Luận văn nghiên cứu quá trình khử caffeine trên lá chè tươi nguyên liệu trong công nghệ sản xuất chè xanh

Qua nghiêncứu, chúng tôi thu được những kết quả như sau: về quá trình khử caffeine: hiệu suất khử caffeine là 90%, độ tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine là 5% và tổng lượng polyphen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

*

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHỬ CAFFEINE TRÊN LÁ CHÈ TƯƠI NGUYÊN LIỆU TRONG CÔNG NGHỆ

SẢN XUẤT CHÈ XANH

SVTH : NHÂM MINH MSSV : 60301674 CBHD : ThS LẠI QUỐC ĐẠT

BỘ MÔN : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TP Hồ Chí Minh, 01/2008

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DAN NHẠN XET CUA GIAO VIEN PHAN BIẸN

Con xin cảm ơn cha mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ con nên người Cha

mẹ đã luôn ủng hộ, động viên con trong suốt thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Lại Quốc Đạt Thầy đã tận tìnhhướng dẫn để em hoàn thành tốt luận văn

Em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy Cô của trườngĐại học Bách khoa Thành phô Hồ Chí Minh, đặc biệt là các Thầy Côtrong bộ môn Công nghệ Thực phẩm Thầy Cô đã truyền dạy cho emnhững kiến thức vô cùng quý báu, cũng như đã hỗ trợ em rất nhiều

để em thực hiện bài luận này thành công

Cuối cùng, tôi xin cám ơn các bạn trong lớp đã luôn động viên,giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, chè xanh được tiêu thụ rộng rãi trên thế giới bởi vì chè là một nguồn thực phẩm chứanhiều các chất có lợi cho cơ thể chúng ta Tuy nhiên, với sô" người mắc bệnh về tim mạch, việc sửdụng chè có thể làm tăng nguy cơ về tim mạch, do trong chè có chứa nhiều caffeine Do đó, chúngtôi tiến hành nghiên cứu quá trình khử caffeine trên lá chè tươi nguyên liệu trong công nghệ sản xuấtchè xanh Phương pháp chúng tôi chọn là khử caffeine bằng phương pháp Swiss water Qua nghiêncứu, chúng tôi thu được những kết quả như sau:

về quá trình khử caffeine: hiệu suất khử caffeine là 90%, độ tổn thất chất khô hòa tan phi

caffeine là 5% và tổng lượng polyphenol trong lá chè sau khử caffeine tăng 6.935% khi nhiệt độ khử

là 90°c, tỷ lệ chè/nước là 3.75g/100ml nước và thời gian khử là 7 phút

về quá trình hấp phụ caffeine của than hoạt tính bão hòa chất khô hòa tan phi caffeine: hiệusuất hấp phụ caffeine là 22%, mức độ tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine là 3.4% và mức độ tổnthất polyphenol tổng là 11 - 12% khi quá trình tiên hành với tỷ lệ than hoạt tính là 4% (w/v), nhiệt độdịch nước ban đầu là 70°c, thời gian hấp phụ là 100 phút

MỤC LỤC

Hình 3-13: Ánh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến tổn thất chất khô hòa tan của quá trình

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TAT

Chè là một dạng thức uống truyền thông của người Trung Quốc nói riêng và cư dân Châu Á nóichung Người ta sử dụng không chỉ vì mục đích giải khát mà còn bởi những dược tính của nó Trongchè có nhiều chất chông oxi hóa và được sử dụng như là một dược phẩm chữa nhiều bệnh như: chữaung thư, tiêu chảy, chữa các chứng không tiêu, chứng cao cholesterol trong máu Ngày nay, việc tiêuthụ chè, đặc biệt là sản phẩm chè xanh, ngày càng được tiêu thụ rộng rãi trên thế giới.

Chính vì vậy, diện tích trồng chè cũng như sản lượng chè ở Việt Nam ngày càng tăng nhanh.Cây chè đã được xây dựng thành một trong mười chương trình trọng điểm phát triển nông nghiệp trong

Kế hoạch phát triển kinh tế xã hội của Nhà nước Việt Nam đến năm 2010

Tuy nhiên, cũng như coffee, trong chè có chứa một lượng lớn caffeine Đây là một thành phầnkích thích hệ thần kinh trung ương, tác động lên tim mạch và gây ảnh hưởng xấu đến một bộ phậnngười tiêu dùng Do đó, việc phát triển một sản phẩm chè xanh không chứa caffeine là một nhu cầu cầnthiết nhằm đáp ứng nhu cầu của một bộ phận lớn người tiêu dùng nhạy cảm vđi caffeine Chính vì vậy,chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu quá trình khử caffeine trên lá chè tươi nguyên liệutrong công nghệ sản xuất chè xanh” Đề tài có những nội dung chính như sau:

> Tìm hiểu về chè xanh, caffeine và những tác động của nó đến cơ thể cơ người

> Tìm hiểu về các công nghệ khử caffeine

> Lựa chọn phương pháp khử caffeine trên lá chè tươi

> Khảo sát các yếu tô" ảnh hưởng đến quá trình khử caffeine Đánh giá ảnh hưởng của quá trìnhđến hiệu suất khử caffeine, mức độ tổn thất chất khô hòa tan và polyphenol tổng trên lá chè.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu chung về cây chè

Cây chè có tên gọi khoa học là Camellia sinensis (L) (hay Thea sinensỉs L.) (1935 - Hội nghị

Quốc tế về thực vật) Cây chè được xếp trong phân loại thực vật như sau [3]:

1.1.1 Đăc tính thức vât của cây chè í31

Thân và cành: cây chè có thân thẳng và tròn, phân nhánh liên tục thành một hệ thông cành vàchồi Tùy theo chiều cao, kích thước của thân và cành mà cây chồ được chia thành 3 loại: cây bụi, cây

gỗ nhỏ và cây gỗ vừa Thân cành và lá tạo thành tán cây chè; tán chè để mọc tự nhiên có dạng vòm đều.Dựa vào kích thước giữa thân chính và cành, người ta chia cây chè thành ba loại tán Có thể nói tán lá là

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TAT

trưởng nhiều, cho búp nhiều và sản lượng cao.

Hoa chè: Hoa chè bắt đầu nở khi cây chè đạt 2-3 tuổi Hoa mọc từ chồi sinh thực ở nách lá Câychè là một loại thực vật có hoa lưỡng tính, tràng hoa có 5 - 9 cánh màu trắng hay phớt hồng Bộ nhị đựccủa hoa có 100 - 400 cái, trung bình có 200 - 300 cái Các bao phấn của hoa chè gồm hai nửa bao, chialàm 4 túi phấn Hạt phấn có hình tam giác, màu vàng nhạt, khi chín chuyển sang màu hoàng kim.Quả chè: quả chè là loại quả có 1 - 4 hạt, có hình tròn, tam giác hoặc hình vuông Quả chèthường mọc thành từng chùm ba, ban đầu có màu xanh của chồi Khi tăng trưởng, quả chè cứng dần vàchuyển sang màu nâu và nứt ra Hạt bên trong quả có thể được dùng đê gieo trồng

Lá chè: lá chè mọc cách nhau trên cành, mỗi đốt có một lá Hình dạng và kích thước của lá chèthay đổi tùy theo từng giông Vđi giông chè Trung Quốc thì lá dài 4 -

14cm và rộng 2 - 2.5cm có màu xanh nhạt và bóng Còn với chè Assam thì lá chè dài 8 - 20cm và

rộng 3.5 - 7.5cm, mỏng và mềm Trong khi đó, chè Nam Indo có kích thước trung bình ở giữa hai

giông chè: Trung Quốc và Assan Có thể nói lá chè là một bộ phận quan trọng trong việc khai tháccây chè và được ứng dụng trong việc chế biến các sản phẩm chè thương mại như: chè xanh, chèđen và các dạng thực phẩm thương mại khác

1 Tôm

Lá non 1

Lá non 2

Hình 1-1: Búp chè ì tôm và 2 lá non.

