BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: PHẠM THỊ HOÀN SVTH:HUỲNH THỊ KIM EM NGUYỄN THỊ NGỌC HUYỀN S
TỔNG QUAN
Tổng quan về đậu bắp
2.1.1 Giới thiệu chung Đậu bắp [Abelmoschus esculentus (L.) Moench] (Hình 2.5), là một loại rau dinh dưỡng, giàu flavonoid, polyphenol, polysaccharide, các acid amin và các chất có hoạt tính sinh học khác Đậu bắp được phân loại khoa học như ở Bảng 2.1
Bảng 2 1 Phân lớp theo Van Borssum Waalkes (1966) của đậu bắp
Tên nhị thức Latinh của đậu bắp là Abelmoschus esculentus và Hibiscus esculentus
Cây đậu bắp, thường được gọi là bhindi ở Ấn Độ, krajiab kheaw ở Thái Lan, và có nhiều tên gọi khác như ochro, okoro, quimgombo, quingumbo, gombo, kopi arab, và kacang bendi ở Đông Nam Á Tại Trung Đông, nó được biết đến với tên bamia, bamya hoặc bamieh, trong khi ở miền Nam Hoa Kỳ, nó được gọi là gumbo, và ở Anh, nó được gọi là Ladies Fingers.
Đậu bắp, một loại rau phổ biến, được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau trên thế giới: quiabo và quimbombo ở Bồ Đào Nha và Angola, gombo commun, gombo, gumbo ở Pháp, mbamia và mbinda ở Thụy Điển, và okura ở Nhật Bản Ngoài ra, ở Đài Loan, đậu bắp được gọi là qiu kui.
Đậu bắp, một trong những loại cây trồng lâu đời nhất, lần đầu tiên được ghi chép bởi người Ai Cập vào năm 1216 sau Công Nguyên Theo nhà thực vật học Vavilov, cây đậu bắp đã phát triển trước đó ở Ethiopia, trong khi một số nhà khoa học khác cho rằng nguồn gốc của nó là từ miền Bắc Ấn Độ Sau đó, đậu bắp lan rộng khắp khu vực Địa Trung Hải và đến toàn thế giới Vào đầu những năm 1700, cây đậu bắp được đưa vào các thuộc địa của Mỹ bởi những người nô lệ từ Châu Mỹ hoặc thực dân Pháp, và từ đó, nó đã trở nên phổ biến trong giới nhà vườn.
❖ Phân loại Đậu bắp trước đây được xếp vào giống Hibiscus, thuộc chi Abelmoschus trong họ
Chi Abelmoschus thuộc họ Malvaceae, bao gồm từ 6 đến 20 loài thảo mộc ngắn ngày hoặc dài ngày, tùy thuộc vào phân loại Được đề xuất nâng lên thành chi riêng biệt bởi Medikus vào năm 1787, tên Abelmoschus đã trở nên phổ biến trong phân loại và văn học hiện đại Tại Việt Nam, chi đậu bắp (Abelmoschus Medic.) được công nhận với 3 loài, bao gồm đậu bắp (A esculentus) dùng làm rau ăn, sâm bố chính (A sagittifolius) có giá trị làm thuốc, và vông vang (A moschatus) cung cấp tinh dầu.
Đậu bắp được phân bố rộng rãi trên toàn cầu, từ khu vực Địa Trung Hải đến các vùng xích đạo, đặc biệt phổ biến ở các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới Châu Phi và Châu Á có diện tích trồng đậu bắp đáng kể, với việc được canh tác trong các vườn hoặc trang trại thương mại lớn Một số quốc gia trồng đậu bắp thương mại bao gồm Ấn Độ, Nhật Bản, Thổ Nhĩ Kỳ, Iran, Tây Phi, Bangladesh, Afghanistan, Pakistan, Myanmar, Malaysia, Thái Lan, Brazil, Ethiopia, Cyprus và miền Nam Hoa Kỳ.
2007) Hình 2.1 cho thấy sự phân bố địa lý của các loài đậu bắp được trồng trọt và các loài hoang dã (Department of Biotechnology, 2009)
Đậu bắp, cả thuần hóa và hoang dã, chủ yếu phân bố ở khu vực Đông Nam Á, được coi là trung tâm đa dạng sinh học Sự mở rộng của các loài đậu bắp khác là do quá trình du nhập vào Châu Phi và Châu Mỹ (Department of Biotechnology, 2009).
2.1.2 Đặc điểm sinh học Đậu bắp là một loại rau nhiệt đới, được trồng bằng cách gieo hạt trực tiếp với thời gian trưởng thành từ 90-100 ngày, chúng thuộc loại cây lưỡng tính, thân thảo thường mọc thẳng với số nhánh sinh trưởng không xác định; nó thường phát triển với chiều cao từ 0,9 đến 2,4m
❖ Rễ cây Đậu bắp có hệ thống rễ phức tạp: với rễ cái đâm sâu và rễ nông dày đặc ở độ sâu 46cm dưới đất
Thân đậu bắp là thân bán gỗ, có màu xanh hoặc đôi khi hơi đỏ, mọc thẳng và phân nhánh với nhiều nhánh ngắn Chiều cao của cây dao động từ 0,9m ở giống lùn đến 2,13 hoặc 2,44m ở các giống khác.
Hình 2 2 Thân cây đậu bắp
Cây đậu bắp có lá lớn, màu xanh đậm, xen kẽ với cuống nhỏ và thường có lông Mép lá có thể gợn sóng hoặc xẻ thùy sâu, với hình dạng tim đơn giản, thường có từ 3-7 thùy và gân lá hình lòng bàn tay Chiều dài lá có thể đạt tới 30,48 cm.
