Nghiên cứu và so sánh hiệu quả của phương pháp lạnh đông vi sóng với phương pháp xử lý enzyme pectinase trong tách dịch quả thanh long

Nghiên cứu và so sánh hiệu quả của phương pháp lạnh đông vi sóng với phương pháp xử lý enzyme pectinase trong tách dịch quả thanh long Nghiên cứu và so sánh hiệu quả của phương pháp lạnh đông vi sóng với phương pháp xử lý enzyme pectinase trong tách dịch quả thanh long luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung về cây thanh long

Thanh long có tên khoa học là Hylocereus undutalus thuộc họ xương rồng

Cactaceau Nhiều người cho rằng, cây thanh long có nguồn gốc từ Nam Mỹ, ở các vùng sa mạc từ Mehico đến Colombia

Theo Fonque (tạp chí Fruits của Viện nghiên cứu trái cây hải ngoại Pháp), thanh long đƣợc trồng ở Việt Nam thuộc loài Hylocereus undatus Brittet Rose Ngoài ra, thanh long còn đƣợc biết đến với các tên gọi khác nhau nhƣ: dragon fruit, cactus apple, pitaya, pitahaya Thanh long được người Pháp đem trồng ở Việt Nam trên 100 năm nay, trên vùng đất cát khô hạn, ít mƣa của vùng duyên hải Nam Trung Bộ Diện tích tập trung chủ yếu ở Long An, Tiền Giang và Bình Thuận, nhƣng mới đƣợc đƣa lên thành hàng hóa từ thập niên 1980 Việt Nam là nước duy nhất Đông Nam Á trồng thanh long ở quy mô thương mại

Hiện nay nước ta đã xuất khẩu thanh long qua nhiều nước nhưng chủ yếu ở dạng quả tươi vì ít công nghệ chế biến các sản phẩm khác từ trái thanh long Riêng thị trường Nhật rất ƣa chuộng loại quả này nhƣng do sự kiểm dịch thực vật khắt khe nên những năm gần đây chỉ nhập thanh long ở dạng lạnh Vài năm gần đây, các nước có nền nông nghiệp phát triển nhƣ Thái Lan, Taiwan và cả Trung Quốc cũng đã bắt đầu nghiên cứu cây trồng này

Cây thanh long thuộc họ xương rồng, có nguồn gốc nhiệt đới nên có khả năng chịu hạn hán cao Trên thực tế, nó có thể chống chịu đƣợc nhiệt độ từ 38 o C đến 40 o C, thích hợp trồng ở những vùng có cường độ ánh sáng mạnh

Cây thanh long có nhánh thân dài từ 6m đến 12m, có thể sống từ 15 đến 20 năm, nở hoa vào từ tháng 3 đến tháng 11 Hoa thanh long to, hình ống dài 25 – 30 cm, nở về chiều và ban đêm, ngày héo Các bộ phận ngoài cùng của bao hoa màu vàng cong ra phía ngoài Các bộ phận ở trong nhụy và đầu nhụy màu trắng sữa Vỏ quả có vảy xanh, khi chín có màu tím đỏ, mặt vỏ quả nhẵn bóng Thịt quả trắng trong có nhiều hạt đen nhƣ hạt vừng, mềm, có thể cùng ăn cả thịt quả lẫn hạt

Quả thanh long gồm có 3 loại:

Thanh long vỏ đỏ ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus): các tai trái có màu đỏ của rƣợu vang Ruột trái màu đỏ và có các hạt màu đen Vị của trái ngọt dịu Độ dày trung bình vỏ trái khoảng 3.5 – 5 mm

Thanh long vỏ đỏ ruột trắng (Hylocereus undatus): ruột có màu trắng nhƣng tai trái có màu xanh đến đỏ Mùi vị thơm diu, ngọt thanh

Thanh long vỏ vàng ruột trắng (Hylocereus megalanthus): giống thanh long này có kích thước trung bình, thịt màu trắng ngà, hạt nhiều và to, mùi thơm dịu

Trong số đó, Hylocereus undatus (vỏ đỏ, ruột màu trắng) đã đƣợc trồng rộng rãi

(6000 ha tại Việt Nam và 2000 ha ở miền nam Mexico), trong khi những loài khác nhƣ

Hylocereus Polyrhizus (vỏ đỏ và ruột màu đỏ tím) và H costaricensis (vỏ màu đỏ và ruột đỏ) đƣợc trồng trên một quy mô nhỏ hơn (Barbeau, 1990; Feng-Ru và Chung-Ruey, 1997a; Mizrahi và Nerd, 1999; Ortiz, 1999)

1.1.4 Tình hình sản xuất thanh long

Theo số liệu của Cục trồng trọt, Bộ NN&PTNT, hiện nay, diện tích thanh long cả nước đạt hơn 42.010 ha, trong đó diện tích cho thu hoạch là 30.220 ha Sản lượng ước 707.566 tấn/năm Bình Thuận là tỉnh sản xuất thanh long lớn nhất với diện tích trên 26.000 Trong khi quy hoạch phát triển thanh long đến năm 2015 đƣợc tỉnh phê duyệt chỉ là 15.000 ha Trong số 26.000 ha hiện nay có khoảng 21.000 ha đang cho trái Số còn lại

7 là thanh long mới trồng Điều đó cho thấy cây thanh long Bình Thuận đang phát triển