Trên thế giới hiện nay, các nhà khoa học chia cây chè thành ba giông chính dựa vào đặc điểm sinh

thái và thực vật của cây chè (đặc biệt là dựa vào kích thước của lá chè):

> Chè Trung Quốc: Camellỉa sinensis (L) Dựa vào kích thước lá, Sealy (1958) phân biệt chè Trung Quốc thành 2 loại: F macrophylla (Sieb.) Kitamura và F parviỷolia (Miq.)

> Chè Assam: Camellia assamica.

> Chè Nam Indo: Camellia assamỉca.

1.1.2 Thành phần hóa hoc của lá chè

Thành phần hóa học của cây chè và lá chè:

Báng 1-1: Hàm lượng các chất trong lá chè tươi [ 4 6 ]

Thành phần

Hàm lưựng (% khôi lượng chất khô)

Thành phần

Hàm lượng (% khôi lượng chất khô)

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TAT

Thành phần

lượng chất khô

Thành phần

lượng chất khô

Polyphenol 25 - 30

Chlorophylls và các chất màu

Gallocatechin 3-4 Acid hữu cơ 0,5 - 0,6

4-7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TAT

1.1.2.1 Nưđc: Là thành phần chủ yếu của lá chè (70-85%).

Nước có vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật Nước là môi trườnggiúp hòa tan các chất hòa tan, tham gia các phản ứng thủy phân và oxi hóa khử bên trong các tế bào lá.ĐỐI với cây chè, nước tham gia hầu hết các phản ứng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của câychè, sự vận chuyển điện tử, cơ chất qua màng tế bào chất và các phản ứng sinh tổng hợp các chất trongchè

Cũng như các cơ thể sông khác, hàm lượng nước giảm dần từ lá đến thân cây và với từng lá cũngkhác nhau Hàm lượng nước tăng dần từ các tế bào cơ sở đến các phần ngoài của lá Khi tuổi thọ của cây

và lá chè càng cao thì hàm lượng nước trong lá chè càng thấp

Bảng 1-3: Sự phân bô" nước trong búp chè [52].

Các bộ phận của búp chè Hàm lượng nước (%)

Các loại đường đơn giản được tìm thấy trong lá chủ yếu

là glucose, fructose, sucrose, raffinose và stachyose Trong lá chè, hàm lượng của các loại đường hòa tan là rất ít và chĩ chiếm khoảng 1 - 2% (so với khôi lượng chất khô) [1] Trong khi đó, hàm lượng của các

polysacchrariđe trong lá chè có thể lên đến 10 - 15% (so với khôi lượng chất khô)

Lượng đường hòa tan trong lá chè luôn thay đổi và phụ thuộc vào nhiều yếu tô" Nếu xét theo mức độ non già của

lá và vị trí của lá trên búp chè thì lá càng già, lượng đường khử và sucrose cũng như tổng lượng đường hòa tan càng cao.

Bảng 1-4: Lượng đường hòa tan trong búp chè (tính theo phần trăm chất khô) [1].

vị ngọt cho sản phẩm chè xanh và giúp điều hòa vị cho chè [3], [1] Thực nghiệm cho thấy rằng: sự tácdụng tương hỗ giữa glucose hay fructose vđi các acid amin - phenilalanine và tannin có tạo thành cácaldehyde bay hơi có mùi thơm của hoa tươi, mùi mật ong [1]

1.1.2.3 Các hơp chất chứa nitrogen

I.I.2.3.I Proteỉne và amino acid

Các hợp chất proteine chiếm khoảng 25 - 30% khôi lượng chất khô của lá chè tươi [3] Trongcông nghệ sản xuất chè xanh, proteine có vai trò quan trọng trong việc điều hòa vị của chè [31 Bên cạnh

đó, những búp chè chứa nhiều proteine sẽ hỗ trợ khá nhiều cho quá trình vò chè Proteine giúp quá trình

vò chè được thực hiện dễ dàng, lá chè xoăn hơn và có ngoại hình đẹp, nhờ đó, làm tăng giá trị cảm quancủa chè xanh thành phần sau này [3]

Bên cạnh đó, hàm lượng proteine có ý nghĩa quan trọng đối với việc hình thành chất lượng củachè bởi chúng là nguồn cung cấp các acid amin tự do trong suốt quá trình chế biến Dưới tác dụng củanhiệt, proteine bị thủy phân tạo thành các acid amin và các acid amin này tham gia vào các phản ứngMaillard tạo hương vị cho sản phẩm chè xanh [1] Hàm lượng proteine trong lá chè phụ thuộc vào giôngchè, thời vụ thu hái, tuổi lá, điều kiện sinh trưởng, cách bón phân

CHƯƠNG 1: TỔNG

QUAN

Bảng 1-5: Sự phân bô" proteine trong búp chè [6].

Bộ phận của búp Proteine (tính theo % khôi lưựng chất khô)

pha chè Trong số các acid amin trên có 3 loại acid amin quan trọng là: theanine (50%), acid glutamic

(12%) Các acid amin này có tác dụng sinh lí tốt với con người và tham gia vào sự hình thành hươngthơm của chè

1.1.2.3.2 Alkaloỉde

Alkaloide là nhóm hợp chất vòng hữu cơ có chứa nitrogen trong phân tử Phần lớn các alkaloide

là những chất không màu, có vị đắng và ít hòa tan trong nước Trong lá chè, người ta tìm thấy cácalkaloide chủ yếu là caffeine, theobromine và theophyline Trong đó, caffeine chiếm khoảng 2 - 5%lượng chất khô; theobromine và theophylline với hàm lượng nhỏ hơn rất nhiều so vđi hàm lượng củacaffeine, chiếm khoảng 0.33% khôi lượng chất khô [6] Tuy vậy, vai trò của theobromine và theophyllinetrong dược tính của cây chè quan trọng hơn so với caffeine Nguyên nhân là do so với caffeine thìtheobromine kích thích hệ thần kinh trung ương có yếu hơn nhưng làm lợi tiểu tốt hơn [11

Hàm lượng caffeine trong lá chè biến đổi theo giông, thời vụ, biện pháp canh tác và trên bộ phậnkhác nhau của cây chè Trong quá trình chế biến, hàm lượng caffeine rất ít biến đổi và thường liên kếtvới tannin tạo thành tannate caffeine có vị dễ chịu và mùi thơm [3]

1.1.2.4 Tinh dầu

Tinh dầu là một hỗn hợp các chất bay hơi tồn tại trong các cơ quan của cây chè Hàm lượng tinh dầu trong lá chè tươi và trong chè thành phẩm rất thấp, chúng chỉ chiếm

khoảng 0.02% chất khô Mặc dù vậy, tinh dầu có ý nghĩa hết sức quan trọng cho sản phẩm chèxanh vì chúng ảnh hưởng đến hương vị của chè thành phẩm [1 ] Tinh dầu của cây chè được hình thànhtrong quá trình sinh trưởng, phát dục của cây chè và trong quá trình chế biến chè Hương thơm là một chỉtiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng chè thành phẩm Hương thơm của chè thành phẩm được tạo

ra từ ba nguồn sau đây: [3]

> Tinh dầu trong búp chè

> Sản phẩm có mùi trong sự chuyển hóa của catechin và acid amin

> Các sản phẩm của quá trình caramel hóa trong quá trình chế biến chè

Bằng phương pháp sắc kí khí, người ta đã phát hiện trong lá chè tươi có khoảng 69 cấu tử hươngkhác nhau [1] Theo tài liệu của nhiều tác giả, trong chè tươi và chè thànhphẩm có chứa các cấu tử tinh dầu sau đây: [1]