Hoa đậu bắp nở theo chiều thẳng đứng, với tần suất 2 đến 3 ngày một lần Từ tầng lá thứ sáu đến thứ tám, mỗi nách lá xuất hiện một búp hoa, phát triển thành năm cánh hoa lớn màu vàng rực rỡ, có đốm đỏ và tím ở gốc Hoa có chiều dài từ 2 đến 2,5 cm và đường kính khoảng 5,08 cm, hầu hết đều lưỡng tính và một số đơn tính Khi cây đậu bắp phát triển, nụ hoa thấp nhất sẽ nở vào buổi sáng và khép lại vào chiều muộn, mỗi bông hoa sẽ trở thành một quả đậu bắp.
Quả đậu bắp có hình dạng nang dài, với chiều dài từ 10 - 30 cm và đường kính từ 1 - 4 cm, tùy thuộc vào từng loại Vỏ quả thường có gân và màu sắc của quả chưa trưởng thành có thể từ xanh lục vàng đến xanh đậm, thỉnh thoảng xuất hiện màu xanh tím, đỏ, nâu đỏ hoặc hơi trắng Sắc tố đỏ cũng có thể xuất hiện ở thân, gân lá, cuống lá và gốc cánh hoa, làm tăng giá trị thẩm mỹ cho cây.
Quả đậu bắp trưởng thành chứa hạt hình bầu dục, cứng và có màu xanh đậm hoặc nâu, với kích thước hạt dao động từ 5,670 đến 15,120 hạt/lb (12,500 đến 33,300 hạt/kg) (William, 1999; Department of Biotechnology, 2009).
2.1.3 Thành phần hóa học của đậu bắp
Thành phần hóa học của quả đậu bắp cho thấy nước là thành phần chính, chiếm 89,60g trong 100g đậu bắp tươi Tổng carbohydrate chiếm 6,40g/100g, là thành phần dồi dào trong quả Hàm lượng carbohydrate phân bổ khác nhau ở các bộ phận của quả, với sự hiện diện của đường sucrose trong hầu hết các giai đoạn phát triển của hạt Các loại đường oligosaccharide như raffinose, stachyose và verbascose chỉ có trong hạt khô, trong khi monosaccharide được tìm thấy ở nhiều dạng khác nhau Vỏ đậu bắp chứa chất nhầy, chủ yếu là polysaccharide tự nhiên, bao gồm các monosaccharide như galacturonic acid, glucuronic acid, galactose, rhamnose, glucose và arabinose, liên kết với protein và khoáng chất.
Các polysaccharide này có tính acid và tạo ra trạng thái nhớt đặc trưng Chúng có khả năng hòa tan trong dung dịch acid, kiềm hoặc dung dịch hydroalcoholic.
Tổng quan về polysaccharide
Polysaccharide là các polime ngưng tụ có trọng lượng phân tử lớn, được hình thành từ các đơn vị monosaccharide qua liên kết glycoside Chúng được chia thành hai loại: homopolysaccharide, được tạo ra từ một loại monosaccharide, và heteropolysaccharide, được hình thành từ nhiều loại monosaccharide khác nhau Hầu hết các glycan có màu trắng, không vị và vô định hình, thuộc loại đại phân tử với kích thước đơn phân lớn Một số polysaccharide không hòa tan trong nước, trong khi những loại khác tạo thành dạng keo và phân tán trong nước.
Polysaccharide có thể được phân loại dựa trên đặc điểm phân tử, hóa lý và chức năng dinh dưỡng Chúng khác biệt với protein, acid nucleic, glycoprotein và glycolipid nhờ vào cấu trúc lặp đi lặp lại Các đặc điểm này là cơ sở cho việc phân loại polysaccharide theo cấu trúc Theo đặc điểm phân tử, polysaccharide được chia thành hai nhóm lớn.
Các homopolysaccharide được đặt tên bằng cách thêm hậu tố “an” vào tên monosaccharide cấu thành, như glucosan cho glucose và mannan cho mannose Chúng được gọi chung là homoglycan Khối lượng phân tử của glycan có sự biến đổi lớn do sự thêm hoặc bớt các gốc monosaccharide trong chuỗi polysaccharide Sự tổng hợp và phân hủy của homopolysaccharide này phụ thuộc vào nhu cầu của sinh vật (Blanco, A., & Blanco, G, 2017).
Hình 2 7 Hai cấu trúc đơn giản của polysaccharide
Các homopolysaccharide đơn giản nhất là các đại phân tử mạch thẳng như cellulose, với các liên kết monosaccharide đồng nhất Trong khi đó, homopolysaccharide phức tạp hơn có thể chứa nhiều kiểu liên kết trong mạch thẳng hoặc có cấu trúc phân nhánh Khi mức độ phân nhánh tăng, các chuỗi phân nhánh có thể được sắp xếp theo cấu trúc dạng lược (I) và dạng cây (II).
Bảng 2 3 Các homoglycan phổ biến
Sự sắp xếp các liên kết
1 → 4 Amylose: phổ biến ở thực vật bậc cao như là tinh bột với amylopectin
Thẳng Có trong nấm men không chứa thành phần Amylopectin
Amylopectin: phổ biến ở thực vật
Phân nhánh, độ dài đơn vị chuỗi trung bình từ 20 – 25
Thường xảy ra với amylose trong hạt tinh bột
Glycogens: phổ biến trong động vật, một số vi khuẩn, nấm men, tảo
Phân nhánh, độ dài đơn vị chuỗi trung bình từ 12 – 16
Mặc dù có những điểm tương đồng về cấu trúc cộng hóa trị tổng thể, amylopectin vẫn có các khác biệt rõ rệt về tính chất vật lý
1 → 4 Cellulose: Đa dạng ở thực vật bậc cao, có trong một số loại tảo và vi khuẩn
Mạch thẳng Xycloglucan có mạch bên ngắn thích hợp được tìm thấy trong nhiều loại thực vật, xanthan gum, D- glucurono-D-manno-D- glucan từ Xanthomonas
Bảng 2.3 liệt kê các homoglycan phổ biến, có thể phân biệt chúng dựa trên sự khác nhau về kích thước vòng, cấu hình anome, kiểu liên kết và sự có hoặc không phân nhánh.
