Áp dụng quy trình đã hoàn thiện để sản xuất chè đen giàu GABA quy mô pilot với một số giống chè Việt Nam .... Trên cơ sở những dẫn liệu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh đã xác định nhiệm v
TỔ NG QUAN TÀI LI Ệ U
T ổ ng quan v ề cây chè, thành ph ầ n, ho ạ t tính sinh h ọ c và s ả n ph ẩ m
Cây chè xanh (Camellia sinensis) thuộc hệ thống phân loại thực vật trong bộ Theales, họ Theaceae, chi Camellia L Ngày nay, cây chè được trồng phổ biến tại nhiều quốc gia trên thế giới, chủ yếu ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, phân bố từ 30 độ nam đến 45 độ bắc Trong đó, Châu Á chiếm tỷ lệ lớn với 80-90% diện tích chè toàn cầu, nổi bật là các quốc gia như Ấn Độ, Trung Quốc, Kenya, Sri Lanka, Thổ Nhĩ Kỳ và Việt Nam.
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 chủ yếu tại các vùng Tây Bắc, Việt Bắc - Hoàng Liên Sơn, Trung du - Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và Tây Nguyên, góp phần quan trọng vào nền nông nghiệp địa phương Năm 2019, Việt Nam đứng thứ 5 thế giới về diện tích và sản lượng chè, với hơn 123.400 ha trồng và hơn 500 cơ sở chế biến, công suất đạt trên 500.000 tấn chè khô mỗi năm Sản lượng chè của Việt Nam đạt 1025,2 ngàn tấn, giúp nâng cao giá trị xuất khẩu và thúc đẩy phát triển kinh tế.
1.1.2 Thành phần hóa học của chè tươi
Thành phần chủ yếu trong búp chè tươi là nước, với hàm lượng từ 75-82% trong búp chè (1 tôm + 3 lá) Hàm lượng nước trong búp chè thay đổi theo giống, tuổi cây, thổ nhưỡng, kỹ thuật canh tác, thời gian hái và tiêu chuẩn hái Nước trong nguyên liệu chè là môi trường quan trọng để xảy ra các phản ứng hóa học như thủy phân và oxy hóa khử trong quá trình chế biến Hàm lượng nước có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chế biến chè, đặc biệt cần kiểm soát sự bay hơi nước để đảm bảo chất lượng sản phẩm, nhất là trong sản xuất chè đen.
1.1.2.2 Hợp chấ t phenol và polyphenol
Hợp chất phenol đóng vai trò chính trong quá trình tạo màu sắc và hương vị của chè đặc biệt là chè đen Tanin, là có cộng chất phenol dễ bị oxi hóa dưới tác dụng của enzym khi tiếp xúc với đủ oxi, góp phần tạo nên đặc điểm nổi bật của chè đen Chè nguyên liệu có hàm lượng tanin càng cao, đặc biệt là tanin hòa tan, thì sản phẩm chè đen sẽ đạt chất lượng tốt hơn Trong thành phần tanin, flavanoid là yếu tố quan trọng, với catechin và flavonol chiếm tỉ lệ lớn, ảnh hưởng đến vị và màu của chè.
Nhóm hợp chất polyphenol trong lá chè là thành phần được quan tâm hàng đầu, đặc biệt là các catechin như C, EC, EGCG, EGC, và ECG Các hợp chất polyphenol trong lá chè có cấu trúc khác biệt so với các loại cây khác, với catechin chiếm đa số và đóng vai trò quan trọng trong việc tạo màu sắc, mùi và vị cho chè đen thành phẩm Trong quá trình sản xuất chè đen, catechin không những góp phần định hình hương vị mà còn chiếm khoảng 20-30% tổng lượng chất khô trong lá chè tươi Về mặt cấu trúc, catechin là hợp chất flavanol, được đặc trưng bởi cấu trúc C6-C3-C6, có sự thay thế 2-phenyl bằng benzopyran và pyron, góp phần vào tính chất hóa học đặc trưng của chúng.
1.1.2.3 Hợp chất alcaloid và caffein
Alcaloid là nhóm hợp chất vòng hữu cơ chứa nitơ trong phân tử, đóng vai trò quan trọng trong dược phẩm và y học Phần lớn các alcaloid có đặc điểm không màu, có vị đắng và ít hòa tan trong nước, ảnh hưởng đến cách chúng được sử dụng trong các ứng dụng y tế và công nghiệp.
Trong lá chè tươi, các hợp chất alcaloid chủ yếu gồm caffein, theobromin và theophyllin, trong đó caffein chiếm khoảng 2-5% lượng chất khô, còn theobromin và theophyllin với hàm lượng nhỏ hơn nhiều, chỉ khoảng 0,33% khối lượng chất khô Tuy nhiên, vai trò dược lý của theobromin và theophyllin trong cây chè lại quan trọng hơn so với caffein Caffein có khả năng liên kết với tanin và các sản phẩm ô xy hóa của tanin để tạo thành các muối tanat caffein, có tính tan trong nước nóng nhưng không tan trong nước lạnh, góp phần tạo hương thơm, sắc nước chè xanh, giảm vị đắng và nâng cao chất lượng thành phẩm.
Protein trong búp chè phân bố không đều, chiếm khoảng 15% tổng lượng chất khô của lá chè tươi Protein có thể kết hợp trực tiếp với tannin và polyphenol, tạo ra các hợp chất không tan gây đục nước chè đen, nhưng trong chế biến chè xanh, protein kết hợp với một phần tannin giúp giảm độ đắng và chát Trong chè, người ta đã phân lập được 17 loại axit amin, trong đó theanine chiếm hàm lượng cao nhất, khoảng 50-60% tổng axit amin tự do và là axit amin đặc trưng của cây chè Các axit amin còn kết hợp với đường, tannin để tạo ra các hợp chất aldehyde, alcohol có mùi thơm, góp phần điều vị cho chè xanh và tạo hương thơm đặc trưng cho chè đen Hàm lượng axit amin trong lá chè phụ thuộc nhiều vào giống và điều kiện canh tác, ảnh hưởng lớn đến chất lượng chè.
Lá chè chứa chủ yếu các loại gluxit không hòa tan, trong khi gluxit hòa tan chiếm tỷ lệ thấp Pectin trong lá chè gây ra mùi táo chín trong quá trình làm héo, đồng thời khiến chè dễ xoăn khi chế biến và dễ hút ẩm, ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình bảo quản chè.
1.1.2.6 Các chấ t màu, vitamin và khoáng
Các chất màu trong lá chè bao gồm anthocyanidin (cyanidin, delphenidin), carotenoid và chlorophyll, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo màu sắc cho thành phẩm chè Búp chè còn chứa nhiều loại vitamin thiết yếu như vitamin A, B1, B2, hỗ trợ sức khỏe và tăng cường hệ miễn dịch Nhờ sự hiện diện của các hợp chất màu tự nhiên này, chè không chỉ có màu sắc hấp dẫn mà còn mang lại giá trị dinh dưỡng cao.
PP, đặc biệt là vitamin C, có nhiều trong chè, cao gấp 3-4 lần so với quả cam hoặc chanh Trong quá trình chế biến chè đen, hàm lượng vitamin C giảm đáng kể, trong khi đó, trong chè xanh, sự giảm này không đáng kể Thành phần khoáng trong chè chủ yếu là kali, chiếm gần 50% tổng lượng khoáng có trong trà.
