Nghiên cứu ứng dụng kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen trong ngành thực phẩm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen để chiết tách chất màu, sử dụng hiệu quả trong nhuộm màu thực phẩm.

• Tác giả: Đinh Thị Sen
• Người hướng dẫn: ThS. Lương Hùng Tiến
• Trường học: Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Ứng dụng kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen trong chiết tách chất màu sử dụng vào nhuộm màu thực phẩm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. PHẦN 1: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. Yêu cầu của đề tài
• 2. PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Chất màu trong thực phẩm
• 2.1.1. Khái niệm chất màu
• 2.1.2. Vai trò của chất màu trong thực phẩm
• 2.1.3. Phân loại chất màu thực phẩm
• 2.1.3.1. Chất màu tổng hợp
• 2.1.3.2. Chất màu tự nhiên
• 2.2. Tổng quan về chất tạo màu đen
• 2.2.1. Nhóm chất màu flavonoit
• 2.2.2. Chất màu Anthocyanin
• 2.2.2.1. Cấu trúc hóa học của anthocyanin
• 2.2.2.2. Tính chất của anthocyanin
• 2.2.2.3. Sự chuyển đổi cấu trúc của anthocyanin trong môi trường lỏng
• 2.2.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến màu của anthocyanin
• 2.2.3. Tính chất hóa học và các yếu tố ảnh hưởng
• 2.2.4. Một số cây, quả cho chất nhuộm màu đen để nhuộm màu thực phẩm
• 2.2.4.1. Đặc điểm hình thái
• 2.2.4.2. Cây trám đen
• 2.2.4.3. Đặc điểm hình thái
• 2.2.4.4. Đặc điểm hình thái
• 2.2.4.5. Đặc điểm hình thái
• 2.2.4.6. Cây sau sau
• 2.2.4.7. Đặc điểm hình thái
• 2.2.5. Chiết tách chất màu từ tự nhiên
• 2.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách
• 2.3. Lý thuyết về màu sắc và phương pháp so màu
• 2.3.1. Lý thuyết về màu sắc
• 2.3.2. Phương pháp so màu
• 2.4. Tình hình nghiên cứu chất màu tự nhiên trên thế giới và trong nước
• 2.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 2.4.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu
• 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.1.2. Thời gian nghiên cứu
• 3.2. Hóa chất nghiên cứu: Ethanol, Methanol
• 3.3. Thiết bị và dụng cụ
• 3.4. Nội dung nghiên cứu
• 3.4.1. Phương pháp
• 3.4.1.1. Phương pháp điều tra thu thập thông tin
• 3.4.1.2. Phương pháp thu thập tổng hợp và phân tích tư liệu
• 3.4.1.3. Phương pháp điều tra xã hội học
• 3.4.1.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm
• 3.4.2. Nghiên cứu lựa chọn nguyên liệu và dung môi chiết tách chiết chất màu đen
• 3.4.3. Nghiên cứu hoàn thiện kỹ thuật tách chiết chất màu đen từ thực vật tạo ra chất màu thực phẩm
• 3.4.4. Đề xuất quy trình chiết tách tạo ra sản phẩm màu đen
• 3.4.5. Phương pháp hóa lí
• 3.4.6. Phương pháp đo cường độ màu bằng máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
• 3.4.7. Phương pháp chiết chất màu
• 3.4.8. Phương pháp sấy khô
• 3.4.9. Phương pháp đánh giá cảm quan
• 3.4.10. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 3.4.11. Phương pháp xử lí số liệu
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả tìm hiểu kiến thức bản địa ở một số tỉnh miền núi phía Bắc về cây nhuộm màu đen thực phẩm
• 4.2. Kết quả nghiên cứu lựa chọn nguyên liệu và dung môi chiết phục vụ chiết tách chất màu đen
• 4.2.1. Kết quả lựa chọn nguyên liệu và dung môi chiết tách phục vụ chiết tách chất màu đen
• 4.2.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên liệu đến quy trình chiết tách chất màu
• 4.3. Tối ưu hóa quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen trong lá sau sau và xây dựng quy trình chiết tách chất màu từ lá sau sau trong phòng thí nghiệm
• 4.3.1. Kết quả nghiên cứu lựa chọn các yếu tố và miền khảo sát cho quá trình chiết tách chất màu đen từ thực vật
• 4.3.2. Thiết lập mô hình
• 4.3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu trên dung môi đến giá trị OD
• 4.3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến giá trị OD thu được
• 4.3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến giá trị OD
• 4.3.3. Tối ưu hóa quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen trong lá sau sau
• 4.3.4. Dự đoán chất màu trong lá sau sau
• 4.3.5. Kết luận sơ bộ độ an toàn của dịch chiết từ lá cây sau sau
• 4.3.6. Quy trình chiết tách chất nhuộm màu đen từ lá sau sau
• 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về ứng dụng cây nhuộm màu đen trong thực phẩm

Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen trong việc chiết tách chất màu sử dụng cho thực phẩm tự nhiên. Cây nhuộm màu đen, đặc biệt là lá cây sau sau, được sử dụng rộng rãi trong các cộng đồng dân tộc thiểu số ở miền núi phía Bắc Việt Nam. Nghiên cứu này nhằm bảo tồn và phát triển kiến thức bản địa về việc sử dụng cây nhuộm thực phẩm để tạo ra màu thực phẩm an toàn và thực phẩm hữu cơ. Đây là một phần của nghiên cứu thạc sĩ nhằm tìm hiểu và ứng dụng các phương pháp truyền thống vào công nghệ thực phẩm hiện đại.

