Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gama-aminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.

Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gamaaminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH

NGUYỄN VIỆT TẤN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHÈ ĐEN GIÀU GAMA AMINOBUTYRIC ACID BẰNG KỸ THUẬT LÊN MEN TỪ MỘT SỐ GIỐNG CHÈ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 10/2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH

NGUYỄN VIỆT TẤN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHÈ ĐEN GIÀU GAMA AMINOBUTYRIC ACID BẰNG KỸ THUẬT LÊN MEN TỪ MỘT SỐ GIỐNG CHÈ VIỆT NAM

Chuyên ngành: Công nghệ sau thu hoạch

Mã số: 9540104

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS NGUYỄN DUY THỊNH

2 PGS.TS NGUYỄN DUY LÂM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự

hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Duy Thịnh và PGS.TS Nguyễn Duy Lâm Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được

công bố trước đó ở bất kỳ nơi nào

Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án

1 PGS.TS Nguyễn Duy Thịnh Nguyễn Việt Tấn

2 PGS.TS Nguyễn Duy Lâm

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành nghiên cứu và viết luận án này, trước hết tôi xin chân thành

cảm ơn PGS.TS Nguyễn Duy Thịnh và PGS.TS Nguyễn Duy Lâm, những người thầy

tâm huyết đã có những định hướng và hướng dẫn rất có giá trị khoa học cho nghiên

cứu sinh

Tôi cũng chân thành cảm ơn Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu

hoạch, Phòng Nghiên cứu Công nghệ bảo quản nông sản thực phẩm, Phòng Khoa học

và Hợp tác quốc tế trực thuộc Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch,

và Trường Cao đẳng công nghiệp thực phẩm, Bộ Công Thương

đã tạo điều kiện cho tôi tiến hành nghiên cứu, học tập và hoàn thành luận án

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả người thân, đồng nghiệp và những người bạn

đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, tháng 10 năm 2022

Nguyễn Việt Tấn

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt viii

Danh mục các bảng xii

Danh mục các hình xv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7

1.1 Tổng quan về cây chè, thành phần, hoạt tính sinh học và sản phẩm 7

1.1.1 Giới thiệu chung về cây chè 7

1.1.2 Thành phần hóa học của chè tươi 8

1.1.3 Hoạt tính sinh học và tác dụng của chè đối với sức khỏe 11

1.1.4 Các sản phẩm chè và sự khác biệt về công nghệ và tính chất 13

1.2 Tổng quan về gama-aminobutyric axit (GABA) 15

1.2.1 Giới thiệu chung về GABA 15

1.2.2 Hóa học, phân bố trong tự nhiên và sự chuyển hóa của GABA 16

1.2.3 Vai trò và ứng dụng của GABA 18

1.2.4 Sản xuất và sản phẩm GABA thương mại 21

1.2.5 Tình trạng pháp lý của GABA và liều lượng sử dụng 22

1.3 Chế biến chè giàu GABA bằng lên men vi sinh vật 24

1.3.1 Thực phẩm giàu GABA bằng lên men vi sinh vật 24

1.3.2 Chè lên men bằng vi sinh vật 27

1.3.3 Chè giàu GABA bằng lên men vi sinh vật 30

1.4 Chế biến chè giàu GABA bằng lên men yếm khí 32

1.4.1 Sự chuyển hóa GABA trong thực vật và trong lá chè 32

1.4.2 Công nghệ lên men yếm khí và đặc điểm chè giàu GABA 33

1.4.3 Lợi ích của chè giàu GABA 37

1.5 Một số nghiên cứu thực phẩm và chè giàu GABA ở Việt Nam 38

1.5.1 Thực phẩm giàu GABA bằng lên men vi sinh vật 38

1.5.2 Thực phẩm giàu GABA từ hạt nảy mầm 39

1.5.3 Chế biến chè lên men và chè giàu GABA ở Việt Nam 40

1.6 Kết luận từ tổng quan và giả thuyết nghiên cứu 41

1.6.1 Những kết luận rút ra từ tổng quan 41

1.6.2 Những định hướng và giả thuyết nghiên cứu của luận án 43

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.1 Nguyên vật liệu và thiết bị nghiên cứu 45

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 45

2.1.2 Hóa chất và môi trường nuôi cấy vi sinh vật 45

2.1.3 Thiết bị phân tích và thiết bị công nghệ 47

2.2 Kỹ thuật công nghệ để nghiên cứu chế biến chè 47

2.2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ để nghiên cứu lên men chè 47

2.2.2 Kỹ thuật làm héo, vò và sấy chè 47

2.2.3 Kỹ thuật tạo môi trường yếm khí 48

2.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 49

2.3.1 Các thí nghiệm lựa chọn chủng giống vi sinh vật và chè thích hợp 49

2.3.2 Các thí nghiệm xác định tác dụng của lên men yếm khí 51

2.3.3 Các thí nghiệm xác định tác dụng của lên men yếm khí kết hợp lên men bằng lactic 53

2.3.4 Các thử nghiệm hoàn thiện công nghệ và sản xuất quy mô pilot 53 2.3.5 Thí nghiệm bảo quản chè đen giàu GABA 53

2.4 Phương pháp phân tích 53

2.4.1 Phương pháp phân tích hàm lượng GABA 53

2.4.2 Phương pháp xác định enzym glutamate decarboxylase 55

2.4.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu chất lượng chè 55 2.5 Phương pháp xử lý số liệu 55 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57 3.1 Nghiên cứu lựa chọn vi khuẩn lactic và nguyên liệu chè thích hợp cho sản xuất chè giàu GABA bằng phương pháp lên men 57 3.1.1 Tuyển chọn chủng vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng hợp enzym glutamate decarboxylase cao 57 3.1.2 Thẩm định đặc điểm hình thái và phân loại 4 chủng vi khuẩn lactic 58 3.1.3 Thử nghiệm khả năng lên men tạo GABA trên lá chè 63 3.1.4 Xác định chế độ công nghệ sản xuất sinh khối vi khuẩn lactic để lên men chè giàu GABA 64 3.1.5 Tối ưu hóa quá trình nuôi cấy vi khuẩn lactic 72 3.1.6 Phân tích các chỉ số chất lượng một số giống chè ở Việt Nam 77 3.1.8 Tóm tắt kết quả và kết luận nội dung mục 3.1 83 3.2 Tác dụng của lên men yếm khí tới hiệu quả tích lũy GABA và chất lượng chè đen giàu GABA 83 3.2.1 Thăm dò khả năng tích lũy GABA do quá trình lên men yếm khí 83 3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng quá trình lên men yếm khí 84 3.2.3 Tối ưu hóa quá trình lên men yếm khí 86 3.2.4 So sánh chất lượng của chè đen lên men yếm khí với chè đen được sản xuất theo quy trình truyền thống 89 3.2.5 Tóm tắt kết quả và kết luận nội dung mục 3.2 90 3.3 Tác dụng của lên men yếm khí kết hợp lên men bằng vi khuẩn lactic tới hiệu quả tích lũy GABA và chất lượng chè đen giàu GABA 91

3.3.1 Xác định khoảng thay đổi có ý nghĩa công nghệ của các yếu tố ảnh

hưởng đến lên men yếm khí có sử dụng chế phẩm vi khuẩn lactic 91

3.3.2 Tối ưu hóa quá trình lên men yếm khí kết hợp lên men lactic 95

3.3.3 So sánh chất lượng chè đen bán thành phẩm từ 2 phương án lên men yếm khí không và có sử dụng chế phẩm vi khuẩn 97

3.3.4 Tối ưu hóa lên men yếm khí chè đen bằng phương pháp thang điểm có sử dụng hệ số quan trọng cho các chỉ tiêu chất lượng 99

3.3.5 Tóm tắt kết quả và kết luận nội dung mục 3.3 106

3.4 Thực nghiệm sản xuất chè giàu GABA quy mô Pilot 106

3.4.1 Sản xuất chè ở quy mô pilot 10 kg nguyên liệu/mẻ 106

3.4.2 Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất chè đen giàu GABA quy mô pilot 10 kg nguyên liệu/mẻ 111

3.4.3 Áp dụng quy trình đã hoàn thiện để sản xuất chè đen giàu GABA quy mô pilot với một số giống chè Việt Nam 119

3.4.4 Sự biến đổi chất lượng cảm quan của chè đen giàu GABA giống Phúc Vân Tiên và Kim Tuyên trong quá trình bảo quản 121

3.4.5 Tóm tắt kết quả và kết luận nội dung mục 3.4 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO CỦA LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

