Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để trích ly betalain từ vỏ thanh long hylocereus undatus

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Hằng
• Người hướng dẫn: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm và đồ uống
• Đề tài: Ứng Dụng Sóng Siêu Âm Trong Trích Ly Betalain Từ Vỏ Thanh Long Hylocereus Undatus
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 2: TONG QUAN
• 2.1. Chất màu Betalain
• 2.2. Cấu tạo hóa học
• 2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của betalain
• 2.4. Ứng dụng trong thực phẩm
• 2.5. Tổng quan về thanh long
• 2.6. Trích ly betalain từ vỏ thanh long
• 2.7. Những kỹ thuật trích ly mới
• 2.8. Điểm mới của đề tài
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Vỏ thanh long
• 3.2. Thiết bị siêu âm
• 3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3.4. Nội dung nghiên cứu
• 3.4.1. Khảo sát quá trình trích ly với hỗ trợ của sóng siêu âm
• 3.4.2. Tối ưu hóa thông số công nghệ của quá trình trích ly chất màu betalain có hỗ trợ của sóng siêu âm
• 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến độ bền chất màu betalain
• 3.6. Các phương pháp phân tích và xử lý số liệu
• 3.6.1. Các phương pháp phân tích
• 3.6.2. Phương pháp xử lý số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Khảo sát quá trình trích ly với hỗ trợ của sóng siêu âm
• 4.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi: nguyên liệu
• 4.1.2. Ảnh hưởng của công suất sóng siêu âm
• 4.1.3. Ảnh hưởng của pH
• 4.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 4.1.5. Ảnh hưởng của thời gian
• 4.2. Tối ưu hóa thông số công nghệ của quá trình trích ly chất màu betalain có hỗ trợ của sóng siêu âm
• 4.2.1. Thí nghiệm khảo sát các yếu tố
• 4.2.2. Tối ưu hóa công suất sóng siêu âm và thời gian xử lý của quá trình trích ly bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến độ bền của chất màu betalain
• 4.3. Hàm lượng betalain
• 4.4. Hàm lượng phenolic tổng
• 4.5. Hoạt tính chống oxy hóa
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng sóng siêu âm để hỗ trợ quá trình trích ly betalain từ vỏ thanh long (Hylocereus undatus). Betalain là một chất màu tự nhiên, được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm nhờ vào khả năng tạo màu và đặc tính chống oxy hóa. Vỏ thanh long, một phụ phẩm trong chế biến thực phẩm, có tiềm năng lớn trong việc cung cấp betalain. Việc áp dụng công nghệ sóng siêu âm trong quá trình trích ly giúp cải thiện hiệu suất thu hồi chất màu, từ đó tăng giá trị kinh tế cho sản phẩm. Theo nghiên cứu, tác dụng của betalain không chỉ dừng lại ở việc tạo màu mà còn có lợi ích cho sức khỏe, như khả năng chống oxy hóa.

1.1 Lý do chọn đề tài

Sự gia tăng nhu cầu sử dụng hợp chất tự nhiên trong thực phẩm đã dẫn đến việc tìm kiếm các nguồn nguyên liệu mới. Vỏ thanh long, một nguồn nguyên liệu phong phú, thường bị bỏ đi, có thể trở thành nguồn cung cấp betalain giá trị. Việc sử dụng sóng siêu âm không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu suất thu hồi. Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa quy trình chiết xuất để nâng cao hiệu quả thu hồi betalain từ vỏ thanh long, góp phần giảm thiểu lãng phí trong ngành thực phẩm.

II. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của betalain

Betalain là một trong những nhóm chất màu tự nhiên được nghiên cứu nhiều nhất trong thời gian gần đây. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng betalain không chỉ có khả năng tạo màu mà còn có hoạt tính sinh học đáng kể, bao gồm khả năng chống oxy hóa và chống viêm. Sự quan tâm đến việc sử dụng betalain trong thực phẩm ngày càng tăng, đặc biệt là trong bối cảnh người tiêu dùng ngày càng chú trọng đến các sản phẩm tự nhiên và an toàn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng betalain có thể được trích ly từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng vỏ thanh long vẫn là một nguồn tiềm năng chưa được khai thác triệt để.

