Nghiên cứu làm bền màu betalains được trích từ vỏ thanh long bằng lớp phủ ma trận cellulose pectin với pectin được thu hồi từ vỏ thanh long

HỒ CHÍ MINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ N

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH ĐOÀN TP HỒ CHÍ MINH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU LÀM BỀN MÀU BETALAINS TRÍCH TỪ VỎ THANH

LONG BẰNG LỚP PHỦ MA TRẬN CELLULOSE-PECTIN (VỚI

PECTIN ĐƯỢC THU HỒI TỪ VỎ THANH LONG)

Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Phát triển Khoa học

và Công nghệ Trẻ

Chủ nhiệm nhiệm vụ: Trần Phước Nhật Uyên

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH ĐOÀN TP HỒ CHÍ MINH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU LÀM BỀN MÀU BETALAINS TRÍCH TỪ VỎ

THANH LONG BẰNG LỚP PHỦ MA TRẬN

CELLULOSE-PECTIN (VỚI CELLULOSE-PECTIN ĐƯỢC THU HỒI TỪ VỎ THANH LONG

(Đã chỉnh sửa theo kết luận của Hội đồng nghiệm thu ngày …)

(ký tên)

Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu

(Ký và ghi rõ họ tên) Trần Phước Nhật Uyên

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên nhiệm vụ: NGHIÊN CỨU LÀM BỀN MÀU BETALAINS TRÍCH TỪ VỎ

THANH LONG BẰNG LỚP PHỦ MA TRẬN CELLULOSE-PECTIN (VỚI PECTIN ĐƯỢC THU HỒI TỪ VỎ THANH LONG)

Thuộc: Chương trình/lĩnh vực (tên chương trình/lĩnh vực): Khoa học Vườn ươm

Sáng tạo Khoa học và Công nghệ trẻ

2 Chủ nhiệm nhiệm vụ:

Họ và tên: Trần Phước Nhật Uyên

Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1987 ; Nam/ Nữ: Nữ

Học hàm, học vị: Tiến sĩ Hóa Hữu Cơ

Chức danh khoa học: Chức vụ: Giảng viên

Điện thoại: Tổ chức: Nhà riêng: Mobile: 0931861319

Fax: E-mail: uyentpn@vhu.edu.vn

Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại Học Văn Hiến

Địa chỉ tổ chức: 665-667-669 Điện Biên Phủ, Phường 1, Quận 3, TP Hồ Chí Minh Địa chỉ nhà riêng: 305 Lô A, CC Nhiêu Lộc C, Võ Công Tồn, P Tân Quý, Q Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh

Địa chỉ: Số 01 Phạm Ngọc Thạch, Phường Bến Nghé, Quận 1

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Đoàn Kim Thành

Số tài khoản: 3713.0.1083277.00000

Kho bạc: Nhà nước Quận 1

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN

1 Thời gian thực hiện nhiệm vụ:

- Theo Hợp đồng đã ký kết: 21/2021/HĐ-KHCNT-VƯ từ tháng 12/ năm 2021 đến tháng 12/ năm 2022

- Thực tế thực hiện: từ tháng 12/ năm 2021 đến tháng 12/ năm 2022

- Được gia hạn (nếu có):

Thời gian

(Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

…

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

Số

TT

Nội dung các khoản chi

- Lý do thay đổi (nếu có):

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài/dự án:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xét duyệt, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì nhiệm vụ (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban hành

1 21/2021/HĐ-KHCNT-VƯ HỢP ĐỒNG THUÊ KHOÁN

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt

1

2

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện nhiệm vụ:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được Ghi chú*

1 TS Trần Phước

Nhật Uyên

TS Trần Phước Nhật Uyên

Chủ trì thực hiện toàn bộ nhiệm vụ

Thuyết mình, Mẫu sản phẩm, bài báo, báo cáo nghiệm thu

Mẫu sản phẩm, bài báo, báo cáo tiến độ

3 Ths Nguyễn Thị

Hưng Thanh

Ths Nguyễn Thị Hưng Thanh

Thực hiện nội dung 2,3,4

Thuyết mình, Mẫu sản phẩm, bài báo, báo cáo tiến độ

4 Ths Triệu Thị

Bích

Ths Triệu Thị Bích

Thực hiện nội dung 2,3, thuyết minh, báo cáo

Thuyết mình, Mẫu sản phẩm, bài báo, báo cáo tiến độ

5 Lê Thị Kim

Khánh

Lê Thị Kim Khánh

Thực hiện nội dung 1

Báo cáo nội dung 1

6 Nguyễn Thị Hảo Nguyễn Thị Hảo Thực hiện nội

- Lý do thay đổi (nếu có):

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

1 HỘI THẢO KHOA HỌC

CHƯƠNG TRÌNH VƯỜN ƯƠM

SÁNG TẠO KHOA HỌC VÀ

CÔNG NGHỆ TRẺ - LĨNH

VỰC: CÔNG NGHỆ THỰC

PHẨM

Tên bài tham luận: Bọc nang

Betalains trích từ vỏ thanh long

ruột đỏ bằng sấy thăng hoa, dùng

HỘI THẢO KHOA HỌC CHƯƠNG TRÌNH VƯỜN ƯƠM SÁNG TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ - LĨNH VỰC: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Tên bài tham luận: Bọc nang Betalains trích từ vỏ thanh long ruột đỏ bằng sấy thăng hoa, dùng

Cellulose vi tinh thể và Pectin

2

- Lý do thay đổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

1 Xây dựng Thuyết minh chi

tiết

02/2022

02/2022

12/2021-Trần Phước Nhật Uyên Triệu Thị Bích

2 Nội dung 1: Trích Betalains và

Pectin lần lượt từ vỏ thanh

long ruột đỏ

04/2022

04/2022

02/2022-Trần Phước Nhật Uyên Huỳnh Đặng Hà Uyên Nguyễn Thị Kim Khánh Nguyễn Thị Hảo

06/2022

04/2022-Trần Phước Nhật Uyên Huỳnh Đặng Hà Uyên Nguyễn Thị Hưng Thanh Triệu Thị Bích

4 Nội dung 3: Kiểm tra đặc tính

màu sau bọc nang

08/2022

08/2022

06/2022-Trần Phước Nhật Uyên Huỳnh Đặng Hà Uyên Nguyễn Thị Hưng Thanh Triệu Thị Bích

5 Nội dung 4: Khảo sát độ bền

màu của bột màu Betalains sau

bao nang

09/2022 11/2022 Huỳnh Đặng Hà Uyên

Nguyễn Thị Hưng Thanh

6 Báo cáo tổng kết đề tài 09/2022 11/2022 Trần Phước Nhật Uyên

Triệu Thị Bích

- Lý do thay đổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA NHIỆM VỤ

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

a) Sản phẩm Dạng I:

Thực tế đạt được

Đầy đủ dữ liệu với các phương pháp, phân tích, đánh giá thảo luận

- Lý do thay đổi (nếu có):

c) Sản phẩm Dạng III:

Số

Yêu cầu khoa học

Cellulose and Dragon

Fruit Peel Pectin as

Wall Materials”

Đăng trên các tạp chí thuộc Danh mục ISI/Scopus

Scopus, Q3 1 bài đăng trên

Chemical Engineering Transactions,

NXB: AIDIC-Italian Association of Chemical Engineering

- Lý do thay đổi (nếu có):

d) Kết quả đào tạo:

Theo kế hoạch Thực tế đạt

được

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp:

Số

TT

Tên sản phẩm đăng ký

(Thời gian kết thúc)