Các hợp chất này khi thủy phân sẽ tạo ra nhiều loại monosaccharide hoặc dẫn xuất monosaccharide, chẳng hạn như arabinoxylans và glucomannans Chúng thường kết hợp với protein để hình thành các phức hợp phân tử lớn (Blanco, A., & Blanco, G, 2017).
Bảng 2.3 được mở rộng để bao gồm các heteroglycan trong đó các mạch chính của homoglycan mang các monosaccharide khác gắn vào như các mạch nhánh Tương tự, Bảng
2.4 liệt kê các heteroglycan có hai monosaccharide khác nhau trong mạch chính, theo trình tự xen kẽ hoặc không theo chu kỳ
Bảng 2 4 Các heteroglycan phổ biến Đơn vị mạch chính
Sự sắp xếp các liên kết
Các polysaccharide liên quan có độ phức tạp cao hơn
Chondroitin sulfate: mô liên kết xương
Quá trình sulfate hóa ở O- 4/O-6 của GalNAc; xảy ra dưới dạng proteoglycan
Hyaluronic acid: liên kết mô
Không có sự sulfate hóa, không có bằng chứng về sự xuất hiện dưới dạng proteoglycan
I ở giác mạc, loại II có trong liên kết mô xương
6 của Gal và GalNAc, có thể chứa các đơn vị đường bổ sung, xảy ra ở dạng proteoglycan với các liên kết carbohydrate- acid amin khác nhau
Thành tế bào vi khuẩn
Chuỗi polysaccharide liên kết chéo nhau thông qua các cầu nối peptit khác nhau trong peptidoglycan (murein)
Alginic acid: tảo nâu và một số vi khuẩn
Biến đổi, khối G, M và những vùng xen kẽ
Các heteropolysaccharide đơn giản nhất chỉ bao gồm hai loại monosaccharide, bao gồm (a) loại mà cả hai monosaccharide nằm trong cùng một mạch thẳng và (b) loại mà một monosaccharide nằm trong mạch chính và một monosaccharide khác nằm trong mạch bên (Aspinall, 1983).
Ngoài ra, polysaccharide cũng được phân loại theo đặc tính hóa lý của chúng như:
Polysaccharide tích điện là loại polysaccharide có chứa các nhóm tích điện trong cấu trúc phân tử, bao gồm polysaccharide mang điện tích âm (có tính axid) và polysaccharide tích điện dương (có tính bazơ) Các polysaccharide có tính acid thường chứa các nhóm cacboxyl, như pectin, và/hoặc các nhóm este sulfuric, như carrageenan (Mark & cộng sự, 2017).
Ngoài các phương pháp phân loại đã đề cập, hình thức tạo ra polysaccharide cũng là một tiêu chí quan trọng để phân biệt chúng Một số polysaccharide được hình thành tự nhiên với quy mô lớn, trong khi một số khác được sản xuất qua quy trình công nghiệp (Jayawardena, 2017).
2.2.3 Đặc điểm cấu trúc của polysaccharide Đã có nhiều tiến bộ đáng kể trong việc nghiên cứu về cấu trúc của polysaccharide Tuy nhiên, vẫn còn phần lớn cấu trúc và hình thái có độ phức tạp cao mà cho đến nay vẫn còn chưa được làm rõ (Yalpani, 1990) Ở những chỗ có cấu trúc cơ bản đều đặn, polysaccharide có thể mang cấu trúc bậc hai có trật tự rất rõ rệt, ví dụ, hình xoắn ốc hoặc dải băng Những cấu trúc có trật tự này đôi khi có thể tổng hợp lại tạo thành cấu trúc bậc ba, giống như tinh thể, ví dụ như: cellulose Sự liên kết có trật tự của các cấu trúc bậc ba (xoắn kép) có thể dẫn đến hình thành cấu trúc bậc bốn, xảy ra khi polysaccharide tạo thành gel
Hình 2 8 Cấu trúc của các đơn vị lặp lại của một số polysaccharide (Cumpstey, 2013)
Cấu trúc của các đơn vị lặp trong polysaccharide như cellulose và amylose bao gồm monosaccharide với nhóm hydroxyl là nhóm chức chính Các polysaccharide khác như curdlan và inulin dựa trên furanoside Amylopectin tương tự amylose và cả hai là thành phần của tinh bột phân nhánh với các chuỗi liên kết (α1–6) Dextran, một glucan liên kết (α1–6), có cấu trúc với các nhóm hydroxyl thứ cấp, trong khi xylan, thành phần của hemicelluloses, được hình thành qua liên kết (β1–4) giữa các xylopyranose Guar gum và locust bean gum chứa mannan nối qua liên kết (β1–4) và được thay thế bởi galactose (α1–6) Những đặc điểm cấu trúc đa dạng này ảnh hưởng đến tính hòa tan và các đặc tính lưu biến của polysaccharide, dẫn đến ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm và phi thực phẩm.
Một số polysaccharide có các nhóm chức như hydroxyl đơn giản Alginate và pectin được hình thành từ uronic acid, với thành phần monosaccharide của chúng bị oxy hóa tại vị trí C-6 thành cacboxylic acid Alginate bao gồm các miền liên kết (α1–).
4) acid l ‐ guluronic xen kẽ với các miền của acid mannuronic liên kết (β1– 4) Pectin là polysaccharide giàu acid galacturonic, mặc dù acid này có thể được tìm thấy dưới dạng metyl este của nó Một mạch chính đơn giản của (α1– 4) este metyl acid galacturonic liên kết cũng có thể được thay thế bằng các nhánh monosaccharide khác Một loại polysaccharide rất phổ biến dựa trên các loại đường amino là chitin/chitosan Mối liên hệ giữa chitin/chitosan có thể được coi là một sự liên tục, với các polysaccharide chứa nhiều bazo tự do hơn được gọi là chitosan và nếu chứa nhiều gốc N ‐ acetyl hóa được gọi là chitin (Mark & cộng sự, 2017)
Trong những năm gần đây, polysaccharide đã thu hút sự chú ý nghiên cứu toàn cầu, đặc biệt là trong việc trích ly từ quả đậu bắp Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khám phá thành phần hóa học, đặc điểm cấu trúc và các tính chất hóa sinh của polysaccharide từ đậu bắp.