Enzym đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và chế biến chè, đặc biệt là trong chế biến chè đen, vì chúng quyết định các phản ứng sinh hóa diễn ra như thế nào quá trình làm héo, vò, lên men diễn ra hiệu quả Trong búp chè, có hai nhóm enzym chủ yếu là enzym thủy phân (amylase, protease, glucosidase) và enzym ô xy hóa - khử (peroxidase, polyphenoloxidase), trong đó peroxidase và polyphenoloxidase đóng vai trò then chốt trong quá trình lên men chè đen do hoạt động mạnh nhất ở 45°C và bị bất hoạt khi nhiệt độ cao hơn 70°C Trong chế biến chè xanh, enzym không cần thiết vì không tạo ra biến đổi sinh hóa cho tannin; do đó, từ giai đoạn đầu, người ta sử dụng nhiệt độ cao để vô hoạt enzym bằng cách chần hoặc sao, giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Các hợp chất lipid, phospholipid và axit béo chiếm khoảng 5-6% trong lá chè, với hàm lượng thay đổi tùy theo từng giống chè khác nhau Các axit béo tự do như linolenic, oleic và palmitic được tìm thấy trong lá chè tươi Ngoài ra, lá chè còn chứa các hợp chất carotenoid gồm caroten, lutein, violaxanthin và neoxanthin, cùng với các axit hữu cơ như citric, tartaric, malic, oxalic, fumaric, caffeic, quinic, gallic, succinic, chlorogenic, neo-chlorohenic, p-coumarylquinic và ellagic acid Các chất vô cơ chiếm khoảng 5-6% khối lượng khô của chè, trong đó nhôm, mangan và magie là thành phần chủ yếu Thêm vào đó, các chất dễ bay hơi như tinh dầu chè được hình thành trong quá trình sinh trưởng, phát dục của cây chè và trong quá trình chế biến.
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
Flavonoid có khả năng ố m hãm quá trình ô xy hóa sinh ra từ các gốc tự do, qua đó thể hiện hoạt tính sinh học quan trọng Hoạt tính này phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo hoá học của từng loại flavonoid cụ thể Trong cơ thể người, các enzym như superoxide dismutase (SOD), catalase và glutathione peroxidase đóng vai trò bảo vệ tế bào khỏi tác hại của các gốc tự do Các hợp chất flavonoid phản ứng với các gốc tự do, trung hòa chúng, giúp ngăn chặn vòng phản ứng ô xy hóa tiếp theo và bảo vệ tế bào khỏi tổn thương.
1.1.3.2 Tác dụng đối với enzym
Các flavonoid có khả năng ảnh hưởng đến hoạt động của nhiều hệ enzym động vật cả trong điều kiện in vitro và in vivo Khả năng tương tác với protein là một đặc tính quan trọng 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 tạo thành liên kết hydro Ngoài ra, các chất phenol ở dạng oxy hóa (quinon) có thể liên kết với nhóm sulfihydril của cystein hoặc nhóm (-NH) của lysine và asparagin trong phân tử protein enzym, từ đó ảnh hưởng đến hoạt động của enzym Flavonoid thể hiện tác dụng trên nhiều enzym động vật quan trọng như protein-tyrosine kinase, lipoxygenase, cyclooxygenase, phospholipase, topoisomerase và glutathione S-transferase, góp phần vào hoạt tính sinh học đa dạng của chúng.
T ổ ng quan v ề gama-aminobutyric axit (GABA)
1.2.1 Giới thiệu chung về GABA
Axit gamma-amino-butyric (GABA) là một axit amin phi protein chứa 4 carbon, phổ biến trong các sinh vật sinh học như thực vật, động vật và vi sinh vật Được tổng hợp lần đầu vào năm 1883, ban đầu người ta cho rằng GABA chỉ là một chất chuyển hóa trong thực vật và vi sinh vật Tuy nhiên, nghiên cứu sau này đã chứng minh rằng GABA là chất dẫn truyền thần kinh ức chế chính trong hệ thần kinh trung ương của động vật có vú và nhiều loài động vật không xương sống, đóng vai trò quan trọng trong điều hòa hoạt động của hệ thần kinh.
GABA tự nhiên lần đầu tiên được phân lập từ củ khoai tây Trong thực vật và vi sinh vật, GABA là thành phần thiết yếu trong chu trình Krebs và có xu hướng tăng nhanh khi gặp phải stres môi trường Ở động vật, GABA đóng vai trò là chất dẫn truyền thần kinh ức chế chính trong hệ thần kinh trung ương, với khoảng 30% tế bào thần kinh của não người chứa GABA, ảnh hưởng đến hầu hết các hoạt động của tế bào thần kinh.
GABA đã được nghiên cứu về tác dụng giảm căng thẳng, cải thiện giấc ngủ, chống tăng huyết áp, tiểu đường, ung thư, chống ôxy hóa, viêm, vi khuẩn và dị ứng, thể hiện lợi ích sức khỏe đa dạng qua các nghiên cứu trên người và hoạt động sinh học khác Tại Mỹ, GABA được bán như thành phần trong nhiều sản phẩm bổ sung dinh dưỡng, với dự báo thị trường toàn cầu dành cho thực phẩm chức năng GABA sẽ tăng đáng kể, từ 38 triệu USD năm 2023.
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 chứa bốn cacbon, với nhóm thế amin tại vị trí C-4 của chuỗi carbon Công thức phân tử của GABA là C4H9NO2, còn được gọi là axit 4-aminobutanoic theo tên IUPAC, với số CAS là 56-12-2 và mã UNII là 2ACZ6IPC6I (FDA, 2021) Khối lượng phân tử của GABA là 103,12 g/mol, nhiệt độ nóng chảy là 202°C, và nó có dạng kết tinh màu trắng đến vàng nhạt, hòa tan tự do trong nước nhưng ít hoặc không hòa tan trong các dung môi khác GABA còn được biết đến với các tên khác như axit piperidic và axit piperidinic, và các thông tin nhận dạng khác có thể tìm thấy trong cơ sở dữ liệu PubChem.
Hình 1.1 Gamma ‐ aminobutyric axit (GABA, 4 ‐ aminobutyric axit) 1.2.2.2 GABA trong tự nhiên
GABA hiện diện phổ biến trong thực vật, được tổng hợp chủ yếu từ axit glutamic thông qua enzym glutamate carboxylase Hàm lượng GABA tăng đáng kể trong thực vật khi đối mặt với các yếu tố stres môi trường như hạn hán, mặn, thiếu oxy, tổn thương và nhiễm trùng, hoặc trong quá trình nảy mầm Các loại thực phẩm như quả cà chua chín, gạo lứt nảy mầm, ngũ cốc và rau bina chứa hàm lượng GABA khác nhau, trong đó gạo lứt nảy mầm, ngũ cốc nảy mầm và rau bina có hàm lượng cao nhất Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng đậu adzuki, lupin và đậu tương nảy mầm cũng chứa hàm lượng GABA cao hơn so với đậu không nảy mầm, cho thấy tiềm năng của các loại thực phẩm này trong cung cấp GABA tự nhiên cho cơ thể.
Các loại ngũ cốc như yến mạch, lúa mì và lúa mạch đã được chứng minh chứa GABA, đóng vai trò quan trọng trong sức khỏe Thực phẩm lên men như kim chi của Hàn Quốc chứa hàm lượng GABA rất cao từ 2667 đến 7225 nmol/g, trong khi lá chè xanh Nhật Bản còn chứa tới 19.395 nmol GABA/g, giúp cung cấp lợi ích cho hệ thần kinh Ngoài ra, các sản phẩm lên men axit lactic như thịt và pho mát qua xử lý cũng chứa lượng GABA cao, cho thấy con người đã có lịch sử tiếp xúc với GABA trong thực phẩm lên men từ hàng nghìn năm.