> Nhóm các acid hữu cơ gồm các acid: acetic, propionic, salicilic, n-butyric, isobutyric,

isovalerianic, capronic, caprilic, hexenic panmitinic, phenylacetic, benzoic

> Nhóm rượu: isoamylic, isobutylic, n-butylic, hexanol, n-octanol, pentanol, benzilic, benzyletylic, isopentanol, metyletyletanol, phenyletanol, metylbutanol, acetylpirol

> Nhóm aldehyde: n- và iso-butaral, n-valerianal, metylacetal, hexenal, benzal, hexanal, vanilin, paraoxybenzealdehyd

> Nhóm các hợp chất khác gồm: phenol, cresol, geraniol, linalol, citral, citronelol, tecpineol,

acetonphenol, metylacetat, acrolein, metylsalicilat

Trong số các thành phần ở trên, các aldehyde là thành phần cấu

tử quan trọng củatinh dầu chè Đôi với chất lượng chè, các aldehyde bay hơi giữ vai trò quan trọng và ảnhhưởng trực tiếp đến hương thơm của chè thành phẩm vì bản thân một sô" aldehyde có mùi thơm Hơnnữa, các aldehyde còn tham gia vào sự tạo thành các phức chất có mùi thơm độc đáo của chè, tham giavào sự hình thành màu sắc và vị nước chè [1 ]

1.1.2.5 Sắc tô"

Cùng vđi hương và vị của chè thì màu sắc của nước pha chè là một chỉ tiêu chất lượng được cácnhà chê biên chè quan tâm Trong công nghệ chê biến chè xanh, màu sắc của nưđc pha chủ yếu do cácsắc tô" có trong nguyên liệu và các sắc tô" tạo ra trong quá trình chế biến Trong lá chè chủ yếu chứaCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

nhiều sắc tô" thuộc họ chlorophyll và carotenoids Trong công nghệ sản xuất chè xanh, chlorophyll là sắc

tố quyết định đến màu

của nước chè pha Bên cạnh đó, trong lá chè còn có sắc tô" anthocyanidins anthocyanidins Trong lá chè,hai sắc tô" này tồn tại dưđi hai thành phần chính là đelphenidin và cyanidin, đây là hai thành phần hoàn toànkhông có lợi cho sản phẩm chè xanh vì chúng làm ảnh hưởng xấu đến màu của nước chè

> Chlorophyllases tham gia quá trình thủy phân chlorophyll

1.1.2.7 Polyphenol

Polyphenol là các hợp chất tạo vị chát cho sản phẩm Trong lá chè, thành phần polyphenol quan trọng nhất là flavanoid Trong đó, thành phần chính của flavanoids được tìm thấy trong lá chè tươi là catechin và flavonol Hàm lượng của catechin tổng dao động trong khoảng 20 - 30% khôi lượng chất khô của lá chè Khi tiến hành khảo sát sự phân bô" của của các catechin trong các bộ phận của búp chè, người ta phát hiện rằng, các catechin có nhiều nhất trong các phần non của cây chè như: tôm, lá thứ nhất, lá thứ hai Các búp chè bị sâu bệnh và các lá già thì chứa rất ít catechin.

Bảng 1-6: Thành phần catechin của búp chè (tính bằng nig/g tannin trong búp chè) [6]:

1.2.1 Giới thiệu chung về caffeine

Caffeine là một hợp chất tự nhiên được tìm thây trong lá, hạt và trái cây của trên 63 loại nông sản

tự nhiên và là một phần của một sô" nhóm các hợp chất được biết đến như methylxathine Caffeine là mộtchất gây nghiện chủ động và thường được sử dụng như một loại dược phẩm vì có tính chất của một chấtkích thích thần kinh ôn hòa và được bài tiết ra ngoài trong vòng vài giờ sau khi được hấp thụ vào cơ thể.Caffeine là một chất thuộc họ alkaloide Ớ dạng tinh khiết, caffeine là một chất bột màu trắng và

có vị đắng Công thức hóa học của caffeine là C8H10N4O2, danh pháp IƯPAC là 1,3,5-trimethylcayhine

và có công thức cấu tạo là:

Hình 1-2: Cấu trúc của caffeine

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Bảng 1-7: Tính chất vật lí của caffeine [10]:

Trong SCJ các chất alkaloide có trong lá chè tươi, trừ caffeine, theobromine và thyophyline ra, cácchất còn lại có hàm lượng không đáng kể Tác dụng của caffeine, theobromine và thyophyline đốì với cơthể con người được thể hiện chủ yếu ở ba điểm:

> Thứ nhất, caffeine kích thích hệ thần kinh trung ương, làm cho tinh thần minh mẫn, tăng cường sựnhận biết của bộ óc [1] Một sô" giả thiết cho rằng caffeine nói riêng và các methylxanthine nói

Báng 1-8: Hàm lượng caffeine trong búp chè [ 3 ]

adenosine của tế bào thần kinh Để phản ứng lại, các tế bào thần kinh sẽ tăng về sô" lượng Việctăng này làm tăng khả năng tiếp nhận các adenosine cho tế bào thần kinh, do đó, tạo cảm giác kíchthích cho hệ thần kinh trung ương, về lâu dài, việc tồn tại mãn tính của caffeine trong cơ thể làm

tăng số lượng của các vị trí cơ quan tiếp nhận adenosine và làm cho khả năng chịu đựng của cơ thể

với caffeine tăng lên [22] Khi đó, khả năng kích thích của caffeine đôi vđi cơ thể sẽ giảm Bêncạnh đó, caffeine kích thích quá trình tiết ra seroronine ở vỏ não, góp phần làm tăng sự minh mẫncủa bộ óc [221 Một ảnh hưởng khác của caffeine đôi với hệ thần kinh trung ương là làm giảmnhững cơn đau đầu Những cơn đau đầu thường xuyên xuất hiện chủ yếu là do sự giãn mạch củacác mạch máu thần kinh Điều này được hạn chế bởi phản ứng của methylxanthine trên các cơquan tiếp nhận adenosine khi caffeine được sử dụng [ 22 ].

> Tác dụng thứ hai của caffeine là việc kích thích cơ năng và tăng cường hoạt động của tim Nhờ tácdụng này mà cơ thể chông được sự mệt mỏi, tăng cường hiệu suất làm việc và sức dẻo dai [1].Caffeine và các methylxanthine ảnh hưởng lên chức năng của tim bằng hai cách: thứ nhất là làmbiến đổi trực tiếp những sự đôi lập của tim và mạch máu, thứ hai là ảnh hưởng đến hệ thông dẫntruyền thần kinh và các hệ thông trung ương thứ yếu [22] Ớ người sử dụng các sản phẩm chứacaffeine, áp suất máu di chuyển trong cơ thể tăng nhẹ và chì trở về hàm lượng ban đầu sau 3 - 4h[22] Việc tăng áp suất máu đã kích thích hoạt động của cơ tim, tăng khả năng hoạt động của tất cả

các cơ quan, tăng khả năng hấp thụ và dẫn truyền oxy của máu [22] Bên cạnh đó, caffeine gây ra

sự tăng epinephrine và norepinephrine trong huyết tương, ảnh hưởng đến hàm lượng của ion Ca2+

của tế bào và sự phân bô" của nó trong tế bào, làm thay đổi nhịp tim, thay đổi điện lý của tim, tăngtốc độ dẫn truyền máu Kết quả của những tác động sinh lí trên là làm tăng hoạt động của cơ tim,giúp cơ thể chông lại sự mệt mỏi Điều này là hoàn toàn không tốt đôi vđi

những người có bệnh về tim mạch Việc tăng hoạt động của cơ tim và tốc độ dẫn truyền máu làmtăng huyết áp và nguy cơ vỡ động mạch Bên cạnh đó, việc sử dụng các thức uống chứa hàm lượngcaffeine cao sẽ làm tăng hàm lượng homocysteine trong huyết tương và đây là một nguy cơ cho timmạch Theo nhiều nghiên cứu y khoa, liều lượng của homocysteine trong huyết tương tăng sẽ tácđộng mạnh hơn đến tim mạch và dễ dàng kết hợp với hàm lượng cholesterol trong huyết thanh [22]

> Tác dụng thứ ba của caffeine đôi với cơ thể là kích thích hoạt động của thận Nhờ đó giúp cơ thểnhanh chóng thải ra ngoài những sản phẩm thừa của quá trình trao đổi chất [1] Caffeine làm tăng

cạnh đó, caffeine giúp tăng cường sự trao đổi chất, sự hấp thụ oxy trong cơ thể Bên cạnh nhữngtác động trên của caffeine đôi với thận thì tác dụng quan trọng nhất của caffeine đôi với cơ thể làlợi niệu [1].

