiện thị lực, cải thiện tính linh hoạt của khớp, động mach và các mô cơ thé như tim và cải thiện lưu thông máu bằng cách tăng cường mao mạch, động mạch và tĩnh mạch. Các phức hợp proanthocyanidin oligomeric (OPC) đã được báo cáo dé chứng minh các hoạt động chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng virút, chống ung thư, chống viêm, chống dị ứng và giãn mạch. Chúng có thể ức chế peroxide hóa lipid, kết tụ tiêu cầu và tăng tính thấm của mao mach (Fine, 2000).

Saponin là các hợp chất glycosid không bay hơi tự nhiên được tìm thấy trong phần lớn thực vật. 'Saponin' bắt nguồn từ tiếng Latinh 'Sapo' có nghĩa là 'xà phòng', nôi tiếng với đặc tính tạo bọt (Góral và ctv, 2020). Saponin được đặc trưng bởi vô số tính chất vật lý của chúng, bao gồm vị ngọt và vị đắng. Đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng saponin như một chất phụ gia hiệu quả đề hình thành va ổn định nhũ tương dau trong nước và nano (Liao và ctv, 2021).Triterpenoid bao gồm cả steroid là một nhóm rất đa dạng các sản phẩm tự nhiên phân bố rộng rãi trong thực vật.

Saponin triterpenoid bao gồm một aglycone triterpene, với 30 nguyên tử carbon, với một hoặc nhiều gốc đường (bao gồm hexose, methylpentose và pentose) được gắn vào aglycone (Augustin & ctv, 2011). Triterpenoid saponin có thé được tìm thay trong các loại đậu như cỏ linh lăng, đậu xanh, đậu tằm, đậu tương, đậu lăng, đậu phộng, hạt hướng dương, rễ nhân sâm và các loài chi hành khác, trong khi saponin steroid được tìm thấy trong cây Yucca, hat ca chua, rễ nhân sâm, khoai mỡ, cả tím, hat co cà ri, mang tây, ớt chuông. Saponin thé hiện một loạt các hoạt động sinh hoc như hoạt động chống vi khuẩn hoặc chống côn trùng, được sản xuất dưới dạng các phân tử bảo vệ thực vật dé đối phó với các mối đe dọa sinh học, mầm bệnh và động vật ăn cỏ. Trong bối cảnh sức khỏe con người, saponin thể hiện nhiều đặc tính dược lý, bao gồm các hoạt động chống cholesterol máu, chống ung thư và tán huyết.

Ngoài các ứng dung được lý, saponin được sử dụng trong công nghiệp tay rửa và mỹ phẩm do đặc tính tạo bọt của chúng. Hàm lượng phenolic trên mỗi phần của bã nho khác nhau tùy theo giống nho và chịu sự ảnh hưởng của điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng, độ trưởng thành và thời gian lên men (Montealegre và ctv, 2006). Năng suất trích ly được trên mỗi quả của tất cả các phenolic giảm theo độ chín và theo sau động học bậc hai. Hàm lượng phenolic trong hạt nho trắng và nho đỏ là như nhau.

Tuy nhiên catechin, epicatechin và procyanidin B1 trong hạt nho đỏ thi cao hơn. Nhìn chung thì hạt nho chứa ít hàm lượng phenolic hon vỏ nho nhưng lại giàu catechins và procyandins (Castillo-Muñoz và ctv, 2010). Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rang các hợp chất phenolic phụ phẩm nho chủ yếu gồm: flavonoid, saponin triterpenoid và proanthocyanidin, cụ thể là proxyanidins mang lại nhiều lợi ich cho sức khỏe như chống lại ung thư và các hoạt động chống lại ung thư; chống oxi hóa và chống viêm (Yu và Ahmedna, 2013); phòng ngừa và giảm thiểu các bệnh tim mạch; tăng cường tuổi thọ và làm chậm các dấu hiệu liên quan đến tuôi thọ. Các hợp chất hoạt tính sinh học chính chịu trách nhiệm về nhiều lợi ích sức khỏe được báo cáo của rượu vang và các sản phẩm phụ của rượu vang.

Enzyme Cellulase, enzyme Petinase và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly bằng enzyme 1. Enzyme Cellulase và Petinase Enzyme cellulase: Enzyme cellulose là một tổ hợp của ba loại enzyme gồm: exo-glucanase, endo-glucanase và j-glucosidase, có thé được sản xuất bằng các vi sinh vật khác nhau một cách tự nhiên và rất quan trọng về mặt sinh thái vì nó có khả năng tái chế trong sinh quyên. Cellulose có ban chat protein được cau tạo từ các đơn vị là acid amin, các acid amin được kết nối với nhau bởi liên kết peptide —- CO — NH- và các thành phần phụ khác. Đây là một loại enzyme tìm năng được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp như dệt may, chat tay rửa, các hoạt chất sinh học, thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, nguyên liệu sinh học.Enzyme được sản xuất chủ yếu từ nắm hiếu khi đang đóng vai trò quan trọng và chi phối trong các ứng dụng khác nhau.