PHỤ LỤC 145

PHỤ LỤC 1 ĐỊNH DANH VÀ PHÂN LOẠI CHỦNG VI KHUẨN LACTIC 146

PHỤ LỤC 2 THU HỒI, LÀM KHÔ VÀ BẢO QUẢN SINH KHỐI CHỦNG GIỐNG 150

PHỤ LỤC 3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT SINH KHỐI CHỦNG GIỐNG VI KHUẨN 154

PHỤ LỤC 4 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM VÀ SẢN PHẨM 158

4-dehydrogenaza

CFSAN center for food safety and

applied nutrition

trung tâm an toàn thực phẩm và dinh dưỡng ứng

dụng CAS chemical abstract services dịch vụ tóm tắt hóa chất

CTC crushing tearing and curling -

black tea

chè đen công nghệ CTC

DPPH 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl

1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl

DSHEA dietary supplement health and

education act

đạo luật giáo dục và sức khỏe bổ sung chế độ dinh

dưỡng

EGC epigallocatechin epigallocatechin

EGCG epigallocatechin gallate epigallocatechin gallat EFSA european food safety authority cục an toàn thực phẩm

châu âu EMA european medicines agency cục quản lý thuốc châu âu

agency

cục bảo vệ môi trường Mỹ

nhận glutamat

SSF solid state fermentation lên men môi trường rắn HDL high-density lipoprotein lipoprotein tỷ trọng cao

chromatography

sắc kí lỏng hiệu năng cao

committee on food additives

ủy ban chuyên gia FAO/WHO hỗn hợp về

health products directorate

tổng cục quản lý các sản phẩm sức khỏe tự nhiên

Canada

polymeraza

phản ứng với các tín hiệu

sáng - tối

dehydrogenase

enzym succinic semialdehyd

dehydrogenaza TCA tricarboxylic acid cycle chu trình axit tricacboxylic

hay chu trình Krebs

TCVN tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam -

TGA therapeutic goods administration cục quản lý hàng hóa trị liệu

TSTBNM-M tổng số tế bào nấm mốc - men

TSVKHK tổng số vi khuẩn hiếu khí

TSVKYK tổng số vi khuẩn yếm khí

VTCC-B-439 Chủng vi khuẩn Lactobacillus plantarium VTCC-B-439

VTCC-B-411 Chủng vi khuẩn Lactobacillus casei VTCC-B-411

66 Chủng vi khuẩn Lactobacillus brevis 66

67 Chủng vi khuẩn Lactobacillus brevis 67

nuôi cấy chủng vi khuẩn VTCC-B-439 65 Bảng 3.4 Khả năng sinh trưởng và hàm lượng GABA trong 8 môi trường

nuôi cấy chủng vi khuẩn VTCC-B-411 khác nhau 66 Bảng 3.5 Mức độ sinh trưởng và pH môi trường sau nuôi cấy của hai chủng

nghiên cứu ở pH khác nhau 67 Bảng 3.6 Kết quả thực nghiệm theo ma trận 73 Bảng 3.7 Lược đồ tối ưu hóa thực nghiệm 76 Bảng 3.8 Hàm lượng GABA và các chỉ số cảm quan của các mẫu sản phẩm

chè lên men (*) 77 Bảng 3.9 Độ ẩm nguyên liệu các giống chè theo thời gian trong năm

(%) 78 Bảng 3.10 Hàm lượng chất hòa tan trong nguyên liệu của các giống chè

theo thời gian trong năm (% chất khô) 79 Bảng 3.11 Hàm lượng tanin trong nguyên liệu của các giống chè theo thời

gian trong năm (% chất khô) 79 Bảng 3.12 Hàm lượng tổng axit amin trong nguyên liệu của các giống chè

theo thời gian trong năm (%) 80 Bảng 3.13 Hàm lượng các axit amin thành phần trong nguyên liệu thu hoạch

vào tháng 6 của các giống chè (% chất khô) 80 Bảng 3.14 So sánh hàm lượng thành phần trong nguyên liệu của các giống

chè (% chất khô) 82

Bảng 3.15 Tiêu chuẩn chè nguyên liệu dùng cho sản xuất chè giàu

GABA 82 Bảng 3.16 Hàm lượng GABA và các chỉ số chất lượng của bán thành phẩm

chè đen lên men theo 2 phương án 84 Bảng 3.17 Ảnh hưởng nhiệt độ lên men yếm khí đến hàm lượng GABA 85 Bảng 3.18 Ảnh hưởng của thời gian lên men yếm khí đến hàm lượng GABA

trong chè 85 Bảng 3.19 Hàm lượng GABA và các chỉ số chất lượng cảm quan của các

mẫu thí nghiệm theo ma trận 87 Bảng 3.21 Hàm lượng GABA của 9 mẫu thí nghiệm kiểm định 88 Bảng 3.22 Các chỉ tiêu chất lượng của 2 mẫu chè lên men và kiểm

chứng 90 Bảng 3.23 Hàm lượng GABA trong chè đen giống Phúc Vân Tiên lên men

ở những thời gian và nhiệt độ khác nhau 95 Bảng 3.24 Hàm lượng GABA (mg/100g chè) theo ma trận khuyết 1/2 96 Bảng 3.25 Kết quả thực nghiệm theo ma trận tối ưu hóa 97 Bảng 3.26 Các chỉ số cảm quan của 2 mẫu chè có chế độ lên men yếm khí

có và không sử dụng chế phẩm vi khuẩn lactic 98 Bảng 3.27 Kết quả phân tích hàm lượng GABA (mg/100g) của 27 mẫu thí

nghiệm 102 Bảng 3.28 Kết quả phân tích các chỉ số cuối 12 mẫu 102 Bảng 3.29 Điểm tổng hợp của 3 chỉ tiêu chất lượng chè 105 Bảng 3.30 Các chỉ số chất lượng của chè đen sản xuất theo QT1, QT2 và

QT3 110 Bảng 3.31 Ảnh hưởng của thời gian héo đến sự biến đổi tính chất của lá

chè 113 Bảng 3.32 Ảnh hưởng của thời gian héo nhẹ đến chất lượng của chè GABA

bán thành phẩm 114

Bảng 3.34 Ảnh hưởng của thời gian lên men yếm khí đến các chỉ tiêu hóa

lý của chè đen giàu GABA 116 Bảng 3.35 Ảnh hưởng của thời gian lên men yếm khí đến các chỉ tiêu cảm

quan của chè đen GABA 118 Bảng 3.36 Các chỉ số cảm quan và hàm lượng GABA (mg/100g) của các

mẫu chè 120 Bảng 3.37 Sự biến đổi độ ẩm theo thời gian của các mẫu chè được bảo quản

trong bao bì túi chất dẻo PE (B1) 121 Bảng 3.38 Sự biến đổi độ ẩm theo thời gian của các mẫu chè được bảo

quản trong bao bì màng giấy (B2) 121 Bảng 3.39 Sự biến đổi độ ẩm theo thời gian của các mẫu chè được bảo

quản trong bao bì túi phức hợp hút chân không (B3) 122 Bảng 3.40 Sự biến đổi chất lượng cảm quan theo thời gian của các mẫu chè

được bảo quản trong bao bì túi chất dẻo PE (B1) 123 Bảng 3.41 Sự biến đổi chất lượng cảm quan theo thời gian của các mẫu chè

được bảo quản trong bao bì màng giấy (B2) 123 Bảng 3.42 Sự biến đổi chất lượng cảm quan theo thời gian của các mẫu chè

được bảo quản trong bao bì túi phức hợp (B3) 124

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Gamma‐aminobutyric axit (GABA, 4‐aminobutyric axit) 16 Hình 1.2 Chu trình chuyển hóa GABA (tổng hợp và phân giải) 17 Hình 1.3 Vai trò của GABA trong động vật, vi sinh vật và thực vật 18 Hình 1.4 Các quy trình cơ bản để sản xuất chè GABA bằng lên men yếm

khí 35 Hình 1.5 Sơ đồ khối quy trình công nghệ sản xuất chè đen GABA dự

kiến 44 Hình 2.1 Hai phương án lên men yếm khí sản xuất chè đen giàu GABA 48 Hình 3.1 Hình thái khuẩn lạc (bên trái) và hình thái tế bào (bên phải) của

chủng vi khuẩn lactic VTCC-B-439 (bar 5µm) 59 Hình 3.2 Hình ảnh khuẩn lạc (bên trái) và hình ảnh tế bào (bên phải) chủng

vi khuẩn lactic VTCC-B-411 (bar 5 µm) 59 Hình 3.3 Hình ảnh khuẩn lạc và hình ảnh tế bào (bên phải) của chủng vi

khuẩn lactic 66 (bar 5µm) 60 Hình 3.4 Hình ảnh khuẩn lạc (trái) và hình ảnh tế bào (phải) của chủng vi

khuẩn lactic 67 (bar 5µm) 60 Hình 3.5 Cây phát sinh chủng loại của 4 chủng nghiên cứu và một số loài

có quan hệ họ hàng gần thuộc chi Lactobacillus dựa vào trình tự rRNA 16S 62 Hình 3.6 Mức độ sinh trưởng của vi khuẩn lactic VTCC-B-439 và VTCC-