1.1. Tầm quan trọng của màu thực phẩm tự nhiên

Màu thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tính hấp dẫn và giá trị cảm quan của sản phẩm. Màu thực phẩm tự nhiên không chỉ an toàn mà còn có tác dụng tích cực đối với sức khỏe, như chống oxy hóa và kháng viêm. Việc sử dụng nguyên liệu tự nhiên như cây nhuộm màu giúp giảm thiểu rủi ro từ các chất màu tổng hợp, đồng thời bảo tồn kiến thức bản địa về sử dụng thực vật trong nhuộm màu thực phẩm.

1.2. Mục tiêu của nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là ứng dụng kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen để chiết tách chất màu sử dụng trong thực phẩm tự nhiên. Nghiên cứu cũng hướng đến việc xây dựng quy trình chiết tách chất màu từ cây nhuộm thực phẩm ở quy mô công nghiệp, nhằm đáp ứng nhu cầu về màu thực phẩm an toàn và thực phẩm hữu cơ.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp điều tra, thu thập thông tin từ cộng đồng dân tộc thiểu số về kiến thức bản địa sử dụng cây nhuộm màu đen. Các thí nghiệm chiết tách chất màu từ lá cây sau sau được tiến hành với các yếu tố như tỷ lệ nguyên liệu, nhiệt độ, và thời gian chiết. Kết quả cho thấy lá cây sau sau có khả năng tạo màu đen bóng, đều và an toàn cho thực phẩm. Quy trình chiết tách được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất.

2.1. Lựa chọn nguyên liệu và dung môi

Nghiên cứu lựa chọn lá cây sau sau làm nguyên liệu chính do khả năng tạo màu đen bóng và độ an toàn cao. Ethanol và methanol được sử dụng làm dung môi chiết tách. Kết quả cho thấy ethanol là dung môi hiệu quả nhất trong việc chiết tách chất màu từ cây nhuộm thực phẩm.

2.2. Tối ưu hóa quy trình chiết tách

Các yếu tố như tỷ lệ nguyên liệu trên dung môi, nhiệt độ, và thời gian chiết được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Kết quả cho thấy tỷ lệ 1:10 (nguyên liệu/dung môi), nhiệt độ 60°C, và thời gian chiết 2 giờ là điều kiện tối ưu để chiết tách chất màu từ lá cây sau sau.

III. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng cây nhuộm màu đen trong thực phẩm tự nhiên. Lá cây sau sau không chỉ tạo màu đen đẹp mà còn có tác dụng bảo quản thực phẩm và hỗ trợ sức khỏe. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc sản xuất màu thực phẩm an toàn và thực phẩm hữu cơ, đồng thời góp phần bảo tồn kiến thức bản địa về sử dụng thực vật trong nhuộm màu thực phẩm.

3.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu không chỉ mang lại giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao. Việc ứng dụng cây nhuộm màu đen trong công nghệ thực phẩm giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các chất màu tổng hợp nhập khẩu, đồng thời thúc đẩy sản xuất thực phẩm an toàn và thực phẩm hữu cơ.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong việc ứng dụng kiến thức bản địa vào công nghệ thực phẩm. Cần tiếp tục nghiên cứu và mở rộng quy mô sản xuất để đáp ứng nhu cầu thị trường về màu thực phẩm tự nhiên và thực phẩm hữu cơ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, màu sắc là một trong những chỉ tiêu cảm quan quan trọng hàng đầu, tác động trực tiếp đến sự lựa chọn của người tiêu dùng và hỗ trợ quá trình tiêu hóa thông qua kích thích sinh lý. Nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất quy mô lớn, các chất màu tổng hợp hóa học thường được sử dụng phổ biến do ưu điểm về độ bền màu, dải màu phong phú và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc lạm dụng hoặc sử dụng các chất màu tổng hợp không đúng quy định về liều lượng (như nguy cơ từ các hợp chất chứa kim loại nặng, hydrocacbon đa vòng) tiềm ẩn nhiều rủi ro đối với sức khỏe con người. Xu hướng nghiên cứu và ứng dụng các chất màu có nguồn gốc tự nhiên nhằm thay thế phẩm màu tổng hợp đang trở thành hướng đi tất yếu.

Nhuộm màu thực phẩm từ thực vật là nét văn hóa và kinh nghiệm truyền thống lâu đời của các dân tộc thiểu số tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực miền núi phía Bắc. Thực tế cho thấy nhiều loài thực vật bản địa không chỉ tạo màu sắc tự nhiên mà còn chứa các hợp chất có hoạt tính sinh học, hỗ trợ phòng trị một số bệnh lý thông thường và kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm (ví dụ xôi đen nhuộm từ lá sau sau có thể bảo quản tới 3 ngày ở điều kiện thường mà chưa bị hỏng). Dẫu vậy, việc sử dụng các loài cây nhuộm màu đen hiện nay chủ yếu mang tính gia đình, thủ công, sử dụng nguyên liệu tươi theo mùa vụ và chưa được chuẩn hóa ở quy mô công nghiệp. Thêm vào đó, nguồn chất tạo màu đen cho thực phẩm trong nước chủ yếu phải nhập khẩu với giá thành cao.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài khóa luận "Ứng dụng kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen trong chiết tách chất màu sử dụng vào nhuộm màu thực phẩm" được thực hiện nhằm khai thác nguồn tri thức dân gian và bước đầu xây dựng quy trình công nghệ chiết tách chất màu đen ở quy mô phòng thí nghiệm.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong văn bản gồm:

1. Sưu tầm, hệ thống hóa kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen thực phẩm tại một số tỉnh miền núi phía Bắc.
2. Lựa chọn nguyên liệu thực vật và hệ dung môi thích hợp cho quá trình chiết tách chất màu đen.
3. Xác định ảnh hưởng của trạng thái nguyên liệu (độ non/già, tươi/khô) đến hiệu quả chiết tách.
4. Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu trên dung môi đến quá trình chiết tách.
5. Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình chiết tách.
6. Xác định ảnh hưởng của thời gian chiết đến nồng độ và mật độ quang của dịch chiết.
7. Xác định ảnh hưởng của số lần chiết tách đến hiệu suất thu hồi chất màu.
8. Hoàn thiện quy trình công nghệ chiết tách chất màu đen từ thực vật ở quy mô phòng thí nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các loài cây có khả năng tạo màu đen cho thực phẩm theo kinh nghiệm bản địa, tập trung vào 4 loài chính: Lá sau sau (Liquidambar formosana Hance), Lá cẩm tím (Peristrophe bivalvis (L.) Merr), Quả trám đen (Canarium tramdeum Dai & Yakovl), và Củ nghệ đen (Curcuma aeruginosa Rosc).
• Phạm vi không gian: Điều tra thực địa tại cộng đồng các dân tộc thiểu số thuộc 5 tỉnh miền núi Đông Bắc (Tuyên Quang, Thái Nguyên, Lạng Sơn, Bắc Kạn, Cao Bằng). Thực nghiệm phòng thí nghiệm được tiến hành tại Khoa Công nghệ Sinh học & Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện từ tháng 12/2013 đến tháng 06/2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu dựa trên các cơ sở lý thuyết về hóa học hợp chất tự nhiên và công nghệ thực phẩm:

• Cấu trúc và tính chất của Anthocyanin: Hợp chất flavonoid phân cực, tan tốt trong nước và dung môi phân cực. Anthocyanin tồn tại ở các dạng cấu trúc cân bằng phụ thuộc vào pH (Cation flavylium, Quinonoidal base, Carbinol pseudobase, Chalcone) và chịu tác động lớn bởi nhiệt độ, oxy, ánh sáng, ion kim loại.
• Cấu trúc và tính chất của Tannin: Hợp chất polyphenol có khối lượng phân tử từ 500 đến 3.000 (có thể lên tới 20.000), có tính khử mạnh, dễ bị oxy hóa và ngưng tụ tạo thành phlobaphene có màu đen, nâu sẫm. Sự trùng hợp giữa tannin và anthocyanin giúp tăng cường độ sâu và độ bền màu.
• Đặc điểm hóa thực vật của lá sau sau (Liquidambar formosana): Lá chứa hàm lượng tannin cao (33 - 42% theo chất khô), hàm lượng nước dao động 67 - 80%, pectin (5 - 7%), protein (21 - 27%), vitamin C, hệ enzyme oxy hóa khử (hoạt động tối ưu ở 43 - 47°C, pH 4,0 - 4,5) và các anthocyanin.
• Định luật Lambert - Beer và lý thuyết màu sắc: Cường độ màu biểu diễn qua mật độ quang $OD = \lg(I_0 / I_e) = K \cdot C \cdot l$, xác định độ hấp thụ bức xạ đơn sắc của dịch chiết tại bước sóng cực đại ($\lambda_{\max}$).

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp điều tra thực vật dân tộc học và xã hội học: Thu thập tài liệu thứ cấp; phỏng vấn bán cấu trúc và tái hiện kinh nghiệm chế biến, sử dụng cây nhuộm màu trong cộng đồng dân tộc thiểu số tại 5 tỉnh miền núi.
• Phương pháp hóa lý:
  • Đo mật độ quang (OD) và quét phổ hấp thụ phân tử trong dải bước sóng 330 – 760 nm bằng máy quang phổ UV-Vis.
  • Xác định độ ẩm nguyên liệu sấy ở nhiệt độ 25 – 30°C trong 8 giờ.
  • Đo giá trị pH bằng máy đo pH chuyên dụng.
• Phương pháp đánh giá cảm quan: Đánh giá mức độ ưa thích về màu sắc của xôi sau khi nhuộm bằng phương pháp cho điểm thị hiếu theo thang điểm Hedonic 9 bậc (từ 1: Cực kỳ không thích đến 9: Cực kỳ thích) với hội đồng gồm 10 thành viên đã qua đào tạo.
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa:
  • Ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) theo mô hình thiết kế Box - Behnken (3 yếu tố, 3 cấp độ: biến mã hóa -1, 0, +1).
  • Các yếu tố khảo sát: Thời gian chiết $X_1$ (4, 5, 6 giờ), Nhiệt độ chiết $X_2$ (40, 45, 50°C), Tỷ lệ nguyên liệu/dung môi $X_3$ (2:16, 3:16, 4:16 g/ml).
  • Xử lý và phân tích hồi quy bậc hai bằng phần mềm Design-Expert 7.1 và Microsoft Excel ở mức ý nghĩa $p < 0,05$.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Đặt vấn đề

Phần này trình bày lý do lựa chọn đề tài, tính cấp thiết của việc tìm kiếm chất màu thực phẩm tự nhiên an toàn thay thế phẩm màu tổng hợp, giá trị bảo tồn tri thức bản địa vùng cao, xác lập mục đích và 8 yêu cầu kỹ thuật cần giải quyết trong nghiên cứu.