Chủ tịch Uỷ ban nhân dân huyện Hàm Thuận Bắc Nguyễn Thanh Đạt cho biết:

―Nông dân trồng ồ ạt dù địa phương đã cảnh báo nhiều nguy cơ Trong mấy tháng đầu năm huyện Hàm Thuận Bắc trồng mới gần 200 ha Thậm chí trồng ngay trên đất lúa Dù chúng tôi khuyến cáo, thậm chí xử phạt nhƣng dân vẫn trồng‖ Theo ông Nguyễn Thanh Đạt, do thanh long bán đƣợc giá, có lãi nhiều lần so với trồng lúa nên dù có cấm, bà con vẫn trồng

Tương tự, tại huyện Hàm Thuận Nam, nơi được coi là ―thủ đô thanh long Việt Nam‖ cũng có diện tích phát triển ―khủng‖ Trưởng phòng Nông nghiệp huyện Hàm Thuận Nam Nguyễn Văn Phúc cho biết cả huyện có trên 11.000 ha Từ đầu năm tới nay trồng mới tới trên 350 ha (nhiều nhất tỉnh) Theo ông Phúc, mỗi ha thanh long cho sản lƣợng từ 26-30 tấn/năm Nếu thắp điện cho thanh long ra trái mùa thì sản lƣợng còn có thể cao hơn

Mỗi năm sản lƣợng thanh long của Bình Thuận là trên 500.000 tấn Tuy nhiên, có khoảng 75% sản lượng trên được xuất sang Trung Quốc bằng đường tiểu ngạch Tức là các doanh nghiệp chở đến chợ biên giới Pò Chài (thuộc tỉnh Quảng Tây-Trung Quốc) bán tự do mà không có bất cứ hợp đồng mua bán nào giữa hai bên

Ngay khi vừa bắt đầu vào mùa thu hoạch từ giữa tháng 4 đến nay, giá thanh long đã trƣợt dốc không phanh, từ 15.000 đồng/kg loại ruột trắng rớt còn 3.000 đồng/kg, thậm chí có lúc tại Long An còn có 1.000 đồng/kg Thông thường giá thanh long ruột đỏ luôn cao hơn thanh long ruột trắng gấp 3, thậm chí gấp 5 lần do khó trồng hơn, năng suất lại thấp (vì sâu bệnh nhiều) nhƣng vị ngon ngọt hơn Nhƣng hiện tại giá hai loại thanh long này lại bằng nhau, khiến cho người trồng thanh long thua lỗ nặng

Sản lƣợng thanh long và diện tích trồng thì quá nhiều nhƣng nơi tiêu thụ lại ít, dẫn đến thanh long rớt giá và trở thành sản lượng phế phẩm Nếu không tìm hướng đi mới cho thanh long thì sẽ rất lãng phí loại trái cây dinh dƣỡng này

1.1.5 Cấu tạo tế bào của thanh long

Cấu trúc tổng thể của các tế bào cây một lá mầm và cây hai lá mầm tương tự nhau bởi vì chúng bao gồm một chuỗi các polysaccharides phức tạp Chuỗi polysaccharide bao gồm các polysaccharit cellulose bao quanh bởi các polysaccharides không cellulose, ví dụ: hemicellulosic và pectic Thành tế bào thực vật có sự khác biệt đáng kể về hình dáng và sự đa dạng tương đối của các polysaccharides không cellulose, liên kết chéo polysaccharide, sự phong phú của các protein và hợp chất phenolic và sự hiện diện của lignin (Cosgrove, 2005; Harris và Smith, 2006 , Vogel, 2008) Chúng bao gồm ba lớp thành tế bào: phiến lớp giữa, thành tế bào nguyên sinh và thành tế bào thứ phát Thêm vào đó, bức thành tế bào gốc của cây có hoa có thể đƣợc chia thành hai loại rộng: các thành tế bào loại I đƣợc tìm thấy trong cây hai lá mầm, bao gồm thanh long (Hylocereus spp.), Và các tế bào loại II chỉ đƣợc tìm thấy trong cây một lá mầm (ví dụ nhƣ cỏ, cá vây, súc vật và cây gừng) Chúng bao gồm các sợi cellulose đƣợc bao bọc trong glucuronoarabinoxylans, cao hydroxycinnamates, và mức độ pectin và protein cấu trúc rất thấp (Carpita, 1996, Vogel, 2008)

Trong quá trình phân chia tế bào của cây hai lá, các phiến trung gian đƣợc hình thành đầu tiên mà chủ yếu bao gồm các thành phần pectic và protein để liên kết các tế bào với nhau Trong khi các tế bào đang mở rộng, thành tế bào chính đƣợc xây dựng Trong lớp này, các thành tế bào loại I đƣợc hình thành chủ yếu gồm cellulose (một carbohydrate phức tạp dưới dạng các sợi nhỏ được tổ chức) và hai nhóm polysaccharides gồm: các pectin và các glycans liên kết chéo nhƣ xyloglucan Các polysaccharide này được lắp ráp thành một mạng lưới với các sợi nhỏ xenlulô (hình 1.1) Số lượng thấp các este phenol, khoáng chất và enzyme có thể có trong thành tế bào gốc (O`Neil và York,