1.2.2.3 Sự chuyển hóa của GABA
GABA trong hệ sinh học được tổng hợp từ glutamate thông qua chu trình chuyển hóa GABA, với enzym chính là L-glutamic axit decarboxylase (GAD) giúp xúc tác quá trình này Pyridoxal phosphate, dạng hoạt hóa của vitamin B6, hỗ trợ hoạt động của enzym GAD trong việc chuyển đổi glutamate thành GABA Sau khi hình thành, GABA tiếp tục được chuyển hóa bởi enzyme gama-aminobutyrate transaminase thành succinate semialdehyde, chất trung gian này sau đó được khử thành gama-hydroxybutyrate hoặc oxy hóa thành succinate, cuối cùng tạo thành các hợp chất quan trọng trong quá trình chuyển hóa của hệ sinh học.
CO2và nước qua chu trình axit citric (chu trình Kreb)
Hình 1.2 Chu trình chuy ể n hóa GABA (t ổ ng h ợ p và phân gi ả i)
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 xác nhận rằng GABA xuất hiện trong tất cả các sinh vật và đóng vai trò quan trọng trong chức năng của hệ thống sinh học GABA không chỉ là một chất xúc tác truyền thông tin trong hệ thần kinh mà còn có thể đóng vai trò như một phân tử tín hiệu phổ biến hoặc chất bảo vệ khi đối mặt với căng thẳng Vai trò của GABA được tóm tắt rõ ràng trong Hình 1.3, cho thấy phạm vi hoạt động rộng lớn hơn những gì trước đây người ta nghĩ.
Hình 1.3 Vai trò c ủa GABA trong độ ng v ậ t, vi sinh v ậ t và th ự c v ậ t
(Theo Rashmi và cộng sự, 2018 [107]) a) Vai trò đố i v ớ i th ự c v ậ t
GABA đóng vai trò quan trọng trong thực vật, tham gia vào các quá trình chuyển hóa sơ cấp và thứ cấp, đồng thời là trung gian chủ chốt trong chuyển hóa nitơ và sinh tổng hợp axit amin Quá trình chuyển hóa GABA cung cấp năng lượng cho bộ xương carbon và các con đường sinh tổng hợp, giúp cây phản ứng linh hoạt với các điều kiện stress và không stress GABA còn tham gia vào cơ chế tín hiệu và điều chỉnh sinh trưởng, phát triển của thực vật trong toàn bộ chu kỳ cây trồng Đồng thời, GABA tích lũy nhanh chóng để đáp ứng các stress phi sinh học và góp phần vào phản ứng bảo vệ trước các stress sinh học qua nhiều cơ chế khác nhau.
Hoạt động quá mức của chu trình GABA có thể giúp hạn chế sự lây lan của các loại nấm hoại tử như Botrytis, đồng thời GABA chống lại côn trùng bằng cách ức chế trực tiếp hoặc kích thích các phản ứng phòng thủ nội sinh của thực vật Chức năng kép của GABA như một chất chuyển hóa và thành phần của hệ thống truyền tín hiệu giúp thực vật ứng phó hiệu quả với nhiều điều kiện môi trường khác nhau Ngoài ra, ứng dụng ngoại sinh GABA mang lại hiệu quả tương tự như các phân tử nội sinh, góp phần nâng cao khả năng sống sót và tăng cường sức khỏe tổng thể của cây trồng.
Mặc dù GABA được sản xuất với số lượng dồi dào bởi vi sinh vật, tuy nhiên vai trò của GABA đối với chúng vẫn còn cần phải được nghiên cứu rõ hơn Hiện nay, các nghiên cứu về vai trò của GABA chủ yếu tập trung vào các điều kiện stres do axit, nhưng GABA còn đóng vai trò quan trọng trong nhiều loại stres khác Chu trình chuyển hóa GABA được cho là tham gia vào quá trình chuyển hóa glutamate, hỗ trợ hiệu ứng anaplerosis và phản ứng với stres oxy hóa, góp phần vào khả năng thích nghi của vi sinh vật trong môi trường khắc nghiệt.
Trong điều kiện stress axit, vi sinh vật sản xuất GABA thông qua hệ thống GAD, giúp điều chỉnh độ pH của dịch bào Tính kháng axit này thường xuất hiện ở các loại vi khuẩn, khi cảm ứng, GAD xúc tác quá trình khử carboxyl của glutamat, loại bỏ H+ và giảm độ axit Nhờ khả năng kháng axit này, vi khuẩn gây hư hỏng và bệnh có thể phát triển trên thực phẩm có tính axit, góp phần gây hư hỏng thực phẩm.
GAD được sử dụng bởi vi khuẩn gây bệnh để tồn tại trong điều kiện pH axit thấp của ruột, khoảng pH 3,5, giúp chúng thích nghi với môi trường tiêu hóa Nghiên cứu của Francis và cộng sự cho rằng hệ thống GAD trong chu trình GABA có thể đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự tồn tại và tăng trưởng của L monocytogenes trong điều kiện thiếu oxy Ngoài ra, vi khuẩn probiotic sống trong ruột còn có khả năng bổ sung các lợi ích cho sức khỏe sinh vật, góp phần nâng cao hệ miễn dịch và duy trì cân bằng vi sinh vật đường ruột.
1.2.3.2 Vai trò và ứng dụng của GABA đối với sức khỏe con người
GABA là chất dẫn truyền thần kinh ức chế quan trọng trong não bộ và có nhiều chức năng sinh lý được nghiên cứu rõ ràng Nghiên cứu cho thấy GABA giúp giảm huyết áp đáng kể ở chuột tăng huyết áp tự phát sau khi sử dụng từ 0,05-5,00 mg/kg, đặc biệt sau 4-8 giờ điều trị [138, 54] Thêm vào đó, các báo cáo còn chỉ ra rằng GABA cùng nattokinase có khả năng làm giảm huyết áp ở chuột bệnh tăng huyết áp [117] Ở người, việc tiêu thụ thực phẩm giàu GABA như phô mai chứa 16 mg GABA hàng ngày giúp giảm huyết áp trung bình và huyết áp tâm thu [103], trong khi bổ sung chế phẩm từ chlorella giàu GABA cũng đem lại giảm rõ rệt huyết áp tâm thu và tâm trương [115] GABA còn thể hiện tác dụng chống đái tháo đường, làm giảm mức đường huyết ở chuột mắc bệnh tiểu đường và tăng tiết insulin qua việc tiêu thụ chè giàu GABA [64, 82].
Việc tiêu thụ GABA làm tăng đáng kể tiết insulin ở chuột bình thường, nhưng không có tác dụng rõ ràng đối với chuột mắc bệnh tiểu đường, mặc dù vai trò của GABA trong quá trình này vẫn chưa được hoàn toàn hiểu rõ Trong suy thận mãn tính, GABA giúp cải thiện chức năng thận, ức chế sự tiến triển của bệnh, điều hòa huyết áp và nâng cao hồ sơ lipid, đồng thời giảm stress oxy hóa bằng cách kích hoạt các enzyme chống oxy hóa GABA còn ức chế sự phát triển của tế bào ung thư đường mật và ung thư ống mật, hỗ trợ kiểm soát các bệnh này hiệu quả Uống GABA giúp tăng sóng alpha và giảm sóng beta trong não, tạo cảm giác thư giãn và giảm lo lắng, đồng thời tăng cường hệ miễn dịch qua việc nâng cao nồng độ IgA trong điều kiện căng thẳng Các sản phẩm lên men hoặc bổ sung GABA có thể mang lại lợi ích cho sức khỏe của chuột và con người ở một số liều lượng nhất định, tuy nhiên, các thử nghiệm lâm sàng về tác dụng của thực phẩm và đồ uống chứa GABA vẫn cần được mở rộng để xác nhận lợi ích cho sức khỏe con người.