Phần 2: Tổng quan tài liệu

Tác giả hệ thống hóa các vấn đề lý luận và thực tiễn:

• Khái niệm, phân loại, vai trò và các quy định an toàn vệ sinh thực phẩm đối với phụ gia tạo màu của Bộ Y tế và quốc tế.
• Bản chất hóa học của các nhóm chất tạo màu đen: Nhóm Flavonoid, Anthocyanin (cấu trúc 18 loại aglycon, chuyển đổi cấu trúc theo pH), Tannin (ngưng tụ catechin, phản ứng tạo phức màu) và cơ chế trùng hợp tạo màu sâu.
• Tổng quan hình thái, thành phần hóa học và công dụng của 5 loài thực vật: Cây nghệ đen, Cây trám đen, Cây cẩm tím, Cây lá gai và Cây sau sau.
• Cơ sở lý thuyết về trích ly chất màu (động học khuếch tán, các yếu tố ảnh hưởng: dung môi, tỷ lệ, nhiệt độ, thời gian) và định luật quang phổ Lambert - Beer.
• Tổng quan tình hình nghiên cứu chất màu tự nhiên trong nước (các công trình điều tra của Lưu Đàm Cư, Luân Thị Đẹp; chiết tách annatto, bắp cải tím, lá cẩm) và trên thế giới (chiết xuất từ mô sần thực vật, nấm men, công nghệ vi sinh).

Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên liệu, hóa chất (Ethanol, Methanol), danh mục trang thiết bị (máy UV-Vis, tủ sấy, máy đo pH), bố trí 8 thí nghiệm thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố, quy trình chế bị dịch chiết, phương pháp sấy khô, thang điểm cảm quan Hedonic 9 mức và mô hình toán học Box - Behnken.

Phần 4: Kết quả và thảo luận

Chương này tập trung trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

• Kết quả điều tra thực địa 12 loài cây nhuộm màu đen theo tri thức dân gian tại 5 tỉnh miền núi phía Bắc.
• Kết quả sàng lọc nguyên liệu và dung môi: Thử nghiệm 16 công thức kết hợp giữa 4 loại nguyên liệu (cẩm tím, trám đen, lá sau sau, nghệ đen) và 4 hệ dung môi (nước nóng, nước lạnh, ethanol 50%, methanol 50%).
• Xác định phổ hấp thụ UV-Vis của dịch chiết lá sau sau: Phát hiện bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda_{\max} = 360\text{ nm}$ cùng 3 đỉnh phụ tại 450 nm (xanh lam), 540 nm (xanh lục), 600 nm (đỏ cam).
• Ảnh hưởng của độ non/già và trạng thái tươi/khô của lá sau sau đến mật độ quang OD và điểm cảm quan.
• Kết quả khảo sát các yếu tố công nghệ (nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ dung môi) và tối ưu hóa bằng mô hình toán Box - Behnken.
• Đề xuất sơ đồ quy trình công nghệ chiết tách chất màu đen từ lá sau sau ở quy mô phòng thí nghiệm.

Phần 5: Kết luận và đề nghị

Tổng kết các chỉ số kỹ thuật tối ưu đã đạt được, đánh giá tính khả thi trong việc ứng dụng lá sau sau làm chất màu thực phẩm và đưa ra các đề xuất nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

1. Điều tra tri thức bản địa về cây nhuộm màu đen

Nghiên cứu đã ghi nhận 12 loài thực vật được đồng bào các dân tộc thiểu số tại 5 tỉnh miền núi Đông Bắc sử dụng để tạo màu đen cho thực phẩm với các phương thức chế biến đặc thù:

STT	Tên thông thường	Tên khoa học	Bộ phận sử dụng	Phương thức chế biến dân gian
1	Gai	Boehmeria nivea (L.) Gaudich	Lá	Phơi khô, ninh nhừ, vắt nước, rang khô, trộn bột nếp làm bánh gai
2	Trám đen	Canarium tramdeum Dai & Yakovl	Quả	Ỏm nước nóng, tách bỏ hạt, dùng thịt quả trộn xôi
3	Nghệ đen	Curcuma aeruginosa Rosc	Củ	Giã nhỏ, sắc lấy nước ngâm gạo đồ xôi
4	Hồng có hạt	Diospyros roxburghii Carr	Lá non	Nấu nhừ với nước vôi, giã nát, nấu cô đặc với đường để nhào bột
5	Nhót	Elaeagnus latifolia L	Lá	Giã với tro rơm nếp, đun nóng 70 - 80°C, lọc lấy nước ngâm gạo
6	Sau sau	Liquidambar formosana Hance	Lá non, bánh tẻ, vỏ	Giã nhỏ, chiết lấy nước ngâm gạo 5 - 6 giờ rồi đồ xôi
7	Mơ tam thể	Paederia lanuginosa Wall	Lá	Ninh nhừ với nước vôi loãng làm bánh, hoặc ninh lấy nước ngâm gạo
8	Muối	Rhus chinensis Mill	Thân cây	Đốt lấy tro, hòa nước tro rơm nếp, ngâm gạo 5 - 6 giờ
9	Núc nác	Oroxylum indicum (L.)	Thân cây	Đốt lấy tro, ngâm lọc nước hòa tro rơm nếp ngâm gạo đồ xôi
10	Lúa	Oryza sativa L	Thân cây	Đốt lấy tro rơm rạ ngâm nước lọc sạch để ngâm gạo
11	Sắn thuyền	Syzygium resinHtml / réinosum	Quả chín	Nghiền nát, ngâm nước lọc sạch rồi ngâm gạo nếp đồ xôi
12	Cẩm tím	Peristrophe bivalvis (L.) Merr	Thân, lá	Đun sôi hoặc giã tươi; thêm tro rơm nếp/muối để chuyển màu đen tím