Theo

kế hoạch

Thực tế đạt được

2

- Lý do thay đổi (nếu có):

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

2 Đánh giá về hiệu quả do nhiệm vụ mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

• Nghiên cứu về độ bền của betalain trích từ vỏ thanh long phủ bằng Cellulose-Pectin thông qua sấy thăng hoa được thực hiện đầu tiên ở Việt Nam, đồng thời đóng góp giá trị học thuật vào lĩnh vực KH&CN của Việt Nam, khu vực và thế giới

• Kết quả nghiên cứu sẽ thúc đẩy mở rộng xu hướng nghiên cứu công nghệ vi bao (encapsulation) bọc chất màu tự nhiên ứng dụng trong tạo màu các sản phẩm thực phẩm và

mỹ phẩm

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

• Người nông dân có thể hưởng lợi gián tiếp từ trái thanh long khi giá trị tận dụng vỏ quả Thanh Long được nâng cao

• Tăng độ bền cho Betalain sẽ tăng chất lượng và giá trị sử dụng của chất màu tự nhiên này trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, mỹ phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế cho các ngành này

• Tăng độ bền cho Betalain, tăng chất lượng sản phẩm chế biến thực phẩm sử dụng chất màu này, đảm bảo sức khỏe và tạo lòng tin cho người tiêu dùng các sản phẩm tạo màu có nguồn gốc tự nhiên

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của nhiệm vụ:

I Báo cáo tiến độ 30/08/2022 Đã hoàn thành nội dung

1,2,3 và có bài báo khoa học

II Báo cáo nghiệm thu 30/10/2022 Đã hoàn thành tất cả các

nội dung và sản phẩm đề

ra trong thuyết minh

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về Pectin và các nghiên cứu về trích Pectin 3

1.2 Giới thiệu về Betalains và các nghiên cứu về Betalains 5

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của Betalains 6

1.3.1 Cấu trúc và thành phần 7

1.3.2 Nhiệt độ 8

1.3.3 pH 8

1.3.4 Hoạt độ của nước (aw) 9

1.3.5 Oxi 9

1.3.6 Ánh sáng 9

1.3.7 Kim loại 10

1.4 Sự làm bền Betalain bằng các công nghệ vi bao (encapsulation) 10

1.4.1 Pectin và Cellulose là các vật liệu vi bao tiềm năng 11

1.4.2 Kỹ thuật vi bao Betalains 13

1.5 Mục tiêu của nhiệm vụ 15

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 17

2.1 Nguyên liệu, Hóa chất và Thiết bị 17

2.2 Quy trình trích lần lượt Betalains và pectin từ vỏ thanh long ruột đỏ 18

2.3 Xác định đặc tính của Betalains 21

2.3.1 Xác định hàm lượng Betalains 21

2.3.2 Thông số màu sắc của dịch trích betalains 21

2.3.3 Hàm lượng polyphenol tổng 21

2.3.4 Hoạt tính kháng oxy hóa 22

2.4 Xác định đặc tính của pectin 22

2.4.1 Hiệu suất trích Pectin 22

2.4.2 Mật độ ester hóa (DE) của Pectin 23

2.4.3 Cấu trúc của Pectin bằng phổ FT-IR 23

2.4.4 Kiểm nghiệm vi sinh Pectin trước khi sử dụng để vi bao Betalains 23

2.5 Bao nang Betalains bằng sấy thăng hoa 24

2.5.1 Cách tiến hành bao nang 24

2.5.2 Hiệu suất vi bao 25

2.5.3 Hình thái hạt của bột màu Betalain 26

2.5.4 Hàm lượng phenol tổng 26

2.5.5 Hoạt tính kháng oxy hóa 26

2.6 Khảo sát độ bền của Betalains vi bao 27

2.6.1 Ảnh hưởng của sự gia nhiệt 27

2.6.2 Ảnh hưởng của hoạt độ nước 28

2.6.3 Ảnh hưởng của pH 28

2.6.4 Khả năng lưu trữ 28

2.6.5 Kiểm nghiệm vi sinh mẫu màu Betalains 28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Quy trình trích lần lượt Betalains và Pectin từ vỏ thanh long 30

3.1.1 Khảo sát quy trình trích Betalains 30

3.1.2 Đặc tính của dịch trích Betalains 33

3.1.3 Khảo sát quy trình trích Pectin 34

3.1.4 Đặc tính cấu trúc của Pectin 36

3.1.5 Kiểm tra vi sinh mẫu pectin thu được 38

3.2 Quá trình vi bao Betalains bằng sấy thăng hoa 39

3.1.1 Hiệu suất vi bao 39

3.2.2 Hình thái hạt vi bao Betalains 43

3.2.3 Hoat tính sinh học của Betalains vi bao 46

3.3 Khảo sát độ bền của Betalains vi bao 50

3.3.1 Ảnh hưởng của sự gia nhiệt đến Betalain vi bao 50

3.3.2 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến Betalain vi bao 52

3.3.3 Ảnh hưởng của pH đến Betalains vi bao 53

3.3.4 Khả năng lưu trữ của Betalains vi bao 55

3.3.5 Kiểm tra vi sinh cho mẫu màu Betalains vi bao 57

3.4 Quy trình chuyển hóa vỏ thanh long ruột đỏ thành các hợp chất có ích 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

1 Kết luận 60

2 Đề xuất 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a w Water activity = Hoạt độ nước

DE Degree of esterification = Chỉ số ester hóa của pectin

DFP Dragon fruit pectin

DPPH 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl

FTIR Fourier transform infrared spectroscopy = Quang phổ hồng ngoại

biến đổi Fourier

GAE Đương lượng axit gallic

HME High methoxyl pectin = Pectin methoxyl cao

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TEM Transmission Electron Microscope = Kính hiển vi điện tử truyền

qua

UV-Vis Ultraviolet – Visible = Quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại –

khả kiến

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 17

Bảng 2.2: Vật liệu vi bao, ký hiệu và tỉ lệ của betalain-vật liệu bao tương ứng .24

Bảng 3.1: Khảo sát trích màu Betalains từ vỏ thanh long ruột đỏ 30

Bảng 3.2: Khảo sát trích Pectin từ bã thải của bước trích betalains 35

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ citric acid đến hiệu suất và DE của pectin .35

Bảng 3.4: Xác định các nhóm chức của pectin thông qua phổ FT-IR 37

Bảng 3.5 Kết quả kiểm nghiệm vi sinh vật của mẫu pectin sử dụng cho quá trình vi bao 38

Bảng 3.6: Hiệu suất vi bao betalains 42

Bảng 3.7: Hàm lượng phenol tổng của các mẫu vi bao 48

Bảng 3.8: Kết quả đo khả năng kháng oxy hóa của một số mẫu vi bao 50

Bảng 3.9: Sự phân hủy của betalains bọc nang ở hai hoạt độ nước 0.089 và 0.898 sau 7 ngày 53 Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra vi sinh mẫu màu vi bao BE: DFP:MCC (1:6:4) 57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1: Trái thanh long ruột đỏ và thanh long ruột trắng 1

Hình 1.1: Cấu trúc của pectin trong vỏ thanh long 3

Hình 1.2: Cấu trúc phân tử: A Betalains, B Betacyanins, C Betaxanthins .5

Hình 1.3: Các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của betalains 7