B-411 ở các nhiệt độ khác nhau 67 Hình 3.7 Mức độ sinh trưởng của hai chủng nghiên cứu VTCC-B-439 và

VTCC-B-411 ở các điều kiện cung cấp khí khác nhau 68 Hình 3.8 Mức độ sinh trưởng của 2 chủng nghiên cứu VTCC-B-439 và

VTCC-B-411 ở các tỷ lệ giống khác nhau 69

Hình 3.9 Mức độ sinh trưởng của hai chủng nghiên cứu VTCC-B-439 và

VTCC-B-411 trên các nguồn nitơ khác nhau 70 Hình 3.10 Mức độ sinh trưởng của hai chủng nghiên cứu VTCC-B-439 và

VTCC-B-411 trên các nguồn cacbon khác nhau 71 Hình 3.11 Mật độ tế bào của các chủng nghiên cứu nuôi cấy trên môi trường

có tỷ lệ glutamate khác nhau 71 Hình 3.12 Hàm lượng GABA ở chè lên men bởi vi khuẩn lactic với các tỷ

lệ giống khác nhau 93 Hình 3.13 Hàm lượng GABA ở chè lên men bởi vi khuẩn lactic với độ ẩm

lên men khác nhau 94 Hình 3.14 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất 3 loại chè đen 107 Hình 3.15 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất chè đen giàu GABA 117

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và sản xuất thực phẩm bảo vệ sức khỏe đã trở thành một lĩnh vực rất triển vọng và nhận được sự quan tâm đặc biệt từ nhiều doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu Nhiều hoạt chất sinh học

từ nguồn thực vật, động vật và vi sinh vật đã được tìm hiểu, khai thác để tạo ra các sản phẩm không chỉ có giá trị dinh dưỡng mà còn có tác dụng hỗ trợ phòng chống bệnh tật

Gama-Aminobutyric Axit (GABA) là một trong những hoạt chất sinh học nói trên Các nhà khoa học đã phát hiện được vai trò và chức năng sinh lý của chất này trong điều tiết các chức năng tim mạch và tuần hoàn mạch máu não,

ức chế dẫn truyền thần kinh, tăng cường trí nhớ, làm giảm các rối loạn tâm trạng và chống mất ngủ [14,22,23,30,39,107]

GABA tồn tại khá phổ biến trong tự nhiên kể cả thực vật, động vật và vi sinh vật, nhưng phong phú và đáng kể nhất là trong các thực phẩm lên men và trong một số loại cây trồng, bao gồm cả lá chè xanh [19,21,23,24,28,32] Cơ chế hình thành GABA trong thực vật và vi sinh vật lên men đã được phát hiện

và điều kiện môi trường là nguyên nhân làm cho sinh vật tăng cường sinh tổng hợp GABA [79,83,105] Đây chính là ý tưởng để nghiên cứu sản xuất ra các loại sản phẩm giàu GABA từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn thiếu ô xy trong quá trình ngâm hạt nảy mầm, lên men chìm vi sinh vật trong môi trường yếm khí

Mặc dù GABA đã được tổng hợp bằng con đường hóa học, nhưng có nhiều hạn chế đáng kể, cho nên những sản phẩm GABA thương mại trên Thế giới hiện nay chỉ là những sản phẩm của công nghệ lên men vi sinh vật sau khi được tinh chế để có độ tinh khiết cao [143] Các sản phẩm GABA thương mại phổ biến nhất chính là các thực phẩm và đồ uống giàu GABA được con người tạo

ra do tác dụng của enzym có mặt trong vi sinh vật lên men hay hệ enzym có sẵn trong nông sản thực phẩm [144]

Các sản phẩm chè như chè xanh, chè đen, chè ô long, v.v đều được chế

biến từ lá và búp của cây chè Camellia sinensis Cây chè được trồng ở nhiều

nước trong đó có Việt Nam và người Việt rất ưa chuộng thưởng thức chè Hiện nay Việt Nam chế biến và xuất khẩu chủ yếu là chè đen, trong khi ở trong nước người dân thích dùng chè xanh hơn Chè chứa nhiều hợp chất hóa học chẳng hạn catechin, alkaloid, polysaccharid, axit amin, vitamin, khoáng, tinh dầu Trong số đó, axit amin có vai trò đặc biệt quan trọng vì không những tạo ra hương vị của nước chè mà còn có rất nhiều lợi ích cho sức khỏe [1,5,9,17,22,23,34,35] GABA chính là một axit amin tự do 4 carbon được tìm thấy đáng kể trong lá chè tươi và tất cả các sản phẩm chè [107]

GABA được tạo ra bởi quá trình decarboxy hóa axit L-glutamic được xúc tác bởi enzym glutamate decarboxylase (GAD) Tất cả các loại chè đều có chứa GABA với hàm lượng khác nhau và thường ở mức cao hơn một số nông sản thực phẩm khác, nhưng GABA cao hơn nhiều ở sản phẩm gọi là chè GABA hay chè Gabaron [107,121,127] Sản phẩm này do Nhật Bản sản xuất bằng một

kỹ thuật đặc biệt là lên men lá chè tươi trong khí nitơ Sản phẩm chè này rất dễ uống như tất cả những sản phẩm chè truyền thống khác, rất có lợi cho sức khỏe

và hoàn toàn khôngcó tác dụng phụ [121]

Rất gần đây, các nhà khoa học chủ yếu ở Trung Quốc đã phát triển kỹ thuật tạo chè GABA bằng phương pháp lên men vi sinh vật Nếu như các chủng nấm

mốc Aspergillus là chủ đạo trong lên men sản xuất chè lên men Phổ Nhĩ thì các nhà khoa học Trung Quốc cho biết các chủng vi khuẩn Lactobacillus lên men

lactic có khả năng sinh trưởng, sinh tổng hợp GABA trên chè [92,93,94,100,106,141] Nhiều nghiên cứu sản xuất chè và nước chè giàu GABA theo hướng này với cơ chất bổ sung natri glutamat (SMG) đã được tiến

hành, tạo ra một xu hướng rất mới để làm tăng hàm lượng GABA trong chè [78,79,80,100]

Tại Việt Nam, trong thời gian qua đã có một số nghiên cứu và sản xuất thực phẩm giàu GABA như hạt nảy mầm, thực phẩm lên men giàu GABA [4,10,13,102] Nghiên cứu sản xuất chế phẩm GABA tinh khiết cao bằng phương pháp lên men cũng đã được tiến hành thăm dò [3] Tuy nhiên, các nghiên cứu và sản xuất chè lên men và chè giàu GABA còn rất hạn chế, nhất là nghiên cứu về chè giàu GABA [5,6] Nghiên cứu duy nhất do chính tác giả luận

án chủ trì cũng mang tính chất thăm dò và chủ yếu có kết quả về chủng giống

vi khuẩn và nguyên liệu chè [12]

Nhiệm vụ nghiên cứu sản xuất chè giàu GABA ở Việt Nam là vấn đề rất mới, còn nhiều lý luận và thực tiễn cần tìm tòi và thực hiện, nhưng sẽ có giá trị rất đáng kể vì khai thác được tiềm năng nguyên liệu, sở thích tiêu dùng, trong khi tạo ra được sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu ẩm thực và bảo vệ sức khỏe cộng đồng

Trên cơ sở những dẫn liệu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh đã xác định nhiệm vụ của luận án là “Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè đen giàu gama- aminobutyric axit (GABA) bằng kỹ thuật lên men từ một số giống chè Việt Nam”

2 Mục tiêu luận án

Xác định và thiết lập được một số thông số của quá trình cải tiến hệ thống chế biến chè đen Việt Nam thành chè đen giàu GABA, bao gồm các chủng

giống vi khuẩn Lactobacillus thúc đẩy sinh tổng hợp GABA, các giống chè

thích hợp, xác định và tối ưu hóa các thông số về qui trình lên men yếm khí có

và không có bổ sung vi khuẩn, sản xuất thử thành công ở quy mô thực nghiệm tạo chè đen giàu GABA có chất lượng cảm quan tốt và thương mại hóa được

3 Nội dung luận án

Để thực hiện được mục tiêu, đề tài luận án đã thực hiện những nội dung nghiên cứu sau:

- Tuyển chọn chủng vi khuẩn lactic phù hợp cho quá trình lên men yếm khí để sản xuất chè đen giàu GABA;

- Kiểm định hình thái, một số tính chất sinh lý, sinh hóa, và định danh chính xác, tối ưu hóa quá trình nuôi cấy chủng vi khuẩn lựa chọn được;

- Nghiên cứu lựa chọn giống chè Việt Nam phù hợp làm nguyên liệu cho sản xuất chè đen giàu GABA;

- Khảo sát khả năng tích lũy GABA trong chè đen khi bổ sung công đoạn lên men yếm khí (không bổ sung vi sinh vật);

- Khảo sát khả năng tích lũy GABA trong chè đen khi bổ sung công đoạn lên men yếm khí có bổ sung vi sinh vật lên men;

- Phân tích, so sánh, đánh giá chất lượng toàn diện sản phẩm chè đen giàu GABA;

- Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất thực nghiệm chè đen giàu GABA và xây dựng tiêu chuẩn cơ sở chè đen giàu GABA

4 Những đóng góp mới của luận án

a) Đề xuất đưa thêm công đoạn lên men yếm khí trong quy trình sản xuất chè đen truyền thống tạo ra các sản phẩm chè đen có hàm lượng GABA cao b) Lựa chọn và xác định được các thông số quan trọng để xây dựng quy trình sản xuất chè đen có GABA cao và chất lượng cảm quan tốt Cụ thể: (1)

Chọn được 2 chủng vi khuẩn Lactobcillus là L casei VTCC-B-411 và L

plantarum VTCC-B-439 có khả năng sinh tổng hợp GABA cao đưa vào quy

trình sản xuất chè đen; (2) Lựa chọn và đề xuất hai giống chè Phúc Vân Tiên

và Kim Tuyên làm nguyên liệu để sản xuất chè đen vừa cho GABA cao vừa có giá trị cảm quan tốt; (3) Từ khảo sát đơn yếu tố và tối ưu hóa đa yếu tố, đã xác định được các thông số thích hợp và tối ưu cho quá trình lên men kép (yếm khí + vi khuẩn lactic) Theo đó, tỷ lệ giống vi khuẩn 2,5%, độ ẩm chè vò 68%, nhiệt

độ lên men 27oC, thời gian lên men 11,5 h Trong điều kiện này, hàm lượng

GABA của sản phẩm đạt 275 mg/100g và các chỉ tiêu chất lượng ở mức hài hòa nhất

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

Những kết quả nghiên cứu trong luận án có thể tạo ra những đóng góp về mặt khoa học như sau:

a) Đã cung cấp những dẫn liệu khoa học về vai trò của lên men yếm khí

và vi sinh vật chi Lactobacillus trong sự tăng cường hàm lượng GABA trong

quá trình chế biến chè đen của Việt Nam Những dẫn liệu này là cơ sở khoa học cho việc đề xuất bổ sung hai công đoạn lên mên yếm khí và lên men yếm khí

có bổ sung vi khuẩn Lactobacillus trong quá trình chế biến chè, tạo chè đen

giàu GABA thành công

b) Đã cung cấp những thông số thích hợp và tối ưu cho quá trình lên men kép (yếm khí + vi khuẩn lactic) Theo đó, tỷ lệ giống vi khuẩn 2,5%, độ ẩm chè

vò 68%, nhiệt độ lên men 27oC, thời gian lên men 11,5 h Trong điều kiện này, hàm lượng GABA của sản phẩm đạt 275 mg/100g và các chỉ tiêu chất lượng ở mức hài hòa nhất có thể Những thông số này là những tài liệu khoa học quí phục vụ giảng dạy và nghiên cứu quy trình sản xuất chè đen giàu GABA có chất lượng cảm quan tốt

Ý nghĩa thực tiễn:

a) Đã xây dựng được quy trình công nghệ có tính khả thi cao, được hoàn thiện và kiểm định quy mô pilot để sản xuất chè giàu GABA bằng công nghệ lên men nhằm nâng cao giá trị gia tăng và đa dạng hóa sản phẩm từ một số giống chè Việt Nam;

b) Đã đưa ra được một số sản phẩm chè đen giàu GABA thích hợp như là một dạng thực phẩm bảo vệ sức khỏe có thể thương mại hoá;

c) Đã tạo ra quy trình công nghệ sản xuất chè đen giàu GABA quy mô pilot và bước đầu ứng dụng thực tiễn có kết quả quy trình công nghệ này tại Công ty CP Chè Sông Lô và Công ty CP Chè Tân Trào tại tỉnh Tuyên Quang

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 126 trang (không kể danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu tham khảo và phụ lục), 42 bảng số liệu, 15 hình Kết cấu của luận án gồm 8 phần chính: Mở đầu (6 trang), tổng quan tài liệu (38 trang), vật liệu và phương pháp nghiên cứu (12 trang), kết quả và thảo luận (68 trang), kết luận

và kiến nghị (2 trang), danh mục các công trình đã công bố của luận án (1 trang), danh mục tài liệu tham khảo (152 tài liệu) và phần phụ lục (4 phụ lục)

********

Chương 1:

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về cây chè, thành phần, hoạt tính sinh học và sản phẩm 1.1.1 Giới thiệu chung về cây chè

Cây chè xanh nằm trong hệ thống phân loại thực vật như sau: Phân giới thực vật - Tracheobionta; Liên ngành hạt - Spermatophyta; Ngành - Magnoliophyta; Lớp song tử diệp - Dicotyledonae - Magnoliopsida; Bộ chè Theales - Dilleniide; Họ chè - Theaceae; Chi chè - Camellia L (Thea); Loài - Camellia sinensis (L.) Kuntze (Tea, Wikipedia) Ngày nay, cây chè được trồng

ở nhiều nơi trên thế giới trong vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, trải dài từ 30 vĩ

độ nam đến 45 vĩ độ bắc, tập trung chủ yếu ở các nước Châu Á chiếm 80 - 90% tổng diện tích chè thế giới Trong đó nổi tiếng là Ấn Độ, Trung Quốc, Kenya,

Sri Lanka, Thổ Nhĩ Kỳ và Việt Nam (Theo: Tea, Wikipedia)

Dựa theo đặc điểm thực vật học, đặc điểm sinh hoá, nguồn gốc phát sinh mà

cây chè Camellia Sinensis (L.) Kuntze được chia thành thành 4 loại (Liu, 2005):

- Chè Trung Quốc lá to (Camellia sinensis var.Macrophylla):

- Chè Trung Quốc lá nhỏ (Camellia sinensis var.Bohea)

- Chè Shan (Camellia sinensis var.Shan)

- Chè Ấn Độ (Camellia sinensis var Assamica)

Tại Việt Nam, chè được trồng nhiều ở vùng Tây Bắc, vùng Việt Bắc - Hoàng Liên Sơn, vùng Trung du - Bắc bộ, vùng Bắc Trung bộ và Tây Nguyên Năm 2019, Việt Nam là nước có diện tích và sản lượng chè đứng thứ 5 và xuất khẩu chè lớn thứ 3 trên thế giới với 123.400 ha diện tích trồng và hơn 500 cơ

sở sản xuất chế biến, công suất đạt trên 500.000 tấn chè khô mỗi năm, sản lượng

1025,2 ngàn tấn (Tổng cục Thống kê, 2019)

1.1.2 Thành phần hóa học của chè tươi

1.1.2.1 Nước

Thành phần chủ yếu trong búp chè tươi là nước, cụ thể trong búp chè (1 tôm + 3 lá) hàm lượng nước thường có từ 75-82% Hàm lượng nước trong búp chè thay đổi tùy theo giống, tuổi cây, thổ nhưỡng, kỹ thuật canh tác, thời gian hái và tiêu chuẩn hái, v.v Nước trong nguyên liệu chè là môi trường xảy ra tương tác giữa các chất có trong nguyên liệu chè khi chế biến Nước tham gia trực tiếp vào nhiều phản ứng thủy phân, ô xy hóa khử Hàm lượng nước có quan hệ mật thiết đối với quá trình chế biến chè Trong quá trình chế biến chè cần khống chế sự bay hơi nước, đặc biệt trong sản xuất chè đen [7,9,78]

1.1.2.2 Hợp chất phenol và polyphenol

Hợp chất phenol giữ vai trò chủ yếu trong quá trình tạo màu sắc, hương vị của chè đặc biệt là chè đen Tiêu biểu là tanin có đặc tính dễ bị ô xy hóa dưới tác dụng của enzym và khi được cung cấp ô xy đầy đủ Vì vậy, chè nguyên liệu chứa càng nhiều tanin, đặc biệt là tanin hòa tan thì sản phẩm chè đen có chất lượng càng cao Flavanoid là thành phần quan trọng của tanin, trong đó catechin và flavonol chiếm tỉ lệ lớn [7,9,78]