1.2.4 Sản xuất và sản phẩm GABA thương mại
Ch ế bi ế n chè giàu GABA b ằ ng lên men vi sinh v ậ t
1.3.1 Thực phẩm giàu GABA bằng lên men vi sinh vật
1.3.1.1 Thực phẩm lên men chứa GABA
GABA đã được phân lập từ nhiều nguồn tự nhiên như lá chè, lá dâu tằm, cà chua, các nguồn động vật, vi khuẩn axit lactic (LAB), nấm men và nấm mốc, mang lại lợi ích đáng kể cho sức khỏe Ngoài ra, GABA còn xuất hiện trong các loại thực phẩm và đồ uống lên men như tempe, dadih, sầu riêng lên men, băng singkong, ikan budu, rượu sake, sữa chua-sake, bột chua, dâu tằm bia, kim chi và pho mát zlatar, giúp nâng cao chất lượng dinh dưỡng của các món ăn truyền thống và hỗ trợ các quá trình sinh lý trong cơ thể.
Sản xuất γ-aminobutyric axit bằng thực vật và động vật không dễ dàng
Nồng độ GABA trong thực vật thường thấp và cơ chế sản xuất còn chưa rõ ràng, dẫn đến sự phụ thuộc vào vi sinh vật để sản xuất GABA hiệu quả hơn Các nghiên cứu đã tập trung vào phương pháp sản xuất GABA bằng vi sinh vật do quá trình này dễ kiểm soát và mang lại hiệu quả cao Bên cạnh đó, sản xuất GABA bằng vi sinh vật còn là phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp hóa học, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.
Vi sinh vật hiện diện khắp nơi nhưng chủ yếu được phân lập từ thực phẩm và đồ uống lên men, nơi quá trình lên men liên quan đến vi khuẩn, nấm men và nấm mốc để tạo ra GABA Quá trình sản xuất GABA dựa trên các vi sinh vật trong thực phẩm lên men có tiềm năng phát triển rất lớn Nhờ vào sự sẵn có của các chất dinh dưỡng trong thực phẩm, cùng với hoạt động của vi sinh vật, việc tổng hợp GABA diễn ra một cách tự nhiên Để tối đa hóa hàm lượng GABA trong thực phẩm lên men, cần thiết phải tối ưu hóa quá trình lên men nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất GABA bằng lên men vi sinh vật được kiểm soát dễ dàng, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất Do đó, các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phát triển công nghệ lên men để nâng cao năng suất và chất lượng của GABA Việc kiểm soát các yếu tố như pH, nhiệt độ, nồng độ để tối ưu quá trình lên men được xem là chìa khóa thành công trong sản xuất GABA hiệu quả.
GABA được sản xuất thông qua vi sinh vật, với nhiều nghiên cứu tối ưu hóa đã được thực hiện như phân lập và tinh sạch vi sinh vật từ thực phẩm và đồ uống lên men, xác định hoạt động của enzym GAD trong môi trường đã chọn, định danh các vi sinh vật tạo ra lượng GABA cao nhất, và tối ưu hóa quá trình phát triển của các chủng vi sinh vật đã chọn để nâng cao năng suất GABA.
Các nghiên cứu đã xác định các loại vi sinh vật đặc biệt trong nhóm Lactobacillus, như Lactobacillus plantarum, L pentosus SS6, L brevis, Leuconostoc mesenteroides, L lactis và Streptococcus thermophilus, có khả năng thúc đẩy sự tạo GABA trong quá trình sản xuất thực phẩm và đồ uống lên men dưới các điều kiện phát triển tối ưu Các vi sinh vật này được lựa chọn dựa trên khả năng sinh GABA trong môi trường lên men, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và lợi ích sức khỏe của sản phẩm.
1.3.1.2 Vai trò của vi sinh vật trong sản xuất GABA
Quá trình tổng hợp γ-aminobutyric axit (GABA) từ L-glutamate diễn ra qua xúc tác của enzyme GAD, đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất Enzyme GAD được sản xuất bởi nhiều loại vi sinh vật khác nhau, bao gồm các vi khuẩn lactic (LAB), nấm men và một số loại nấm Trong đó, các vi khuẩn lactic như LAB đóng vai trò chủ yếu trong quá trình lên men và sản xuất GABA, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và lợi ích sức khỏe của sản phẩm.
Các chủng vi khuẩn như Streptococcus thermophilus, Lactobacillus brevis, L paracasei, L fitaii, L plantarum và Bifidobacterium tiensis có hoạt tính enzym GAD và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất GABA Những vi khuẩn này thường được phân lập từ các thực phẩm và đồ uống lên men như kim chi, pho mát zlatar, koumiss và kung-som, cùng với một số vi khuẩn được phát hiện trong cá biển tươi và ruột cá Axit glutamic decarboxylase cũng đã được xác định trong các loại nấm men như Saccharomyces cerevisiae và Kluyveromyces marxianus từ các sản phẩm lên men, trong đó S cerevisiae có hoạt tính GAD thấp hơn L plantarum do sử dụng GABA làm nguồn nitơ Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy L plantarum và S cerevisiae khi nuôi cấy chung trong bia dâu tằm cho hoạt tính tạo GABA cao hơn so với nuôi cấy riêng lẻ của từng chủng.
Aspergillus oryzae là loại nấm mốc quan trọng trong quá trình lên men gạo để sản xuất rượu sake, giúp tạo ra GABA có lợi cho sức khỏe Ngoài ra, Rhizopus oligosporus và R oryzae là những loại nấm mốc chủ đạo dùng để chế biến tempe—đậu tương lên men đạt đến hàm lượng GABA lên đến 1.770 mg/100 g khi sử dụng R microsporus var oligosporus IFO 32002 These fungi đóng vai trò then chốt trong quá trình lên men truyền thống, nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm lên men.
Láctobacillus (LAB) là những "nhà sản xuất" GABA được nghiên cứu nhiều nhất nhờ tính hiệu quả về kinh tế trong việc khởi động quá trình lên men và tạo ra hàm lượng GABA cao hơn so với các nhà sản xuất khác Cụ thể, hàm lượng GABA đạt tới 770 mg/100 g ở R oryzae IFO 4705 và R oryzae IFO 5438, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của các chủng vi khuẩn này trong lĩnh vực lên men sinh học và sản xuất GABA tự nhiên.
1.3.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất GABA và quá trình lên men
Nhiệt độ, pH, cơ chất và thời gian nuôi cấy là những yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng GABA được tổng hợp trong quá trình lên men vi sinh vật Các điều kiện tối ưu về nhiệt độ và pH giúp nâng cao hiệu suất sản xuất GABA, trong khi lựa chọn cơ chất phù hợp và thời gian nuôi cấy hợp lý cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình lên men diễn ra hiệu quả hơn.
Nhiệt độ tối ưu để tổng hợp GABA khác nhau tùy vào chủng vi khuẩn, ví dụ Wu và cộng sự đề xuất 30°C, trong khi Ohmori và cộng sự lại đề xuất 37°C Điều kiện pH tối ưu để tổng hợp GABA bởi L brevis là từ 3,5 đến 5, trong khi đó, Enterococcus faecium phát triển tốt nhất ở pH khoảng 7,74, với các cơ chất như maltose, tryptone và MSG Sự phát triển của E faecium tăng theo pH ban đầu, nhưng khi pH vượt quá 7,5, sản xuất GABA lại giảm, cho thấy pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp GABA vì GAD hoạt động chủ yếu trong môi trường axit và mất hoạt tính ở pH trên 5.