Hình 1.4: Mô hình hệ vi bao 11

Hình 1.5: Cấu trúc cellulose 12

Hình 2.1: Vỏ thanh long ruột đỏ thu thập từ Công Ty Cổ Phần Thực Phẩm HG .16

Hình 2.2: Vỏ thanh long sau khi sơ chế 17

Hình 2.3: Nồi ủ 30L cho thí nghiệm scale up trích betalains quy mô 7 kg 19

Hình 2.4: Quy trình trích Betalains và Pectin từ vỏ Thanh Long ruột đỏ 20

Hình 3.1: Dịch trích betalains từ vỏ thanh long ruột đỏ 33

Hình 3.2: Pectin trích từ vỏ thanh long ruột đỏ 36

Hình 3.3: FTIR của các mẫu pectin trích và pectin thương mại 37

Hình 3.4: Liên kết có thể có giữa a) Betacyanin và MCC, b) Betacyanin và hỗn hợp của MCC và DFP, c) Betacyanin và DFP 40

Hình 3.5: Hình SEM và ảnh chụp các mẫu BE vi bao a) BE:MCC (1:3), b) BE:MCC (1:5), c) BE:MCC (1:10), d) BE:DFP:MCC (1:3:2), e) BE:DFP:MCC (1:6:4), f) BE:DFP (1:5), g) BE extract đã sấy thăng hoa 43

Hình 3.6: Một số cấu trúc betacyanin thường có trong thanh long ruột đỏ 47

Hình 3.7: Cấu trúc hóa học của betacyanins thuộc loại apiocactin được xác định trong các giống thanh long ruột đỏ 48

Hình 3.8: Sự phân hủy của betalains bọc nang khi gia nhiệt ở (a) 80 °C và (b)

100 °C 51 Hình 3.9: Ảnh hưởng của pH 1-7 tới betalains vi bao sau 3 giờ 55 Hình 3.10: Ảnh hưởng của 30 ngày lưu trữ ở các điều kiện khác nhau đến độ bền màu của betalains vi bao 56 Hình 3.11: Quy trình chuyển hóa hoàn toàn vỏ thanh long ruột đỏ thành các sản phẩm có giá trị 58

MỞ ĐẦU

Hình 1: Trái thanh long ruột đỏ và thanh long ruột trắng

Thanh long (Hylocereus spp.) là một loại trái cây nhiệt đới được trồng ở các

vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới khác nhau trên thế giới như Đông Nam Á, Trung

và Nam Mỹ Nhu cầu về trái thanh long ngày càng tăng và ngày nay có thể thấy trên hầu hết các thị trường trái cây trên thế giới Sự phổ biến này một phần là

do các phẩm chất của nó như hình dạng, giá trị dinh dưỡng và lợi ích sức khỏe,

mà còn nhờ chính sách thương mại của các nước sản xuất và xuất khẩu như Thái Lan và Việt Nam - là những nước trồng nhiều thanh long Cây ăn quả nhiệt đới này ở Việt Nam đang dần trở thành một mảng quan trọng của sản xuất nông nghiệp do xuất khẩu trái cây nhiệt đới tươi và chế biến từ Việt Nam có xu hướng tăng trong những năm gần đây Năng suất thanh long ở Việt Nam có thể đạt khoảng 50 - 80 tấn/ha/năm nếu đáp ứng với thực hành môi trường trồng trọt tốt (FAO, 2004) Các giống thanh long hiện đang được canh tác gồm thanh long ruột trăng và ruột đỏ (hình 1) Thanh Long ruột đỏ thường được trồng phổ biến

ở các tỉnh Nam Trung Bộ và Nam Bộ, nhưng thương hiệu nổi tiếng nhất là ở Bình Thuận – địa phương có diện tích thanh long lớn nhất cả nước Trồng Thanh Long ruột đỏ không chỉ để thu hoạch trái tươi, các sản phẩm khác được chế biến từ thanh long rất được ưa chuộng tại Việt Nam cũng như trên thế giới Các sản phẩm chế biến từ thanh long ruột đỏ hiện nay ở Việt Nam là nước giải

khát dạng sirô không ga, rượu vang, thạch, nước ép, kẹo dẻo… Việc tiêu thụ thanh long ở dạng tươi hay dạng đã qua chế biến tạo ra một lượng lớn chất thải

vỏ quả chứa một số thành phần có lợi

Theo một số nghiên cứu cho rằng vỏ và thịt quả thanh long ruột đỏ đều có chứa một lượng đáng kể các chất polysaccharide nhầy, đặc biệt là pectin, chúng có thể được coi là nguồn tiềm năng thiết thực để trích pectin Bên cạnh đó, thanh long ruột đỏ còn chứa một lượng đáng kể betalains, đóng vai trò chất tạo màu

đỏ tím trong thịt và vỏ quả Như vậy, thanh long ruột đỏ có tiềm năng là một loại cây ăn trái mang lại lợi nhuận cao mà vỏ của nó đóng góp 22–44 % trọng lượng trái và thường được xử lý như chất thải trong quá trình chế biến, đặc biệt

là trong các ngành sản xuất nước giải khát hay thực phẩm sấy Việc chất thải

từ vỏ thanh long ruột đỏ là nguồn giàu betalains - một chất màu tự nhiên và pectin - một loại phụ gia thực phẩm thường được sử dụng, hứa hẹn tạo ra các sản phẩm giá trị gia tăng cho ngành công nghiệp thực phẩm trong tương lai

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về Pectin và các nghiên cứu về trích Pectin

Pectin được sử dụng trong một số thực phẩm, như chất tạo gel, chất ổn định, chất tạo kết cấu, chất làm đặc, chất kết dính và chất nhũ hóa Tính đa chức năng này là do sự đa dạng các cấu trúc của phân tử pectin Pectin được tìm thấy nhiều trong vỏ thanh long, là thành phần cấu tạo nên thành tế bào sơ cấp thực vật Chúng hầu hết bao gồm các polysaccharide dị thể có tính axit giàu GalA (tức

là galacturonans) được cấu trúc như một xương sống với ba miền pectic:

rhamnogalacturonan-II (RG-II) [1] Ba loại hợp phần này được gọi là pectic polysaccharide, chúng có thể liên kết cộng hóa trị để tạo thành mạng lưới pectin phân bố khắp phiến giữa và vách tế bào sơ cấp [2]

Hình 1.1: Cấu trúc của pectin trong vỏ thanh long [2]

Dư lượng GalA trong pectin thường được este hóa một phần bởi nhóm metyl (chỉ số DM) Mức độ methyl hóa este (DE) phân loại pectin thành hai loại chính, có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến chức năng của chúng: pectin DE cao (DE > 50%) và pectin DE thấp [3] Pectin gel hóa là một đặc tính quan trọng trong công nghiệp thực phẩm Hai cơ chế gel hóa chính được phân biệt chủ yếu

phụ thuộc vào DM của pectin, tức là pectin este hóa metyl cao (HME) và pectin metyl este hóa thấp (LME) [3] Pectin chứa DM 50% hoặc cao hơn được phân loại là HME [3] Sự hình thành gel của HME dựa trên sự hiện diện của lượng chất rắn hòa tan cao (thường là đường sucrose trong ứng dụng thực phẩm) ở giá trị pH thấp Gel tạo ra từ quá trình tạo gel HME còn được gọi là gel pectin axit đường có thể ổn định cấu trúc của các vùng tiếp giáp của quá trình hình thành gel bằng tương tác kỵ nước giữa các metyl este [2] Mặt khác, LME có ít hơn 50% DM Nó chứa đủ các nhóm axit để tạo thành gel với sự hiện diện của các cation hóa trị hai (đặc biệt là ion canxi) ở hàm lượng glucose thấp (hoặc thậm chí không có glucose) và khoảng pH rộng [2]