2.1 Ứng dụng trong thực phẩm

Việc sử dụng betalain trong ngành thực phẩm không chỉ giúp tạo màu mà còn mang lại lợi ích sức khỏe cho người tiêu dùng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng betalain có thể cải thiện sức khỏe tim mạch, tăng cường hệ miễn dịch và có tác dụng chống ung thư. Do đó, việc khai thác betalain từ vỏ thanh long không chỉ có lợi về mặt kinh tế mà còn góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng cho thực phẩm. Các sản phẩm thực phẩm có chứa betalain đang ngày càng được ưa chuộng, từ nước ép, thực phẩm bổ sung đến các loại bánh kẹo tự nhiên.

III. Quy trình chiết xuất và tối ưu hóa

Quy trình trích ly betalain từ vỏ thanh long bằng sóng siêu âm bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, xác định tỷ lệ dung môi, và tối ưu hóa các thông số như công suất sóng siêu âm, pH, nhiệt độ và thời gian chiết xuất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ dung môi và nguyên liệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi betalain. Các thí nghiệm cho thấy rằng công suất sóng siêu âm 50 W/g nguyên liệu khô, pH 5, nhiệt độ 50°C và thời gian chiết xuất 4 phút là điều kiện tối ưu cho việc thu hồi betalain với hàm lượng cao.

3.1 Các phương pháp trích ly

Các phương pháp trích ly truyền thống thường gặp khó khăn trong việc thu hồi tối đa betalain do sự hiện diện của các chất nhầy trong vỏ thanh long. Việc áp dụng công nghệ sóng siêu âm đã giúp phá vỡ cấu trúc tế bào, từ đó giải phóng betalain dễ dàng hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng sóng siêu âm không chỉ tăng hiệu suất thu hồi mà còn giảm thời gian chiết xuất, làm cho quy trình trở nên hiệu quả hơn. Sự kết hợp giữa sóng siêu âm và các phương pháp chiết xuất khác như enzyme có thể nâng cao hơn nữa hiệu suất thu hồi.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu về việc sử dụng sóng siêu âm trong trích ly betalain từ vỏ thanh long đã chỉ ra rằng đây là một phương pháp hiệu quả, giúp nâng cao hiệu suất thu hồi chất màu tự nhiên. Việc tận dụng vỏ thanh long không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm thiểu chất thải. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo là nên mở rộng quy mô sản xuất và thử nghiệm với các loại nguyên liệu khác để tìm ra những điều kiện tối ưu nhất cho việc trích ly betalain. Điều này không chỉ có lợi cho ngành thực phẩm mà còn cho sức khỏe cộng đồng.

4.1 Hướng nghiên cứu tiếp theo

Để phát triển hơn nữa ứng dụng của betalain, cần có thêm các nghiên cứu về khả năng kết hợp giữa sóng siêu âm và các phương pháp chiết xuất hiện đại khác. Việc nghiên cứu các điều kiện chiết xuất khác nhau từ các nguồn nguyên liệu phong phú sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của betalain trong thực phẩm và dược phẩm. Bên cạnh đó, việc đánh giá tác động của betalain đến sức khỏe con người cũng cần được chú trọng để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả khi sử dụng trong thực phẩm.