2. Lựa chọn nguyên liệu và dung môi chiết

Thực nghiệm so sánh 16 công thức chiết tách trên 4 nhóm nguyên liệu chính cho thấy lá sau sau chiết lạnh bằng dung môi nước cho chất lượng cảm quan cao nhất:

Nhóm nguyên liệu	Phương pháp chiết / Dung môi	Điểm cảm quan màu sắc xôi (Thang 9)
Lá sau sau	Chiết lạnh bằng nước	8,36
Lá sau sau	Chiết nóng bằng nước	7,27
Lá sau sau	Chiết lạnh bằng Ethanol 50%	5,96
Lá sau sau	Chiết lạnh bằng Methanol 50%	5,83
Cây cẩm tím	Chiết lạnh bằng Ethanol 50%	7,27
Cây cẩm tím	Chiết nóng bằng nước	5,23
Quả trám đen	Chiết nóng bằng nước	6,56
Nghệ đen	Chiết lạnh bằng nước	6,02

Dịch chiết lá sau sau bằng nước có ưu điểm: màu đen bóng, mùi thơm dịu tự nhiên, vị chua rất nhẹ không lấn át hương vị thực phẩm, dung môi nước an toàn, chi phí thấp và không phải qua khâu thu hồi dung môi độc hại.

3. Phân tích quang phổ và cơ chế tạo màu

Quét phổ UV-Vis dịch chiết lá sau sau xác định bước sóng hấp thụ cực đại tại $\lambda_{\max} = 360\text{ nm}$. Ngoài ra, sự xuất hiện đồng thời của 3 đỉnh hấp thụ phụ tại 450 nm (màu lam), 540 nm (màu lục) và 600 nm (màu đỏ cam) chứng minh cơ chế hình thành màu đen là kết quả tổng hòa của phản ứng trùng hợp giữa tannin - anthocyanin khi gia nhiệt cùng hiệu ứng phối màu bù trừ của các sắc tố tự nhiên.

4. Ảnh hưởng của trạng thái nguyên liệu

So sánh giữa nguyên liệu lá sau sau non và lá già tại bước sóng cực đại 360 nm cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê ($p < 0,05$):

Loại nguyên liệu	Mật độ quang (OD tại 360 nm)	Điểm cảm quan màu sắc (Thang 9)
Lá sau sau non	0,98 ± 0,05	8,05 ± 0,35
Lá sau sau già	0,70 ± 0,02	7,02 ± 0,22

Lá non cho dịch chiết có mật độ quang cao hơn và màu xôi đen đậm đồng đều. Lá già chứa hàm lượng cellulose cao, cấu trúc màng tế bào bền vững cản trở quá trình khuếch tán dung môi, đồng thời sự biến đổi tỷ lệ sắc tố làm dịch chiết ngả sang tông nâu đen.

Đóng góp của đề tài

• Hệ thống hóa và xác thực khoa học kinh nghiệm dân gian của đồng bào vùng cao trong việc ứng dụng thực vật nhuộm màu đen an toàn.
• Chứng minh tính ưu việt của lá sau sau (Liquidambar formosana) so với các nguồn thực vật khác trong việc tạo chất màu đen tan trong nước dùng cho chế biến thực phẩm.
• Bước đầu thiết lập được các thông số kỹ thuật thực nghiệm phục vụ việc chiết tách chất màu tự nhiên bằng dung môi nước thân thiện môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Các thí nghiệm mới chỉ được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm với lượng mẫu nhỏ (50g nguyên liệu/mẻ), chưa kiểm chứng tính ổn định ở quy mô pilot hoặc sản xuất thử nghiệm.
• Cơ chế tạo màu đen mới được suy luận qua phân tích phổ hấp thụ UV-Vis và đối chiếu tài liệu lý thuyết, chưa tiến hành phân lập, tinh sạch và xác định cấu trúc phân tử chính xác của phức chất màu tạo thành.
• Nghiên cứu chưa hoàn thiện các chỉ tiêu đánh giá độ bền màu chi tiết của dịch chiết theo thời gian bảo quản dưới các tác nhân pH, ánh sáng và nhiệt độ bảo quản công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nghiên cứu công nghệ bảo quản, sấy khô nguyên liệu lá sau sau (sấy thăng hoa, sấy lạnh) nhằm chủ động nguồn nguyên liệu quanh năm, khắc phục tính mùa vụ của lá non.
• Khảo sát các biện pháp cô đặc, sấy phun tạo chế phẩm bột màu đen thương phẩm.
• Đánh giá toàn diện các chỉ tiêu độc học, độ an toàn vi sinh và khả năng ứng dụng thử nghiệm trên đa dạng các nền thực phẩm khác nhau (bánh kẹo, đồ uống, mứt).