2.2.4.1.Thành phần hóa học polysaccharide đậu bắp
Polysaccharide đậu bắp, đặc biệt là pectin, là thành phần có hoạt tính sinh học chính trong quả đậu bắp (Zhu & cộng sự, 2020) Năng suất trích ly polysaccharide từ các giống đậu bắp khác nhau dao động từ 9,51% đến 16,895% (Nie & cộng sự, 2019; Wang & cộng sự, 2018; Kpodo & cộng sự, 2017; Samavati, 2013; Alba & cộng sự, 2015) Ngoài ra, hàm lượng polysaccharide cũng bị ảnh hưởng bởi địa lý nơi thu hái Tổng hàm lượng polysaccharide trong đậu bắp dao động từ 74,5% đến 90,72%, trong khi nhóm protein từ 0,39% đến 4,3%, cho thấy polysaccharide là thành phần sinh học chính (Nie & cộng sự, 2019).
Các phương pháp thu nhận polysaccharide
Có nhiều phương pháp trích ly polysaccharide từ nguyên liệu thô, bao gồm cả phương pháp truyền thống và hiện đại Các quá trình trích ly truyền thống chủ yếu sử dụng nước hoặc ethanol làm dung môi để thu nhận polysaccharide Nguyên tắc của các phương pháp này là hòa tan các hợp chất trong nguyên liệu nhờ tác động của dung môi, sau đó kết tủa dịch trích bằng dung môi cồn (Nadar & cộng sự, 2018).
Các phương pháp truyền thống để trích ly polysaccharide đã được áp dụng rộng rãi, tuy nhiên, nhiều nghiên cứu hiện nay đang tìm cách đa dạng hóa các phương pháp này với các điều kiện trích ly khác nhau Các phương pháp mới bao gồm trích ly hỗ trợ sóng siêu âm (UAE), trích ly hỗ trợ vi sóng (MAE), trích ly trong điều kiện chân không và trích ly hỗ trợ enzyme (EAE) Nguyên tắc hoạt động của một số phương pháp này được tóm tắt như sau:
❖ Trích ly có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (UAE)
Phương pháp này dựa trên việc sử dụng sóng siêu âm cường độ cao để kích thích mạnh mẽ trong lòng chất lỏng Tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha lỏng và rắn, sóng siêu âm tạo ra sự hỗn loạn cực độ với các vi xoáy, làm tăng cường sự tiếp xúc giữa các pha Hiện tượng này không chỉ tăng cường sự truyền khối đối lưu mà còn thúc đẩy quá trình khuếch tán, đặc biệt trong những trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt hiệu quả.
❖ Trích ly có sự hỗ trợ của vi sóng (MAE)
Vi sóng là sóng điện từ có tần số từ 0,3 GHz đến 300 GHz, có khả năng tạo ra chuyển động phân tử trong nguyên liệu thông qua tương tác ion và lưỡng cực Các phân tử phân cực như nước và polysaccharide hấp thụ năng lượng vi sóng mạnh mẽ, nhanh chóng tạo nhiệt và rút ngắn thời gian trích ly Hơn nữa, các hợp chất hóa học khác nhau hấp thụ vi sóng ở mức độ khác nhau, làm cho trích ly hỗ trợ vi sóng trở thành phương pháp hiệu quả để chọn lọc các hợp chất mong muốn trong thực phẩm phức tạp.
❖ Trích ly có sự hỗ trợ của enzyme (EAE)
Có 2 cách khả thi để trích ly polysaccharide có sự hỗ trợ của enzyme Cách thứ nhất là sử dụng các enzym có khả năng phá hủy thành tế bào và màng tế bào để thúc đẩy phân lập polysaccharide mong muốn Cách thứ hai là, sử dụng các enzyme làm phân hủy một phần mong muốn polysaccharide thành từng đoạn nhỏ để dễ dàng trích ly (Blanco-Pascual
Mỗi phương pháp trích ly đều có những ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, phương pháp trích ly bằng nước và enzyme nổi bật hơn nhờ cải thiện hiệu quả về thời gian, giảm lượng dung môi tiêu thụ và tăng tính thân thiện với môi trường so với các phương pháp khác (Hosni & cộng sự, 2013).
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung nghiên cứu của khóa luận
2.4.1 Các công trình nghiên cứu trên thế giới
Samavati đã áp dụng phương pháp trích ly nước nóng kết hợp với bề mặt đáp ứng (RSM) nhằm tối ưu hóa quá trình trích ly polysaccharide từ đậu bắp Nghiên cứu này không chỉ khảo sát hiệu quả của phương pháp mà còn cung cấp những thông tin quý giá về khả năng chiết xuất polysaccharide.
Nghiên cứu của ông Samavati (2013) chỉ ra rằng bốn yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly bao gồm nhiệt độ từ 80-100 °C, thời gian từ 0,5 đến 6,5 giờ, tỷ lệ dung môi so với nguyên liệu thô từ 4-28, và số lần trích ly từ 1 đến 5 lần Kết quả cho thấy hiệu suất trích ly cao nhất đạt được là 16,916%.
Qin và cộng sự đã nghiên cứu ba phương pháp trích ly polysaccharide đậu bắp, bao gồm trích ly nước nóng (HWE), trích ly nước điều áp (PWE) và trích ly hỗ trợ vi sóng (MAE) Kết quả cho thấy phương pháp PWE là kỹ thuật trích ly hiệu quả nhất, mang lại polysaccharide đậu bắp với hoạt tính sinh học cao, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp (Qin & cộng sự, 2019).