Tổng quan nghiên cứu

Betalain là một nhóm chất màu tự nhiên có giá trị cao trong ngành công nghệ thực phẩm nhờ khả năng tạo màu đỏ tím và vàng cam, đồng thời sở hữu hoạt tính chống oxy hóa mạnh mẽ. Việt Nam là một trong những quốc gia sản xuất thanh long lớn, trong đó vỏ thanh long (Hylocereus undatus) chiếm khoảng 22% khối lượng quả và chứa hàm lượng betalain đáng kể. Tuy nhiên, hiệu suất trích ly betalain từ vỏ thanh long hiện còn thấp do hàm lượng chất nhầy cao gây cản trở quá trình chiết xuất. Nghiên cứu này nhằm sử dụng sóng siêu âm kết hợp enzyme pectinase để cải thiện hiệu quả trích ly betalain từ vỏ thanh long, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như tỷ lệ dung môi: nguyên liệu, công suất sóng siêu âm, pH dung môi, nhiệt độ và thời gian xử lý đến hàm lượng betalain, phenolic tổng và hoạt tính chống oxy hóa của dịch trích. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Tp. Hồ Chí Minh trong năm 2013, với mục tiêu tối ưu hóa quy trình trích ly nhằm nâng cao hiệu suất thu nhận betalain, góp phần tận dụng phụ phẩm vỏ thanh long, giảm ô nhiễm môi trường và gia tăng giá trị kinh tế cho ngành chế biến thanh long. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển nguyên liệu màu tự nhiên thay thế chất màu tổng hợp trong thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về betalain – nhóm chất màu chứa nitơ, gồm betacyanin (màu đỏ tím) và betaxanthin (màu vàng cam), có cấu trúc hóa học đặc trưng liên hợp giữa betalamic acid và cyclo-DOPA hoặc amino acid. Betalain có độ bền màu tốt trong khoảng pH 3-7, chịu nhiệt độ đến 50°C, và có khả năng chống oxy hóa cao nhờ nhóm phenol trong phân tử. Ngoài ra, enzyme pectinase được sử dụng để phá vỡ cấu trúc polysaccharide trong vỏ thanh long, giải phóng betalain và phenolic liên kết với thành tế bào. Sóng siêu âm với tần số 20 kHz tạo ra hiện tượng cavitation, làm tăng sự khuếch tán và phá vỡ cấu trúc nguyên liệu, từ đó nâng cao hiệu suất trích ly. Các khái niệm chính bao gồm: betalain, phenolic tổng, hoạt tính chống oxy hóa (đo bằng phương pháp DPPH), và độ nhớt tương đối của dịch trích.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu là vỏ thanh long thu nhận từ công ty TNHH Rồng Xanh, Bình Thuận, được xử lý sơ bộ bằng nước nóng 85°C trong 3 phút để ức chế phản ứng hóa nâu, sau đó nghiền mịn và bảo quản ở -18°C. Enzyme pectinase (Pectinex) với hoạt tính chính polygalacturonase được sử dụng ở nồng độ 0.3% (w/v), ủ ở 50°C trong 60 phút. Thiết bị siêu âm VC 750 (20 kHz, công suất tối đa 750 W) được áp dụng để xử lý mẫu. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi: nguyên liệu (15:1 đến 35:1 w/w), công suất sóng siêu âm (0-125 W/g chất khô), pH dung môi (3-7), nhiệt độ (30-70°C) và thời gian xử lý (0-5 phút) được thực hiện theo mô hình Plackett-Burman để sàng lọc yếu tố quan trọng, sau đó tối ưu hóa hai yếu tố chính bằng quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp hai có tâm xoay với phần mềm Modde 5.0. Các chỉ tiêu phân tích gồm hàm lượng betalain (đo quang phổ UV-Vis tại 538 nm), phenolic tổng (phương pháp Folin-Ciocalteu, chuẩn acid gallic), hoạt tính chống oxy hóa (phương pháp DPPH, chuẩn Trolox) và độ nhớt tương đối (nhớt kế Ostwald). Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần, kết quả xử lý thống kê bằng ANOVA với mức ý nghĩa p<0.05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi: nguyên liệu
   Hàm lượng betalain tăng từ khoảng 4.0 mg/100g nguyên liệu tươi ở tỷ lệ 15:1 lên 8.11 mg/100g ở tỷ lệ 30:1 (w/w), sau đó không tăng đáng kể ở 35:1. Phenolic tổng cũng tăng từ 37.0 mg GAE/100g lên 52.56 mg GAE/100g nguyên liệu tươi khi tỷ lệ dung môi tăng đến 30:1. Hoạt tính chống oxy hóa tăng từ 19.27 mM TE/g chất khô lên 40.04 mM TE/g chất khô tương ứng. Độ nhớt tương đối giảm dần khi tăng tỷ lệ dung môi do pha loãng các hợp chất hòa tan.