Nhóm các hợp chất polyphenol là thành phần được quan tâm nhiều nhất trong lá chè Các hợp chất polyphenol của lá chè rất khác với các hợp chất polyphenol trong các loại cây khác, đó là các cấu tử chính chiếm đa số là các catechin (C, EC, EGCG, EGC, ECG, ) Trong sản xuất chè đen, catechin có

vị trí quan trọng trong việc tạo màu sắc, mùi, vị cho chè thành phẩm Có 6 loại catechin chiếm khoảng 20 - 30 % tổng lượng chất khô trong lá chè tươi Về cấu trúc, catechin là là hợp chất flavanol, được đặc trưng bởi cấu trúc C6-C3-C6, tương ứng với sự thay thế 2- phenyl bằng benzopyran và pyron [7,9,78]

1.1.2.3 Hợp chất alcaloid và caffein

Alcaloid là nhóm hợp chất vòng hữu cơ có chứa nitơ trong phân tử Phần lớn các alcaloid là những chất không màu, có vị đắng và ít hòa tan trong nước

Trong lá chè tươi người ta tìm thấy các alcaloid chủ yếu là caffein, theobromin

và theophylin Trong đó, caffein chiếm khoảng 2 - 5% lượng chất khô, theobromin và theophyllin với hàm lượng nhỏ hơn rất nhiều, chỉ khoảng 0,33% khối lượng chất khô Tuy vậy, vai trò dược lý của theobromin và theophyllin của cây chè quan trọng hơn so với caffein [7,27] Caffein có khả năng liên kết với tanin và các sản phẩm ô xy hóa của tanin để tạo nên các muối tanat caffein Các muối này tan trong nước nóng, không tan trong nước lạnh và tạo nên hương thơm và sắc nước chè xanh, giảm vị đắng và nâng cao chất lượng thành phẩm [7,27]

1.1.2.4 Protein và axit amin

Protein trong búp chè phân bố không đồng đều, chiếm khoảng 15% tổng lượng chất khô của lá chè tươi Protein có thể kết hợp với trực tiếp với tanin, polyphenol tạo ra những hợp chất không tan làm đục nước chè đen Nhưng trong chế biến chè xanh, protein kết hợp với một phần tanin làm cho vị đắng và chát giảm đi Người ta đã tìm thấy 17 axit amin có trong chè, trong đó 10 loại amin cơ bản là theanine, phenylalanine, leucine, isoleucine, valine, tyrosine, glutamine, serine, glutamic, aspartic Theanin chiếm hàm lượng cao nhất, khoảng 50-60% tổng hàm lượng axit amin tự do và là axit amin đặc trưng của cây chè [118] Các axit amin có thể kết hợp với đường, tanin tạo ra các hợp chất aldehyd, alcol có mùi thơm cho chè đen và chúng cũng góp phần điều vị cho chè xanh Axit amin trong chè không chỉ ở trong thành phần protein, mà còn ở dạng tự do, có ý nghĩa lớn đối với chất lượng chè Hàm lượng axit amin trong lá chè phụ thuộc nhiều vào giống và điều kiện canh tác cây chè [78]

1.1.2.5 Gluxit và pectin

Trong lá chè chứa ít gluxit hòa tan, các gluxit không hòa tan chiếm tỉ lệ lớn Pectin làm cho chè có mùi táo chín trong quá trình làm héo, làm chè dễ xoăn khi chế biến nhưng dễ hút ẩm nên có ảnh hưởng xấu tới quá trình bảo quản chè [78]

1.1.2.6 Các chất màu, vitamin và khoáng

Các chất màu trong lá chè gồm có anthocyanidin (cyanidin, delphenidin), carotenoid, chlorophyll Các hợp chất màu có vai trò quan trọng trong tạo màu cho thành phẩm Búp chè chứa hầu hết các loại vitamin như vitamin A, B1, B2,

PP, đặc biệt vitaminn C có rất nhiều trong chè, cao gấp 3-4 lần so với quả cam, chanh Trong quá trình chế biến chè đen hàm lượng vitamin C giảm nhiều, còn trong chế biến chè xanh thì giảm không đáng kể Trong chè, thành phần khoáng chủ yếu là kali chiếm gần 50 % tổng lượng khoáng [78]

1.1.2.7 Enzym

Enzym là nhân tố quan trọng trong quá trình sinh trưởng và chế biến chè, đặc biệt trong chế biến chè đen Enzym có vai trò quyết định chiều hướng biến đổi các phản ứng sinh hóa trong giai đoạn làm héo, vò, lên men Trong búp chè

có 2 loại enzym chủ yếu là nhóm enzym thủy phân (amilase, protease, glucosidase) và nhóm enzym ô xy hóa - khử (peroxidase, polyphenoloxidase) Peroxidase và polyphenoloxidase đóng vai trò quan trọng nhất và có tác dụng khác nhau trong quá trình lên men chè đen Các enzym này đều hoạt động mạnh

ở 45°C, nhưng đến 70°C thì hoạt động yếu hẳn đi và ở nhiệt độ cao hơn sẽ bị bất hoạt hoàn toàn Trong chế biến chè xanh, không cần tạo nên những biến đổi sinh hóa cho tanin, nên enzym không có ích cho quá trình chế biến Vì vậy, ngay từ giai đoạn đầu của quá trình chế biến chè xanh người ta phải dùng nhiệt

độ cao để vô hoạt enzym bằng cách chần hoặc sao [9,78]

1.1.2.8 Các hợp chất khác

Các hợp chất lipid, phospholipid và các axit béo chiếm khoảng 5-6% trong

lá chè, hàm lượng này thay đổi khá nhiều tùy theo từng giống chè khác nhau Các axit béo tự do tìm thấy trong lá chè có linolenic, oleic và palmitic Các hợp chất carotenoid gồm có caroten, lutein, violaxanthin và neoxanthin Các axit như citric, tartaric, malic, oxalic, fumaric, caffeic, quinic, gallic,

succinic, chlorogenic, neo-chlorohenic, p-coumarylquinic, ellagic axit, v.v

đã được phát hiện trong lá chè tươi Các chất vô cơ chiếm khoảng 5-6% khối lượng khô của chè, chiếm nhiều nhất là nhôm, mangan, magie Các chất dễ bay hơi (tinh dầu chè) được hình thành trong quá trình sinh trưởng, phát dục của cây chè và trong quá trình chế biến [1,9,78]

1.1.3 Hoạt tính sinh học và tác dụng của chè đối với sức khỏe

1.1.3.1 Tác dụng chống ô xy hóa của flavonoid

Một trong những cơ sở sinh hóa quan trọng nhất để flavonoit thể hiện được hoạt tính sinh học là khả năng kìm hãm các quá trình ô xy hóa dây chuyền sinh

ra bởi các gốc tự do hoạt động Hoạt tính này thể hiện mạnh hay yếu phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo hoá học của từng flavonoid cụ thể [113] Trong cơ thể con người có sẵn một vài enzym dùng để bảo vệ và ngăn ngừa nhiều loại gốc

tự do làm nguy hại tế bào như superoxyt dismutase (SOD), catalase trong nhiều

tế bào hoặc glutathion periodase Các gốc tự do tạo nên bởi flavonoid phản ứng với các gốc tự do hoạt động và trung hoà chúng nên không tham gia vào dây chuyền phản ứng ô xy hoá tiếp theo [113]

1.1.3.2 Tác dụng đối với enzym

Các flavonoid có khả năng tác động đến hoạt động của nhiều hệ enzym

động vật trong các điều kiện in vitro và in vivo Khả năng tương tác với protein

là một trong những tính chất quan trọng nhất của các hợp chất phenol, quyết định hoạt tính sinh học của chúng Phản ứng xảy ra giữa nhóm oxyphenolic và oxycacbonyl của các nhóm peptit để tạo thành liên kết hydro Các chất phenol nói chung khi ở dạng ô xy hoá (quinon) có khả năng liên kết với nhóm sulfihydril (1) và nhóm (-NH) của lysine hoặc asparaginic (2) trong phân tử protein enzym Flavonoid có tác dụng trên nhiều enzym động vật như protein-tyrozin kinase, protein kinase, lipoxygenase và cyclooxyhenase, phospholypase

và topoizo-merase, glutation S transferase [113]

