Tối ưu hóa quá trình lên men chè đen bằng vi khuẩn lactic

Nghiên cứu này đã xác định được các điều kiện tối ưu để lên men tạo chè đen từ chè Phúc Vân Tiên được thu hoạch trong tháng 9/2021 như sau: tỷ lệ giống vi khuẩn lactic khởi động là 2 - 4%, thời gian lên men là 6-8 giờ, nhiệt độ lên men là 25 – 27 độ C. Ở điều kiện này, hàm lượng GABA trong chè đen đạt trên 203 mg/100g, các chỉ tiêu cảm quan như mùi hương và vị chè đạt chất lượng tốt nhất và hài hòa nhất.

Nghiên trao ● Research-Exchange opinion Tạp chí cứu Khoa họcđổi - Trường Đại học Mở HàofNội 86 (12/2021) 1-8 TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH LÊN MEN CHÈ ĐEN BẰNG VI KHUẨN LACTIC OPTIMIZATION OF BLACK TEA FERMENTATION BY LACTIC ACID BACTERIA Nguyễn Việt Tấn* Nguyễn Duy Lâm† Ngày tòa soạn nhận báo: 03/06/2021 Ngày nhận kết phản biện đánh giá: 02/12/2021 Ngày báo duyệt đăng: 27/12/2021 Tóm tắt: Nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu để lên men tạo chè đen từ chè Phúc Vân Tiên thu hoạch tháng 9/2021 sau: tỷ lệ giống vi khuẩn lactic khởi động - 4%, thời gian lên men 6-8 giờ, nhiệt độ lên men 25 – 27oC Ở điều kiện này, hàm lượng GABA chè đen đạt 203 mg/100g, tiêu cảm quan mùi hương vị chè đạt chất lượng tốt hài hịa Từ khóa: Chè đen, GABA, lên men yếm khí, tiêu cảm quan chất lượng chè Abstract: This study has determined the optimal conditions for fermenting black tea from Phuc Van Tien tea harvested in September 2021 as follows: concentration of lactic bacteria is 2-4%, fermentation time is 6-8 hours, fermentation temperature is 25-27oC Under this condition, the GABA content in black tea reached over 203 mg/100g, the sensory criteria of tea quality including aroma and taste were the best and most harmonious Keywords: Black tea, GABA, anaerobic fermentation, sensory quality criteria of tea quality I Đặt vấn đề Chè nguyên liệu chế biến uống không cồn tiêu thụ rộng rãi giới Các nghiên cứu gần cho thấy chè khơng góp phần giảm nguy tim mạch bệnh tật số dạng ung thư mà cịn mang lại lợi ích vệ sinh miệng, giảm cao huyết áp, giảm cân, kháng khuẩn, kháng virus [1, 2] Trong năm gần đây, người ngày có nhu cầu nhiều sản phẩm chăm sóc sức khỏe có nguồn gốc từ thiên nhiên, chè giàu GABA thu hút quan tâm người tiêu dùng có nhiều tác dụng tốt, bao gồm giảm huyết áp, giảm hàm lượng đường máu, chống lại bệnh ung thư, giảm căng thằng thần kinh chống lại mệt mỏi [3, 4] * Vụ Khoa học Công nghệ, Bộ Công Thương † Viện Cơ điện nông nghiệp Công nghệ sau thu hoạch Nghiên cứu trao đổi ● Research-Exchange of opinion Trên giới, có nhiều nghiên cứu làm giàu GABA sản phẩm chè thực dựa kỹ thuật lên men với chủng xạ khuẩn S bacillaris, S cinereus [5] Lactobacillus plantarum subsp., Streptococcus thermophilus (Streptococcus thermophilus), Lactobacillus brevis (L Lactobacillus brevis) [6] Nghiên cứu thực nghiên cứu trước nhóm tác giả việc sử dụng vi khuẩn lactic để lên men chè với mục đích xác định điều kiện tối ưu trình lên men, bao gồm lượng