2. Ảnh hưởng của công suất sóng siêu âm
   Hàm lượng betalain và phenolic tổng tăng khi công suất sóng siêu âm tăng từ 0 đến 75 W/g chất khô, đạt cực đại lần lượt 8.24 mg/100g và tăng 45% so với mẫu đối chứng. Hoạt tính chống oxy hóa cũng tăng từ 34.0 lên 42.0 mM TE/g chất khô. Công suất vượt quá 75 W/g làm giảm các chỉ tiêu này do sự hình thành gốc tự do phá hủy betalain. Độ nhớt giảm 64% khi xử lý sóng siêu âm kết hợp enzyme, do phá vỡ pectin và polysaccharide.

3. Ảnh hưởng của pH dung môi
   Hàm lượng betalain cao nhất ở pH 4 (8.25 mg/100g) và pH 5, giảm đáng kể ở pH 3 và 7 do biến đổi cấu trúc betalain. Phenolic tổng ổn định ở pH 4-6, giảm xuống 42.46 mg GAE/100g ở pH 7. Hoạt tính chống oxy hóa đạt đỉnh ở pH 4-5 (36.57 mM TE/g chất khô). Độ nhớt cao nhất ở pH 3 do pectin ổn định hơn.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý
   Nhiệt độ tối ưu là 50°C, khi đó betalain, phenolic tổng và hoạt tính chống oxy hóa đạt giá trị cao nhất (betalain ~8.0 mg/100g, phenolic ~52.5 mg GAE/100g, hoạt tính ~37.26 mM TE/g). Nhiệt độ trên 50°C làm giảm các chỉ tiêu do phân hủy betalain. Thời gian xử lý tối ưu là 4 phút, kéo dài hơn làm giảm hàm lượng betalain và phenolic do gốc tự do tăng lên.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sóng siêu âm kết hợp enzyme pectinase hiệu quả trong việc phá vỡ cấu trúc tế bào vỏ thanh long, tăng khả năng khuếch tán và giải phóng betalain cùng các hợp chất phenolic. Tỷ lệ dung môi: nguyên liệu 30:1 đảm bảo đủ thể tích dung môi để hòa tan betalain mà không gây lãng phí. Công suất sóng siêu âm 50-75 W/g là ngưỡng tối ưu, vượt quá sẽ tạo gốc tự do làm giảm chất lượng dịch trích. pH 4-5 phù hợp với độ bền betalain, đồng thời duy trì hoạt tính chống oxy hóa cao. Nhiệt độ và thời gian xử lý vừa phải giúp cân bằng giữa hiệu suất trích ly và bảo toàn cấu trúc betalain. Các kết quả tương đồng với nghiên cứu trên nguyên liệu thực vật khác như vỏ lựu, vỏ quýt, củ cải đường, khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của kỹ thuật sóng siêu âm trong trích ly hợp chất sinh học. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hàm lượng betalain, phenolic và hoạt tính chống oxy hóa theo từng yếu tố công nghệ để minh họa rõ ràng xu hướng và điểm tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình trích ly betalain từ vỏ thanh long với tỷ lệ dung môi: nguyên liệu 30:1 (w/w), công suất sóng siêu âm 50 W/g chất khô, pH dung môi 5, nhiệt độ 50°C và thời gian 4 phút nhằm tối ưu hiệu suất thu nhận betalain và hoạt tính chống oxy hóa. Thời gian thực hiện: ngay trong quy trình chế biến thanh long.

2. Sử dụng enzyme pectinase kết hợp sóng siêu âm để phá vỡ cấu trúc polysaccharide trong vỏ thanh long, giúp tăng hàm lượng betalain và phenolic tổng, đồng thời giảm độ nhớt dịch trích, thuận lợi cho các bước tinh chế tiếp theo. Chủ thể thực hiện: nhà máy chế biến thực phẩm.