Xi và cộng sự đã áp dụng phương pháp nước nóng để tách chiết polysaccharide từ năm loại đậu bắp trồng tại Trung Quốc Cấu trúc của polysaccharide này bao gồm các monosaccharide như rhamnose, acid galacturonic, galactose và arabinose Họ khẳng định rằng các polysaccharide đã được xác định có tiềm năng sử dụng làm thành phần trong thực phẩm chức năng, mở ra nhiều ứng dụng triển vọng trong ngành công nghiệp (Xi & cộng sự, 2019).
Kunli và cộng sự đã áp dụng phương pháp trích ly bằng sóng siêu âm để chiết xuất polysaccharide từ đậu bắp, đồng thời xác định các monosaccharide như glucose, mannose, galactose, arabinose, xylose, fructose và rhamnose Polysaccharide thu được cho thấy hoạt tính chống oxy hóa cao đối với các gốc superoxide và DPPH, nhưng chỉ có hoạt tính chống oxy hóa yếu đối với các gốc hydroxyl (Wang & cộng sự, 2018).
Xi và cộng sự (2020) đã áp dụng phương pháp sóng siêu âm để trích ly polysaccharide từ đậu bắp, bao gồm các thành phần như rhamnose, acid galacturonic và galactose Polysaccharide này được xem là một loại thực phẩm chức năng tiềm năng trong ngành công nghiệp dược phẩm.
2.4.2 Các công trình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, đậu bắp là một loại quả được trồng phổ biến và đa số được sử dụng như một loại rau trong các bữa ăn Do trong thành phần chứa nhiều chất dinh dưỡng và có khả năng ứng dụng sinh học cao nên đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện trên quả đậu bắp được công bố tại Việt Nam Năm 2012, đề tài do các tác giả Lê Thị Hồng Nhan, Trần Hà Quang, Phan Nguyễn Quỳnh Anh (Đại học Bách Khoa Tp HCM), Nguyễn Thị Ngọc Liễu (Đại học Tôn Đức Thắng) đã khảo sát thành phần hóa học cơ bản của đậu bắp (Abelmoschus Esculentus) ở miền Nam Việt Nam, khảo sát quy trình tách pectin và đánh giá tính chất sản phẩm trích từ đậu bắp Qua đó, đề tài nghiên cứu đã cho thấy hàm lượng vitamin C trong đậu bắp cao và pectin thu được từ vỏ đậu bắp có thể đạt hiệu suất trong khoảng 6-7% (Kết quả Nghiên cứu Khoa học và Phát triển Công nghệ, 2012)
Năm 2014, Hồ Thị Huyền Trang và cộng sự đã nghiên cứu tác dụng hạ đường huyết của một số loại thảo dược, bao gồm đậu bắp, trên mô hình chuột in vivo Kết quả cho thấy cao chiết quả đậu bắp với liều 40g/kg có khả năng hạ đường huyết của chuột từ 500 mg/dl xuống dưới 200 mg/dl.
Nghiên cứu về polysaccharide đang thu hút sự chú ý tại Việt Nam, đặc biệt là đề tài của Phạm Bảo Trương và Nguyễn Minh Thủy vào năm 2015, với tiêu đề “Tối ưu quá trình trích ly polysaccharide và tannin trong nấm linh chi đỏ (ganoderma lucidum)” Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian trích ly đến hàm lượng polysaccharide và tannin trong nấm linh chi đỏ.
Nghiên cứu năm 2018 của Võ Hoài Bắc và cộng sự đã chỉ ra rằng việc trích ly polysaccharide từ lá cây xuân hoa đỏ lá đỏ bằng dung môi nước đạt hàm lượng 11,63% ± 0,38 trọng lượng khô.
Năm 2020, nghiên cứu của Lưu Hồng Sơn và cộng sự đã chỉ ra rằng quá trình trích ly polysaccharides từ nấm lim xanh (ganoderma lucidum) cho hàm lượng polysaccharide dao động từ 4,26 - 5,83 mg/g Đậu bắp, một loại quả phổ biến tại Việt Nam, cũng chứa hàm lượng polysaccharide cao, nhưng nghiên cứu về polysaccharide trong quả đậu bắp tại Việt Nam còn hạn chế Do đó, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã tiến hành khảo sát các điều kiện trích ly polysaccharide nhằm tối ưu hóa quy trình và đạt được hiệu suất cao nhất.
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Địa điểm, nguyên liệu, hóa chất và thiết bị sử dụng
Nghiên cứu này được tiến hành tại các phòng thí nghiệm và xưởng thực hành thuộc Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.
Nghiên cứu này sử dụng đậu bắp (Abelmoschus esculentus) làm nguyên liệu chính, được nhập khẩu từ Việt Nam và mua tại chợ Linh Trung, hẻm 144, phường Linh.
Trung, Thủ Đức, đã chọn những quả đậu bắp có chiều dài khoảng 12,0 ± 1,0 cm và đường kính khoảng 5,3 ± 0,3 cm Những quả này có màu sắc xanh, sáng bóng, không có vết dập và không bị sâu bệnh (Hình 3.1).