Hoạt động của GAD đạt hiệu quả tối ưu ở pH 4,5, trong đó sinh tổng hợp GABA góp phần làm tăng pH và axit được bổ sung trong quá trình lên men để duy trì mức pH phù hợp Ngoài ra, hoạt động của các enzym phân hủy GABA như GABA transaminase và SSADH cũng ảnh hưởng đến quá trình này Độ pH tối ưu cho quá trình lên men khác nhau: đối với L plantarum là pH 5 và L brevis là từ 3,5 đến 5, với mức tối ưu là 4,74, trong khi Saccharomyces cerevisiae có thể tiêu thụ GABA ở pH 8,4 bằng cách sử dụng SSADH, làm giảm lượng GABA tích tụ Trong các hệ vi sinh vật như Pseudomonas, GABA được sử dụng làm cơ chất ở pH 8,5 thông qua enzym GABA transaminase, hoạt động này có thể được điều chỉnh bằng cách thêm chất đệm để ức chế enzyme.
Trong môi trường, thành phần môi trường tác động đáng kể đến quá trình sinh tổng hợp GABA, với việc bổ sung glutamate nâng cao hiệu quả này Nghiên cứu cho thấy, sản xuất GABA của các chủng L paracasei và L brevis tăng rõ rệt khi thêm glutamate vào môi trường Thêm glutamate vào sữa chua-sake lên men bởi Streptococcus thermophilus Hp không chỉ làm tăng nồng độ GABA mà còn tạo ra các sản phẩm sữa đông giàu GABA, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng có lợi cho sức khỏe.
Nhiệt độ lên men đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất GABA, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của các loại vi sinh vật Đối với L brevis, nhiệt độ tối ưu để lên men là 30°C, trong khi S thermophilus phát triển tốt nhất ở 37°C, và L plantarum có thể hoạt động hiệu quả trong khoảng 30-36°C Việc duy trì nhiệt độ phù hợp giúp tối ưu hóa sinh khả dụng của GABA và nâng cao hiệu quả của quá trình lên men.
Thời gian lên men ảnh hưởng đến việc sản xuất GABA, tức là thời gian lên men càng lâu thì nồng độ GABA càng cao L plantarum DSM19463 và
Ch ế bi ế n chè giàu GABA b ằ ng lên men y ế m khí
1.4.1 Sự chuyển hóa GABA trong thực vật và trong lá chè
GABA trong thực vật chủ yếu được hình thành qua phản ứng không thuận nghịch của enzyme glutamat decarboxylase (GAD), cũng như từ sự phân hủy polyamine hoặc phản ứng không enzym từ proline dưới điều kiện stress oxy hóa GAD được biểu hiện khác nhau ở các cơ quan và giai đoạn phát triển của thực vật như Arabidopsis, phụ thuộc vào nồng độ Ca2+ và pH trung tính, và là một protein phụ thuộc calmodulin GABA permease (GABA-P) trong màng ty thể kết nối chu trình GABA với chu trình TCA, giúp hấp thu GABA vào ty thể để cung cấp năng lượng và carbon cho quá trình trao đổi chất GABA được chuyển hóa thành succinic semialdehyde (SSA) bởi enzyme GABA transaminase (GABA-T), trong đó có hai loại GABA-T sử dụng α-ketoglutarate hoặc pyruvate làm chất nhận amin, tạo thành glutamate hoặc alanine SSA sau đó được chuyển đổi thành succinate bởi SSA dehydrogenase (SSADH), trở thành thành phần trong chu trình TCA, tạo ra NADH dùng trong chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể, cuối cùng sinh ra ATP Sự điều khiển phản hồi âm của SSADH bởi NADH và ATP phản ánh cách tế bào điều chỉnh quá trình chuyển hóa GABA phù hợp với trạng thái sinh lý.
GABA được liên kết với các con đường khác ngoài TCAC, ví dụ: đường dẫn tín hiệu
Quan hệ giữa GABA và GHB vẫn chưa rõ ràng, nhưng việc bỏ qua chu trình TCA để ưu tiên chu trình GABA đã được chứng minh thông qua việc ức chế các enzym liên quan của chu trình TCA và sự bù đắp bằng cách tăng lưu lượng qua chu trình GABA Các thể đột biến của Arabidopsis thiếu chất vận chuyển GABA của ty thể lại cho thấy quá trình hấp thu GABA vào ty thể giảm, trong khi hoạt động của chu trình TCA lại tăng lên Ở thực vật, protein vận chuyển malate được kích hoạt bởi nhôm (ALMT) hoạt động như các thụ thể GABA bị ức chế bởi GABA và được kích hoạt bởi các anion, thường có sẵn trong mô thực vật Giả thuyết cho rằng sự điều khiển ALMT qua trung gian GABA là một con đường tín hiệu tiềm năng, có thể thay đổi điện thế màng và kích hoạt các phản ứng sinh lý trong toàn cây.
Sự phân bốvà đặc điểm của ALMT trong tế bào thực vật và trên mô thực vật vẫn chưa được làm rõ
1.4.2 Công nghệ lên men yếm khí và đặc điểm chè giàu GABA
Chè GABA (gamma-aminobutyric axit) hay chè Gabaron với tên gọi ở
Nhật Bản nổi bật với loại chè đặc biệt được làm giàu với GABA, có thể tăng hàm lượng nhờ áp dụng lặp lại điều kiện hiếu khí và yếm khí thay thế [100,89] Chè Gabaron chứa lượng GABA cao gấp 70 lần so với các loại chè thông thường [106], và tất cả các loại chè đều chứa GABA, có thể chế biến thành chè GABA (Bảng 1-1, Hình 1-4) Theo nghiên cứu của Huang và cộng sự [64], quy trình sản xuất chè Gabaron tối ưu bao gồm việc sử dụng lá tươi.
hút chân không và nạp nitơ (h) hút nitơ và nạp đầy ôxy (2 h) hút chân không và làm đầy nitơ (3 h) quy trình làm khô chè xanh
Bảng 1.1 Hàm lượng GABA (mg/l00g) của các loại chè khác nhau
Chè xanh Chè Ô long Chè đen Chè tr ắ ng Chè Ph ổ Nhĩ Chè GABA
*nmol/g, (A): ch ế bi ế n chân không, (B): ch ế bi ến ngâm chìm trong nướ c
Nhiều nghiên cứu cho thấy, hàm lượng GABA tăng lên trong lá chè xanh được bảo quản trong điều kiện yếm khí Theo nghiên cứu của Tsushida và cộng sự, khi bảo quản lá chè hái trong các loại khí khác nhau ở nhiệt độ phòng từ 5 đến 10 giờ, hàm lượng axit amin trong lá chè thay đổi đáng kể Cụ thể, khí nitơ và carbon dioxide đều giúp giảm rõ rệt hàm lượng axit aspartic và axit glutamic, đồng thời làm tăng đáng kể hàm lượng alanine và GABA trong lá chè.
Trong môi trường giàu ô xy, kết quả thu được hoàn toàn trái ngược với môi trường thiếu ô xy, khi sau 10 giờ xử lý, hàm lượng GABA trong khí nitơ và cacbon dioxide cao hơn lần lượt khoảng 8 và 10 lần so với trong công thức không khí, cho thấy quá trình yếm khí có thể tăng cường tích tụ GABA Các nhà nghiên cứu đã phát hiện rằng một lượng lớn GABA tích tụ trong chè xanh trong điều kiện yếm khí và cũng quan sát thấy sự tích tụ GABA trong các loại chè khác như ô long và trà đen khi sản xuất trong điều kiện này Việc ứng dụng quá trình yếm khí trong sản xuất chè GABA đóng vai trò quan trọng, với các quy trình cơ bản được thể hiện trong sơ đồ từ Hình 1-4, giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng của các loại chè này.
Hình 1.4 Các quy trình cơ b ản để s ả n xu ấ t chè GABA b ằ ng lên men y ế m khí
Để ngăn ngừa mất GABA trong quá trình lên men yếm khí của chè, các quy trình chần, vò và sấy khô cần được thực hiện ngay sau khi lên men để giữ gìn hàm lượng GABA trong thành phẩm (Theo Bostanci & Koca, 2017) Đối với chè GABA lên men như chè ô long và chè đen, quá trình lên men yếm khí phải diễn ra sau các bước làm héo nắng và làm héo trong nhà nhằm tránh mất GABA do quá trình không kiểm soát (100).