Pectin thường được trích bằng dung môi hóa học trong đó các điều kiện trích như nhiệt độ chiết, thời gian chiết, pH và loại dung môi chiết, ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của pectin [4] Ở quy mô công nghiệp, việc chiết xuất pectin thường thu được bằng cách sử dụng nước nóng axit hóa trong các điều kiện sau: pH 1,3–3, nhiệt độ 60–100 °C và thời gian từ 20 - 360 phút [5] Tuy nhiên, sau một thời gian dài đun nóng, sự phân hủy nhiệt của pectin có thể xảy

ra dẫn đến những thay đổi ảnh hưởng đến chất lượng của pectin, chẳng hạn như các đặc tính hóa lý và chức năng của nó [5] Nhiều kỹ thuật đã được phát triển

để làm giảm sự suy giảm nhiệt này, ví dụ, gia nhiệt bằng vi sóng, siêu âm và trường điện từ tần số siêu cao [4] Ở Việt Nam, tác giả Trần Thị Định đã có một công bố vào năm 2016 trên Tạp chí KH Nông nghiệp Việt Nam, về nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình trích ly pectin

từ vỏ quả thanh long Dung môi trích ly tối ưu là axit citric 40%, pH 3,5, kích thước nguyên liệu d ≤ 1mm, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu là 34.23/1 (v/w) và trích ly được thực hiện ở 85 °C trong 35 phút, hiệu suất đạt 13,8% [6]

1.2 Giới thiệu về Betalains và các nghiên cứu về Betalains

Betalain là các sắc tố tự nhiên chứa nitơ cung cấp màu sắc tươi sáng cho trái cây, hoa và rễ của nhiều loại thực vật Chúng được chia thành hai nhóm: betacyanin màu đỏ tím, với phổ hấp thụ tập trung ở bước sóng khoảng λm = 536nm và betaxanthin màu vàng, với phổ hấp thụ tập trung ở bước sóng khoảng λma = 480nm Cả hai nhóm đều chia sẻ cấu trúc của betalamic acid, được ngưng

tụ với cyclo-DOPA trong betacyanin và ngưng tụ với các amine và amino acid trong betaxanthins [7] Cho đến nay, khoảng 70 betalain đã được xác định trong

tự nhiên, bao gồm khoảng 50 betacyanin và 20 betaxanthin Chúng có thể được tìm thấy trong các loại trái cây, củ và hạt như củ cải đường, củ dền, lê, thanh long và các loại khác [8] Chất màu này được sử dụng để tạo màu đỏ hồng và màu tím cho các loại thực phẩm và đồ uống khác nhau [9]

Hình 1.2: Cấu trúc phân tử: A Betalains, B Betacyanins, C Betaxanthins

Nghiên cứu về betalain đã tăng lên trong 15 năm qua, tạo ra nhiều kiến thức hơn về sinh tổng hợp, cấu trúc và đặc tính của chúng Nghiên cứu về betalain chủ yếu nằm ở các đặc tính của chúng, chẳng hạn như khả năng hòa tan trong nước, cường độ màu và các đặc tính chống oxy hóa, kháng khuẩn và chống ung thư của chúng [8] Do đó, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực y học và thực phẩm đã thể hiện sự quan tâm đến việc nghiên cứu Betalains và khả năng sử dụng của chúng Mặc dù có khả năng tạo màu và hoạt tính chống gốc tự do vượt trội, các betalain từ vỏ thanh long cũng như các nguồn rau quả thực phẩm

khác vẫn chưa được ngành công nghiệp thực phẩm trên thế giới và Việt Nam coi là chất phụ gia tiềm năng Điều này là do độ bền màu kém của chúng [10], ngăn khả năng lưu trữ lâu dài cho những ứng dụng công nghiệp

Việc trích Betalains là bước đầu tiên trong chuỗi nghiên cứu về chúng Để trích Betalains, các phương pháp truyền thống sử dụng dung môi có hoặc không có

xử lý nhiệt như maceration, hydrodistillation và Soxhlet [9] Bên cạnh đó các phương pháp khác cũng được tiếp cận để trích Betalains dùng các công nghệ hiện đại với mức tiêu thụ năng lượng thấp như siêu âm, vi sóng, chất lỏng siêu tới hạn, xung điện trường và trích lỏng – lỏng cao áp [11] Các phương pháp truyền thống thường được sử dụng nhiều nhất trong trích Betalain vì chúng là những phương pháp đơn giản và không đòi hỏi thiết bị phức tạp, tuy nhiên, thời gian chiết xuất rất lâu với năng suất thấp và sử dụng nhiệt độ cao có thể làm phân hủy betalain [12] Đó là lý do tại sao các quy trình trích Betalains đều hướng tới cải tiến theo hướng tối ưu nhiệt độ và thời gian trích, và kết hợp một

số các kỹ thuật để khắc phục các nhược điểm chính của chúng Gần gây ở Việt Nam nhóm nghiên cứu của Đào Thị Mỹ Linh đã công bố quá trình tách Betacyanin từ vỏ thanh long bằng vi sóng [13] Nhóm tác giả đã tối ưu quá trình với các điều kiện khác nhau về tỉ lệ (dung môi: nguyên liệu), pH, năng lượng

vi sóng, thời gian trích Lượng Betacyanin thu được khá cao, 72,13 mg/100g nguyên liệu, thể hiện hoạt tính chống oxi hóa và bắt gốc tự do [13] Tuy nhiên trích bằng vi sóng rất khó scale-up để sản xuất ở quy mô công nghiệp Đó là lý

do tại sao các quy trình trích Betalains đều hướng tới cải tiến theo hướng tối ưu nhiệt độ và thời gian trích, trong khi kết hợp một số các kỹ thuật hiện đại để khắc phục các nhược điểm chính của chúng

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của Betalains

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của betalain cần phải được xem xét

để đảm bảo duy trì các tính chất ưu việt của chúng Độ ổn định của betalain bị

ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao, pH < 3 hoặc > 7, ánh sáng, oxy và hoạt động của nước [14] Ngoài ra, cấu trúc hóa học cũng rất quan trọng trong sự ổn định của betalain Ví dụ, các nhóm cấu trúc betacyanin và betaxanthin cho thấy sự ổn định khác nhau Betacyanin thể hiện sự ổn định nhiệt độ cao hơn, pH axit so với betaxanthin và ít bị oxy hóa hơn betaxanthin, nhưng betaxanthin cho thấy

độ ổn định cao hơn ở pH=7 và môi trường enzyme thủy phân Sự ổn định cao hơn của betacyanin so với betaxanthin có thể là do một trong số chúng có cấu trúc glycosyl hóa, có khả năng chống lại sự oxy hóa [15] Các yếu tố hóa lý làm ảnh hưởng đến độ bền màu của betalains nhưng không gây phân hủy của chúng, ngoại trừ tác động của nước, vì nước là một yếu tố quan trọng gây phản ứng thủy phân Nhiệt độ, oxy, ánh sáng và pH đã được chứng minh là có ảnh hưởng đồng thời lên sự phân hủy của chất màu tự nhiên này [14]

Hình 1.3: Các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của betalains [14]

1.3.1 Cấu trúc và thành phần

Liên quan đến các khía cạnh cấu trúc, betacyanins đã được báo cáo là ổn định hơn betaxanthin, cả ở nhiệt độ phòng và khi sưởi ấm So sánh độ ổn định của các betacyanins khác nhau, cấu trúc glycosyl ổn định hơn aglycons, có thể là

do tiềm năng oxy hóa-khử của cấu trúc đó cao hơn [14,15] Tuy nhiên, tính ổn định dường như không được tăng cường nếu tiếp tục glycosyl hóa thêm nữa