Ngoài ra, theo những nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học, caffeine có ảnh hưởng đến hệ thông

dạ dày, hô hấp và cơ bắp Đôi với hệ thông dạ dày, caffeine kích thích sự tiết ra các chất của các tuyến, kíchthích sự tiết hormone ở lá lách, ảnh hưởng đến tính linh động của dạ dày và ruột Chính điều này, mà theokhảo sát thì có khoảng trên 60% người sử dụng caffeine có các triệu chứng như khó tiêu, chứng ợ nóng, đau

dạ dày và những triệu chứng gây ra bởi sự đầy hơi và táo bón [22] Còn đôi với hệ thông hô hấp, caffeinekích thích hệ hô hấp, tạo sự thoải mái cho cơ và khí quản Do đó, caffeine thường được sử dụng trong ykhoa như một chất trợ hô hấp hay một thứ thuốc để chữa bệnh suyễn [22].

Bên cạnh đó, caffeine cũng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất cơ bản Caffeine làm tăng tốc độtrao đổi chất và thường được sử dụng ở các vùng lạnh Chính vì tác dụng này của caffeine mà trong một thờigian dài, nó được coi như là một chất gây béo phì

Caffeine hầu như không bị oxi hóa hay biến đổi dưới những tác động vật lí, chúng dễ dàng vượt quacác màng tế bào chất Việc hấp thụ caffeine của cơ thể tuỳ theo pH của dung dịch chứa caffeine hay pH củacác cơ quan trong cơ thể Theo nghiên cứu, thì sau 20 phút, phần trăm caffeine được hấp thụ ở dạ dày là 9%

ở pH = 2.1; 14% ở pH = 3.5 và 22%

ở pH = 7 Qua đó có thể thấy, việc tăng pH làm tăng khả năng hấp thụ caffeine trong cơ thể [22]

Do những tác động có lợi lẫn có hại của caffeine đôi với cơ thể con người, nên người tiêu dùngquan tâm đến tính chất kích thích của caffeine, đến quá trình dị hóa và bài tiết của cơ thể đôi với caffeine

Báng 1-9: Sự dị hóa caffeine ở người tiêu thụ 5mg caffeine/kg thể trọng [22]

Thời gian nhận

xét

(giờ)

Tốc độ dị hóa (Hg/phút/kg)

Tổng lượng được dị hóa (ng/kg)

Tổng lượng chất tích luỹ được dị

hóa (ng/kg)

Tổng lượng chất được giữ lại trong cơ thể (|0,g/kg)

Việc tiêu thụ trung bình caffeine ở người dao động từ 80 - 400mg/ngày Với lượng tiêu thụ nhưvậy đã làm cho hàm lượng caffeine trong huyết tương dao động từ 5 - 20|aM Theo s Gokulakrishnan,

chỉ với liều lượng của caffeine như trên cũng đã ảnh hưởng đến giấc ngủ (cả về chất lượng và số lượng)

[25]

Theo một vài nghiên cứu mới, caffeine có thể gây ra sự đột biến, sự ức chế việc sửa chữa ADN và

ức chế enzyme adenosine monophosphodiesterase Ngoài ra, trong quá trình mang thai nó gây ra các dị tậtcủa bào thai Caffeine cũng gây ra các chứng loãng xương, làm giảm sự đậm đặc của nguyên liệu [48]

1.3 Catechin

1.3.1 Giđi thiêu chung về catechin

Catechin trong chè là một hỗn hợp gồm nhiều loại khác nhau như: catechin, epicatechin, epigallo catechin,

gallocatechin, epicatechin gallate, epigallocatechin gallate, gallocatechin gallate Ớ thể rắn, các catechin

là chất kết tinh hoặc vô định hình, tan trong nước, không màu, và có vị chát đắng ở mức độ khác nhau Chúng dễ dàng

bị oxi hóa và tạo hợp chất phức tạp với nhiều chất khác nhau như methylxanthine Epigallocatechin gallate là thành phần polyphenol chủ yếu trong chè, chiếm khoảng 12%

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Bảng 1-10: Thành phần tố hựp các chất tanin trong lá chè tươi [ 1 ]:

Tên chất

Hàm lượng (% tổng lượng polyphenol)

(% tổng lượng catechin) Búp ba lá

Hình 1-3: Công thức cấu tạo cửa các catechin: (a) EGCG; (b) ECG; (c) EC; (d) catchin

Catechin là thành phần hóa học quan trọng nhất trong lá chè tươi cũng như trong các loại chèthành phẩm Nó quyết định đến chất lượng của chè Catechin không những tạo nên vị và dược tính củachè mà còn tham gia vào các quá trình biến đổi hóa học dưới tác dụng của các enzyme oxi hóa khử đểtạo ra hương vị và màu sắc nước pha đặc trứng cho mỗi loại chè Trong công nghệ sản xuất chè xanh,ngay tại quá trình đầu tiên của công nghệ có quá trình diệt men Tại giai đoạn này ta tiến hành vô hoạthoàn toàn enzyme polyphenoloxydase, nên catechin trong chè hầu như không bị biến đổi đáng kể trongsuốt các quá trình chế biến còn lại Chính nhờ các enzyme bị vô hoạt hoàn toàn trong quá trình diệt men,nên trong giai đoạn vò chè và sao chè, các catechin bị oxi hóa và biến đổi chủ yếu dưới tác dụng củanhiệt và ẩm Do đó, sản phẩm thu được là chè xanh có vị chát mạnh, có hậu vị ngọt, có màu nước xanhtươi hoặc xanh vàng và có hương thơm đặc trưng Nói chung, hàm lượng polyphenol trong lá chè tươihoặc trong chè xanh thành phẩm càng cao thì chất lượng của chè xanh càng tốt Bên cạnh đó, chúng tacũng cần chú ý đến hàm lượng của các hợp chất với tỉ lệ thích đáng mới có lợi và tạo nên được chấtlượng toàn diện của chè [ 1 ]

1.3.2 Những tác động sinh lí của catechin đốì vởi cơ thế

Đôi với cơ thể con người, catechin có ảnh hưởng tôt đến cơ thể Trước hết, catechin có tác dụnggiải khát, chữa một sô" bệnh đường ruột và có tác dụng cầm máu Nhóm chất catechin trong thành phầnpolyphenol của chè còn có khả năng làm tăng tính co dãn, nâng cao năng lực đề kháng của thành vihuyết của cơ thể động vật, nhờ đó làm giảm nhanh hiện tượng sung huyết của cơ thể Hơn nữa, catechin

có tác dụng tăng cường sự tích lũy và đồng hóa vitamin c trong cơ thể, giúp phòng ngừa bệnh hoạihuyết Do đó, catechin có hoạt tính của một vitamin p và hoạt tính của nó cao hơn cả hoạt tính củavitamin p lấy từ lúa mạch Chế phẩm catechin chè được dùng như một nguồn cung cấp vitamin p cho cơthể người Theo tài liệu của Liên Xô thì người lớn cần 200mg và trẻ em cần lOOmg trong một ngày.Hiện nay, người ta đã thiết lập được phương pháp thu nhận chế phẩm catechin từ lá chè già và đượcdùng để chữa các bệnh có hiện tượng chảy máu trong cơ thể do nhiễm độc các mao quản, chữa bệnhhuyết áp cao và tê thấp tim Đặc biệt, theo kết quả

nghiên cứu của Liên Xô, chế phẩm catechin có độ tinh khiết cao (82%) có tác dụng chữa bệnh nhiễm phóng xạ và có hoạt tính cao chỉ thua kém natri gallate