2003) Các glycans liên kết chéo tăng độ bền kéo, trong khi mạng lưới đồng trục pectin cung cấp khả năng chống lại sự nén vào thành tế bào (Buggenhout et al, 2009 Cosgrove,

2005, Harris và Smith, 2006) Tuy nhiên, apoplast thường nằm giữa thành tế bào nguyên sinh và lớp mỏng giữa (Buggenhout et al., 2009)

Giới thiệu về pectin

Pectin là một hợp chất tự nhiên có nhiều trong màng tế bào của các loài thực vật bậc cao, phân bố chủ yếu ở các bộ phận nhƣ quả, củ, than Trong màng tế bào, pectin có mặt ở phiến giữa (với hàm lƣợng cao nhất) và vách tế bào sơ cấp

Pectin là một thuật ngữ để chỉ một nhóm gồm các protopectin, acid pectinic và acid pectic, trong đó protopectin là pectin ở trạng thái tự nhiên ( trong vách tế bào thực vật va phiến giữa), mức độ methyl hóa rất cao, không hòa tan Protopectin có nhiều trong quả xanh Acid pectinic: mức độ methyl hóa trung bình, tan, bản chất là chất keo nên có khả năng tạo gel, tạo nhũ, tạo đặc và ổn định Đặc tính acid pectic cso mức độ methyl hóa rất thấp, dễ tan

Người ta rất hay lẫn lộn giữa pectin và acid pectinic nên thật ra trong thực tế

―pectin‖ là tên gọi chung của cả 2 chất này

Pectin đặc trƣng bởi chỉ số methoxyl (MI) và chỉ số ester hóa Chỉ số methoxyl biểu hiện tỷ lệ methyl hóa, là % khối lƣợng nhóm methyl (-OCH3) trên tổng khối lƣợng

Sự methyl hóa hoàn toàn ứng với chỉ số methoxyl bằng 16,3% các pectin tách từ thực vật thường có chỉ số methoxyl từ 10% - 12% Chỉ số ester hóa (DE): thể hiện mức độ ester hóa của pectin , là % về số lƣợng của các gốc acid galacturonic đƣợc ester hóa trên tổng số lƣợng gốc acid galacturonic có trong phân tử

Pectin có cấu trúc phức tạp, dạng mạch thẳng, mỗi phân tử chứa từ vài trăm đến

1000 đơn vị, có phân tử lƣợng trung bình khoảng 50000—150000 ĐvC

Pectin thương phẩm không có khối lượng phân tử xác định mà phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp trích ly và loại sản phẩm

Phần tử đơn vị của pectin là acid D-galacturonic, ngài ra còn có một số đường trung tính như rhammose, galactose, arabijmose và một số đường khác với hàm lượng ít hơn

Các nhóm carboxyl (-COOH) có thể tồn tại tự do hoặc ở dạng liên kết ester với methanol, acid acetic, acid phenolic hoặc ở dạng muối của Na+,K+,NH4+,

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử D- glacturonic Ở pectin amid hóa, một phần các gốc carboxyl trong phân tử pectin bị amid hóa tạo thành các nhóm amid (-CO=NH2)

Ngoài ra pectin cũng có thể chứa các gốc acetyl

Hình 1.4 Các nhóm chức của pectin

1.2.3 Độ nhớt của dung dịch pectin

So với các gum thực vật và các chất tạo đặc khác, dung dịch pectin có độ nhớt tương đối thấp

Ca2+ và các ion đa hóa trị khác làm tăng độ nhớt của dung dịch pectin Do đó độ nhớt của dung dịch pectin phụ thuộc vào độ cứng của nước pH cũng ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch pectin, trong dung dịch không chứa Ca2+, độ nhớt dung dịch pectin sẽ giảm khi pH tăng từ pH3.5

Giới thiệu về phương pháp lạnh đông - vi sóng

Lạnh đông là quá trình bảo quản thực phẩm bằng cách giảm nhiệt độ của sản phẩm xuống thấp hơn nhiệt độ mà tại đó, nước có trong sản phẩm sẽ kết tinh, những phản ứng ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm sẽ bị đình chỉ hoặc diễn ra ở cường độ rất thấp Tại nhiệt độ đó, hầu nhƣ tất cả vi sinh vật đều bị ức chế, không hoạt động nữa Khi đó, chất lƣợng của sản phẩm sẽ đƣợc giữ ổn định Có thể xem thời hạn sử dụng của sản

17 phẩm (shelf-life) là một hàm số của nhiệt độ lạnh đông: nhiệt độ càng thấp thời hạn sử dụng càng dài