giống vi khuẩn, nhiệt độ lên men thời gian lên men từ có xây dựng quy trình sản xuất chè có hàm lượng cao GABA II Vật liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu - Chè Phúc Vân Tiên trồng Viện Khoa học Kỹ thuật Nông lâm miền núi phía Bắc, thu hoạch vào tháng 9/2021 - Chủng giống vi khuẩn lactic: Bộ chủng giống Bảo tàng giống chuẩn Việt nam, Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học, Đại học Quốc gia Hà Nội 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp chế biến chè đen truyền thống Việt Nam [7] 2.2.2 Phương pháp đánh giá cảm quan chè theo TCVN 3218:2012 [8] 2.2.3 Phương pháp tối ưu hoá điều kiện lên men chè đen [9] Q trình tối ưu hóa thực qua bước với thông số: lượng giống vi khuẩn khởi động, nhiệt độ lên men thời gian lên men Bước 1: Xác định điều kiện để lượng GABA >203 mg/100g a- Xác định ma trận thực nghiệm theo yếu tố Mỗi yếu tố thực thí nghiệm mức: mức dưới, mức mức Tổng số thí nghiệm 27 b- Phân tích hàm lượng GABA 27 thí nghiệm chọn thí nghiệm có hàm lượng GABA > 203 mg/100g Bước Xác định điều kiện thí nghiệm mà tổng giá trị mục tiêu toán (hàm lượng GABA, tiêu hương vị sản phẩm) đạt tốt a- Lặp lại thí nghiệm lựa chọn nội dung b bước 1, phân tích tiêu cần tối ưu: y1: hàm lượng GABA mg/100g y2: điểm số hương, khơng có thứ ngun y3: điểm số vị, khơng có thứ ngun b- Từ ma trận thực nghiệm bước 1: - Xác định giá trị lớn bé y1 Từ kết thực nghiệm điểm a’ bước 2, xác định được: - Xác định giá trị lớn bé y2 y3 - Chọn hệ số quan trọng mục tiêu: d(y1) = 1,3 d(y2) = 1,0 d(y3) = 1,0 - Tính tổng điểm mục tiêu 3 Nghiên cứu trao đổi ● Research-Exchange of opinion - Lựa chọn thí nghiệm có tổng điểm cao nhất, xem phương án tốt Bước 3: Lặp lại thí nghiệm với giá trị yếu tố vùng lân cận để xác định điều kiện mà tiêu cần tối ưu tiệm cận gần đến khu vực tối ưu (tối ưu có điều kiện) 2.3 Phương pháp xác định hàm lượng GABA chè đen phương pháp sắc ký HPLC Cân xác 0,02g (± 0,001g) chè lên men, nghiền nhỏ rây qua rây bột cho vào ống eppendorf cho thêm 1mL methanol (MeOH) 50% Mẫu lắc vortex vòng 10 phút ly tâm với tốc độ 12.000 vòng/phút 10 phút, thu dịch Hút 0,5mL dịch mẫu bổ sung thêm 0,5mL 2- hydroxynaphthaldehyde 0,5%, 0,5mL đệm borat pH 8.0 Sau đun cách thủy 80°C 10 phút, hỗn hợp để nguội bóng tối ly tâm với tốc độ 1.2000 vịng/phút 10 phút 4°C Dịch thí nghiệm phân tích hệ thống HPLC, phân tích lặp lại lần Các dung dịch chuẩn có nồng độ 0,1074; 0,052; 0,026; 0,013 0,0065 mg/mL III Kết nghiên cứu 3.1 Xác định giá trị yếu tố ảnh hưởng đến q trình lên men yếm khí tạo hàm lượng GABA cao sản phẩm - Lượng giống khởi động x1 với tỷ lệ bổ sung là: x-1 = 2%, x01 = 4%, x+1= % - Nhiệt độ lên men x2 với ngưỡng nhiệt độ là: x-2 = 23oc, x02 = 25oc, x+2= 27oc - Thời gian len men x3 với khoảng thời gian lên men là: x-3 = giờ, x03 = 10 giờ, x+3= 12 Với thông số tỷ lệ giống khởi động, nhiệt độ, thời gian lên men theo ngưỡng nêu lập ma trận thực nghiệm trực giao với 27 thí nghiệm, hàm lượng GABA thí