Quá trình lên men yếm khí phức tạp trong sản xuất chè GABA là điểm khác biệt chính so với các loại chè khác, ảnh hưởng lớn đến hàm lượng GABA và chất lượng sản phẩm Nghiên cứu cho thấy, hàm lượng GABA tăng theo thời gian lên men yếm khí và cao hơn trong mùa xuân, mùa đông so với mùa hè và mùa thu Thời gian và loại khí tác động chính đến lượng GABA trong lá chè, trong khi nhiệt độ không ảnh hưởng nhiều Điều kiện lý tưởng để xử lý chè tươi nhằm tối ưu hóa hàm lượng GABA là chân không, nhiệt độ 25°C và thời gian 8 giờ Ngoài ra, việc giữ cây chè trong môi trường nitrogen trong 8 giờ rồi tiếp xúc với không khí mát trong 3 giờ, kết hợp quá trình lên men yếm khí và sấy khô, giúp tạo ra chè GABA chất lượng cao Các nghiên cứu còn xác định, hàm lượng GABA cao nhất thu được khi chiết xuất chè bằng rượu etylic 25% ở nhiệt độ 95°C, giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.
Nghiên cứu của Wang và cộng sự [127] cho thấy chè GABA có hàm lượng các hợp chất hoạt tính sinh học cao hơn so với chè xanh sản xuất tại Đài Loan Cụ thể, GABA, alanin, amoniac, lysine, leucine và isoleucine xuất hiện rõ rệt hơn trong chè GABA, trong khi axit glutamic, axit aspartic và phenylalanin lại cao hơn trong chè xanh Ngoài ra, các hợp chất chống oxy hóa như catechin, epicatechin và epigallocatechin gallate lại có mức thấp hơn trong chè GABA so với chè xanh.
Sự khác biệt chính giữa trà GABA và trà xanh nằm ở hàm lượng GABA, axit glutamic, alanin, axit aspartic, tổng catechin, EGCG và EC, đặc biệt là GABA và axit glutamic Hầu hết các hợp chất khác giữa hai loại trà không có sự khác biệt đáng kể, cho thấy trà GABA gần như tương tự trà xanh về hoạt tính sinh học.
Zeng và cộng sự [139] đã phân tích các thành phần dễ bay hơi của trà GABA, phát hiện rằng trà GABA có màu sắc tương tự trà ô long và mùi thơm giống như trà đã nấu chín pha chút chua Họ xác định rằng hàm lượng các hợp chất như 2,6-bis(l,1-dimethylethyl)-4-metylphenol, metyl myristat, metyl laurat và metyl palmitat cao hơn so với trà xanh thông thường Các thành phần hương thơm đặc trưng của trà GABA được hình thành qua quá trình xử lý chân không, trong đó metyl myristat, hexadecan, metyl laurat và metyl palmitat đóng vai trò chính, còn với trà GABA làm bằng phương pháp ngâm nước, các hợp chất nổi bật bao gồm 2,6-bis(1,1-dimethylethyl)-4-metylphenol và 1-octanol.
1.4.3 Lợi ích của chè giàu GABA
Chè GABA đã trở thành thức uống phổ biến ở châu Á nhờ những lợi ích về sức khỏe như chống oxy hóa, chống tăng huyết áp, giảm đường huyết và chống apoptosis Quá trình sản xuất chè GABA tương tự chè xanh, nhưng đòi hỏi ủ yếm khí để tăng hàm lượng GABA và alanin, đồng thời giảm hàm lượng axit glutamic và aspartic GABA, một chất dẫn truyền thần kinh ức chế, có tác dụng chống tăng huyết áp và giúp điều hòa huyết áp, như đã chứng minh qua các nghiên cứu trên chuột Các loại chè giàu GABA giúp cải thiện sức khỏe, chống bệnh tiểu đường và có tác dụng bảo vệ hệ thần kinh trung ương.
[22] Chè GABA cũng đã được chứng minh là giúp ngủ ngon [29]
Nghiên cứu của Huang và cộng sự cho thấy chè GABA ảnh hưởng tích cực đến quá trình apoptosis và autophagy trong vỏ não chuột mắc bệnh tiểu đường do streptozotocin (STZ) gây ra, góp phần làm giảm các tổn thương tế bào não liên quan đến bệnh Trong khi đó, Cherng và cộng sự đã khám phá tác động của chè GABA đối với tim trên mô hình chuột mắc bệnh tiểu đường, sử dụng liều 55 mg/kg STZ để tạo ra bệnh tiểu đường, cho thấy chè GABA có thể có lợi trong việc bảo vệ chức năng tim của bệnh nhân tiểu đường.
Nghiên cứu cho thấy việc uống chiết xuất chè GABA với liều lượng 4,55 và 45,5 mg/kg/ngày trong 6 tuần giúp đưa mức đường huyết đói trở về mức bình thường ở chuột mắc bệnh tiểu đường Chè GABA không chỉ ức chế xơ hóa cơ tim do STZ gây ra mà còn giảm mức protein TNF-alpha, Fas, hoạt hóa caspase-8 và caspase-3, cho thấy khả năng bảo vệ tim mạnh mẽ Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng tác dụng ức chế của chè GABA đối với xơ hóa cơ tim có thể qua trung gian làm giảm lượng đường trong máu và giảm biểu hiện của các yếu tố gây độc tế bào như TNF-alpha và quá trình chết theo phương thức phối tử Fas, mang lại triển vọng điều trị tiểu đường hiệu quả.
GABA hoạt động như một chất thư giãn tự nhiên, giúp giảm lo âu và tăng cường hệ miễn dịch trong điều kiện căng thẳng Ngoài ra, GABA còn có vai trò sinh lý quan trọng trong nhiều hệ thống ngoài não bộ, như điều hòa chức năng tim mạch, ức chế sự di căn của tế bào ung thư, và kiểm soát hoạt động của thận Sự khác biệt đáng kể giữa chè GABA và chè xanh nằm ở thành phần như GABA, axit glutamic, alanin, axit aspartic, tổng catechin, EGCG và epicatechin, đặc biệt là GABA và axit glutamic, giúp chè GABA mang lại những lợi ích sức khỏe đặc biệt.
M ộ t s ố nghiên c ứ u th ự c ph ẩ m và chè giàu GABA ở Vi ệ t Nam
1.5.1 Thực phẩm giàu GABA bằng lên men vi sinh vật
Tác giả Trịnh Tất Cường và cộng sự [3] thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệenzym và protein, Trường đại học Khoa học tựnhiên, Đại học
Hà Nội đã thực hiện đề tài cấp bộ nhằm nghiên cứu quy trình sản xuất axit Gamma Amino Butyric (GABA) từ lên men dịch cám gạo bằng Lactobacillus để ứng dụng làm thực phẩm chức năng Nhóm tác giả đã lựa chọn được chủng vi khuẩn phù hợp để tối ưu hóa quá trình lên men và nâng cao hiệu quả sản xuất GABA Nghiên cứu này góp phần phát triển nguồn nguyên liệu tự nhiên, an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng Các kết quả đạt được mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm chức năng của Việt Nam.
Lactobacillus từ dưa muối có khả năng tổng hợp GABA, và nghiên cứu đã xác định các điều kiện phù hợp cho quá trình lên men như pH, nhiệt độ, và tỷ lệ O2 để tối ưu hóa sản phẩm Quá trình lên men dịch cám gạo đã được điều chỉnh nhằm tăng hiệu quả sản xuất GABA, đồng thời phương pháp kết tinh đã được áp dụng để sản xuất GABA ở dạng bột Kết quả nghiên cứu đã phân lập thành công chủng Lactobacillus plantarum KLEPT từ dịch dưa muối và xây dựng quy trình sản xuất GABA từ dịch lên men cám gạo sử dụng chủng vi khuẩn này.