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm, Công nghệ sinh học, Hóa học các hợp chất thiên nhiên và Nông lâm nghiệp khi tiếp cận đề tài về trích ly hoạt chất sinh học tự nhiên và phụ gia thực phẩm.
• Cán bộ nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D): Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về phổ hấp thụ UV-Vis, phương pháp trích ly bằng dung môi nước an toàn và ứng dụng mô hình Box - Behnken trong tối ưu hóa điều kiện công nghệ.
• Các nhà nghiên cứu văn hóa - thực vật học dân tộc: Cung cấp danh mục tổng hợp 12 loài cây nhuộm màu đen thực phẩm cùng tri thức chế biến truyền thống của đồng bào thiểu số vùng Đông Bắc Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao lá sau sau lại được lựa chọn là nguyên liệu tối ưu nhất để chiết chất màu đen?

Lá sau sau (Liquidambar formosana) được lựa chọn vì dịch chiết lạnh bằng dung môi nước cho điểm cảm quan cao nhất (đạt 8,36/9 điểm), xôi sau nhuộm có màu đen bóng, đều màu, mùi thơm nhẹ dễ chịu, vị chua rất nhẹ không lấn át mùi vị của thực phẩm. Hơn nữa, cây sau sau phân bố rộng rãi tại vùng núi phía Bắc, không chứa độc tính và có khả năng ức chế vi sinh vật giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm.

2. Dung môi nào cho hiệu quả chiết tách chất màu từ lá sau sau tốt nhất và vì sao?

Dung môi nước cho hiệu quả chiết tách vượt trội so với các dung môi hữu cơ như ethanol 50% (5,96 điểm) và methanol 50% (5,83 điểm). Do chất tạo màu và các hợp chất polyphenol, anthocyanin trong lá sau sau có tính phân cực mạnh nên hòa tan rất tốt trong nước. Việc dùng nước vừa tiết kiệm chi phí, an toàn tuyệt đối, vừa không đòi hỏi công đoạn tách loại dung môi phức tạp.

3. Phổ quang phổ UV-Vis của dịch chiết lá sau sau thể hiện những đặc điểm gì?

Dịch chiết lá sau sau có bước sóng hấp thụ cực đại tại $\lambda_{\max} = 360\text{ nm}$. Đồng thời, phổ hấp thụ xuất hiện 3 đỉnh phụ tại 450 nm (vùng màu lam), 540 nm (vùng màu lục) và 600 nm (vùng màu đỏ cam). Khi phối hợp cả ba dải màu này theo tỷ lệ tự nhiên kết hợp với phản ứng oxy hóa ngưng tụ tannin khi gia nhiệt, ánh sáng khả kiến bị hấp thụ hoàn toàn và tạo ra cảm nhận màu đen.

4. Tại sao lá sau sau non lại cho hiệu quả chiết tách tốt hơn lá già?

Thực nghiệm cho thấy dịch chiết từ lá non đạt mật độ quang OD 0,98 và điểm cảm quan 8,05, cao hơn rõ rệt so với lá già (OD 0,70 và cảm quan 7,02). Nguyên nhân do lá non có hàm lượng tannin và sắc tố hoạt động cao, mô tế bào mềm giúp dung môi dễ thẩm thấu; trong khi lá già tích lũy nhiều cellulose làm giảm khả năng khuếch tán và tỷ lệ các sắc tố bị thay đổi khiến màu dịch chiết chuyển dần sang nâu đen.

5. Mô hình quy hoạch thực nghiệm nào đã được sử dụng để tối ưu hóa quá trình chiết?

Đề tài sử dụng mô hình thiết kế Box - Behnken (thuộc phương pháp bề mặt đáp ứng RSM) với 3 yếu tố và 3 cấp độ khảo sát: thời gian chiết ($X_1$: 4 - 6 giờ), nhiệt độ chiết ($X_2$: 40 - 50°C) và tỷ lệ nguyên liệu/dung môi ($X_3$: 2:16 - 4:16 g/ml), được xử lý và phân tích hồi quy bằng phần mềm Design-Expert 7.1.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đinh Thị Sen đã kế thừa hiệu quả kiến thức bản địa của đồng bào miền núi phía Bắc để ứng dụng vào công nghệ chiết tách chất màu đen thực phẩm từ lá cây sau sau (Liquidambar formosana Hance). Nghiên cứu đã chứng minh dung môi nước ở điều kiện chiết lạnh thích hợp mang lại dịch màu tự nhiên đạt giá trị cảm quan cao (8,36 điểm), an toàn và có bước sóng hấp thụ đặc trưng tại 360 nm. Các kết quả thực nghiệm và thông số tối ưu hóa thu được là tiền đề kỹ thuật quan trọng để tiếp tục phát triển quy trình sản xuất phẩm màu đen tự nhiên ở quy mô công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Từ xa xưa, việc sử dụng thực phẩm không chỉ đơn giản là cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của con người mà con người còn biết cách phối hợp và sử dụng thực phẩm để phòng, trị bệnh và tăng cường sức khỏe. Khi xã hội phát triển các sản phẩm thực phẩm được công nghiệp hóa phục vụ nhu cầu sống ra đời đồng thời kèm theo vấn đề cần giải quyết khi lợi nhuận là đích của mọi nhà sản xuất. Đối với sản phẩm thực phẩm trước khi tính đến giá trị dinh dưỡng người tiêu dùng, khi mua hàng luôn quan tâm đến giá trị cảm quan đầu tiên “ sắc, hương, vị, mỹ” cái đầu tiên lọt vào mắt chính là màu sắc thực phẩm. Vừa tạo màu đẹp hấp dẫn vừa có khả năng che dấu khuyết điểm thậm chí cả sự hư hỏng sản phẩm, tính kinh tế cao, chất màu tổng là lựa chọn đầu tiên của các nhà sản xuất.