Lạnh đông: t o đóng băng > t o > -100 o C Đông lạnh là một phương pháp bảo quản nổi tiếng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm Quá trình đóng băng kết hợp các hiệu ứng thuận lợi của nhiệt độ thấp với việc chuyển đổi nước thành băng Sự chuyển đổi nước có ưu điểm là cố định cấu trúc mô và phân tách phần nước dưới dạng các tinh thể băng để nước không có trong dung môi, nhƣ là một thành phần phản ứng (Delgado và Sun, 2001) hoặc cho sự phát triển của vi sinh vật Tuy nhiên, kỹ thuật bảo quản này có thể dẫn đến những thay đổi về mặt văn bản dẫn tới việc làm mềm thực phẩm Chất lƣợng quả lạnh đông lạnh-tan giá có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm quá trình đông lạnh tối ƣu và chuỗi phân phối thích hợp Để xây dựng, tốc độ đóng băng có ảnh hưởng trực tiếp đến kết cấu sản phẩm cuối cùng Kích thước và vị trí của các tinh thể băng hình thành trong quá trình đông có thể làm hỏng màng tế bào và phá vỡ cấu trúc vật lý của quả Nguyên nhân của những thay đổi hóa lý không mong muốn trong quá trình đóng băng có thể là do quá trình kết tinh và hòa tan (Delgado và Sun, 2001) Người ta biết rằng sự kết tinh của băng có hai bước: sự hình thành hạt nhân và sự phát triển của hạt nhân đến kích thước tinh thể cụ thể Kích thước tinh thể băng cuối cùng được biết đến là một hàm số của tốc độ tăng trưởng hạt nhân và tinh thể, cũng nhƣ nhiệt độ cuối cùng (Martino và cộng sự, 1998)

Sự đóng băng chậm (SF) thường dẫn đến các tinh thể băng lớn được hình thành độc lập ở các khu vực ngoài tế bào có thể phá huỷ cấu trúc tế bào và có ảnh hưởng đến hoạt động làm tan cũng nhƣ tính chất cảm quan và giá trị dinh dƣỡng của thực phẩm Tỷ lệ đóng băng cao (HF) đƣợc biết là tạo ra những tinh thể nhỏ phân bố đều khắp mô Do đó, tỷ lệ đóng băng thấp có thể thích hợp sử dụng trong nghiên cứu hơn vì nó có thể làm tăng thiệt hại cho màng tế bào quả và làm phá vỡ cấu trúc tế bào để thu đƣợc lƣợng dịch, lƣợng dinh dƣỡng cao hơn

1.3.1.2 Quá trình làm lạnh đông với rau quả

Các sản phẩm thực phẩm chứa đựng trong nó các mô sinh học Đó là cách dùng dịch bao gồm nhiều chất hoà tan trong nước

Quá trình đông lạnh là quá trình hạ nhiệt độ của sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu xuống dưới điểm đóng băng của dịch bào Tại nhiệt độ này các tinh thể băng bắt đầu đƣợc hình thành trong các mô tế bào (nhiệt độ bắt đầu kết tinh hoặc nhiệt độ nóng chảy) Khi nhiệt độ hạ xuống thêm nữa càng có nhiều tinh thể băng hình thành làm cho nồng độ dung dịch trong thực phẩm đƣợc cô đặc lại

Phần lớn nước trong rau quả, thực phẩm (rau quả, thực phẩm chứa 70 – 90%) chuyển thành băng ở –9 đến -12 0 C Tuy nhiên, ngay cả ở nhiệt độ –40 0 C vẫn còn một phần nước nhỏ chưa đóng băng Trong quá trình làm lạnh đông thực phẩm, yếu tố quan trọng nhất quyết định đến sự đóng băng là nồng độ phân tử gam của dịch tế bào do mỗi một phân tử chất dịch bào đều liên kết với một số phân tử nước nhất định Để đóng băng được những mỗi phân tử nước liên kết này cần phải làm lạnh đến 1,84 o C Đó chính là độ hạ băng điểm Ät trong định luật Raun Ät = 1.84n

Trong đó: n là nồng độ phân tử gam Độ hạ băng điểm Ät tỷ lệ thuận với nồng độ chất hoà tan trong dịch bào Cho nên trong kỹ thuật lạnh đông thực phẩm người ta chú ý tăng nồng độ phân tử dịch bào của các sản phẩm làm lạnh đông, để hạ băng điểm, ứng với nhiệt độ đông lạnh thấp, từ đó tạo điều kiện cho các sản phẩm đóng băng với tinh thể đá lớn, làm vỡ cấu trúc tế bào của sản phẩm, nhằm tăng khả năng trích ly dịch

Do các thực phẩm khác nhau có thành phần và nồng độ chất hoà tan và hàm lượng nước khác nhau nên có điểm kết tinh ban đầu, thời gian kết tinh của nước trong thực phẩm khác nhau do đó để đƣa ra đƣợc một công nghệ lạnh đông cho một sản phẩm ta cần xác định đƣợc 3 thông số cơ bản của quá trình lạnh đông sau: o Nhiệt độ kết tinh ban đầu o Tỷ lệ nước kết tinh hoặc không kết tinh