Bản thân các chất flavonoid khi ở trong cơ thể động vật có thể tồn tại ở dạng ô xy hoá hoặc khử và chịu nhiều biến đổi phức tạp khác nhau cho nên

trong các điều kiện khác nhau nó sẽ thể hiện hoạt tính sinh học khác nhau Nhờ tác dụng sinh học đối với enzym mà các flavonoid có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư, mau chóng làm lành vết thương, giảm các nguy cơ về bệnh tim mạch [113]

1.1.3.3 Tác dụng kháng sinh, chống viêm nhiễm

Tác dụng chống viêm nhiễm và kháng khuẩn của catechin đã được nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới chứng minh Một số tác giả nghiên cứu ứng

dụng anthocyanin, leuco anthocyanin và axit phenolic lên Samonella, thấy có

tác dụng kìm hãm rõ rệt Hầu hết các chất này đều có khả năng kìm hãm sự hô hấp hay phân chia của vi khuẩn khi có mặt glucose Tác dụng kháng virus của catechin còn được nghiên cứu thông qua khả năng ức chế virus HIV ở các tế bào H9 của catechin chiết xuất từ thực vật Trong các dòng tế bào người,

Herpesvirus hominis bị kìm hãm bởi quercetin ở nồng độ 300 ppm, nhưng

không bị kìm hãm bởi rutin hay dihydro quercitin Khi thêm quercitin vào virus gây bệnh ở người, virus sẽ bị kìm hãm nếu có vỏ bọc và chết nếu không có vỏ bọc bảo vệ [34]

1.1.3.4 Tác dụng đối với ung thư

Các kết quả thực nghiệm cho thấy một số flavonoid có tác dụng chống ung thư thông qua khả năng hoạt hóa các enzym gan có nhiệm vụ chuyển hóa các chất gây ung thư Những sản phẩm chuyển hóa thường có tính gây ung thư thấp Ngoài ra, các flavonoid còn tham gia trong việc phòng chống ung thư bằng khả năng chống ô xy hóa, loại trừ các gốc tự do có thể gây tổn hại tế bào, làm cho tế bào có những biến đổi ác tính [35]

1.1.3.5 Các tác dụng khác của chè

Có nhiều dẫn liệu chứng mình chè xanh còn có các tác dụng sau: Chống lại các bệnh suy thoái tim mạch; Làm giảm nguy cơ mắc bệnh tiền liệt tuyến; Giúp con người có được một trí nhớ tốt và dài lâu, chống lại bệnh Alzheimer; Chữa các bệnh về đường tiêu hoá như tả, lị, thương hàn, xuất huyết dạ dày;

Làm giảm lượng đường trong máu; Chữa bệnh sỏi thận, sỏi bàng quang; Làm giảm sự nhiễm độc do kim loại, do nhiễm phóng xạ [34]

1.1.4 Các sản phẩm chè và sự khác biệt về công nghệ và tính chất

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì các sản phẩm chè cũng ngày càng đa dạng về chủng loại và được nâng cao về chất lượng bao gồm các sản phẩm chè xanh, chè đen truyền thống, chè đen CTC, chè đỏ, chè vàng, v.v

Từ các sản phầm chè này lại sản xuất ra hàng loạt các sản phẩm khác nhau như chè hương, chè hoa, chè hòa tan, v.v

Có nhiều loại sản phẩm chè khác nhau có sẵn trên thị trường và có thể có thể được nhóm thành sáu loại: chè xanh, chè vàng, chè trắng, chè ô long, chè đen và chè đen đậm dựa theo các phương pháp xử lý [57] Chè xanh, chè vàng

và chè trắng được chế biến tối thiểu, chè ô long và chè đen trải qua quá trình ô

xy hóa, còn chè đen đậm được lên men Mùa vụ, tuổi của lá, khí hậu, loài cây

và tập quán canh tác là những yếu tố chính ảnh hưởng đến thành phần của chè Chè xanh được chế biến bằng cách cuốn và hấp lá để giảm thiểu quá trình

ô xy hóa và khử hoạt tính polyphenol oxydase trước khi sấy khô [90] Chè xanh rất giàu polyphenol, bao gồm flavanol, flavadiols, flavonoid và axit phenolic, chiếm tới 30% trọng lượng khô Các flavonoid chính của chè xanh là các catechin khác nhau, chẳng hạn epicatechin (EC), epigallocatechin (EGC), epicatechin3-gallate (ECG), và epigallocatechin-3-gallate (EGCG) có nhiều trong chè xanh hơn so với chè ô long hay chè đen [111,125]

Chè trắng được chế biến bằng cách tuốt các búp hoặc lá rất non, sau đó sấy khô với quy trình chế biến tối thiểu sao cho các sợi lông trắng mỏng manh của lá vẫn còn nguyên vẹn, tạo nên vẻ ngoài của ‘chè trắng’ Hơn nữa, các chồi được che chắn có khả năng tiếp xúc tối thiểu với ánh sáng mặt trời và do đó làm giảm hàm lượng chất diệp lục, làm cho chè có màu trắng [17]

Việc chuẩn bị chè đen bao gồm một số công đoạn, chẳng hạn như thu hoạch, làm héo, vò, lên men và sấy khô [1] Trong quá trình lên men, quá trình ô xy hóa

polyphenol bằng enzym dẫn đến sự hình thành theaflavins và thearubigin, mang lại màu sắc và hương vị độc đáo cho chè đen [75] Theaflavin cho thấy các lợi ích sức khỏe khác nhau, chẳng hạn như chống béo phì, chống ung thư, chống xơ vữa động mạch, kháng vi rút chống viêm, kháng khuẩn, chống loãng xương và đặc tính chống sâu răng [119] Tương tự, thearubigin có một số vai trò đối với sức khỏe, bao gồm các đặc tính chống ô xy hóa và chống ung thư, cùng với khả năng giảm viêm và cải thiện nhu động đường tiêu hóa [66]

Phổ biến nhất là hai sản phẩm chè xanh và chè đen, trong đó tanin và men trong chè liên quan đến phương pháp lựa chọn chế độ công nghệ chế biến sản phẩm Diệt men để bảo toàn tanin trong chế biến chè xanh, trong khi lên men

để biến đổi tanin trong chế biến chè đen, còn kết hợp nhịp nhàng giữa men và chế biến nhiệt được thực hiện khi chế biến chè vàng và chè đỏ

Phương pháp công nghệ chế biến chè xanh theo sơ đồ: Nguyên liệu (lá chè xanh)  làm héo  diệt men trong lá chè  vò chè  làm khô  phân loại, đóng gói [1] Thành phần của sản phẩm chè xanh rất gần với chè tươi, do trong quá trình chế biến ngay từ công đoạn đầu tiên dưới tác dụng của nhiệt độ mà hoạt động của men (enzym) bị đình chỉ dẫn tới các chất trong chè ít bị ô xy hóa Khi đánh giá cảm quan chất lượng chè xanh theo TCVN thường dựa vào các tiêu chí: Ngoại hình xoăn chắc, màu xanh xám; Nước pha có màu xanh vàng trong sáng; Hương thơm tự nhiên, và vị đậm dịu có hậu ngọt

Sơ đồ công nghệ chế biến chè đen gồm có các bước: Nguyên liệu (lá chè xanh)  làm héo  vò chè  lên men  làm khô  phân loại đóng gói [1] Điểm khác với quy trình chế biến chè xanh không cần phải qua công đoạn lên men mà tiến hành diệt men, vò và làm khô luôn thì chè đen là sản phẩm phải trải qua biến đổi sinh hóa mãnh liệt làm biến đổi hầu hết thành phần hóa học có trong chè tươi nguyên liệu cả về lượng và chất để tạo nên hương vị và màu sắc đặc trưng Về ngoại hình, chè đen có khối lượng và kích cỡ đồng đều, xoăn tốt Về nội chất, chè đen có hương thơm tươi mát dễ

chịu; vị chát dịu sảng khoái, có dư vị; nước chè có màu đỏ nâu trong sáng

Về hàm lượng các chất theo TCVN, thủy phần không quá 7,5%, chất hòa tan không thấp hơn 32%, hàm lượng tanin không thấp hơn 9%, cafein không thấp hơn 1,8%, chất xơ không lớn hơn 16,5%

1.2 Tổng quan về gama-aminobutyric axit (GABA)

1.2.1 Giới thiệu chung về GABA

Axit gamma-amino-butyric (GABA) là một axit amin phi protein 4 cacbon, được phân bố rộng rãi ở khắp các sinh vật sinh học, bao gồm cả thực vật, động vật và vi sinh vật Hợp chất GABA lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 1883 và vào thời điểm đó người ta cho rằng nó chỉ là một chất chuyển hóa trong thực vật và vi sinh vật Nghiên cứu sau đó cho thấy GABA là chất dẫn truyền thần kinh ức chế chính trong hệ thần kinh trung ương của động vật có vú và trong nhiều loại phyla động vật không xương sống [40]