Việc lạm dụng màu tổng hợp đang là vấn đề nóng bỏng, bởi tác hại của việc dùng quá liều lượng cho phép và sử dụng chất màu không được phép sử dụng cho các sản phẩm thực phẩm. Giải pháp cho vấn đề này chính là sử dụng màu được tổng hợp từ các hợp chất tự nhiên có tính an toàn cao. Nhuộm màu thực phẩm bằng thực vật là tri thức và kinh nghiệm truyền thống lâu đời của các dân tộc Việt Nam, nhất là các đồng bảo dân tộc thiểu số. Hơn thế với phong tục tập quán khác nhau, cư trú trên các vùng lãnh thổ có điều kiện tự nhiên riêng biệt, mỗi dân tộc có kinh nghiệm và tri thức độc đáo mang tính bản địa và văn hóa truyền thống.

Kinh nghiệm của các đồng bào dân tộc cho thấy thực vật nhuộm màu đen cho thực phẩm hay thực vật cho màu đen không những cho màu sắc đẹp mà còn có tác dụng phòng và trị các bệnh thường gặp như đau khớp, huyết áp cao, thiếu máu, cảm lạnh, hen….thực vật thường được sử dụng nhuộm màu đen cho thực phẩm như lá gai, trám đen, cẩm tím kết hợp tro bếp, nghệ đen… đặc biệt lá cây sau sau. Lá sau sau là loại thực vật được sử dụng làm món cơm xôi đen nổi tiếng ở vùng Đông Bắc vào dịp tết thanh minh,màu đen tạo từ lá cấy sau sau cho màu đen bóng, sáng, đều cường độ màu rất tốt. Ngoài tác dụng cho màu đẹp thực phẩm nhuộm màu đen từ lá cây sau sau có thể kéo dài thời gian bảo quản, theo kinh nghiệm dân gian xôi đen từ lá sau sau có thể bảo quản 3 ngày vẫn chưa có dấu hiệu hư hỏng ở điều kiện thường, lá sau sau còn được sử dụng như rau ăn. Lá sau sau dùng nhuộm màu đen còn có tác dụng phòng, trị sâu răng, đau răng, mề đay, mẩn ngứa, mọn nhọt, phong thấp, đau lưng đâu gối, thông huyết mạch, thanh nhiệt giải 1 n 2 độc… đặc biệt theo nhiều sách y học cổ truyền ghi rằng cây sau sau không chứa chất độc rất an toàn khi dùng làm thực phẩm.

Việc ứng dụng lá cây sau sau cũng như các thực vật nhuộm màu đen cho thực phẩm mới chỉ được áp dụng để làm xôi, một số loại bánh tại gia đình, hơn nữa thường chỉ dùng nguyên liệu tươi, việc sử dụng trong quy mô công nghiệp bị hạn chế rất nhiều. Trong khi nhu cầu về màu đen dùng cho thực phẩm rất lớn không chỉ trong thực phẩm mà còn trong ngành y học, mỹ phẩm. Các chất màu sử dụng để nhuộm màu đen hiện nay chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài, giá thành cao, khó chủ động trong sản xuất. Theo kết quả sơ bộ tìm kiếm các kiến thức bản địa về khả năng nhuộm màu đen cho thực phẩm từ thực vật, nhóm nghiên cứu nhận thấy việc nghiên cứu chiết tách chất màu đen từ thực vật là có khả thi.

Vì vậy, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài : “Ứng dụng kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen trong chiết tách chất màu sử dụng vào nhuộm màu thực phẩm”. Mục đích của đề tài Sử dụng kiến thức bản địa về nhuộm màu đen của đồng bào dân tộc thiểu số ở một số tỉnh miền núi phía Bắc để ứng dụng trong nghiên cứu chiết tách chất màu đen từ thực vật. Bước đầu xây dựng quy trình chiết tách chất nhuộm màu đen từ thực vật hướng đến sản xuất chất màu đen từ thực vật ở quy mô công nghiệp. Yêu cầu của đề tài Sưu tầm được kiến thức bản địa về cây nhuộm màu đen thực phẩm.

Nghiên cứu được các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen từ thực vật: Lựa chọn được nguyên liệu và dung môi cho quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen thực phẩm. Xác định được ảnh hưởng của nguyên liệu đến quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen từ thực vật. Xác định được ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu trên dung môi đến quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen từ thực vật. Xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen từ thực vật.

Xác định được ảnh hưởng của thời gian chiết đến quá trình chiết tách chất nhuộm màu đen từ thực vật. Xác định được ảnh hưởng của số lần chiết tách đến hiệu suất của quá trình chiết tách chất màu đen từ thực vật. Hoàn thiện được quy trình chiết tách chất màu đen từ thực vật ở quy mô phòng thí nghiệm 2 n 3 PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.

Chất màu trong thực phẩm 2.1 Khái niệm chất màu Chất màu thực phẩm là những chất có màu, được sử dụng làm phụ gia thực phẩm, được bổ sung vào trong thực phẩm nhằm tạo ra hoặc cải thiện màu sắc làm tăng tính hấp dẫn cho các sản phẩm thực phẩm.2 Vai trò của chất màu trong thực phẩm Chất màu không có ý nghĩa nhiều về mặt dinh dưỡng nhưng có ý nghĩa rất lớn về mặt cảm quan. Không những thế màu sắc còn có tác dụng sinh lý rõ rệt, màu sắc thích sẽ giúp cơ thể đồng hóa thực phẩm đó dễ dàng hơn. Do vậy trong sản xuất thực phẩm thì chất màu còn có những ý nghĩa quan trọng sau đây: - Giúp phục hồi lại màu sắc tự nhiên của sản phẩm, do chất màu tự nhiên dễ mất đi trong quá trình chế biến, bảo quản. - Gia tăng màu sắc đặc hiệu của thực phẩm có cường độ kém.