KLEPT Hàm lượng GABA thu được tương đối cao 660 mM, tương đương với
700 gam GABA trong 10 lít dịch lên men Quá trình thực hiện cho thấy, việc sản xuất GABA tương đối đơn giản và có giá thành khá thấp
1.5.2 Thực phẩm giàu GABA từ hạt nảy mầm
Các loại hạt ngũ cốc và đậu chứa hàm lượng protein cao và rất cao, trong đó có chứa hợp chất glutation tập trung ở lớp cám và phôi của hạt Khi hạt hấp thụ đủ nước để đạt độ ẩm khoảng 30-40%, hệ enzym thủy phân trong hạt được kích hoạt và chuyển đổi sang dạng hòa tan Dưới tác động của enzym thủy phân, hợp chất glutation phân giải thành các hợp phần gồm glycocol, cystein và glutamic, trong đó axit glutamic là nguyên liệu quan trọng để tổng hợp GABA trong phôi hạt khi nảy mầm.
Gạo lứt là loại gạo đã bỏ lớp trấu nhưng vẫn giữ nguyên phôi của hạt, và khi hấp thụ đủ nước ở nhiệt độ phù hợp, các enzym oxi hóa khử và thủy phân sẽ chuyển từ trạng thái liên kết sang hòa tan, kích hoạt quá trình sinh lý và sinh hóa Quá trình này thúc đẩy sự tổng hợp GABA trong gạo lứt nảy mầm, với hàm lượng GABA phụ thuộc chính vào chất lượng gạo, nhiệt độ, thời gian nảy mầm, tỷ lệ hạt hút nước cùng các yếu tố khác.
Nghiên cứu về sự tích lũy GABA trong gạo lứt huyết rồng nảy mầm cho thấy, khi nảy mầm ở nhiệt độ 35°C trong 42 giờ, lượng GABA thu được là 159,81 mg/100g (Cung Tố Quỳnh [10]) Trong cùng điều kiện, gạo Jasmin cho kết quả thấp hơn, với 148,43 mg/100g Tuy nhiên, nảy mầm gạo Jasmin ở 37°C trong 24 giờ chỉ thu được 37,56 mg/100g GABA (Phạm Quang Trung và Nguyễn Công Hà [102]) Ngoài ra, nhóm tác giả Nguyễn Văn Toản [13] đã nghiên cứu hàm lượng GABA trong giống gạo lứt Vĩnh Hòa, tập trung vào các điều kiện nảy mầm khác nhau.
Đậu xanh là một trong những loại đậu phổ biến nhất ở Việt Nam, chứa hàm lượng protein từ 20-24% chất khô và nhiều axit amin quý như leucin, isoleucine, valine, glutamic Trong đó, hàm lượng glutamic acid cao giúp cung cấp nguyên liệu cho quá trình tổng hợp GABA Nghiên cứu của Đống Thị Anh Đào đã xác định điều kiện tối ưu để tăng hàm lượng GABA trong hạt đậu xanh, với pH 5,83, nhiệt độ nảy mầm 36,6°C, thời gian nảy mầm 14,5 giờ, đạt mức GABA cao nhất 1638,67 ppm Quá trình ngâm hạt ở 34°C trong 20 giờ và ủ mầm trong 32 giờ ở nhiệt độ 36°C giúp thu được hàm lượng GABA tối đa 87,76 mg/100g, gấp 5 lần so với gạo chưa nảy mầm.
1.5.3 Chế biến chè lên men và chè giàu GABA ở Việt Nam
Nghiên cứu sản xuất chè lên men (chè Phổ Nhĩ Việt Nam) bắt đầu từ năm 2012 với đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu sản xuất chè đặc sản Shan tuyết bằng công nghệ lên men” và kết thúc vào năm 2019 bằng dự án thử nghiệm “Sản xuất chè lên men từ chè shan tuyết Hà Giang để phục vụ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu” Các nhà khoa học đã phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật phù hợp cùng quy trình sản xuất sinh khối vi sinh vật, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong điều kiện sản xuất tại Việt Nam Kết quả nghiên cứu xác nhận rằng nguồn chè shan nội địa hoàn toàn có thể sản xuất ra các loại chè lên men phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng trong nước, đồng thời có tiềm năng mở rộng thị trường sang Trung Quốc và các nước châu Á khác, tạo giá trị cao từ nguồn nguyên liệu chè phong phú.
Các nhà khoa học tại Trường Cao đẳng Công nghiệp Thực phẩm đã nghiên cứu sản xuất chè GABA, một loại chè giàu γ-aminobutyric axit, dựa trên công nghệ sản xuất chè đen phổ biến ở Việt Nam Những kết quả bước đầu cho thấy khả năng phát triển sản phẩm chè GABA theo tiêu chuẩn cạnh tranh trên thị trường nội địa và quốc tế Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong ngành công nghiệp sản xuất chè Việt Nam, góp phần đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người tiêu dùng.
Nhóm tác giả Nguyễn Quốc Sinh và cộng sự tại Trường đại học Nông Lâm Huế đã nghiên cứu quy trình lên men yếm khí để sản xuất chè giàu GABA, nhằm tăng cường hàm lượng hợp chất hoạt tính sinh học trong lá chè tươi Kết quả cho thấy, hàm lượng GABA tăng đáng kể khi lên men ở nhiệt độ thích hợp, với điều kiện tối ưu là 40ºC trong 9 giờ Trong quá trình này, hàm lượng GABA đạt mức cao nhất là 202,77 mg/100 g chè khô, cùng với nồng độ polyphenol 22,30%, cafein 2,39% và chất rắn hòa tan 36,25% dung môi, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm chè lên men.
K ế t lu ậ n t ừ t ổ ng quan và gi ả thuy ế t nghiên c ứ u
1.6.1 Những kết luận rút ra từ tổng quan
Cây chè phổ biến ở Châu Á, đặc biệt tại Việt Nam, với sản phẩm chè chế biến đa dạng và được ưa chuộng trên toàn thế giới từ lâu đời Chè chứa thành phần hóa học phong phú, bao gồm nhiều hoạt chất sinh học có lợi cho sức khỏe như gamma-aminobutyric axit (GABA) Việt Nam có tiềm năng lớn trong lĩnh vực trồng, chế biến và xuất khẩu các sản phẩm chè chất lượng cao Hiện tại, các loại chè chính được sản xuất gồm chè xanh và chè đen: chè xanh chủ yếu tiêu thụ trong nước, còn chè đen chủ yếu xuất khẩu ra thị trường quốc tế Tuy nhiên, các nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm chè lên men vẫn còn hạn chế, mở ra cơ hội phát triển mới cho ngành chè Việt Nam.
Gamma-aminobutyric axit (GABA) là hợp chất có giá trị cao đối với sức khỏe con người, mang lại nhiều lợi ích cho cơ thể GABA có thể được tổng hợp hóa học, nhưng do những hạn chế về an toàn và hiệu quả, phương pháp sản xuất chủ yếu dựa vào quá trình sinh tổng hợp tự nhiên từ vi sinh vật và thực vật Sản xuất GABA thương mại quy mô công nghiệp chủ yếu dựa trên quá trình lên men vi sinh vật, trong đó vi khuẩn lactic là loại vi sinh vật được ứng dụng phổ biến nhất để tạo ra GABA cho các sản phẩm thực phẩm chức năng và bổ sung dinh dưỡng.