GABA tự nhiên lần đầu tiên được phân lập từ củ khoai tây Ở thực vật

và vi sinh vật, GABA là một phần không thể thiếu của chu trình Krebs và đã được quan sát thấy tăng nhanh trong các stres môi trường [109] Ở động vật, GABA có chức năng là chất dẫn truyền thần kinh ức chế chính trong hệ thần kinh trung ương Ba mươi phần trăm tế bào thần kinh não của con người có chứa GABA, chất này ảnh hưởng đến hầu hết các hoạt động của tế bào thần kinh [47,126]

GABA đã được nghiên cứu về tác dụng làm giảm stres căng thẳng và tăng cường giấc ngủ trong các nghiên cứu trên người và các hoạt động sinh học khác bao gồm chống tăng huyết áp, chống tiểu đường, chống ung thư, chống ô xy hóa, chống viêm, chống vi khuẩn, và tác dụng chống dị ứng [56,95] Tại Mỹ, GABA được bán trên thị trường như một thành phần của một số chất bổ sung dinh dưỡng (DS) Một số công ty dự báo ước tính rằng quy mô thị trường toàn cầu đối với thực phẩm chức năng GABA sẽ tăng đáng kể từ 38 triệu USD năm

2019 lên 50 triệu USD vào cuối năm 2026 [86]

1.2.2 Hóa học, phân bố trong tự nhiên và sự chuyển hóa của GABA

1.2.2.1 Bản chất hóa học và tính chất

GABA là một axit amin phi protein bốn cacbon, một axit butanoic với nhóm thế amin nằm ở vị trí C-4 Công thức phân tử của GABA là C4H9NO2 Tên IUPAC là axit 4-aminobutanoic (Hình 1.1), số CAS là 56-12-2, và số mã UNII là 2ACZ6IPC6I (FDA, 2021) Khối lượng phân tử là 103,12 g/mol và nhiệt độ nóng chảy là 202°C GABA còn được gọi là axit 4-aminobutanoic, axit piperidic và axit piperidinic Các số nhận dạng khác cho GABA có thể được tìm thấy trong PubChem [123] GABA là một chất kết tinh, có màu từ trắng đến vàng nhạt, hòa tan tự do trong nước nhưng không hòa tan hoặc hòa tan kém trong các dung môi khác

Hình 1.1 Gamma‐aminobutyric axit (GABA, 4‐aminobutyric axit) 1.2.2.2 GABA trong tự nhiên

GABA có mặt khắp nơi ở thực vật, tại đó GABA được tổng hợp chủ yếu

từ axit glutamic thông qua enzym glutamate carboxylase [44] GABA đã được chứng minh có hàm lượng tăng đáng kể ở thực vật sau các stres môi trường và các căng thẳng khác, chẳng hạn như hạn hán, tăng độ mặn, tổn thương, thiếu ô xy , nhiễm trùng và nảy mầm Một số loại cây ăn được và làm thuốc có chứa GABA ở các mức độ khác nhau, ví dụ, trong quả cà chua

có tích lũy ở giai đoạn chín [16] Một nghiên cứu về hàm lượng GABA của một số thực phẩm chưa nấu chín cho thấy một số loại chứa một lượng GABA khiêm tốn Trong khi mầm gạo lứt (718 nmol/g), ngũ cốc nảy mầm (300-400 nmol/g), và rau bina (414 nmol/g) có hàm lượng GABA cao nhất [97,98] Các nghiên cứu khác đã phát hiện tương tự ở giá đậu và đậu nảy mầm, bao gồm đậu adzuki, lupin, và đậu tương khi so sánh với đậu không nảy mầm

[74,88,132] Tương tự, các loại ngũ cốc, chẳng hạn như yến mạch, lúa mì,

và lúa mạch, đã được chứng minh là có chứa GABA [26] Trong một số thực phẩm lên men, GABA xuất hiện ở mức cao hơn nhiều Kim chi, thực phẩm truyền thống của Hàn Quốc, được báo cáo là chứa 2667 đến 7225 nmol GABA/g [114], trong khi lá chè xanh Nhật Bản được báo cáo là chứa 9697-19,395 nmol GABA/g [121] Các loại thực phẩm lên men axit lactic khác, chẳng hạn như thịt và pho mát đã qua xử lý, cũng chứa một lượng GABA cao [39] Con người đã tiếp xúc với GABA trong thực phẩm lên men kể từ khi con người bắt đầu tiêu thụ những thực phẩm như vậy

1.2.2.3 Sự chuyển hóa của GABA

Trong hệ thống sinh học, GABA được tổng hợp từ glutamate thông qua chu trình chuyển hóa GABA như nêu trên Hình 1.2 [87] Quá trình tổng hợp được xúc tác bởi enzym L-glutamic axit decarboxylase (GAD), với sự trợ giúp của pyridoxal phosphate là dạng hoạt hóa của vitamin B6 GABA được chuyển hóa bởi gama-aminobutyrate transaminase thành chất chuyển hóa trung gian là succinate semialdehyde, chất này sau đó được khử thành gama-hydroxybutyrate hoặc bị ô xy hóa thành succinate và cuối cùng chuyển thành

CO2 và nước qua chu trình axit citric (chu trình Kreb)

Hình 1.2 Chu trình chuyển hóa GABA (tổng hợp và phân giải)

(Theo Martin & Rimvall, 1993 [87])

1.2.3 Vai trò và ứng dụng của GABA

1.2.3.1 Vai trò của GABA đối với thực vật, động vật và vi sinh vật

Nhiều báo cáo đã nêu đầy đủ, rõ ràng GABA được tìm thấy trong tất cả các sinh vật và tham gia vào một số chức năng quan trọng của hệ thống của chúng GABA đóng một vai trò rộng lớn hơn nhiều trong các sinh vật hơn những gì người ta nghĩ trước đây, có thể là một phân tử tín hiệu (signaling) thông thường hoặc như một chất hòa tan tương thích khi bị stres hoặc như một phân tử bảo vệ trong cơ thể vật chủ Vai trò của GABA được tóm tắt trong Hình 1.3

Hình 1.3 Vai trò của GABA trong động vật, vi sinh vật và thực vật

(Theo Rashmi và cộng sự, 2018 [107])

a) Vai trò đối với thực vật

Trong thực vật, GABA được giả thiết thực hiện nhiều chức năng trong điều kiện stres và không stres Nó là chất chuyển hóa quan trọng cho các chu trình chuyển hóa sơ cấp và thứ cấp, là chất trung gian quan trọng của quá trình chuyển hóa nitơ và sinh tổng hợp axit amin [105] Ngoài ra, quá trình chuyển

hóa GABA thông qua chu trình cung cấp nguồn năng lượng cho bộ xương carbon và năng lượng cho các con đường sinh tổng hợp xuôi dòng GABA cũng tham gia vào các cơ chế tín hiệu hoặc điều chỉnh Nó gián tiếp ảnh hưởng đến

sự sinh trưởng và phát triển của thực vật trong toàn bộ chu kỳ cây trồng và nó tích lũy nhanh chóng để đáp ứng với các stres phi sinh học Nó đã được chứng minh là có đóng góp vào phản ứng với stres sinh học thông qua nhiều cơ chế Hoạt động quá mức của chu trình GABA có thể giúp hạn chế sự lây lan của các

loại nấm hoại tử như Botrytis [65] Hoạt động của GABA chống lại côn trùng

có thể dựa trên tác dụng ức chế trực tiếp hoặc dựa trên sự cảm ứng của các phản ứng phòng thủ xuôi dòng hoặc dựa vào sự kết hợp của cả hai cơ chế Chức năng kép của GABA như một chất chuyển hóa và như một thành phần của các con đường truyền tín hiệu là sự kết hợp cho phép thực vật đối phó với các điều kiện khác nhau [109] GABA được ứng dụng ngoại sinh gây ra các hiệu ứng tương

tự như phân tử bên trong và do đó, có thể mang lại tiềm năng cải thiện sức sống tổng thể của thực vật [105,62]

b) Vai trò đối với vi sinh vật

Mặc dù GABA được sản xuất với số lượng dồi dào bởi vi sinh vật nhưng vai trò của GABA đối với vi sinh vật vẫn còn cần phải được tìm hiểu đầy đủ hơn nữa Cho đến nay, vai trò của GABA đối với vi sinh vật được nghiên cứu rộng rãi trong điều kiện stres do axit Tuy nhiên, GABA cũng đóng vai trò quan trọng do một số stres khác [41] Chu trình chuyển hóa GABA cũng được cho

là có tham gia vào quá trình chuyển hóa glutamate, hiệu ứng anaplerosis và phản ứng với stres ô xy hóa [37]