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Các thí nghiệm tiến hành trên chuột bạch cho thấy rằng, catechin chè có thể tăng cườngmạnh mẽ sức đề kháng của vi huyết quản của chuột bạch, hơn nữa còn nâng cao được năng lực củacác mô tàng trữ vitamin c Các kết quả thí nghiệm đôi với bệnh nhân lâm sàng cũng cho thấy, khinăng lực đề kháng của vi huyết quản giảm xuống, chỉ cần cho bệnh nhân mỗi ngày uống 100 - 200

mg catechin thì sẽ nhanh chóng làm cho tính thẩm thấu của thành vi huyết quản của bệnh nhân đạtđến trạng thái bình thường [1]

1.4 Dược tính của cây chè

Có thể nói, chè là một thức uổng truyền thông của người Trung Hoa và Nhật Bản Nó được

sử dụng rộng rãi bởi những dược tính của nó Và ngày nay, chè được tiêu thụ phổ biến trên thế giới.Trong thành phần hóa học của chè chứa nhiều catechin và caffeine Do đó, theo các mục 1.3 và 1.4(được trình bày ở trình bày ở trên) thì chè là một thực phẩm rất có lợi cho sức khoẻ Theo nhiềunghiên cứu của các nhà khoa học và y khoa, chè có tác dụng chữa khá nhiều bệnh: chữa ung thư vàchông tia cực tím, bệnh tiêu chảy và kiết lị, chứng không tiêu, cảm nhiễm ở hệ tiết niệu, chữa trịviêm gan dạng hoảng đảm cấp tính, chữa đau bụng do giun đũa và đau răng, chữa chứng caocholesterol trong máu, chữa chứng béo phì, chữa chứng suyễn, chữa phong nhiệt đau đầu, chữa chongười đang bị bệnh lao, chữa cảm, kháng khuẩn, bảo vệ răng, giảm nguy cơ tiểu đường

1.5 Muc đích của vỉêc khử caffeine trong lá chè

Như đã trình bày ở mục 1.2, 1.3 và 1.4, rõ ràng chè là một sản phẩm rất tốt cho sức khoẻchúng ta Chè có nhiều tác dụng giúp giảm các nguy cơ bệnh tật Tuy nhiên, chè có chứa caffeine, làchất tác dụng lên cơ thể chúng ta theo hai hướng Caffeine có những tác dụng có lợi, giúp tăng cường

sự tỉnh táo và minh mẫn của bộ óc, chống lại sự mệt mỏi Tuy nhiên, với một sô" người, caffeine lạigây ra những tác dụng không tốt Caffeine gây ra những cơn đau đầu, những chứng mất ngủ, tăngkhả năng hoạt động của cơ và tăng lượng hoạt động của tim, gây ra chứng cao huyết áp Do đó, vớimột sô" người thì nhu cầu về một sản phẩm không chứa hoặc chứa một lượng rất nhỏ caffeine là rấtcao Đây là nhóm người có nhu cầu sử dụng sản phẩm chè như một dược liệu, một thức uống giảikhát

do những đặc tính sinh học quan trọng của chúng, nhưng không muôn những tác động có hại đối với sứckhoẻ, đặc biệt là những người có bệnh cao huyết áp, có chứng mất ngủ

1.6.1 Phương pháp khứ caffeine bằng dung môi

ra khỏi nguyên liệu, dễ thu hồi dung môi, không độc và

an toàn với môi trường Với những yêu cầu như vậy thì những dung môi thường được dùng là Methylene chloride

và ethyl acetate Trong đó, hiện nay, methylene

chloride được sử dụng nhiều nhất do có tính chọn lọc cao để tách caffeine mà không tách các cấu tử hương và các chất tạo vị trong lá chè [45] Bên cạnh đó,

phẩm chỉ còn lại một lượng nhỏ caffeine Theo FDA (hiệp hội Thực phẩm và Dược phẩm của Mỹ), quá trình khử

caffeine bằng methylene chloride cho kết quả khá tốt Hầu hết các sản phẩm đã khử caffeine thì có hàm lượng methylene chloride còn lại thấp hơn 0 lppm.

1.6.1.2 Phương pháp thực hiên

Quy trình khử caffeine trong chè bằng dung môi được bắt đầu bằng quá trình diệt men, làm sạch

và làm ẩm lá chè Các quá trình này được thực hiện bằng cách xông hơi vào lá chè Lá chè tươi được làmhéo và chuyển vào thiết bị trích ly Dòng hơi ở nhiệt độ 110°c được dẫn truyền vào thiết bị trích ly từCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

phía dưới của thiết bị Lá chè sau khi được làm ẩm với dòng hơi sẽ có bề mặt lá dễ thẩm thấu hơn vàcaffeine được trích ly dễ dàng khi dung môi tiếp xúc với caffeine Dòng hơi đi qua thiết bị trích ly trongkhoảng 0.5 giờ Dòng hơi ra khỏi thiết bị được thu hồi, ngưng tụ và chứa trong các thiết bị chứa Sauquá trình xông hơi, dung môi sạch được bơm vào thiết bị trích ly với tỉ lệ 4:1 Quá trình khử caffeineđược thực hiện trong khoảng thời gian 10 phút Sau quá trình khử caffeine, dung môi được tháo ra khỏithiết bị, còn lá chè sau đó được đem loại dung môi và ta được sản phẩm là lá chè tươi đã khử caffeine[45].

Hình 1-4: Quy trình khử caffeine bằng dung môi So với các dung môi khác,

methylene chloride có hiệu quả cao trong quá trình khử caffeine Nhưng methylene chloride tiềm ẩnnhiều nguy cơ khi có sự cố xảy ra như: gây ra sự chóng mặt, đau đầu nếu hít vào ở nồng độ cao Do đó,bên cạnh methylene chloride, ta có thể sử dụng một sô" dung môi khác như ethyl acetate Ethyl acetate

có thể tách caffeine từ lá chè một cách hiệu quả, nhưng có nhược điểm là nó trích ly cả những thànhphần hóa học có lợi trong chè Theo các nghiên cứu quá trình khử caffeine ở chè xanh với ethyl acetatethì một lượng khoảng 30% EGCG và những hợp chất chông oxi hóa khác bị trích ly cùng với caffeine[10] Hơn nữa, ethyl acetate cũng là một chất độc tuy mức độ gây độc thâp hơn methylene chloride.Bên cạnh đó, mặc dù chloroform là một chất độc, nhưng trong mục đích của phòng thí nghiệm,choloroform vẫn được sử dụng như là một dung môi tốt nhất để trích ly caffeine [10]

Phương pháp khử caffeine bằng dung môi hữu cơ cho thấy những ưu điểm như rẻ tiền, thiết bịđơn giản, dễ thực hiện, tính hòa tan chọn lọc cao với caffeine Chính những Ưu điểm này mà trongnhững năm trước đây, phương pháp khử caffeine bằng dung môi hữu cơ được áp dụng rộng rãi và phù

hợp vớinhững cơ

thế bằng các phương pháp khác hiệu quả hơn

1.6.2 Phương pháp khứ caffeine bằng nơđc

1.6.2.1 Nguyên tắc

Phương pháp này dùng nước nóng để trích ly caffeine từ

lá chè Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi vì không sử dụng bất kì một dung môi nào gây độc đến chất lượng của sản phẩm cũng như ảnh hưởng đến môi trường Phương pháp này dựa trên khả năng hòa tan caffeine trong nước để trích ly caffeine khỏi lá chè và tạo ra sản phẩm chè xanh ít chứa caffeine Tuy nhiên, phương pháp này không có tính chọn lọc cao đôi với caffeine, mức độ tổn thất của những thành phần hòa tan, các chất thơm và hương vị trong lá chè cao [45].