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự ổn định betacyanin ngày càng tăng do quá trình este hóa với các axit béo, cũng như với các axit thơm, đặc biệt là ở vị trí 6-O [15]

1.3.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất đối với sự ổn định của betalains trong quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm Trong quá trình xử lý nhiệt, betanin có thể bị phân huỷ do đồng phân hoá, khử cacboxyl hoặc phân cắt (do đun nóng hoặc axit, như được chỉ ra, dẫn đến màu đỏ giảm dần và cuối cùng xuất hiện màu nâu nhạt [14,15] Sự khử hydro của betanin dẫn đến sự hình thành neobetanin, làm chuyển màu vàng Sự phân cắt betanin và isobetanin, cũng có

thể được tạo ra bởi bazơ, tạo ra axit betalamic màu vàng tươi và O-glycoside không màu [15]

xyclo-Dopa-5-1.3.3 pH

Mặc dù có sự thay đổi điện tích của chúng khi thay đổi độ pH, betalains không

dễ bị thủy phân phân cắt như anthocyanins Betalains tương đối ổn định trong phạm vi pH rộng từ 3 đến 7, điều này cho phép ứng dụng của chúng vào thực phẩm có độ axit thấp [15] Dưới pH 3,5, cực đại hấp thụ dịch chuyển về phía các bước sóng thấp hơn, và trên pH 7, sự thay đổi là về phía các bước sóng cao hơn; ra khỏi phạm vi pH 3,5-7,0 cường độ của quang phổ nhìn thấy giảm Khoảng pH tối ưu để ổn định betanin tối đa là 5–6 [15] Các điều kiện kiềm gây

ra sự thủy phân liên kết aldimine, trong khi quá trình axit hóa tạo ra sự bù lại của axit betalamic với nhóm amin của phần dư bổ sung Ở các giá trị pH thấp, quá trình đồng phân hóa C15 và khử hydro cũng đã được quan sát Khi quan sát dưới ánh sáng huỳnh quang, tốc độ phân giải betanin ở pH 3 cao hơn gấp ba lần so với pH 5 [15] Tuy nhiên, bất kỳ cơ chế phân hủy nào được làm sáng tỏ cho đến nay đều có thể giải thích sự thay đổi độ hấp thụ tối đa betanin ở các giá trị pH dưới 3,0 và sự gia tăng nhẹ độ hấp thụ ở bước sóng 570–640 nm

1.3.4 Hoạt độ của nước (a w )

Tính ổn định của betalain bị ảnh hưởng theo cấp số nhân bởi aw, đây là yếu tố chính xác định tính nhạy cảm của sắc tố đối với sự phân cắt liên kết aldimine Hiệu ứng aw đối với độ ổn định betalains có thể do giảm độ linh động của các chất phản ứng hoặc hạn chế khả năng hòa tan oxi Kearsley & Katsaboxakis (1980) báo cáo rằng giảm aw cải thiện sự ổn định của betanin, đặc biệt là dưới 0,63 [16] Cohen & Saguy (1983) đã quan sát thấy tỷ lệ suy thoái betalain tăng khoảng một bậc khi aw tăng từ 0,32 lên 0,75 [17] Tính ổn định của betacyanins được báo cáo là tăng lên sau khi được đưa vào các phương pháp làm giảm hoạt tính của nước, chẳng hạn như cô đặc và sấy phun [9]

1.3.5 Oxi

Betalains có thể phản ứng với oxy phân tử Việc lưu trữ các dung dịch betanin trong điều kiện nồng độ oxy thấp làm giảm sự phân hủy sắc tố so với trong môi trường không khí, vì nồng độ oxy thấp tạo điều kiện cho sắc tố được phục hồi một phần sau khi phân hủy [15] Sự sai lệch so với động học phân huỷ bậc một của betanin khi thiếu oxy được cho là do phản ứng thuận nghịch Tính ổn định của betalain đã được báo cáo là được cải thiện nhờ chất chống oxy hóa hoặc bằng trong môi trường nitơ [14,15]

1.3.6 Ánh sáng

Sự ổn định của betalain được báo cáo là bị suy giảm khi tiếp xúc với ánh sáng Attoe & von Elbe (1981) đã chỉ ra mối quan hệ nghịch đảo giữa độ ổn định của betalain và cường độ ánh sáng (trong khoảng 2200–4400 lux) [18] Sự hấp thụ tia cực tím hoặc ánh sáng nhìn thấy kích thích các điện tử p của mang sắc tố chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn (p*), làm tăng khả năng phản ứng hoặc giảm năng lượng hoạt hóa cho phân tử Sự phân hủy do ánh sáng của betalain phụ thuộc vào oxy, vì ảnh hưởng của việc tiếp xúc với ánh sáng là không đáng kể trong điều kiện yếm khí [15]

1.3.7 Kim loại

Một số cation kim loại, chẳng hạn như sắt, đồng, thiếc và nhôm được báo cáo

là làm tăng tốc độ phân hủy betanin [14,15] Các phức kim loại-sắc tố có thể tạo thành, dẫn đến sự thay đổi sắc tố và giảm hàm lượng sắc tố Các chất tạo chelate, chẳng hạn như axit citric và EDTA đã được báo cáo duy trì sự ổn định cho betanin để chống lại sự phân hủy do xúc tác kim loại [15]

1.4 Sự làm bền Betalain bằng các công nghệ vi bao (Encapsulation) Trong những năm gần đây, công nghệ vi bao (encapsulation) đã được công

nhận như một phương pháp đầy hứa hẹn để làm bền betalain, sử dụng các ma trận khác nhau (polysaccharides, proteins và carbohydrates) và các kỹ thuật vi bao khác nhau như sấy phun, nhũ hóa, gel hóa … [14] Công nghệ vi bao có thể được định nghĩa là một phương pháp bao phủ trong đó một hợp chất được gói gọn trong một hàng rào vật lý bền, hợp chất được định vị ở trung tâm của hàng rào bảo vệ nó Hợp chất được vi bao có thể được gọi là lõi; trong khi tác nhân đóng gói thường được gọi là ma trận, màng, tường, lớp phủ, vỏ Các yếu

tố chính ảnh hưởng đến vi bao Betalains là dạng ma trận bao, kỹ thuật vi bao

và độ xốp của ma trận vi bao[14] Các ma trận đóng vai trò như một rào cản

lý hóa cho đối tượng được bao Chúng có thể là các polysaccharides, proteins, lipids, carbohydrates, các polymer nhân tạo hoặc có thể là sự kết hợp của các dạng vật liệu đó, sẽ cải thiện được hiệu quả của quá trình vi bao[14]

Hiện nay, một số ma trận đã được sử dụng để vi bao betalain là các polysaccharides, protein, lipid hoặc là sự kết hợp với loại ma trận đó, để tăng khả năng bảo vệ betalain khỏi quá trình oxy hóa và tính hòa tan cao của chúng [14] Maltodextrin là một dạng polysaccharides thu được từ quá trình thủy phân tinh bột, được sử dụng nhiều nhất dưới dạng ma trận để đóng gói betalain Đã

có nhiều báo cáo về việc sử dụng maltodextrin như một ma trận đóng gói và làm tăng tính ổn định của betalain Maltodextrin kết hợp với nhiều loại polymer

tự nhiên khác cũng được sử dụng như là lớp màng bao betalains trong một số nghiên cứu thông qua công nghệ bao nang từng lớp Hỗn hợp các polysaccharide với các đặc điểm cấu trúc khác nhau đã góp phần bảo vệ tốt hơn các betalain [14]