Hình 3 1 Quả đậu bắp tươi
- Cồn 96 o C: được mua tại công ty hóa chất Anh San, địa chỉ 270A Lý Thường Kiệt, Phường 15, Quận 11, Thành phố Hồ Chí Minh
- Phenol, glucose, dung dịch H2SO4 đậm đặc, sodium acetate dạng rắn, acetic acid, boric acid, K2SO4, CuSO4, NaOH dạng rắn được mua tại công ty hoa chất Bách Khoa, 354
Lý Thường Kiệt, Phường 15, Quận 11, Thành phố Hồ Chí Minh
3.1.4 Thiết bị và dụng cụ sử dụng
Bể điều nhiệt (Jeiotech BS-31(55L), Hàn Quốc)
Cân phân tích 2 chữ số và 4 chữ số (LS 2200C và LX220A, Precisa, Thụy Sĩ)
PH kế Hanna (HI991003, Romania)
Máy ly tâm (Hermle Z366, Đức)
Máy quang phổ tử ngoại khả kiến UV-VIS 02 chùm tia (UH5300, Hitachi, Nhật Bản)
Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier FTIR (Jasco, FT/IR - 4700, Nhật Bản)
Máy đo lưu biến (Thermo scientific Haake Rheostress 1)
Thiết bị trích ly béo (Soxhlet HeiBextraction E6, Đức)
Máy chưng cất đạm Kjeldahl (Buchi B-324, Đức), bộ chưng cất Soxhlet (Đức)
Máy xay cầm tay (M150A Milling Machine, Trung Quốc), Máy xay bột (Seka Z10, Trung Quốc)
Máy so màu cầm tay (Konica CR 400, Nhật Bản)
Thiết bị chụp SEM (kính hiển vi điện tử để bàn Hitachi TM4000 plus)
Tủ sấy đối lưu, tủ lạnh
Bình định mức, cốc thủy tinh, bình tam giác, pipette, micropipette, đầu típ, burette, cuvette thạch anh, ống nghiệm, ống ly tâm, bóp cao su, bình xịt tia, đĩa petri, đũa thủy tinh và lưới rây 50 mesh là những dụng cụ thiết yếu trong phòng thí nghiệm, phục vụ cho các thí nghiệm và phân tích hóa học.
Sơ đồ nghiên cứu
Hình 3 2 Sơ đồ nghiên cứu của đề tài
Tối ưu hóa quá trình thu nhận polysaccharide từ đậu bắp bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) Đánh giá một số tính chất
Polysaccharide đậu bắp Đánh giá các đặc tính chức năng của polysaccharide đậu bắp
Xử lý vỏ đậu bắp tươi → thu bột
- Bố trí 20 thí nghiệm với 3 yếu tố khảo sát: nhiệt độ (℃), thời gian (h), tỷ lệ dung môi: nguyên liệu (ml/g)
- Hàm mục tiêu: Hiệu suất thu hồi polysaccharide (%), hàm lượng carbohydrate (%)
- Xác định đặc điểm cấu trúc polysaccharide (FT-IR)
- Xác định đặc điểm hình thái
- Khả năng giữ nước và giữ dầu
3.2.2 Quy trình trích ly polysaccharide đậu bắp
(I) Quy trình thu bột vỏ đậu bắp
Hình 3 3 Quy trình thu nhận bột vỏ đậu bắp
(II) Quy trình trình thu polysaccharide
Bột vỏ đậu bắp Đậu bắp tươi
Hình 3 4 Quy trình thu nhận bột polysaccharide đậu bắp
Bột polysaccharide đậu bắp Sấy
Nước cất Đệm sodium acetate
Tỷ lệ dung môi:nguyên liệu (Bảng 3.2 )
Nghiền Bột vỏ đậu bắp
Quy trình thu bột vỏ đậu bắp bắt đầu bằng việc sơ chế và nghiền đậu bắp thành bột mịn Đậu bắp sau khi mua về được rửa sạch để loại bỏ bụi bẩn và để ráo nước Tiếp theo, cắt bỏ cuống và loại hạt, sau đó thái nhỏ vỏ đậu bắp thành từng miếng 1x1cm Vỏ đậu bắp được sấy đối lưu ở 55℃ cho đến khi đạt khối lượng không đổi Sau khi sấy, đậu bắp được nghiền mịn và rây qua sàng lưới 50 mesh Cuối cùng, bột vỏ đậu bắp được bảo quản trong túi zip có chứa túi hút ẩm ở nhiệt độ -18℃ để sử dụng cho thí nghiệm trích ly.
Hình 3.5 a) Vỏ đậu bắp sau sấy b) Bột vỏ vỏ đậu bắp
(II) Quy trình trình thu polysaccharide
Mục đích: Hòa tan bột vỏ đậu bắp với nước, tạo hỗn hợp đồng nhất để trích ly tối đa
Để thực hiện, cho 10g bột vỏ đậu bắp vào nước cất theo tỷ lệ trong Bảng 3.2, sau đó sử dụng đệm sodium acetate để điều chỉnh pH của hỗn hợp về mức 5,2 Tiếp theo, cho hỗn hợp vào bình erlen (250 hoặc 500ml) và bịt kín miệng bằng giấy bạc để chuẩn bị cho quá trình chiết xuất.
Mục đích: Nhằm hòa tan hợp chất polysaccharide vào dung môi
Để thực hiện quá trình trích ly, hãy cho hỗn hợp vào thiết bị lắc ổn nhiệt và cố định chắc chắn Tiến hành trích ly theo các thông số về nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ dung môi so với nguyên liệu như trong Bảng 3.2, với số vòng lắc cố định là 150 vòng/phút.
Mục đích: Loại bỏ phần cặn bã ra khỏi dịch chiết để thuận tiện cho quá trình kết tủa polysaccharide với cồn
Hỗn hợp được làm nguội bằng cách ngâm vào nước lạnh đến nhiệt độ phòng, sau đó được rót vào ống ly tâm và ly tâm ở tốc độ 6000 vòng/phút.
25 phút để thu dịch nổi
Mục đích: Kết tủa thu polysaccharide
Cách thực hiện: Cho dịch nổi ở trên vào beaker (500 hoặc 1000ml), sau đó bổ sung cồn 96 o vào (thể tích cồn bằng 1,5 lần thể tích dịch polysaccharide) và khuấy đều
Hình 3 5 Kết tủa khi mới tiếp xúc với cồn (a) và sau khi để 4 giờ trong tủ lạnh (b)
Mục đích của quá trình này là đảm bảo kết tủa diễn ra hoàn toàn và bảo vệ kết tủa khỏi các điều kiện môi trường không thuận lợi như nhiệt độ cao và vi sinh vật.