Hình 1-5: Quy trình khử caffeine bằng nước.

Quá trình khử caffeine bằng nước nóng được thực hiện theo qui trình như sau: trướchết lá chè tươi được làm sạch nhằm tách hết các tạp chất, loại bỏ các lá chè hư hỏng,không đạt yêu cầu ra khỏi nguyên liệu ban đầu Sau đó, lá chè được ngâm trong nước nóng trong mộtkhoảng thời gian nhất định để thực hiện quá trình tách khử caffeine khỏi lá chè Quá trình ngâm trongnước nóng ở đây được thực hiện nhằm hai mục đích: diệt men và khử caffeine Sau một khoảng thờigian nhất định, lá chè được lấy ra khỏi thiết bị trích ly Hỗn hợp nước bao gồm rất nhiều chất khô hòa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.6.2.2

Phương pháp thực hiên

tan, trong đó có cả caffeine được đem tách caffeine bằng phương pháp trích ly lỏng-lỏng với một dungmôi khác Dịch nước còn lại chứa các chất khô hòa tan, các polyphenol và các chất thơm được cho táihấp thụ vào trong lá chè.

1.6.2.3 Các yếu tô' ánh hưởng

Quá trình khử caffeine bằng nước chịu ảnh hưởng của các yếu tô" như: nguyên liệu

(kíchthưđc, cấu trúc nguyên liệu, thành phần hóa học), các thông sô" công nghệ của quátrình (nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ dung môi/ cơ chất), thiết bị và phương pháp thực hiện

Ánh hưởng của nguyên liệu đến quá trình khử caffeine:

> Kích thước của lá chè: khi lá chè được cắt, nghiền nhỏ thì hiệu suất khử caffeine tăng lên do cấu trúc tế bào bị phá vỡ, làm tăng diện tích tiếp xúc của lá với nước

> Độ ẩm của nguyên liệu: nguyên liệu càng ẩm thì tế bào lá càng giòn và hiệu suất khử càng cao.

Ánh hưởng của cấu trúc lá chè lên quá trình khử

caffeine: khi tiến hành khử caffeine trên lá chè đã vò

và chè khô thì tổn thất catechin của quá trình khử là rất lớn [35] Điều này được giải thích như sau: quá trình vò và sấy có làm phá hủy tế bào lá, làm thất thoát lượng catechin Khi lá chè được vò, tế bào lá và màng tế bào bị tổn thương và phá huỷ, làm cho catechin

và caffeine thoát ra bề mặt lá Trong trường hợp này, catechin và caffeine dễ dàng hòa tan vào trong nước Màng tế bào lá cũng bị phá hủy khi sấy khô sau đó và do

đó, làm tăng khả năng khuếch tán của catechin vào trong nước Do đó, mức độ tổn thất catechin tổng tăng dần theo thứ tự lá chè nguyên vẹn < lá chè đã vò < chè khô Như vậy, sự hư hỏng của lá là một yếu tô" quan trọng ảnh hưởng đến khả năng trích ly của catechin tổng [35].

Bảng 1-11: Ảnh hưởng của câu trúc lá đến quá trình khử caffeine [ 3 5 ] :

Mầu chè

Caffeine (mg/g chất khô)

EGCG (mg/g chất khô) Catechin tổng (mg/g

chất khô)

Ảnh hưởng của các thông sô" kỹ thuật:

> Ánh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khử caffeine: khi nhiệt độ tăng thì hiệu suất của quátrình khử caffeine ở lá chè cũng tăng theo Có thể nói, nhiệt độ là thông sô" quan trọng nhấtảnh hưởng đến phương pháp khử caffeine bằng nước nóng của lá chè Theo H Liang et al,nhiệt độ của quá trình khử không nên nhỏ hơn 100°c [35]

> Ánh hưởng của thời gian trích ly và tỷ lệ chè/nứơc: khi tăng thời gian trích ly thì hiệu suấtkhử caffeine tăng theo Theo H Liang et al, thời gian trích ly và tỷ lệ chè/nước thì ít ảnhhưởng đến quá trình khử caffeine [35] Hiệu suất khử caffeine trong thời gian 3-5 phút gầnnhư tương đồng với nhau, và cao hơn rổ rệt trong trường hợp khử caffeine trong thời gian 1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

phút Do đó, theo H Liang et al, thời gian khử caffeine không nên thấp hơn 3 phút và tỷ lệchè:nước không nên thấp hơn 1:20 ( w/w) [35].

> Ánh hưởng của quá trình khử caffeine đến hàm lượng catechin tổng: hàm lượng catechin tổngcủa lá chè đã khử caffeine và nguyên liệu ban đầu thì khác nhau không lớn Kết quả cho thấy:hơn 95% catechin tổng được giữ lại sau quá trình xử lý Hơn nữa, hai thành phần chính củacatechin trong lá chè là EGCG và EGC thì không thay đổi trong suốt quá trình khử caffeinebằng nước nóng

So với phương pháp khử caffeine bằng dung môi hữu cơ thì phương pháp khử caffeine bằng nước nóng có một sô" ưu, nhược điểm sau:

> về Ưu điểm, rõ ràng phương pháp này cho sản phẩm có độ an toàn cao, hiệu suất khử caffeinecao, ít tổn thất chất khô do có quá trình tái hấp thu, ít tổn thất nhiệt do

không có quá trình xông hơi Do ít sử dụng nhiệt trong suốt quá trình khử caffeine nên sản phẩm

ít có sự biến đổi và sản phẩm có chất lượng cao hơn [45]

> Tuy vậy, phương pháp khử caffeine bằng nước nóng cũng cho thấy những nhược điểm như sựthất thoát các hợp chất catechin, các chất hòa tan và một sô" chất thơm trong chè

1.6.3 Phương pháp Swiss water

1.6.3.1 Nguyên tắc

Phương pháp Swiss water được thực hiện dựa trên nguyên tắc là dùng than hoạt tính khửcaffeine trong dịch trích để tạo ra dịch trích cân bằng, từ đó, tạo ra được một dịch trích đã bão hòa chấtkhô nhưng không chứa hoặc chứa rất ít caffeine Sau đó, dịch trích này sẽ được dùng để khử caffeinethay vì dùng nước thường [45]

1.6.3.2 Phương pháp thực hiên

Phương pháp Swiss water là một dạng của phương pháp khử caffeine bằng nước Phương phápnày dựa trên lí thuyết về sự hòa tan của caffeine trong nước đã bão hòa chất khô Với dịch nước đã bãohòa chất khô hòa tan (không tính caffeine), thì dịch nước sẽ không hòa tan thêm các thành phần kháctrong lá chè, đặc biệt là catechin và các chất hòa tan mà chỉ hòa tan caffeine Lá chè lúc đầu được trích lybằng nước nóng Khi đó, các thành phần chất hòa tan và caffeine hòa vào trong nước và tạo ra một dịchtrích cân bằng về các chất hòa tan, các catechin, caffeine Tiếp theo, caffeine được lấy ra khỏi dịch trích

bằng cách cho qua cột than hoạt tính Dòng nước ra khỏi cột hấp phụ là dòng nước đã bão hòa các chấthòa tan nhưng không chứa caffeine Dòng nước này có đặc tính là không thể trích ly thêm các chất hòatan và các catechin nữa nhưng vẫn còn khả năng trích ly caffeine Điều này cho phép các mẻ tiếp theo cóhiệu suất khử rất cao mà vẫn duy trì được các chất hòa tan trong lá chè nguyên liệu Dòng nước trích lysau đó lại được cho qua cột than hoạt tính đã bão hòa chất khô nhằm loại caffeine ra khỏi dịch trích Quátrình cứ thế tiếp tục cho các lần trích tiếp theo [45].