Hình 1.4: Mô hình hệ vi bao [14]

1.4.1 Pectin và Cellulose là các vật liệu vi bao tiềm năng

Pectin là polysaccharide có nguồn gốc từ thực vật từ lâu đã được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm Khả năng liên kết và tạo màng bền đã làm cho pectin trở thành vật liệu vi bao lý tưởng cho các ứng dụng vi bao Pectin cũng

là một chất ổn định nhũ tương hiệu quả được ưa chuộng cho quá trình sấy phun [14] Pectin không dễ dàng được tiêu hóa bởi các enzym tiêu hóa của con người,

và do đó, được sử dụng để tăng thời gian vận chuyển hoặc để có được sự vận chuyển đúng mục tiêu của các thành phần hoạt tính sinh học [2] Bằng cách vi bao bằng 2 loại vật liệu bao, pectin được gắn vào nhũ tương protein của vi bao dầu cá thông qua các tương tác tĩnh điện và nhờ đó tăng hiệu suất vi bao lên 95,2% trong một nghiên cứu của Stanciuc và cộng sự [19] Dù bổ sung pectin làm tăng độ dày của lớp bề mặt, nhưng nó lại tăng cường tác dụng ngăn sự oxy hóa và đảm bảo độ ổn định của hạt vi bao do ức chế quá trình oxy hóa lipid Bên cạnh đó, pectin với tư cách là vật liệu vi bao, đã bảo vệ các chất chứa nhiều nhóm chức kỵ nước khỏi quá trình oxy hóa hoặc phân hủy bởi oxy hoặc nước Stanciuc và cộng sự nhúng chiết xuất anthocyanin của nho với các phân lập

whey protein và hai polysaccharid khác nhau (acacia gum và pectin), và hiệu quả vi bao lên đến 94-99% sau khi sấy thăng hoa Quan sát bằng kính hiển vi quét tiêu điểm lazer cho thấy rằng việc bổ sung pectin góp phần tạo ra các hạt nhỏ hơn, và pectin biến tính giữ lại nhiều flavonoid hơn trong các vi nang, dẫn đến các tăng hoạt tính chống oxy hóa; và kết quả của nghiên cứu độ ổn định nhiệt chỉ ra rằng pectin có tác dụng ngăn sự phân hủy anthocyanin [20]

Hình 1.5 Cấu trúc cellulose

Cellulose là polysaccharide bao gồm các phân tử glucose và nó không hòa tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường Nó là thành phần chính của thành tế bào thực vật, phân bố rộng rãi và phong phú trong tự nhiên Cấu trúc

và tính chất của cellulose làm cho nó trở thành vật liệu phù hợp để vi bao các thành phần hoạt tính khác nhau nhằm tạo ra các hệ thống phân phối ổn định và hiệu quả (thường trong các hệ dẫn truyền thuốc) Đại phân tử Cellulose gồm các vùng vô định hình và các vùng tinh thể, là một polymer mạch thẳng cacbohydrates bao gồm các đơn vị β-D-glucopyranose lặp đi lặp lại bằng liên kết β (1→4) và với ba nhóm hydroxyl trên mỗi đơn vị anhydroglucan cung cấp khả năng biến đổi bề mặt cao (hình 1.5) Cấu trúc phân tử của chất tạo màng sinh học này rất quan trọng vì nó mang lại các đặc tính điển hình cho cellulose, chẳng hạn như khả năng phân hủy sinh học, tính ưa nước, tính không đối xứng

và chức năng cao [21] Hơn 150 năm, các vật liệu cellulose hoặc có nguồn gốc cellulose đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như bao

bì thực phẩm, sản xuất giấy, vật liệu sinh học và công nghiệp dược phẩm [21] Cellulose vi tinh thể (MCC) là một vật liệu linh hoạt với các đặc tính chức năng độc đáo và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bao gồm công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm Ngoài ra, cellulose nói chung hay MCC nói riêng là một trong những chất xơ chính Trong vài thập kỷ qua, chất xơ là trọng tâm của nhiều nghiên cứu về lợi ích sức khỏe tiềm năng của chúng Nhiều nghiên cứu dịch tễ học và lâm sàng đã chứng minh rằng việc tiêu thụ chất xơ

có tác dụng tích cực đối với bệnh béo phì, tiểu đường loại 2, ung thư và bệnh tim mạch [21] Mặc dù là một vật liệu được biết đến trong nhiều thập kỷ, mối quan tâm nghiên cứu và các ứng dụng tiềm năng của MCC vẫn tiếp tục phát triển, với tiềm năng thị trường toàn cầu rất lớn Các ứng dụng công nghiệp trong thực phẩm và dược phẩm dựa trên thuộc tính vật lý nội tại trong MCC và quan điểm dinh dưỡng và sức khỏe tích cực về nó cũng được đề cập, chứng minh và thảo luận trong rất nhiều tài liệu trước đây Đây có thể là một ứng cử viên thay thế cho maltodextrin trong vi bao betalains

1.4.2 Kỹ thuật vi bao Betalains

Sấy phun, sấy thăng hoa, gel hóa ion và tạo nhũ đã được báo cáo là những kỹ thuật phù hợp cho quá trình vi bao làm bền betalain Kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất để vi bao betalain là sấy phun, do chi phí thấp, xử lý đơn giản và nhanh Tuy nhiên, nhược điểm chính của sấy phun là ma trận phải hòa tan trong dung môi có thể dễ dàng bay hơi theo nhiệt độ và do sử dụng nhiệt độ cao, một

số hợp chất hoạt tính sinh học có thể bị phân hủy Ravichandran et al (2014)

đã nghiên cứu ảnh hưởng của các ma trận khác nhau trong việc đóng gói betalain bằng cách sấy phun và sấy thăng hoa [22] Các tác giả đã kết luận rằng với kỹ thuật sấy thăng hoa, hiệu quả vi bao và độ bền của betalain cao hơn so với sấy phun Ngoài ra, họ đã đề cập rằng dạng gum guar có thể được sử dụng

để vi bao betalain bằng kỹ thuật sấy thăng hoa, nhưng không phù hợp để sấy

phun [22] Gandía-Herrero và cộng sự (2013) cũng cho thấy những hạn chế của

kỹ thuật sấy phun Các tác giả này đã vi bao betalain trong một ma trận maltodextrin và chitosan đưa ra các vấn đề bất lợi đối với việc xử lý chitosan trong kỹ thuật sấy phun với độ nhớt và độ hòa tan thấp [23]

Riêng với Betalains từ vỏ thanh long, rất hiếm các nghiên cứu công bố về khảo sát sự bảo vệ màu bằng công nghệ vi bao Betalains trích từ ruột thanh long cũng được bọc maltodextrin bằng kỹ thuật sấy phun được báo cáo bởi nhóm Ghazali [24] Việc vi bao betalains trích từ vỏ thanh long bằng ma trận carbohydrate (Maltodextrin-arabic gum và maltodextrin-pectin) và phương pháp sấy thăng hoa giúp tăng độ bền và cải thiện các hoạt tính sinh học của chúng [25] Ở Việt Nam, nhóm của Đào Thị Mỹ Linh cũng đã công bố nghiên cứu vi bao Betacyanin từ vỏ thanh long bằng maltodextrin nhờ kỹ thuật sấy phun [13] Hiệu suất thu hồi betacyanin cao nhất khi bổ sung maltodextrin ở nồng độ 4% (w/v), nhiệt độ sấy phun 150 °C Bột betacyanin có hàm lượng phenolic tổng 141,86 mg GAE/100 mL, hoạt tính khử gốc tự do DPPH là 19,62 (mg/mL) Tuy nhiên nhóm nghiên cứu vẫn chưa có sự so sánh hoạt tính của chất màu trước và sau khi vi bọc maltodextrin Đồng thời, nghiên cứu cũng chưa có khảo sát đầy đủ về ảnh hưởng của thời gian lưu trữ lên độ bền chất màu trong khi yêu cầu lưu trữ chất màu trong công nghiệp thường kéo dài đến vài tháng