nghiệm phân tích phương pháp sắc ký lỏng cao áp HPLC trình bày bảng Bảng Kết phân tích hàm lượng GABA (mg/100g) 27 mẫu thí nghiệm STT 10 11 12 Điều kiện thí nghiệm Lượng GABA (mg/100g) 198 201 205 219 245 256 200 206 257 200 204 209 STT 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Điều kiện thí nghiệm Lượng GABA (mg/100g) 228 201 205 267 211 208 216 226 213 237 260 266 Nghiên cứu trao đổi ● Research-Exchange of opinion STT 13 14 Điều kiện thí nghiệm Lượng GABA (mg/100g) 213 226 Qua số liệu bảng 1, ta xác định 22/27 thí nghiệm có hàm lượng GABA cao 203 mg/100g, thí nghiệm là: Số 3, số 4, số 5, số 6, số 8, số 9, số 11, số 12, số 13, số 14, số 15, số 17, số 18, số 19, số 20, số 21, số 22, số 23, số 24, số 25, số 26 số 27 Loại bỏ thí nghiệm mà đó, hàm lượng GABA chênh lệch so với mẫu đối chứng (203 mg/100g) q ít, khơng có ý nghĩa nhiều mặt cơng nghệ Những mẫu = 1, 2, 3, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 16, 17, 19, 20, 21 23 Số mẫu lại (12 mẫu) tiếp tục tiến hành khảo sát để tìm phương án tốt nhất, xét theo mối liên quan thông số tỷ lệ giống khởi động, nhiệt độ, thời gian lên men 3.2 Xác định điều kiện lên men tối ưu để tạo sản phẩm chè đen có chất lượng tốt STT 27 Điều kiện thí nghiệm Lượng GABA (mg/100g) 282 3.2.1 Lựa chọn mẫu vượt trội 12 mẫu chọn Mười hai (12) mẫu có hàm lượng GABA đạt yêu cầu tiến hành phân tích cảm quan với số chất lượng, cụ thể sau: y1: hàm lượng GABA, mg/100g y2: điểm cảm quan hương, khơng có thứ ngun y3: điểm cảm quan vị, khơng có thứ ngun Đối với sản phẩm chè, tầm quan trọng hương vị đánh giá ngang nhau, chọn hệ số quan trọng k = 1; Hàm lượng GABA chè đen xem mục tiêu hướng tới nghiên cứu, số này, đánh giá hệ số quan trọng k = 1,4 Kết phân tích 12 mẫu thể bảng Bảng 2: Kết phân tích số chất lượng 12 mẫu chè lựa chọn Tên mẫu chè 14 15 18 22 24 25 26 27 Mô tả sản phẩm Hương dịu, vị dịu Hương nhẹ, vị đậm Hương dịu, vị dịu Hương dịu, vị gắt Hương dịu, vị dịu Hương dịu, vị đậm Hương nhẹ, vị chua Hương dịu, vị gắt Hương dịu, vị gắt Hương nồng, vị chua Hương nồng, vị gắt Hương nồng, vị gắt Hương (y2) Vị (y3) 4,50 4,50 4,50 4,00 4,50 3,75 3,75 4,25 4,25 4,00 3,75 3,75 4,50 4,75 4,50 4,00 4,50 4,25 4,25 4,25 4,25 4,00 4,25 3,75 GABA Tổng điểm mg/100g (y1) cảm quan 219 9,00 245 9,25 256 9,00 257 8,00 226 9,00 228 8,00 267 8,00 226 8,50 237 8,50 260 8,00 266 8,00 282 7,50 Nghiên cứu trao đổi ● Research-Exchange of opinion 3.2.2 Xây dựng thang điểm sử dụng hệ số quan trọng tiêu chất lượng để cô lập vùng gần tối ưu biến ảnh hưởng Xây dựng thang điểm cho tiêu y2 (hương chè): Trên cột giá trị Giá trị thật 3,75 y2 Giá trị quy đổi 1,0 y2 hương bảng 2, ta thấy y2max = 4,5, y2min = 3,75; Hiệu số ymax – ymin = 0,75, chọn thang điểm 10, từ ta xây dựng mốc điểm cho y2 sau: 3,83 3,92 4,00 4,08 4,16 4,25 4,33 4,41 4,5 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10 Theo cách tương tự, ta lập mục tiêu thang điểm cho y1 y3 Giá trị thật 219 y1 Giá trị quy đổi 1,0 y1 Giá