3. Đầu tư thiết bị sóng siêu âm công suất phù hợp (khoảng 50 W/g chất khô) và kiểm soát pH dung môi trong khoảng 4-5 để đảm bảo độ bền màu và chất lượng dịch trích. Thời gian triển khai: 6-12 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng betalain thu nhận từ vỏ thanh long trong sản xuất thực phẩm chức năng, phụ gia màu tự nhiên, góp phần nâng cao giá trị gia tăng cho phụ phẩm nông nghiệp và giảm ô nhiễm môi trường. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp thực phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Nắm bắt kỹ thuật trích ly betalain bằng sóng siêu âm kết hợp enzyme, áp dụng trong nghiên cứu phát triển nguyên liệu màu tự nhiên.

2. Doanh nghiệp chế biến thanh long và thực phẩm chức năng: Tận dụng phụ phẩm vỏ thanh long để sản xuất nguyên liệu betalain chất lượng cao, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm.

3. Chuyên gia phát triển sản phẩm thực phẩm và đồ uống: Áp dụng betalain tự nhiên làm chất tạo màu an toàn, tăng cường hoạt tính chống oxy hóa cho sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm: Định hướng phát triển công nghệ xanh, bền vững, thúc đẩy sử dụng phụ phẩm nông nghiệp hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Sóng siêu âm giúp gì trong quá trình trích ly betalain?
   Sóng siêu âm tạo ra hiện tượng cavitation, phá vỡ cấu trúc tế bào, tăng sự khuếch tán và truyền khối giữa dung môi và nguyên liệu, từ đó nâng cao hiệu suất trích ly betalain và phenolic.

2. Tại sao cần kết hợp enzyme pectinase với sóng siêu âm?
   Enzyme pectinase phân hủy pectin trong thành tế bào, làm giảm độ nhớt dịch trích và giải phóng betalain liên kết, kết hợp với sóng siêu âm giúp tăng hiệu quả trích ly hơn so với dùng riêng lẻ.

3. Ảnh hưởng của pH đến độ bền betalain như thế nào?
   Betalain bền nhất trong khoảng pH 3-7, đặc biệt ở pH 4-5. pH quá thấp hoặc quá cao làm biến đổi cấu trúc betalain, giảm hàm lượng và hoạt tính chống oxy hóa.

4. Nhiệt độ và thời gian xử lý ảnh hưởng ra sao đến chất lượng dịch trích?
   Nhiệt độ tối ưu khoảng 50°C và thời gian 4 phút giúp cân bằng giữa hiệu suất trích ly và bảo toàn betalain. Nhiệt độ cao hoặc thời gian dài làm phân hủy betalain và giảm hoạt tính chống oxy hóa.

5. Betalain từ vỏ thanh long có thể ứng dụng trong ngành thực phẩm như thế nào?
   Betalain có thể dùng làm chất tạo màu tự nhiên cho bánh kẹo, sữa, sản phẩm thịt và thực phẩm chức năng, thay thế chất màu tổng hợp, đồng thời tăng cường hoạt tính chống oxy hóa cho sản phẩm.

Kết luận

• Sử dụng sóng siêu âm kết hợp enzyme pectinase hiệu quả trong trích ly betalain từ vỏ thanh long, nâng cao hàm lượng betalain lên đến 8.11 mg/100g nguyên liệu tươi.
• Các yếu tố công nghệ tối ưu gồm tỷ lệ dung môi: nguyên liệu 30:1 (w/w), công suất sóng siêu âm 50 W/g chất khô, pH dung môi 5, nhiệt độ 50°C và thời gian 4 phút.
• Betalain bền nhất ở pH 5-6 và nhiệt độ 60°C trong quá trình bảo quản, phenolic tổng và hoạt tính chống oxy hóa ổn định nhất ở pH 3.
• Quy trình trích ly này góp phần tận dụng phụ phẩm vỏ thanh long, giảm ô nhiễm môi trường và gia tăng giá trị kinh tế cho ngành chế biến.
• Khuyến nghị triển khai ứng dụng quy trình trong sản xuất thực phẩm và nghiên cứu mở rộng các ứng dụng betalain tự nhiên.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình tối ưu trong quy mô pilot, đánh giá tính khả thi công nghiệp và phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng chứa betalain từ vỏ thanh long.