Cách thực hiện: Dùng giấy bạc bọc kín miệng beaker, cho hỗn hợp vào ngăn mát tủ lạnh trong 4 giờ
Mục đích: Loại bỏ dung môi cồn, thu kết tủa polysaccharide thô
Để thực hiện, hãy phân chia hỗn hợp vào các ống ly tâm và ly tâm ở tốc độ 3000 vòng/phút trong 5 phút Sau đó, rửa kết tủa bằng cồn khoảng 2 – 3 lần để làm sạch.
Hình 3 6 Kết tủa sau khi ly tâm và rửa sạch với cồn 96 ℃
Mục đích: Đuổi hết dung môi ra hỏi kết tủa, làm khô kết tủa
Cách thực hiện: Đặt kết tủa lên đĩa petri đã được lót giấy bạc, cho vào tủ sấy đối lưu và sấy ở 50℃ đến khối lượng không đổi
Hình 3 7 Kết tủa sau khi sấy
Mục đích của bài viết này là phát triển sản phẩm polysaccharide dạng bột, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện các thí nghiệm phân tích và đánh giá tính chất, đồng thời có khả năng ứng dụng cho mục đích thương mại.
Cách thực hiện: Dùng máy xay hạt để xay nhỏ kết tủa polysaccharide, sau đó nghiền mịn bằng cối sứ
Hình 3 8 Kết tủa sau khi được nghiền mịn
Nội dung nghiên cứu
3.3.1 Quy hoạch và tối ưu hóa thực nghiệm
Bài toán quy hoạch thực nghiệm tối ưu hoá đa mục tiêu nhằm tối ưu hóa phương pháp và điều kiện trích ly polysaccharide từ đậu bắp, với mục tiêu nâng cao hiệu suất thu hồi polysaccharide và hàm lượng carbohydrate trong sản phẩm.
3.3.1.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm a Xác định phương trình hồi quy
Mô hình quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu này là mô hình quy hoạch tổng hợp trung tâm (Central Composite Circumscribed - CCC), thuộc thiết kế tổng hợp trung tâm (Central Composite Design - CCD) và phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Method - RSM) thông qua quy hoạch trực giao cấp 2 Phương trình hồi quy thực nghiệm theo phương án quay Box và Hunter cấp 2 được biểu diễn như sau: \$$y = \hat{y} = b_0 + \sum_{j=1}^{k} b_j x_j + \sum_{j=1, i \neq j}^{k} b_{ji} x_j x_i + \sum_{j=1}^{k} b_{jj} (x_j^2)\$$
Trong đó: b0, bj, bjj là các hệ số của phương trình hồi quy xj, xi là các biến mã hóa của các yếu tố công nghệ
Các hệ số b trong phương trình hồi quy được xác định độc lập và tính toán theo các công thức sau: - Hệ số b0 được tính bằng công thức: \$$b_0 = a_1 \sum_{i=1}^{N} y_i - a_2 \sum_{j=1}^{k} \sum_{i=1}^{N} x_{ji}^2 y_i\$$- Hệ số bj cho j từ 1 đến k được tính như sau: \$$b_j = a_3 \sum_{i=1}^{N} x_{ji} y_i\$$- Hệ số bjl cho j, l từ 1 đến k và j khác l được tính bằng: \$$b_{jl} = a_4 \sum_{i=1}^{N} x_{ji} x_{li} y_i\$$- Cuối cùng, hệ số bjj được tính bằng công thức: \$$b_{jj} = a_5 \sum_{i=1}^{N} x_{ji}^2 y_i + a_6 \sum_{j=1}^{k} \sum_{i=1}^{N} x_{ji}^2 y_i - a_7 \sum_{i=1}^{N} y_i\$$
Hệ số của phương trình hồi quy (3.2 - 3.5) sau khi được tính toán sẽ được kiểm định về:
- Ý nghĩa của các hệ số hồi quy (theo tiêu chuẩn Student)
- Sự tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm (theo tiêu chuẩn Fisher)
➢ Các biến mã hóa (x1, x2, x3) thu được, được quy đổi qua giá trị thực (Z1, Z2, Z3) theo công thức:
Z = (𝑥 𝑗 , 𝛥𝑍 𝑗 ) + 𝑍 𝑗 0 (3.6) b Xác định các mức yếu tố ảnh hưởng
Qua kết quả tổng quan tài liệu (Samavati, 2013; Xi & cộng sự, 2019; Qin & cộng sự,
Nghiên cứu năm 2019 và thực nghiệm sơ bộ cho thấy ba yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình trích ly polysaccharide từ đậu bắp, bao gồm nhiệt độ trích ly (°C), thời gian trích ly (h) và tỉ lệ dung môi : nguyên liệu (mL/g) Các hàm mục tiêu Yj đã được thiết lập để đánh giá hiệu quả của quá trình này.
Y1: Hiệu suất trích ly polysaccharide đậu bắp (%), Y2: Hàm lượng carbohydrate thu được (%) Các đối tượng công nghệ trong nghiên cứu được thể hiện ở Hình 3.9
Hình 3 9 Đối tượng công nghệ trích ly polysaccharide đậu bắp
Cánh tay đòn (α) được xác định theo công thức (khi k < 5) (Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự, 2017):
𝛼 = 2 𝑘 4 = 2 3 4 = 1,682 (3.7) Điều kiện để ma trận trực giao (Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự, 2017):
(3+2)×(8+6) = 0,857 (3.8) Các mức yếu tố ảnh hưởng được trình bày trong Bảng 3.1
Bảng 3 1 Các mức yếu tố ảnh hưởng
Các yếu tố công nghệ
Z 3 (mL/g) 8,180 15 25 35 41,820 6,820 c Xác định số thí nghiệm
Khi k < 5, số thí nghiệm (N) trong phương án quay Box và Hunter cấp 2 có cấu trúc tâm được xác định theo công thức do Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự (2017) đề xuất.
Số nghiệm của phương án thực hiện yếu tố từng phần được tính bằng công thức \( n_k = 2^k \), trong đó \( k \) là số yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến hàm mục tiêu (với \( k = 3 \)) Số thí nghiệm của phương án thực nghiệm tại điểm (*) là \( n^* = n_\alpha = 2^k \), tương ứng với các cánh tay đòn Cuối cùng, \( n_0 \) đại diện cho số thí nghiệm của phương án thực hiện ở tâm (0).