trị thật 3,75 y3 Giá trị quy đổi 1,0 y3 226 233 240 247 254 261 268 275 282 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10 3,86 3,97 4,08 4,19 4,30 4,41 4,52 4,63 4,75 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10 Tổng hợp đánh giá toàn diện tiêu chất lượng (y1, y2, y3) sản phẩm thực dựa thang điểm sử dụng hệ số quan trọng tiêu chất lượng (k1 = 1,4; k2 = 1; k3=1) ta lập bảng tổng hợp tổng số điểm quy ước mục tiêu đồng thời lúc Khi tính điểm quy đổi cho giá trị mục tiêu ta làm tròn số theo quy định sau: Nếu > làm trịn số phía trên; Nếu ≤ làm trịn số phía dưới; Ví dụ: 3,067 làm tròn số 3,07 0,324 làm tròn số 0,32 Bảng tổng điểm tiêu chất lượng chè đen thể bảng (trang sau) Nghiên cứu trao đổi ● Research-Exchange of opinion 6 14 15 18 22 24 25 26 27 Thí nghiệm số 219 245 256 257 226 228 267 226 237 260 266 282 Số đo thật 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 Hệ số Y1 Điểm thang 1,0 4,5 6,0 6,0 2,0 2,0 8,0 2,0 4,0 7,0 8,0 10,0 Điểm quy đổi 4,50 4,50 4,50 4,00 4,50 3,75 3,75 4,25 4,25 4,00 3,75 3,75 Số đo thật 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Hệ số Y2 Điểm thang 10 10 10 4,0 10 1,0 1,0 7,0 7,0 4,0 1,0 1,0 10,0 10,0 10,0 4,0 10,0 1,0 1,0 7,0 7,0 4,0 1,0 1,0 Điểm quy đổi 4,50 4,75 4,50 4,00 4,50 4,25 4,25 4,25 4,25 4,00 4,25 3,75 Số đo thật 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Hệ số Bảng 3: Điểm tổng hợp tiêu chất lượng chè 1,3 4,8 7,8 7,8 2,6 2,6 10,4 2,6 5,2 9,1 10,4 13,0 Y3 Điểm thang 8,0 10,0 8,0 4,0 8,0 6,0 6,0 6,0 6,0 5,0 6,0 1,0 8,0 10,0 8,0 4,0 8,0 6,0 6,0 6,0 6,0 5,0 6,0 1,0 Điểm quy đổi 19,3 24,8 25,8 15,8 20,6 9,6 17,4 15,6 18,2 18,1 17,4 15,0 Tổng điểm quy đổi Y1+Y2+Y3 Nghiên cứu trao đổi ● Research-Exchange of opinion Từ kết tính tốn trình bày bảng cho phép ta rút số kết luận: Cảm quan hương : 4,50 Cảm quan vị : 4,75 - mẫu thí nghiệm số 5, số số 14 có tổng điểm quy đổi tiêu chất lượng cao Hàm lượng GABA (mg/100g): 2,54 - Có thí nghiệm hàm lượng GABA chè cao tiêu chất lượng (hương vị) chè lại thấp tổng điểm quy đổi thấp, khơng phù hợp với mục tiêu nghiên cứu Điều cho ta thấy việc lựa chọn hệ số quan trọng y1, y2, y3 tương đối phù hợp Từ kết thu đường thực nghiệm cho phép kết luận sau - Vùng thích hợp nhất, tổng điểm quy đổi tiêu chất lượng đạt trị số gần tối ưu, ứng với điều kiện yếu tố ảnh hưởng là: * Lượng vi khuẩn giống khởi động (OD600 = 2,6), x1 ϵ [2-4%] * Nhiệt độ lên men x2 ϵ [25÷27oc] * Thời gian lên men x3 ϵ [6÷8 giờ] Ứng với điều kiện đây, tổng điểm quy đổi y1 + y2 + y3 dao động khoảng lớn từ 20,6 ÷ 25,8 Đây vùng gần tối ưu mà nhiệm vụ nghiên cứu phải giải đáp IV Thực nghiệm thông số toán tối ưu Thực nghiệm kiểm định tiến hành với mốc thí nghiệm biến ảnh hưởng: V Kết luận 1- Việc bổ sung thêm công đoạn lên men yếm khí cơng nghệ truyền thống sản xuất chè đen làm tăng hàm lượng GABA sản phẩm 2- Sử dụng vi khuẩn lactic giai đoạn lên men yếm khí, làm tăng hàm lượng GABA, chất lượng cảm quan sản phẩm tiệm cận với mẫu đối