Phương pháp sấy thăng hoa thường được ưu tiên để vi bao các vật liệu hòa tan trong nước, các hương liệu và các chất có hoạt tính sinh học, đồng thời thúc đẩy quá trình mở rộng quy mô sản xuất ở nhiều khía cạnh [26] Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện độ ổn định của betalain bằng cách đánh giá ảnh hưởng của các vật liệu bọc nang khác nhau đi kèm với kỹ thuật sấy thăng hoa đối với hiệu quả vi bao và độ ổn định của betalain Rodriguez và cộng sự (2016) báo cáo rằng quá trình sấy thăng hoa vi bao betalain trong ma trận maltodextrin-gum Arabic và maltodextrin-pectin đã

cải thiện độ bền betalain trong quá trình bảo quản và cải thiện các hoạt tính sinh học của chúng [27] Một sự kết hợp của maltodextrin và xanthan gum để bọc

betalains của củ dền đỏ (Beta vulgaris L.) được báo cáo bởi Atigo et al (2018)

cho thấy độ bền của bột betalain sấy thăng hoa được nâng lên sau 7 ngày ở các

pH khác nhau [28]

1.5 Mục tiêu của nhiệm vụ

Như đã đề cập ở trên, Betalains tuy là một chất tạo màu có nguồn gốc tự nhiên tiềm năng nhưng chúng lại dễ bị phân hủy cũng như bị ảnh hưởng bởi các yếu

tố bên ngoài nên đến nay loại chất màu này hiện vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác Vì thế, xu thế nghiên cứu hiện nay là tìm kiếm các giải pháp làm bền betalains bằng cách sử dụng công nghệ vi bao với mục tiêu là betalains sẽ giữ màu tốt, bảo toàn các hoạt tính sinh học và bảo quản được lâu trong điều kiện thường

Rác thải thực phẩm hoặc phụ phẩm nông nghiệp dẫn đến các vấn đề toàn cầu Việc xác định giá trị các sản phẩm phụ từ phế phẩm trong công nghiệp chế biến trái cây là điều cần thiết để giảm khối lượng rác thải thực phẩm tích tụ trong các bãi chôn lấp và tăng giá trị kinh tế cho quá trình sản xuất khi các sản phẩm phụ này đại diện cho một nguồn phong phú các hợp chất có giá trị, có thể hữu ích cho các ứng dụng công nghiệp trong tương lai [31] Theo hiểu biết tốt nhất của nhóm chúng tôi, cellulose vi tinh thể và pectin vẫn chưa được nghiên cứu trong công nghệ vi bao Betalains trích từ vỏ thanh long Để khai thác sự ưu việt của các loại vật liệu vi bao như cellulose vi tinh thể và pectin, đồng thời tận dụng hiệu quả kỹ thuật sấy thăng hoa trong công nghệ vi bao, nhóm chúng tôi

đã tiếp cận nghiên cứu làm bền màu Betalains được trích từ vỏ Thanh Long ruột đỏ bằng các lớp phủ ma trận Cellulose vi tinh thể và Pectin với Pectin được thu hồi từ vỏ Thanh Long ruột đỏ

Nhiệm vụ nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề cụ sau:

• Trích Pectin và betalains từ vỏ thanh long ruột đỏ

• Làm bền Betalain bằng công nghệ vi bao, dùng sấy thăng hoa và vật liệu

vi bao là các lớp phủ ma trận: cellulose vi tinh thể, pectin thu hồi từ vỏ thanh long và hỗn hợp Cellulose-Pectin

• Kiểm tra các đặc tính của Betalains vi bao

• Khảo sát độ bền của bột betalain vi bao dưới các điều kiện: sự gia nhiệt,

pH 1-7, hoạt độ nước cao (0,898) và thấp (0,089), điều kiện lưu trữ khác nhau trong 30 ngày

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Nguyên liệu, Hóa chất và Thiết bị

- Vỏ thanh long ruột đỏ được thu từ phần thải bỏ của dây chuyền sấy thanh long ruột đỏ của Công Ty Cổ Phần Thực Phẩm HG, Thủ Thừa, Long An

- Pectin thương mại là Pectin classic CS 502 Corporate Group Herbstreith

SPECTROPHOTOMETER UV-2502

3 Máy xay thực phẩm Lock&lock personal Blended EJM 436

5 Máy rửa siêu âm DELTA D68H ULTRASONIC

CLEANER

9 Kính hiển vị điện tử quét

10 Thiết bị quang phổ hồng

2.2 Quy trình trích lần lượt Betalains và Pectin từ vỏ thanh long ruột đỏ

Hình 2.2: Vỏ thanh long sau khi sơ chế

Vỏ quả thanh long được sơ chế bằng cách rửa sạch và loại bỏ các phần màu xanh, sau đó cắt thành miếng vuông 1-2 cm (hình 2.2) Ngâm vỏ trong nước đun sôi trong vòng 3 phút, vớt ra và làm mát ngay bằng nước Tiến hành trích ngay sau khi sơ chế

Cân vỏ thanh long sau sơ chế bỏ vào máy xay sinh tố, thêm vào dung dịch ethanol 95 % với tỉ lệ khảo sát sao cho đủ 100 g hỗn hợp, xay nhuyễn Tiếp theo ngâm hỗn hợp trong khoảng thời gian khảo sát Hỗn hợp sau đó được đem

lọc chân không Phần dưới lọc được cô quay ở 40 ºC thu được dịch màu betalains Bảo quản dịch trích ở -4 ºC cho các thí nghiệm tiếp theo Phần trên lọc được sấy khô trong tủ sấy ở 60 ℃ qua đêm cho đến khi đạt khối lượng không đổi Tiếp theo lấy 10g mẫu khô tiếp tục khảo sát bằng cách acid hóa bằng acid citric ở nhiệt độ 80 ºC trong vòng 2 giờ Huyền phù sau đó đem đi lọc bằng vải thưa để tách các chất cặn bã Dịch trích sau đó được đông tụ bằng một lượng ethanol 95 % gấp đôi ở 4 ºC trong vòng 30 phút, sau đó đem lọc qua lớp vải và rửa 2 lần bằng ethanol 70 % Pectin được làm khô trong tủ ở 60 ºC cho đến khi khối lượng không đổi Tất cả ethanol đều được thu hồi để tái sử dụng Quy trình này được biến đổi từ các nghiên cứu đây của Stintzing và cộng sự, 2002, Rodriguez và cộng sự (2015), và Li và cộng sự (2020) [27,30,31] Quy trình trích lần lượt betalains và pectin được thể hiện như trong hình 2.3

Khảo sát trích betalains bằng cách thay đổi lần lượt các điều kiện sau: Tỉ lệ của nguyên liệu/dung môi lần lượt là 50:50, 60:40, và 70:30 (g/g); Nhiệt độ trích khảo sát lần lượt là nhiệt độ phòng và 45 ºC; Thời gian trích lần lượt là 1 giờ,