Trong điều kiện stres axit, GABA được tạo ra bởi hệ thống GAD của vi sinh vật, do đó đã điều chỉnh độ pH của dịch bào Hiện tượng kháng axit này thường thấy ở vi khuẩn [85] Khi cảm ứng, GAD xúc tác quá trình khử cacboxyl của glutamat, do đó loại bỏ H+ Tính kháng axit này cho phép vi khuẩn gây hư hỏng

và vi khuẩn gây bệnh phát triển trên thực phẩm có tính axit bị hư hỏng Hệ thống

GAD cũng được sử dụng bởi vi khuẩn gây bệnh để chúng tồn tại ở độ pH axit thấp của ruột (pH 3,5) [42,36] Francis và cộng sự [43] cho rằng hệ thống GAD của chu trình GABA có thể đóng một vai trò nào đó trong sự tồn tại và tăng

trưởng trong điều kiện hạn chế ô xy ở L monocytogenes Vi khuẩn trợ sống

(probiotic) sống trong ruột cũng có thể bổ sung vào sức khỏe của sinh vật [45]

1.2.3.2 Vai trò và ứng dụng của GABA đối với sức khỏe con người

GABA là một hoạt chất sinh học được tìm thấy trong não và hoạt động như một chất dẫn truyền thần kinh ức chế Các nghiên cứu cho thấy GABA thực hiện nhiều chức năng sinh lý (Hình 1-3) GABA có tác dụng hạ huyết áp đối với chuột tăng huyết áp tự phát [138] Sự giảm huyết áp đáng kể được phát hiện sau 4-8 h sau khi dùng 0,05-5,00 mg/kg GABA [54] Suwanmanon và Hsieh [117] cũng báo cáo rằng GABA và nattokinase làm giảm huyết áp ở chuột tăng huyết áp tự phát Ở nam giới bị tăng huyết áp nhẹ, việc tiêu thụ hàng ngày pho mát giàu GABA, chứa 16 mg GABA, làm giảm huyết áp trung bình

và huyết áp tâm thu [103] Ở những người có huyết áp cao và bình thường, tiêu thụ thực phẩm bổ sung chlorella giàu GABA làm giảm đáng kể huyết áp tâm thu và huyết áp tâm trương [115] GABA thể hiện các hoạt động chống đái tháo đường ở chuột và người Chè giàu GABA, chứa 3,01 hoặc 30,1 μg GABA, làm giảm mức đường huyết ở chuột mắc bệnh tiểu đường [64] Liều uống GABA làm tăng tiết insulin [82]

Việc tiêu thụ GABA làm tăng đáng kể sự tiết insulin ở chuột bình thường; tuy nhiên, việc tiết insulin không có ý nghĩa ở chuột mắc bệnh tiểu đường Vai trò của GABA trong việc tăng tiết insulin vẫn chưa được biết rõ Trong suy thận mãn tính, GABA cải thiện tình trạng rối loạn chức năng thận, ức chế sự tiến triển của bệnh, điều hòa huyết áp và cải thiện hồ sơ lipid Việc sử dụng GABA cũng làm giảm stres ô xy hóa do suy thận gây ra bằng cách tăng hoạt động của các enzym chống ô xy hóa [112] Ở bệnh nhân ung thư đường mật hoặc ung thư ống mật, GABA ức chế sự phát triển của tế bào ung thư [63] Việc

uống GABA làm tăng đáng kể sóng alpha và giảm sóng beta trong não người,

do đó gây ra cảm giác thư giãn và giảm lo lắng GABA tăng cường khả năng miễn dịch, được đánh giá bằng cách đo nồng độ IgA, trong điều kiện stres căng thẳng [14] Việc tiêu thụ GABA từ các sản phẩm lên men hoặc chất bổ sung có thể có tác dụng hữu ích ở một số liều lượng nhất định đối với chuột và người Tuy nhiên, các thử nghiệm lâm sàng về ảnh hưởng của việc tiêu thụ thực phẩm

và đồ uống lên men chứa GABA đối với sức khỏe con người vẫn còn cần thiết

1.2.4 Sản xuất và sản phẩm GABA thương mại

Thực phẩm lên men và hạt nảy mầm được coi là nguồn cung cấp GABA Hàm lượng GABA tăng lên trong thực vật do các quá trình khác nhau bao gồm

xử lý bằng enzym, xử lý khí (ví dụ nitơ, cacbondioxit) và lên men [105] Do nhu cầu thương mại ngày càng tăng đối với GABA, các loại thực phẩm đa dạng

có chứa GABA được tạo ra về mặt sinh học và hóa học đã được báo cáo Chẳng hạn, chè xanh giàu GABA được sản xuất bằng cách xử lý yếm khí, mầm gạo bằng cách ngâm trong nước, gạo lứt bằng cách xử lý áp suất cao và nảy mầm, đậu tương lên men, và các sản phẩm từ sữa

GABA có thể được sản xuất thông qua ba phương pháp chính: (i) lên men

vi sinh vật, (ii) xúc tác sinh học bằng enzym, và (iii) tổng hợp hóa học Lên men vi sinh là phương pháp sản xuất được ưa chuộng để sử dụng cho mục đích thương mại Theo đó, mặc dù vi khuẩn và nấm là những nguồn tốt để sản xuất GABA, các chi vi khuẩn axit lactic (LAB) đã được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất GABA Trong một phương pháp sản xuất, quá trình sản xuất bắt đầu với môi trường lỏng dùng lên men có chứa monosodium glutamate, axit glutamic, chiết xuất nấm men, glucose và este axit béo glycerin trong nước

Hỗn hợp được khử trùng và sau đó được cấy vi khuẩn Lactobacillus hilgardii

chủng K-3 và để lên men trong một số ngày Sau đó, dịch lên men dùng được khử trùng, trải qua một số bước lọc, và sau đó được phun sấy khô để tạo thành bột [126] Một số bằng sáng chế mô tả sản xuất GABA thông qua quá trình lên

men đã được công bố [94], Chung-Ang Industry University [32], Hanshan Normal University [52] Lên men ở trạng thái rắn (SSF) là một chiến lược khác

đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc sản xuất GABA Ví dụ, quá trình lên men

Vicia faba bởi Lactobacillus plantarum VTT E-133328 dẫn đến sản xuất 626

mg/kg GABA [33] Tuy nhiên, do sự phức tạp và chi phí tinh chế cao đi kèm với GAD cũng như các hạn chế về tính ổn định và khả năng tái sử dụng của nó, phương pháp sản xuất này không khả thi để áp dụng thương mại [38,132] Tổng hợp hóa học GABA có thể đạt được bằng một số con đường Trong một phương pháp như vậy, sản xuất GABA liên quan đến phản ứng cacboamin hóa của anken, được xúc tác bằng chuyển phức đồng [142] Các phương pháp khác phức tạp hơn, bao gồm tối đa năm bước phản ứng thường đắt tiền, tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn và yêu cầu sử dụng hóa chất nguy hiểm, làm cho quá trình tổng hợp hóa học không thuận lợi để sử dụng cho mục đích thương mại [133]

1.2.5 Tình trạng pháp lý của GABA và liều lượng sử dụng

Tại Mỹ, GABA như một axit amin đáp ứng định nghĩa về thành phần chế

độ ăn uống theo quy định số 201 (ff) (1) (D) và có sẵn trong nhiều sản phẩm được tiếp thị dưới dạng thực phẩm chức năng GABA được liệt kê trong danh sách của UNPA (Liên minh các sản phẩm tự nhiên thống nhất) về các thành phần chế độ ăn uống có mặt trên thị trường trước khi DSHEA thông qua vào năm 1994 Mặc dù danh sách UNPA không được chính thức công nhận, sự hiện diện của GABA trong danh sách này là một dấu hiệu cho thấy GABA có thể đã được sử dụng như một chất bổ sung chế độ ăn uống trước khi ban hành của DSHEA vào năm 1994 Tính đến ngày 14 tháng 4 năm 2021, Cơ sở dữ liệu về nhãn bổ sung chế độ ăn uống (DSLD) có 644 sản phẩm có GABA được liệt kê Hai thông báo GRAS (GRN00257 và GRN00595) đã được đệ trình vào năm

2008 và 2015 để FDA xem xét [122] Theo cơ sở dữ liệu FDA, GABA (dưới dạng axit 4-aminobutyric) được sử dụng cho hiệu quả kỹ thuật như một chất