19 o Thời gian xử lý lạnh đông để có nhiệt độ trong lòng sản phẩm nhƣ mong muốn

1.3.1.3 Các thay đổi chủ yếu về thành phần dinh dƣỡng trong lạnh đông

Do quá trình chế biến nhiệt độ thấp, nên bảo quản chất lƣợng và giá trị chức năng cho các sản phẩm lạnh đông Nói chung, vitamin C nhạy cảm với nhiệt độ, oxy và ánh sáng Điều này ngụ ý rằng nếu hàm lƣợng vitamin C đƣợc giữ lại tốt, các chất dinh dƣỡng khác cũng có thể đƣợc bảo quản Do đó, bảo quản vitamin C có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một chỉ số chất lƣợng các sản phẩm chế biến (Awuah và cộng sự, 2007) Hàm lƣợng vitamin C và phosphoru đƣợc tìm thấy trong các loại trái cây nhiệt đới nhƣ dứa, anh đào, ổi, đu đủ và xoài nhỏ (tương ứng là 16 và 2%) Mặt khác, hàm lượng canxi của các trái cây nhiệt đới không bị ảnh hưởng đáng kể bởi việc sấy khô Vì vậy, các sấy đông khô Trái cây nhiệt đới có thể đƣợc thúc đẩy tiêu thụ do giá trị dinh dƣỡng cao (Marques et al., 2006) Việc lạnh đông không làm ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng vitamin C của trái cây nhiệt đới, ví dụ nhƣ quả mọng, xoài, đu đủ, dƣa vàng và dƣa hấu Ngƣợc lại, nồng độ β-caroten trong xoài và dƣa hấu đã làm khô giảm đến 26% và 43% so với nội dung ban đầu (Shofian và cộng sự, 2011) Không có sự mất mát đáng kể về vitamin C trong cà rốt được tìm thấy khi lạnh đông, trong khi đó các tổn thương nhỏ của α và β carotenes đƣợc quan sát, do hoạt động của vitamin A trong quá trình đông cứng (Lin et al, 1998) Lạnh đông có thể bảo quản vitamin C tốt hơn so với phương pháp thông thường Chẳng hạn, ớt khô làm khô, có chứa vitamin C cao gấp 2 và 4 lần so với không khí nóng và ớt khô

1.3.1.4 Quá trình tạo tinh thể đá Điểm lạnh đông (freezing point) là nhiệt độ mà tại đó, các tinh thể đá đƣợc hình thành và cân bằng với môi trường xung quanh Tuy nhiên, trước quá trình này, các mầm của tinh thể đá phải đƣợc tạo thành Có 2 loại mầm tinh thể là mầm đồng thể (homogenous nucleic) và mầm dị thể (heterogeneous nucleic) Mầm đồng thể đƣợc hình thành do sự sắp xếp có định hướng của các cấu tử nước và được bao quanh bởi môi trường nước Mầm dị thể được tạo thành khi xung quanh mầm không phải là những cấu

20 tử nước hoặc quá trình tạo mầm hình thành trên thành tế bào Trong thực phẩm, đa số các mầm tinh thể là mầm dị thể và đƣợc hình thành chủ yếu trong giai đoạn ―quá lạnh‖ Thời gian của giai đoạn ―quá lạnh‖ dài hay ngắn phụ thuộc vào từng loại nguyên liệu và tốc độ làm lạnh (tốc độ mất nhiệt) của nguyên liệu

Khi tốc độ lạnh đông càng nhanh, lƣợng mầm tinh thể tạo ra càng nhiều Khi đó, số lượng các tinh thể tạo thành sẽ càng nhiều, kích thước của các tinh thể càng nhỏ Tuy nhiên, cùng 1 tốc độ làm lạnh, kích thước của tinh thể đá lại phụ thuộc vào từng loại thực phẩm cũng như các quá trình xử lý trước khi lạnh đông

Tốc độ làm lạnh của quá trình sẽ quyết định tốc độ tăng kích thước của các tinh thể đá Thời gian cần thiết để thực hiện hết giai đoạn tiêu chuẩn (critical zone) sẽ quyết định đến kích thước và số lượng các tinh thể đá được hình thành Ở giai đoạn cuối của quá trình lạnh đông, tốc độ quá trình chuyển khối của các cấu tử nước (từ môi trường xung quanh đến tinh thể để phát triển tinh thể) và các cấu tử chất hòa tan trong nước (bề mặt tinh thể ra môi trường xung quanh) sẽ ảnh hưởng đến tốc độ tăng kích thước của tinh thể do nồng độ của các cấu tử hòa tan trong nước sẽ tăng lên

1.3.1.5 Cơ chế đóng băng thực phẩm

Nước trong thực phẩm do có hoà tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băng thấp hơn 0⁰C

Khi hạ nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóng băng dần dần tùy mức độ liên kết của chúng với tế bào

Khi hạ nhiệt độ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên các tinh thể đá xuất hiện ở gian bào( khoảng trống giữa các tế bào) Do đó áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài gian bào, qua màn bán thấm của tế bào Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm các tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo nên tinh thể mới

Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫn bên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều

Do đó nếu hạ nhiệt chậm thì tế bào mất nước, các tinh thể đá tạo ra sẽ to và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, giảm chất lƣợng sản phẩm

Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ nước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh

1.3.1.6 Các phương pháp lạnh đông

1.3.1.6.1 Phương pháp lạnh đông chậm

Phương pháp lạnh đông chậm vẫn được áp dụng trong bảo quản một số loại rau quả nhằm dự trữ nguyên liệu cho chế biến nước rau quả và cô đặc nước quả Lạnh đông chậm trong trường hợp này có tác dụng tích cực vì lạnh đông chậm phá huỷ cấu trúc tế bào, cấu trúc hệ keo, làm tăng năng suất và hiệu suất ép Quả nho, quả táo qua lạnh đông chậm và bảo quản ở -9 o C đến -18 o C, đem ép lấy nước thì hiệu suất tăng đến 150% so với ép quả tươi

1.3.1.6.2 Phương pháp lạnh đông nhanh

Giới thiệu phương pháp xử lý enzyme pectinase

Enzym pectinase là enzym thủy phân pectin, sản phẩm của quá trình thủy phân này là axit galacturonic, galactose, arabinose, methanol, Đây là nhóm enzyme đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chỉ sau amylase và protease Enzyme này lần đầu tiên đƣợc phát hiện trong các dịch trái cây nhƣ cà rốt, cà chua và ở đại mạch