⇒ Với k = 3 thì n0 = 6 (Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự, 2017) Thế vào công thức (3.9) ta được:
Bố trí của 20 thí nghiệm được trình bày tại Bảng 3.2
Bảng 3 2 Ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp hai
Biến thực Biến mã hoá
3.3.1.2 Kiểm định ý nghĩa của hệ số hồi quy Ý nghĩa các hệ số hồi quy được kiểm định theo tiêu chuẩn Student Tiêu chuẩn Student được xác định theo công thức (Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự, 2017):
Trong đó: bj là hệ số thứ j trong phương trình hồi quy
𝑆 𝑏 𝑗 là phương sai của hệ số thứ j được tính theo công thức sau (Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự, 2017):
Phương sai tái hiện, ký hiệu là 𝑆 𝑡ℎ 2, là sai số tái hiện của các thí nghiệm được lặp lại trong cùng một điều kiện Công thức tính phương sai tái hiện được trình bày bởi Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự vào năm 2017.
Hệ số 𝑎 𝑗 (j=1÷7) có trong các phương trình trên được xác định trong bảng Phụ lục 1
So sánh giá trị các hệ số hồi quy (tj, tji, tjj, gọi chung là tbj) với giá trị tb từ bảng tra phân vị phân bố Student cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong các kết quả thực nghiệm (Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự, 2017; phụ lục, bảng 2).
- 𝑡 𝑏𝑗 < 𝑡 𝑝 (f2) thì hệ số bj loại khỏi mô hình toán học
- 𝑡 𝑏𝑗 > 𝑡 𝑝 (f2) thì hệ số được chấp nhận trong mô hình toán học
3.3.1.3 Kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy
Sự tương thích của phương trình hồi quy được kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher Tiêu chuẩn Fisher được xác định theo công thức (Nguyễn Tấn Dũng & cộng sự, 2017)
Trong đó: 𝑆 2 𝑡𝑡 là phương sai tương thích, được tính theo công thức sau (Nguyễn Tấn Dũng & cộng sự, 2017)
N: Là số thí nghiệm l: Tổng hệ số có nghĩa trong phương trình hồi quy Với: tổng bình phương độ lệch Sdu, Sth được xác định:
𝑆 𝑑𝑢 = ∑ 𝑁 𝑖=1 (𝑦 𝑗 − 𝑦̂ 𝑗 ) 2 ; 𝑆 𝑡ℎ = ∑ 𝑛 𝑖=1 𝑜 (𝑦 𝑖 − 𝑦 ̅ 𝑗𝑖 ) 2 (3.15) Để đánh giá được sự tương thích của phương trình hồi quy, ta so sánh giá trị Ftính toán được với giá trị Ftra bảng, nếu:
- F tính toán > F tra bảng, mô hình không tương thích
Mô hình hồi quy được kiểm định bằng phần mềm Design Expert 11.1.0.1, với các hệ số và tính tương thích được đánh giá thông qua kiểm định Fisher (𝛼 = 0,05) Nếu giá trị p-value nhỏ hơn α, mô hình càng phù hợp; ngược lại, hệ số “Lack of fit” phải lớn hơn 0,05 để xác nhận tính phù hợp của mô hình Giá trị “Lack of fit” càng lớn thì mức độ phù hợp của mô hình càng cao.
3.3.1.4 Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu
Bài toán tối ưu đa mục tiêu được xây dựng dựa trên phương trình hồi quy xác định bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất thu hồi sản phẩm (H, %) và hàm lượng carbohydrate (C, %) vào các yếu tố như nhiệt độ (T, °C), thời gian (t, h) và tỷ lệ dung môi: nguyên liệu (mL/g) Phần mềm Design–Expert 11.1.0.1 được sử dụng để mô hình hóa thí nghiệm theo phương pháp đáp ứng mô hình bề mặt (Response Surface Method – RSM), giúp phân tích kết quả thực nghiệm và giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu.
Cuối cùng, tiến hành thí nghiệm kiểm chứng để thu polysaccharide dưới các điều kiện trích ly tối ưu về nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ dung môi so với nguyên liệu Kết quả thu được sẽ được so sánh và đánh giá nhằm kiểm tra độ chính xác của mô hình đã dự đoán.
3.3.2.1 Hiệu suất thu hồi polysaccharide đậu bắp
Hiệu suất thu hồi polysaccharide (H,%) là một trong những chỉ tiêu quan trọng mà chúng tôi tập trung vào để đánh giá các điều kiện tối ưu nhất cho việc sản xuất bột polysaccharide H (%) được tính theo công thức cụ thể.
Trong đó: mp: khối lượng bột polysaccharide thu được (g) m0: khối lượng bột vỏ đậu bắp ban đầu (g)
Hàm lượng carbohydrate trong các sản phẩm nghiên cứu được xác định theo đương lượng glucose bằng phương pháp phenol-sulfuric acid, với một số điều chỉnh nhỏ dựa trên nghiên cứu của Nielsen (2009) và tiêu chuẩn AOAC 44.1.30 (Chatchawal & cộng sự, 2010).
Các mẫu 0,01g bột polysaccharide được hòa tan trong 100ml nước cất Sau đó, dung dịch polysaccharide được trộn với 0,5mL dung dịch phenol 5% và 2,5mL dung dịch acid sulfuric đậm đặc Hỗn hợp này được ủ ở nhiệt độ 50 oC trong 20 phút và độ hấp thụ được đo ở bước sóng 490nm.
3.3.2.3 Xác định thành phần hóa học polysaccharide đậu bắp
❖ Xác định thành phần protein
Hàm lượng protein của bột polysaccharide được xác định bằng phương pháp Kjeldahl Quy trình thực hiện được dựa theo phương pháp của Nielsen a (2009) với một số thay đổi