Có nhiều phương pháp để thu nhận chè giàu GABA, trong đó phổ biến, hiệu quả, an toàn và kinh tế nhất là phương pháp lên men nhờ vi sinh vật và lên men yếm khí Phương pháp lên men bằng vi sinh vật thường được áp dụng tại Trung Quốc, nơi có lịch sử lâu đời về quá trình lên men chè Trong khi đó, phương pháp lên men yếm khí bắt nguồn từ Nhật Bản, nổi tiếng với sản phẩm chè Gabaron có hàm lượng GABA cao.
Trong phương pháp lên men vi sinh vật để sản xuất GABA, việc chọn vi sinh vật phù hợp là yếu tố quyết định, với vi khuẩn lactic lên men được sử dụng phổ biến nhất để tối ưu hóa sản lượng Đồng thời, quá trình sản xuất giống men đảm bảo chất lượng và điều kiện lên men cần được kiểm soát chặt chẽ để đạt hiệu quả cao và ổn định trong quá trình ủ GABA.
Chọn chân không để lên men yếm khí mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với sử dụng khí nito hay CO2 Việc xử lý yếm khí qua nhiều chu kỳ giúp tăng cường đáng kể sản lượng GABA, nâng cao hiệu quả quá trình lên men.
Mặc dù đã có nhiều kết quả nghiên cứu và sản phẩm chè giàu GABA đạt được nhờ công nghệ lên men vi sinh vật hoặc lên men yếm khí, nhưng nghiên cứu kết hợp cả hai phương pháp công nghệ này vẫn còn rất hạn chế Điều này mở ra cơ hội và ý tưởng mới cho các nghiên cứu trong lĩnh vực phát triển chè giàu GABA bằng công nghệ lên men đa phương pháp.
Trong những năm gần đây, Việt Nam đã quan tâm đáng kể đến việc sản xuất thực phẩm giàu GABA thông qua phương pháp nảy mầm hạt, như gạo lứt nảy mầm bằng cách ngâm yếm khí trong nước, hoặc bằng quá trình lên men vi sinh vật Tuy nhiên, các nghiên cứu về sản xuất chè lên men và đặc biệt là chè giàu GABA vẫn rất hạn chế, với công trình duy nhất được công bố trong nước thuộc Trường Đại học Nông Lâm Huế, chỉ sau khi đề tài luận án bắt đầu, nhưng quy mô nghiên cứu vẫn còn nhỏ và chưa tạo ra sản phẩm thương mại.
1.6.2 Những định hướng và giả thuyết nghiên cứu của luận án
Để tăng hàm lượng GABA trong quá trình chế biến chè đen, cần chú trọng bổ sung công đoạn lên men yếm khí sau công đoạn vò chè và trước khi bắt đầu quá trình lên men hiếu khí Công đoạn này giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi sinh học, nâng cao chất lượng chè và thiêu thụ lượng GABA tự nhiên Sơ đồ công nghệ đề xuất minh họa rõ ràng bước thực hiện này và đảm bảo sự liên kết hợp lý giữa các giai đoạn chế biến, từ đó nâng cao giá trị sản phẩm chè đen.
(b) Định hướng tạo sản phẩm chè giàu GABA của luận án là chè đen vì loại chè này đang được chế biến và xuất khẩu nhiều nhất ở Việt Nam
Trong quá trình lên men yếm khí, sự kết hợp giữa lên men bằng vi sinh vật (lên men lactic trong môi trường thiếu oxi) giúp tối ưu hóa sản phẩm cuối cùng Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành GABA, mang lại lợi ích về sức khỏe và nâng cao chất lượng sản phẩm Công đoạn lên men yếm khí kết hợp xử lý môi trường nhằm thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn lactic và tối đa hóa hàm lượng GABA trong sản phẩm cuối cùng.
Nghiên cứu có tính tổng thể nhằm giải quyết triệt để một vấn đề, bằng cách chọn tạo chủng giống thích hợp và có hiệu lực cao từ các loại vi khuẩn lactic để nhân giống và lưu giữ giống cây chè Đồng thời, các giống chè phù hợp cũng được khảo sát kỹ lưỡng nhằm đề xuất nguồn nguyên liệu chè phù hợp cho công nghệ sản xuất chè giàu GABA, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
Các thông số quan trọng của quy trình công nghệ cần được tối ưu hóa để đảm bảo sản phẩm chè không chỉ có hàm lượng GABA cao mà còn đạt được chất lượng cảm quan tốt Việc điều chỉnh các yếu tố này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giữ lại các đặc tính về mùi vị, màu sắc và độ giòn của chè, từ đó mang lại sản phẩm đạt chuẩn đáp ứng yêu cầu người tiêu dùng Tối ưu hóa quy trình công nghệ là bước then chốt để kết hợp giữa hàm lượng GABA cao và chất lượng cảm quan tối ưu của chè.
(g) Quy trình công nghệ tạo chè giàu GABA cần được tiến hành ở quy mô pilot và sản xuất thử nghiệm nhằm kiểm định, hoàn thiện công nghệ
1.6.2.1 Gi ả thuy ế t nghiên c ứ u c ủ a lu ậ n án
Giả thuyết này đề xuất rằng việc bổ sung công đoạn lên men vi khuẩn lactic trong môi trường yếm khí có thể làm tăng hàm lượng GABA so với việc chỉ thực hiện lên men vi khuẩn lactic hoặc chỉ lên men yếm khí mà không kết hợp Các nghiên cứu cho thấy quá trình lên men đồng thời cả hai yếu tố này có khả năng tối ưu hóa khả năng tổng hợp GABA, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao giá trị dinh dưỡng và lợi ích sức khỏe của sản phẩm lên men Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng trong phát triển các sản phẩm thực phẩm chức năng có hàm lượng GABA cao, đồng thời thúc đẩy sự hiểu biết về cơ chế tương tác giữa các quá trình lên men trong môi trường yếm khí.
Thời điểm bổ sung công đoạn lên men yếm khí sau khi vò chè và trước khi lên men hiếu khí được xác nhận là chính xác nhất dựa trên thực nghiệm, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển hóa của quá trình lên men chè Giả thuyết này cho thấy rằng việc tiến hành lên men yếm khí vào đúng thời điểm sẽ tối ưu hóa quá trình chuyển hóa, góp phần nâng cao chất lượng và hương vị của chè thành phẩm.
Giả thuyết 3: Quá trình lên men yếm khí và lactic có thểlàm thay đổi tính chất cảm quan của sản phẩm mặc dù hàm lượng GABA tăng đáng kể
Giả thuyết này cho rằng, một số chủng vi khuẩn lactic được chọn lọc có khả năng sinh tổng hợp GABA trong môi trường nuôi cấy phù hợp Những chủng vi khuẩn này không chỉ có tốc độ sinh trưởng tốt mà còn tạo ra hàm lượng GABA cao khi được nuôi cấy trên nguyên liệu chè Đây là tiềm năng quan trọng trong ứng dụng phát triển các sản phẩm từ chè giàu GABA tự nhiên, mang lại lợi ích cho sức khỏe người tiêu dùng.
Giả thuyết 5 đề xuất quy trình công nghệ sản xuất chè giàu GABA được nâng cấp quy mô và hoàn thiện, nhằm đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng không chênh lệch đáng kể so với kết quả từ các thử nghiệm quy mô nhỏ Việc mở rộng quy trình sản xuất này có thể giúp đảm bảo tính đồng nhất, hiệu quả và giá trị của chè GABA trên quy mô lớn, đáp ứng yêu cầu thị trường Nghiên cứu này cung cấp nền tảng cho việc phát triển sản phẩm chè GABA thương mại, duy trì chất lượng cao trong quá trình sản xuất hàng loạt.
Hình 1.5 Sơ đồ kh ố i quy trình công ngh ệ s ả n xu ất chè đen GABA d ự ki ế n