Enzyme pectinase không những đƣợc tìm thấy ở thực vật bậc cao mà sau này các nhà khoa học còn tìm thấy ở một số loài vi sinh vật Enzyme pectinase đã đƣợc tìm thấy ở rất nhiều vi sinh vật trong tự nhiên Enzyme pectinase không chỉ tồn tại một loại mà còn có nhiều loại enzyme khác nhau, chúng xúc tác cho các kiểu phản ứng khác nhau và còn có đặc hiệu cao ở vi sinh vật Tuy nhiên, người ta tìm thấy enzyme này ở thực vật bậc cao thường chúng chỉ là pectinstease

Những enzyme này có một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình bảo quản trái cây và rau quả Ngoài ra cũng đƣợc ứng dụng nhiều trong chế biến thực phẩm, đặc biệt là khả năng làm trong nước quả

Dựa vào tính đặc hiệu, cơ chế tác dụng, kiểu phản ứng, pH tối ƣu của enzyme, Theo Koller và Neukom, 1966 cũng nhƣ Nguyễn Trọng Cẩn và cộng tác viên, 1997, enzyme pectinase đƣợc chia làm 2 nhóm:

Nhóm 1: Có sự tham gia của nước

- Enzyme pectin esterase (PE) hay pectin methyl esterase (PME) là các enzyme xúc tác sự thủy phân liên kết este trong phân tử pectin hoặc axit pectinic khi toàn bộ nhóm metoxyl bị tách ra khỏi cơ chất thì sản phẩm tạo thành methanol và các axit polygalacturonic (axit pectic)

- Enzyme polygalacturonase (PG) phân cắt liên kết glucozit-1,4 trong mạch pectin tạo ra axit galacturonic Dựa vào tính đặc hiệu và cơ chế tác động lên cơ chất, H Deuel và E Stulz,1958 đã chia polygalacturonic thành 2 nhóm nhỏ Mỗi nhóm có 2 kiểu:

- Polymethylgalacturonase (PMG): tác dụng lên axit Polymethylgalacturonic đã đƣợc methyl hóa (tức là pectin) PMG đƣợc phân thành 2 kiểu:

PG cắt nội mạch: Endo PG (kiểu 1), xúc tác sự thủy phân các liên kết glucozit nội mạch ở các phân tử axit polygalacturonase đƣợc este hóa ở mức độ cao

PG cắt ngoại mạch: Exo PG (kiểu 3), xúc tác sự thủy phân cac liên kết glucozit ở đầu mạch để tách từng gốc axit galacturonic ra khỏi phân tử pectin, bắt đầu từ đường không khử

- Polygalacturonase (PG) là các enzyme có tác dụng chủ yếu lên axit pectic (các axit polygalacturonase không bị este hóa) và axit pectinic (các axit polygalacturonase bị este hóa ở mức độ thấp), các enzyme này cũng đƣợc chia thành 2 kiểu nhờ vào vị trí liên kết glucozid bị cắt đứt

PG cắt nội mạch: Endo PG (kiểu 2), xúc tác sự thủy phân các liên kết glucozit ở giữa mạch của các phân tử axit pectic hoặc axit pectinic, các enzyme này tác dụng ở vị trí liên kết đầu nhóm carboxyl tự do

PG cắt ngoại mạch: Exo PG (kiểu 4), xúc tác sự thủy phân các liên kết glucozit ở đầu mạch của phân tử axit pectic hoặc axit pectinic

Nhóm 2: không có sự tham gia của nước Tên gọi chung là trans – seliminase (TE)

Pectin – traneliminase (PTE): Enzyme này đƣợc chia làm 2 loại:

Polygalacturonate –transeliminase (PGTE): Enzyme này đƣợc chia làm 2 loại

Các loại enzyme thường sử dụng trong thực phẩm là:

Polygalacturonase: Enzyme thủy phân liên kết α-1,4 - glycoside

Pectinmethylesterase: Enzyme thủy phân liên kết ester giữa axit galacturonic và nhóm methyl

Pectate lyase (PL): Enzyme cắt liên kết α-1,4 - glycoside nhƣng không có sự tham gia của nước

1.4.3 Cơ chế tác động của enzyme pectinase

Tế bào thực vật đƣợc cấu tạo bằng vỏ tế bào chứa phần lớn pectin, xyloglucan, cellulose , trong đó pectin đƣợc xem nhƣ chất ciment gắn kết các tế bào với nhau Thành tế bào như là một lớp bảo vệ tế bào rất hữu hiệu và tạo hình cho tế bào với phương pháp xử lý enzyme pectinase chúng tôi đã tiến hành xử lý nguyên liệu trước bằng cơ học (xay nhuyễn) với mục đích cắt nhỏ các tế bào và thành tế bào, sau đó chúng tôi hiệu chỉnh pH về 4.5 nhầm mục đích tạo môi trường thuận lợi cho enzyme pectinase được hoạt động tốt khi bổ sung