3 giờ, và 6 giờ Khảo sát trích pectin bằng cách thay đổi lần lượt các điều kiện

sau: Thời gian acid hóa ở 30, 60, 90 và 120 phút; Tỷ lệ rắn/lỏng là 1:20; 1:30

và 1:40 (g/mL); Thay đổi nồng độ dung dịch acid citric 0,1 M; 0,3 M; 0,5 M và

1 M Điều kiện trích Betalains tối ưu sẽ được áp dụng cho thí nghiệm scale-up

từ quy mô 100 g hỗn hợp (ethanol 95% và nguyên liệu tươi) lên 7 kg hỗn hợp

Hình 2.3: Nồi ủ 30L cho thí nghiệm scale up trích betalains ở quy mô 7 kg

Hình 2.4: Quy trình trích Betalains và Pectin từ vỏ Thanh Long ruột đỏ

1-6h, t Ngâm o

Vỏ thanh long ruột đỏ

Sơ chế

Xay nhuyễn

Ethanol 95%

Dd Acid citric 0,1 1 M

Bã trên lọc

Cô quay chân không

Dịch trích Betalains

Lọc ép

pH 3, 1 2h, tº Dịch dưới lọc

2.3 Xác định đặc tính của Betalains

2.3.1 Xác định hàm lượng Betalains

Phương pháp quang phổ UV-Vis được sử dụng để xác định hàm lượng betalains [30] Mẫu dịch trích được pha loãng trong dung dịch đệm 0,1M acid citric (30 mL) và 0,2M natri phosphate (70mL) (pH 6,5) Dung dịch chứa betalains được

SPECTROPHOTOMETER UV-2502) từ 200 đến 650 nm để tìm bước sóng cực đại ở 537 ± 2 nm, đặc trưng cho cấu trúc betacyanin, nhưng không bắt được vùng cực đại của betaxanthin Tất cả mẫu thí nghiệm được đo độ hấp thu bằng máy đo quang phổ ở bước sóng 537 ± 2 nm Hàm lượng betacyanin trong dịch trích được tính toán dụng công thức (1):

Trong đó: A537 nm = độ hấp thụ của dung dịch ở bước sóng 537 nm, DF = hệ

số pha loãng, MW = khối lượng phân tử của betacyanin (550 g mol-1), ε = độ hấp thụ mol của betacyanin (60 000 L.mol-1.cm-1), l = chiều dài của cuvet (cm) Tất cả các thí nghiệm được lặp lại ít nhất 3 lần, số liệu thu nhận được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010

2.3.2 Thông số màu sắc của dịch trích Betalains

Màu sắc của dịch trích betalains được đo bằng máy đo màu CM-3700A thu được các tham số đo màu Cielab L, a*, b*, và ℎ𝑎𝑏 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛(𝑏 ∗/𝑎 ∗); 𝐶∗ =

√𝑎∗2+ 𝑏∗2 Trong đó h° (heu) góc độ để xác định tông màu (0° hoặc 360° là tông màu đỏ; 90° là tông màu vàng; 180° là tông màu xanh lá; 270° là tông màu xanh lam); C (Chroma): độ bão hòa của màu (đậm hoặc nhạt); L (Lightness):

độ sáng hay tối của màu; a: trị số của tông màu đỏ; b: trị số của tông màu vàng

2.3.3 Hàm lượng Polyphenol tổng

Thuốc thử Folin-Ciocauteu (F-O) được sử dụng để xác định hàm lượng phenol tổng [32] Lấy 0,3 mL dịch chiết phân cực thêm vào 1,5 mL thuốc thử Folin-Ciocalteu, được pha loãng 10 lần trong nước cất và 1,2 ml natri cacbonat 7,5% (w/v) Dung dịch hỗn hợp được xoáy, phủ parafilm và để trong 30 phút Tổng hàm lượng phenol được xác định bằng cách sử dụng máy quang phổ ở bước sóng 765 nm Đường chuẩn được chuẩn bị bằng cách sử dụng các dung dịch

GA Tổng hàm lượng phenol được biểu thị bằng đương lượng GA (mg GA/100

g trọng lượng vật liệu tươi)

Tất cả các thí nghiệm được lặp lại ít nhất 3 lần, số liệu thu nhận được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010

2.3.4 Hoạt tính kháng oxy hóa

Xác định hoạt độ chống oxy hóa bằng phản ứng với picrylhydrazyl ở Viện Nghiên cứu Công Nghệ sinh học và môi trường Đại học Nông Lâm, TP Hồ Chí Minh theo TCVN 11939:2017 [33] Một thí nghiệm của đối chứng, Axit ascorbic, phản ứng với dung dịch DPPH cũng được thực hiện Mối tương quan giữa nồng độ mẫu và khả năng chống oxy hóa được thiết lập,

2,2-diphenyl-1-từ đó xác định giá trị IC50 (là nồng độ mà 50% gốc tự do bị bắt giữ) Giá trị IC50

càng thấp, hoạt tính chống oxy hóa càng cao

2.4 Xác định đặc tính của Pectin

2.4.1 Hiệu suất trích Pectin

Bột pectin khô thu được đem đi cân để đánh giá hiệu suất Hiệu suất của pectin được tính theo công thức (2):

𝑌𝑝% = 𝑀𝑝

𝑀𝑏 × 100% (2) Trong đó: Yp là hiệu suất trích pectin dựa trên khối lượng bã rắn ban đầu, Mb là khối lượng bã rắn, Mp là khối lượng pectin

Tất cả các thí nghiệm được lặp lại ít nhất 3 lần, số liệu thu nhận được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010

2.4.2 Mật độ ester hóa (DE) của Pectin

Mức độ este hóa của Pectin (DE) được xác định bằng phương pháp chuẩn độ của Food Chemical Codex [34] 0,50 g Pectin, thêm 2 ml ethanol và phân tán trong 100 ml nước cất trong 2 giờ ở 40 ℃ Dung dịch thu được chuẩn độ bằng NaOH 0,1M đến thể tích V1 để xác định số lượng nhóm acid cacboxylic tự do Tiếp theo dung dịch trung hoà được thêm 20 ml NaOH 0,5 M, khuấy trong vòng 2 giờ ở nhiệt độ phòng để thủy phân thêm các nhóm ester Thêm 20 mL HCl 0,5 M để trung hòa lượng NaOH còn lại, và lượng dư HCl được chuẩn độ tiếp bằng NaOH 0,1 M đến thể tích V2 (sử dụng phenolphtalein làm chỉ thị)

DE được tính bằng công thức (3):

𝐷𝐸(%) = 𝑉2 100

𝑉1+ 𝑉2 (3)

2.4.3 Cấu trúc của Pectin bằng phổ FT-IR

Các mẫu được đựng trong bình tráng thủy tinh có chứa silica gel khan trước khi phân tích FT-IR Phổ FT-IR được ghi lại bằng cách sử dụng phụ kiện ATR đa năng trên một máy quang phổ FT-IR Perkin Elmer Spectrum 100 ở chế độ hấp thụ từ 4.000 đến 400 cm-1 Phương pháp này được thực hiện tại Viện Công nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

2.4.4 Kiểm nghiệm vi sinh pectin trước khi sử dụng để vi bao Betalains

Mẫu pectin được lựa chọn sử dụng cho quá trình vi bao được đem kiểm nghiệm

vi sinh với 3 chỉ tiêu sau tại Công ty CP DV Khoa Học và Công Nghệ Chấn Nam để đảm bảo yếu tố vi sinh vật không làm ảnh hưởng tới độ bền màu của betalains vi bao:

- Tổng số vi sinh vật hiếu khí theo phương pháp thử TCVN 4884-1:2015 (ISO 4833-1:2013)