- Làm đồng nhất màu sắc của thực phẩm. - Tạo thực phẩm có màu sắc hấp dẫn hơn. - Xác định rõ hay nhấn mạnh cho người tiêu dùng chú ý đến màu tự nhiên ở rất nhiều thực phẩm. - Giúp người tiêu dùng xác định rõ được những thực phẩm đã được xác định theo thói quen tiêu dùng.3 Phân loại chất màu thực phẩm Theo nguồn gốc, cách điều chế chất màu thường được phân chia thành các loại sau: 2.

Chất màu tổng hợp Là các chất màu được tổng hợp từ các hợp chất hóa học khác nhau. Chất màu tổng hợp được nhà sản xuất ưu dùng do cho màu sắc đẹp, giá thành rẻ độ bền cao, lượng dùng ít có thể đạt yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên dùng không đúng quy định của bộ y tế có thể gây ra các bệnh nguy hiểm, mức độ an toàn thấp. - Không có độc tính, không gây ung thư - Sản phẩm chuyển hóa của chất màu không phải là những chất có độc tính - Tính đồng nhất cao 60% là màu nguyên chất phần còn lại là chất không độc.

3 n 4 - Chất màu tổng hợp không được chứa các chất sau: Crom, seleni,urani(các chất được xem là gây ung thư) một vài chất thuộc nhóm carbua hydro và đa vòng (các chất thường gây ung thư) thủy ngân, cadimi những chất độc. Ưu điểm nổi bật nhất của chất màu tổng hợp là độ bền màu, đa dạng về màu sắc và chủng loại (như: màu vàng, màu đỏ, màu xanh, màu đen.) rẻ, lượng sử dụng ít, có thể phối nhiều màu đa dạng. Nhược điểm là phần lớn các chất màu tổng hợp đều có thể gây ung thư và có tác động không tốt đối với con người nên khi sử dụng phải tuân theo sự chỉ dẫn trong tài liệu kỹ thuật. Điều này đã được các nhà khoa học chứng minh từ năm 1979.[33] Ứng dụng: Nhóm chất màu hữu cơ tổng hợp được sử dụng trong phạm vi tương đối hẹp, thường được sử dụng sản xuất bánh kẹo và sản xuất thứ nước uống không có rượu, sản xuất đồ hộp chủ yếu là đồ hộp rau quả.

*Một số nhóm chất màu tổng hợp thường dùng trong thực phẩm + Nhóm chất màu Quinolein vàng: thường được dùng nhiều trong sản xuất bánh kẹo, mứt, đồ uống, rượu, vỏ ngoài phomat, vỏ ngoài thịt chín, liều ăn vào chấp nhận được (ADI) 0 – 2,5 mg/kg thể trọng/ngày.[33] + Nhóm chất màu Amaranth đỏ: chất màu đỏ tổng hợp amaranth có kí hiệu quốc tế là E123 dùng trong chế biến tôm đóng hộp, cá muối, nước quả .liều ăn vào hàng ngày chấp nhận được(ADI) 0- 0,5 mg/kg thể trọng/ ngày. + Nhóm chất màu xanh: brillantblue FCF dùng trong dưa chuột dầm với mức quy định là 300mg/kg, có thể dùng một mình hay kết hợp với màu khác liều ăn vào hàng ngày chấp nhận được (ADI) 0- 0,5 mg/kg thể trọng/ ngày + Nhóm chất màu đen: màu đen sáng BN được kí hiệu E151 được dùng để trang trí thực phẩm.2 Chất màu tự nhiên Chất màu tự nhiên là các loại màu được chiết tách từ động vật, thực vật hay từ chất khoáng. Hợp chất màu này dễ bị phân hủy và mất đi trong quá trình chế biến thực phẩm. Chất màu tự nhiên có độ bền kém, màu dễ mất do các yếu tố: ánh sáng, nhiệt độ, CO2 nồng độ cao, emzym, acid, kiềm, oxy…Sử dụng với lượng lớn mới đáp ứng đủ yêu cầu sản xuất, giá thành cao.

Do có các thành phần khác chúng có mùi, vị gần 4 n 5 giống với nguyên liệu ban đầu dùng tách chiết chất màu. Đặc trưng của chất màu tự nhiên là có độ an toàn cao, không gây độc cho người sử dụng thực phẩm nên được ưa chuộng hơn. Các nhóm chất màu thường gặp trong thực vật bao gồm: + Chlorophylle diệp lục hay mà xanh lá cây + Carotenoidoids có trong lục lạp cho màu từ vàng đến đỏ + Flavonoit có trong không bào có màu đỏ, xanh, vàng Màu tự nhiên giúp các món ăn trở nên bắt mắt về mặt thẩm mỹ, ngoài ra nó còn là nguồn cung cấp các chất dinh dưỡng có lợi trong cơ thể, có tác dụng chống ôxy hóa, kháng viêm, hỗ trợ ngăn ngừa ung thư đường tiêu hóa đều có những thành phần tự nhiên có lợi cho sức khỏe.