Cơ chế tác động của enzyme pectinase khi bổ sung sẽ tiến hành làm phá vỡ thành tế bào đã đƣợc cắt nhỏ bằng cách sử dụng pectin làm cơ chất , thủy phân pectin cũng đồng nghĩa với phá vỡ sự gắn kết giữa các tế bào, tạo điều kiện cho các chất tan và dịch bên trong tế bào thoát ra ngoài Ngoài ra, chế phẩm enzyme không chỉ riêng pectinase mà còn chứ 1 ít các enzyme nhóm cellulose, các enzyme này cũng góp phần phá hủy cellulose, phá vỡ thành tế bào Nhờ đó giúp quá trình thu hồi dịch đƣợc tốt hơn

1.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme

- Nhiệt độ: hoạt động thủy phân của enzyme pectinase ở 40 – 50 o C là cao nhất Nếu nhiệt độ quá cao, phản ứng thủy phân sẽ nhanh hơn nhƣng các enzym sẽ dần dần bị vô hoạt hoặc thay đổi tính chất Mặt khác, mùi vị và chất lƣợng của dịch quả có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao Hầu hết enzyme pectinase hoạt động tốt nhất ở 45 o C

- Độ pH: pH có thể tác động lên enzym bằng cách gây ra những biến đổi về cấu trúc, thay đổi độ ion hóa của các chất, thay đổi tính chất của các amino acid hoặc các coenzyme xúc tác của pectinase Thông thường enzyme pectinase hoạt động mạnh nhất ở pH 4.5 Ở các khoảng còn lại lƣợng dịch thu giảm

- Nồng độ enzyme: lƣợng dịch quả trung bình thu đƣợc ứng với các mức nồng độ enzyme có sự khác biệt Lƣợng dịch quả cao nhất ứng với mức nồng độ enyme sử dụng

32 dao động trong khoảng từ 0.15% - 0.2% Lượng dịch quả có xu hướng giảm dần khi nồng độ enzyme cao hơn hoặc thấp hơn

- Thời gian thủy phân: Cần có một khoảng thời gian tối thiểu để enzyme hoạt động, tạo ra lƣợng dịch quả nhiều nhất

- Chất ức chế hoặc hoạt hóa enzyme: Một số chất nhƣ thuốc trừ sâu có thể làm ức chế enzyme hay một số chất khác có thể liên kết với enzyme để làm tăng hoạt tính

1.4.5 Ứng dụng của enzyme pectinase lên dịch quả

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Phương pháp xử lý enzyme pectinase

Nguyễn Văn Quý, năm 2011, ―Nghiên cứu ứng dụng enzyme pectinase trong chiết tách dịch quả nhàu và thử nghiệm sản xuất nước giải khát từ quả nhàu‖ Kết quả nghiên cứu này cho thấy: điều kiện tốt ƣu để trích ly dịch quả nhàu là nhiệt độ xử lý enzyme pectinase ở 45 o C, thời gian 3 giờ với nồng độ 0.225%.Theo Mạch Thị Khiêm Tín

(2006) thanh long có hàm lượng nước 86.12%; độ brix 11.2%; vitamine C 4.2 mg/100g là phù hợp để chế biến nước thanh long lên men Xử lý enzyme pectinex Ultra SP – L với nồng độ enzyme 800 ppm trong 30 phút thu đƣợc hiệu suất thu hồi dịch thanh long cao

―Tác động enzyme pectinase đến khả năng trích ly dịch quả và các điều kiện lên men liên quan đến chất lƣợng xoài sau khi lên men chính‖, đƣợc Nguyễn Nhật Minh Phương và cộng sự nghiên cứu thành công và tìm ra được pH tối ưu để enzyme pectinase hoạt động tốt là 4.5 và nhiệt độ là 40 o C Với nồng độ enzyme pectinase bổ sung vào dịch quả là 0.15% và thời gian thủy phân 20 phút, lương dịch quả thu hồi là cao nhất trong điều kiện khảo sát (75ml/100g) Theo Lê Văn Việt Mẫn, năm ―Nghiên cứu công nghệ sản xuất nước táo đóng hộp‖ đã đưa ra thông số công nghệ của quá trình xử lý bằng chế phẩm enzyme pectinase Ultra SPL là nhiệt độ 40 – 50 o C, thời gian là 1 giờ với nồng độ enzyme pectinase Ultra SPL là 0.1% w/w và nhiệt độ bất hoạt enzyme là 90 o C, thời gian

Theo Mạch Thị Khiêm Tín (2006) thanh long có hàm lượng nước 86.12%; độ brix 11.2%; vitamine C 4.2 mg/100g là phù hợp để chế biến nước thanh long lên men Xử lý enzyme pectinex Ultra SP – L với nồng độ enzyme 800 ppm trong 30 phút thu đƣợc hiệu suất thu hồi dịch thanh long cao

Những nghiên cứu ở các nước khác trên thế giới chủ yếu tập trung vào đặc tính, thành phần dinh dưỡng trong nguyên liệu, hay thời gian bảo quản tươi thanh long mà chƣa chú trọng nghiên cứu về ứng dụng công nghệ thực phẩm từ nguyên liệu nhƣ là:

Năm 2013, đề tài: ―Behavior of Salmonnella spp and natural microbiota on fresh

- cut dragon fruits at different storage temperatures‖ (Tác động của vi khuẩn Salmonella spp và các vi sinh vật có trong tự nhiên lên trái thanh long tươi khi cắt và bảo quản ở