So với phương pháp khử caffeine bằng nước nóng bình thường thì phương pháp Swiss waterphát huy những ưu điểm của phương pháp trên Bên cạnh đó, nó khắc phục những nhược điểm củaphương pháp dùng nước nóng như: phương pháp này tránh được việc tổn thất các chất khô hòa tan, cáccatechin có trong nguyên liệu lá chè và tạo ra sản phẩm có hương vị tốt hơn Phương pháp này đượcxem là khá hiệu quả cho quá trình khử caffeine trong lá chè tươi

Ngày nay, việc sử dụng màng lọc membrane hay lọc than hoạt tính trong việc tách caffeine rakhỏi dịch trích trở nên không còn hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường [48] Một hứơng pháttriển mới trong việc tách caffeine ra khỏi dịch trích là việc sử dụng công nghệ enzyme và vi sinh vật[481- Vi sinh vật được cho vào dịch để khử caffeine trong dịch trích Swiss water và tạo ra một dịch trích

đã bão hòa chất khô hòa tan nhưng vẫn không chứa hoặc chứa rất ít caffeine Một sô"giông vi sinh vật

đã được nghiên cứu cho quá trình này như peudomunas, aspergillus, penicillium

Quá trình khử caffeine ở sinh vật nhân nguyên thủy và sinh vật nhân thật đã và đang được

nghiên cứu Con đường tổng thể khử caffeine ở vi sinh vật được thể hiện như sau:[25]

Caĩtílne I

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Con đường demethyl hóa [Demethylase enzymes (in mammals CYP450

Con đường oxi hóa [Xanthine oxidase enzyme]

Hình 1-6: Mô hình tổng thể của quá trình khử caffeine bằng vi sinh vật [25].

> Ớ sinh vật nhân thật: đôi với nhiều giống cây trồng, việc khử caffeine xảy ra trong suốt quá trìnhdemethyl và sản phẩm cuối cùng tạo thành là xanthine Phản ứng demethyl được xúc tác bởinhững enzyme demethylase như N-l demethylase, N-7 demethylase và N-3 demethylase Sau

đó, xanthine được chuyển thành CƠ2 và NH3 bởi sự phá hủy vòng purine Trái lại, ở một sô"giông, con đường khử caffeine ở động vật là kết quả của sự hình thành methyl xanthines vàmethyl uric acids bởi những enzyme ở cytochrome P450 như CYP1A2, CYP3A4, CYP2E1xanthine oxidase và N-acetyl transferase Những xanthine này được methyl hóa và những aciduric hình thành trong quá trình khử caffeine được bài tiết ra ngoài cơ thể [251- Còn đôi vớinấm, sản phẩm đầu tiên của quá trình khử caffeine được tìm thấy là theophyline Nhữngxanthine dimethyl và monomethyl khác được tạo thành như một sản phẩm của quá trình khửcaffeine Tuy nhiên, con đường phân giải của các xanthine ở nấm chưa được biết một cách rõràng [251-

> Ớ sinh vật nhân nguyên thủy, con đường khử caffeine cũng chưa được tìm hiểu đầy đủ Ớ vi

khuẩn (tiêu biểu là giống Pseudomononas), caffeine được chuyển thành theobromine và

paraxanthine bởi enzyme demethylase Việc demethyl tạo ra các xanthine vđi methylxanthine như là một sản phẩm trung gian Sau đó, các xanthine, mono và dimethyl

7-xanthine bị oxi hóa thành acid uric và đi vào con đường phân hủy purin Ớ Serratia marcescens, con đường phân hủy thì tương tự như ở Pseudomonas sp, ngoại trừ sự hình thành

sản phẩm trung gian methyl uric acid [25]

Trước đây, việc khử caffeine bằng vi sinh vật chưa được nghiên cứu nhiều vì caffeine vẫn đượcbiết đến như một chất độc với vi khuẩn Trong môi trường sinh sông của vi sinh vật, nồng độ caffeinelớn hơn 2.5mg/ml sẽ ức chế sự phát triển của một sô" loài vi khuẩn Vì vậy, khi đó caffeine thường được

sử dụng như một chất chông vi sinh vật giông như chloramphenicol Những nghiên cứu về việc khửcaffeine trong các dạng thực phẩm khác nhau bằng vi sinh vật chỉ thực sự được nghiên cứu kể từ năm

1970 Và kể từ đó đến nay, một vài thành tựu đã đạt được trong việc sử dụng caffeine như là một cơ chấtcho sự phát triển của vi sinh vật Đốì với vi khuẩn, những loài có khả năng khử caffeine

được biết đến là Pseudomonas và Serratia genus Fe2+ được xem là co-factor, nó xúc tác cho

sự tạo thành enzyme demethylase Chính vì vậy, sự có mặt của Fe2+ (0.04%) trong môi trường

làm cho việc khử theobromine của Pseudomonas tăng gấp 10 lần [25] Còn đôi vđi các loại

nấm mốc, khả năng sử dụng caffeine như một cơ chất của quá trình trao đổi chât cũng được

ghi nhận Việc khử caffeine được thực hiện ở một vài loài nấm như Stemphylium sp, Pénicillium sp và aspergillus sp A tamari, A niger, A fumigaîus và p commune và kết quả cho thấy sự phát triển của các loài khi sử dụng caffeine như là nguồn cung cấp nitrogen A tamarí

và p commune thì cho thấy có khả năng khử caffeine tôt (60%) trong khi một vài loài khác là

thấp hơn 20% [25]

Tốc độ khử caffeine ở một sô" loài vi sinh vật quan trọng được cho ở bảng 1-12

Báng 1-12; So sánh tốc độ khử caffeine ở những loài vi sinh vật khác nhau [ 2 5 1

Vi sinh vât

Nồng độ caffeine ban đầu (g/l)

Nguồn С (g/l)

Quá trình khử caffeine (%)

TỐC độ khử

caffeine (g/giờ)

Klebsiella và 0.5 Glucose (1) 100% trong 10h 0.05

Rhodococcus

Stemphyllium sp. 0.19 Sucrose (30.1) 100% trong 29h 0.0053

Aspergillus tamarii 1.2 Sucrose (28.4) 67% trong 48h 0.0536

Pénicillium commune 1.2 Sucrose (28.4) 61 % trong 48h 0.0521

> Như bảng trên ta thấy, việc khử caffeine ở vi khuẩn thì tôt hơn ở nấm mốc Vì caffeine

cũng là chất độc đốì với vi sinh vật nên nồng độ caffeine ban đầu trong quá trình lên men

có ý nghĩa quyết định Ớ nấm mốc, sự tồn tại của các nguồn nitrogen bên ngoài sẽ ức chếhoàn toàn quá trình khử caffeine Sự tồn tại của urea và ammonium sulphate thì ngăn cản

quá trình khử caffeine của A niger và Pénicillium verrucosum Tuy nhiên, trái vđi nấm

mốc, sự tồn tại của các nguồn nitrogen hữu cơ bên ngoài thì không ngăn cản quá trình

khử caffeine ở vi khuẩn.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

> pH ban đầu của môi trường cũng là một thông sô" quan trọng ảnh hưởng đến quá trình khử

caffeine pH của môi trường nên có tính axit (4 — 3.2) đối với Penicillium roqueforti và là bazơ đôi với Aspergillus sp.

So vđi phương pháp Swiss water kết hợp với than hoạt tính trong việc khử caffeine thìphương pháp Swiss water kết hợp với vi sinh vật cho kết quả khử caffeine cao hơn và hoàn toàn sạchvới môi trường do không dùng bất cứ dung môi nào [481- Trong phương pháp dùng than hoạt tính thì

ta phải sử dụng dung môi trong việc rửa giải caffeine khỏi than hoạt tính còn phương pháp này thìhoàn toàn không dùng bất cứ một dung môi nào

1.6.4 Phương pháp khử caffeine bằng CƠ 2 siêu tới hạn

1.6.4.1 Nguyên tắc

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: dùng CO: ở trạng thái siêu tới hạn, một trạng thái trunggian giữa trạng thái lỏng và trạng thái khí, để khử caffeine trong lá chè tươi Phương pháp khửcaffeine bằng CO2 siêu tới hạn được xem là một phương pháp rất thân thiện với môi trường

1.6.4.2 Phương pháp thức hiên

Phương pháp khử caffeine bằng CO2 được thực hiện như sau: khí CO2 được nén ở áp suất cao

và gia nhiệt lên nhiệt độ cao Khi đó, CO2 chuyển sang trạng thái siêu tới hạn Ớ trạng thái siêu tớihạn, CO2 trở thành một dung môi có khả năng hòa tan chọn lọc một sô" chất, đặc biệt là caffeine Đốìvới CO2, giá trị nhiệt độ tới hạn là 31.3°c và áp suất tới hạn là 80atm Ớ trạng thái siêu tđi hạn, CO2

vừa có những tính chất như một chất lỏng vừa có những tính chất của một chất khí [45]

Báng 1-13: Tính chất của CO 2 siêu tới hạn:

Trạng thái của CO 2 Tỉ trọng (g/cm 3 )

Khả năng khuếch tán (cm /s) 2

Độ nhớt động học (g/cm.s)

Khí 1 X 10' 3

1 X 10 1 1 X 10 4

Lỏng 1.0 5 X 10‘ 6 1 X 10’ 2

Hình 1-7: Mô hình khử caffeine bằng SCF: 1, bình chứa CO 2 ; 2, thiết tăng cường điện; 3, thiết bi gia nhiệt ;4, bơm CO 2 ; 5, thiết bị điều khiển; 6, bình chứa đồng dung môi; 7,bơm đồng dung môi; 8, thiết bị gia nhiệt; 9, bơm

tuần hoàn; 10, thiết bị trích ly; 11, thiết bị tách;

12, thiết bị tách 2; Vỉ, van ỉ; V2, van 2; BPR Quá trình bắt đầu với việc chuẩn bị lá chè,

tách tạp chất và tách ẩm Độ ẩm của nguyên liệu chuẩn bị cho quá trình khử caffeine nên là 30 - 35% Nguyênliệu được đặt vào một thiết bị trích ly Một hệ thông bơm bơm khí CO2 qua thiết bị gia nhiệt đến nhiệt độ 40 -80°c và tăng áp suất lên khoảng 120 - 180bar Dòng CO2 siêu tới hạn khi đó sẽ di chuyển vào trong thiết bị trích

ly Tại thiết bị trích ly, caffeine được trích ly bởi CO2 siêu tới hạn và dòng CO2 giàu caffeine ra khỏi thiết bị trích

ly [451- Sau đó, caffeine được tách khỏi CO2 siêu tới hạn và thu gom lại ở dạng tinh khiết Hiện nay, có hai cách

để tách caffeine từ CO2 siêu tới hạn Cách thứ nhất là hóa lỏng CO2 bằng việc hạ nhiệt độ của CO2 siêu tới hạnđến khoảng 20 - 25°c Khi đó CO2 chuyển từ trạng thái siêu tới hạn sang trạng thái lỏng và không còn khả nănghòa tan caffeine Như vậy, caffeine được tách ra khỏi dòng CO2 và thu nhận Cách thứ hai để tách caffeine từ

CO2 siêu tđi hạn là: bằng việc hạ thấp áp suất Áp suất được hạ thấp đến khoảng 58 - 65at Ớ áp suất thấp,caffeine cũng được tách ra khỏi CO2 do lúc này CO2 chuyển từ trạng thái siêu tới hạn sang trạng thái khí bìnhthường [45]

1.6.4.3 Các yếu tó ánh hưdng

Quá trình khử caffeine bằng CO2 siêu tới hạn chịu ảnh hưởng của các yếu tô" như: nguycn liệu (kíchthước, câu trúc nguycn liệu, thành phần hóa học), các thông sô" công nghệ của quá trình (nhiệt độ, áp suất, lưulượng CO2 siêu tới hạn, thời gian lưu, tỉ lệ CO2/ lá chè), chất đồng dung môi, thiết bị và phương pháp thực hiện

Ánh hưởng của nguyên liệu:

> Kích thưđc nguyên liệu: Kích thước lá chè là một thông sô" quan trọng trong quá trình trích ly Kíchthưđc của lá chè ảnh hưởng đến sự khuếch tán của các chất tan vào dung môi và ngược lại Nóquyết định đến diện tích bề mặt tiếp xúc của mẫu và dung môi So với mẫu không được cắt nhỏ thì

lá chè xanh trong nghiên cứu của Hyong Seok Park [27] được cắt đến kích thước 235.5|im cho kết

Mô hình khử caffeine bằng CƠ2 siêu tđi hạn (SCF): [27]

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

quả khử caffeine nhiều hơn 15 - 17% dựa trên thành phần ban đầu của caffeine trong lá chè tươi[27] Điều này được giải thích là do khi kích thước của các phần tử lá chè tăng lên thì khoảng cách

mà các phần tử chất chiết phải di chuyển từ bên trong đến bề mặt tiếp xúc tăng Điều này làm chokhả năng trích ly thấp hơn Hơn nữa, khi kích thước của các phần tử lá chè nhỏ thì diện tích bề mặttiếp xúc lớn và cho phép các chất tan dễ dàng tiếp xúc vđi dung môi Tuy nhiên, khi ta cắt lá chèthành những phần có kích thứơc nhỏ hơn thì chính các phần tử catechin cũng dễ dàng bị trích ly vàđiều này sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng catechin còn sót lại trong chè xanh thành phẩm [27]

> Cấu trúc nguyên liệu

> Thành phần hóa học: độ ẩm, thành phần các chất hòa tan

Ánh hưởng của các thông sô"công nghệ:

Báng 1-15: Ánh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến quá trình khử caffeine [281

Báng 1-14: Ánh hưởng của kích thưởc nguyên liệu đến quá trình khử caffeine:

Kích thưởc

nguyên liệu

%

chất chiết được tách dựa trên thành phần ban đầu (%, w/w)

dòng CƠ2 là 8.5g/phút, thời gian 120 phút, ethanol 95% (v/v) được sử dụng như chất đồng dung môi ở 4.6g/100g

> Ánh hưởng của áp suất đến hiệu suất khử caffeine: khi nhiệt độ không đổi, áp suất tăng làm cho khảnăng tách caffeine cũng tăng theo Điều này được cho là do sự tăng khả năng hòa tan của SC-CO2 bởiviệc tăng mật độ phân tử trong dòng dung môi CO2 siêu tới hạn Khi áp suất trích ly trên 200bar ở

nhiệt độ 70 w c, hơn 90% caffeine và trên 60% EGCG được tách

[281-> Ánh hưởng của thời gian trích ly đến quá trình khử caffeine: thời gian trích ly tăng thì hiệu suất khửcaffeine cũng tăng theo Nhưng đi chung với vân đề đó là tỷ lệ catechin bị trích ly khỏi lá chè cũng tăngtheo

Điều kiện trích ly Phần trăm chất đã tách so với thành phần ban