34 những nhiệt độ lưu trữ khác nhau), trên tờ báo International Joumal of Food Microbiology của nhóm tác giả Ying Wang, Wen – Cai Ye, Jing Zhao, để xác định sự tồn tại, phát triển thích nghi của Salmonella về điều kiện môi trường như: nồng độ axit, nhiệt độ, và những vi sinh vật tự nhiên có trên thanh long tươi khi cắt ở nhiệt độ lưu trữ khác nhau Nghiên cứu cho thấy rằng, thanh long tươi cắt nên bảo quàn ở 4 o C để đảm bảo sự an toàn cũng như kéo dài thời gian sử dụng của thanh long tươi cắt

Năm 2004, đề tài: ―Antioxidant and antiproliferative activities of red pitaya‖ (Các hoạt động chống oxy hóa và kháng sinh của các thanh long ruột đỏ), của Cục Ứng dụng Hóa học, Chi-Nan, Đại học Quốc gia, số 1, Đại học Road, Puli, Nantou, 545 Đài Loan do nhóm tác giả Li-chen Wu, Hsiu-Wen Hsu, Yun-Chen Chen, Chih-Chung Chiu,Yu-In Lin, Ja-an Annie Ho thực hiện đã cho thấy một số sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nước thanh long như hạt, vỏ, là một nguồn tốt chứa các chất chống oxy hóa và chất chống khối u ác tính

1.5.2 Phương pháp lạnh đông – vi sóng

Trong ngành chế biến rau quả Việt Nam, việc ứng dụng phương pháp lạnh đông– vi sóng nhằm mục đích bảo quản và đặc biệt là trích ly thu hồi dịch nhằm nâng cao chất lƣợng về dinh dƣỡng và dịch thu đƣợc Áp dụng lạnh đông – vi sóng vào trích ly đƣợc các nhà khoa học hiện chú trọng cụ thể gần nhất là việc áp dụng phương pháp vào trong thu hồi capsaicin từ quả ớt Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả Trần Anh Khoa,Đại học Bách Khoa-ĐHQG-HCM đã thực hiện trích ly bằng một số phương pháp truyền thống và hiện đại như: phương pháp Soxhlet, ngâm với dung môi, trích ly với sự hỗ trợ siêu âm (Ultrasound-assisted extraction – UAE), trích ly với sự hỗ trợ vi sóng (Microwave-assisted extraction – MAE), trích ly sử dụng CO2 siêu tới hạn (Supercritical Fluid Extraction – SFE) Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy thành phần chính của dầu ớt là các loại acid béo không no (chiếm 77.4%), chủ yếu là acid oleic và acid linoleic Hàm lƣợng dầu và capsaicin thu đƣợc đạt 0,5358g/g và 2,9534mg/g nguyên liệu khi dùng phương pháp trích ly với sự hỗ trợ vi sóng Nhóm tác giả đã thực hiện vi sóng với công suất 40w ở thời gian 5 phút Trước đó,

35 trong năm 2012 XiangYuan Deng và cộng sự, School of Biology and Chemical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212018, China tối ƣu hóa quá trình trích ly capsaicinoid với sự hỗ trợ của siêu âm chỉ ra tỉ lệ dung môi/nguyên liệu thích hợp là10 mg/g Trích ly với sự hỗ trợ của vi sóng là một phương pháp đƣợc sử dụng trích ly capsaicinoid Năm 2003, Opal và cộng sƣ trích ly capsaicinoid với tỉ lệ nguyên liệu 10 ml/g cho thấy phương pháp này trích được 95% capsaicinoid Các nghiên cứu ngày chỉ ra rằng bằng sự hổ trợ của vi sóng dịch cần chiết thu nhận nhanh hơn so với phương pháp cổ điển

Bên cạnh việc trích ly capsaicin từ quả ớt, các nhà khoa học nước ta cũng đã mở rộng lĩnh vực nghiên cứu của mình vào việc ứng dụng vi sóng trong thu hồi, trích ly nhiều loại rau quả Hiện nay hướng nghiên cứu được tập trung nhiều nhất là nâng cao hiệu quả sử dụng phương pháp lạnh đông – vi sóng để đảm bảo việc thu hồi và chất lƣợng sản phẩm sau khi thu đƣợc để nâng cao giá trị kinh tế

Khảo sát sự ảnh hưởng của công suất siêu âm, nhiệt độ và thời gian xử lý siêu âm đến hiệu suất thu hồi và chất lƣợng dịch quả chuối đã đƣợc Lê Văn Việt Mẫn cùng nhiều tác giả nghiên cứu năm 2015, từ kết quả khảo sát nhóm tác giả đã thu nhận với nhiệt độ 50 o C và ở thời gian 90s thì việc thu hồi dịch quả chuối đạt chất lƣợng tốt nhất

Hay một nghiên cứu khác của các nhà khoa học ngoài nước về việc thu hồi carbohydrat tổng từ cây cỏ ngọt, Liu và cộng sự đã kết luận khi tăng công suất từ 20w đến 100w ở 60 o C trong 40 phút thì đạt hiệu quả cao nhất

Tuy nhiên việc tách dịch quả với sự hỗ trợ lạnh đông - vi sóng với thời gian ngắn đang đƣợc chú ý nhiều hơn Vì thế, vấn đề đó sẽ đƣợc tập trung tìm hiểu sâu hơn trong nghiên cứu

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BIỆN LUẬN