chứng mẫu so sánh (mẫu có lên men yếm khí không sử dụng vi sinh vật) 3- Với điều kiện tối ưu trình lên men chè đen tạo hàm lượng cao GABA (trên 203 mg/100g) tiêu hương vị chè hài hòa là: lượng vi khuẩn khởi động từ 2-4% so với lượng chè lên men, nhiệt độ lên men 26oC, thời gian lên men Các kết thu sở để thực nghiên cứu hồn thiện quy trình lên men chè đen có chất lượng cao Tài liệu tham khảo: x3 = [1] Wang H, Wen Y, Du Y, Yan X, Guo H, Rycroft JA, Boon N, Kovacs EM, Mela DJ Effects of catechin enriched green tea on body composition Obesity (Silver Spring) 2010 Apr; 18(4):773-9.; Mẫu thực nghiệm phân tích số: Cảm quan hương, cảm quan vị hàm lượng GABA (mg/100g) mẫu chè thu sau: [2] Basu A, Du M, Sanchez K, Leyva MJ, Betts NM, Blevins S, Wu M, Aston CE, Lyons T Green tea minimally affects biomarkers of inflammation in obese subjects with x1 = 3% x2 = 26oC Nghiên cứu trao đổi ● Research-Exchange of opinion metabolic syndrome J Nutrition 2011 Feb; 27(2):206-13 [3] Teng J, Zhou W, Zeng Z, Zhao W, Huang Y, Zhang X Quality components and antidepressant-like effects of GABA green tea Food Funct 2017 Sep 20; 8(9):3311-3318 [4] Alcázar A, Ballesteros O, Jurado JM, Pablos F, Martín MJ, Vilches JL, Navalón A Differentiation of green, white, black, Oolong, and Pu-erh teas according to their free amino acids content J Agric Food Chem 2007 Jul 25; 55(15):5960-5 [5] Kee-Ching Jeng 1, Chin-Shuh Chen, YuPun Fang,  Rolis Chien-Wei Hou,  Yuh-Shuen Chen Effect of microbial fermentation on content of statin, GABA, and polyphenols in Pu-Erh tea J Agric Food Chem 2007 Oct 17;55(21):8787-92) [6] Ishizuchi-kurocha and Awa-bancha Masanori Horie,  Hiroaki Sato, Atsumi Tada, Sayaka Nakamura,  Sakiko Sugino, Yosuke Tabei, Miyuki Katoh and Takahito Toyotome Regional characteristics of  Lactobacillus plantarum  group strains isolated from two kinds of Japanese post-fermented teas, Biosci Microbiota Food Health. 2019; 38(1): 11–22 [7] Nguyễn Việt Tấn, Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất chè giàu Gamma Aminobutyric Axit (GABA) công nghệ lên men từ số giống chè Việt Nam”, Đề tài R&D cấp Bộ, Bộ Công Thương năm 2019 [8] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 3218:2012 chè - xác định tiêu cảm quan phương pháp cho điểm [9] Hồng Đình Hịa, Mơ hình hóa tối ưu hóa trình lên men sản xuất Bia Luận án PTS, Plovdiv, Bulgari 1984 Địa tác giả: Vụ Khoa học Công nghệ, Bộ Công Thương Email:tanvn.fic@gmail.com ... Lactobacillus brevis) [6] Nghiên cứu thực nghiên cứu trước nhóm tác giả vi? ??c sử dụng vi khuẩn lactic để lên men chè với mục đích xác định điều kiện tối ưu trình lên men, bao gồm lượng giống vi khuẩn, nhiệt... sánh (mẫu có lên men yếm khí không sử dụng vi sinh vật) 3- Với điều kiện tối ưu trình lên men chè đen tạo hàm lượng cao GABA (trên 203 mg/100g) tiêu hương vị chè hài hòa là: lượng vi khuẩn khởi... chè đen truyền thống Vi? ??t Nam [7] 2.2.2 Phương pháp đánh giá cảm quan chè theo TCVN 3218:2012 [8] 2.2.3 Phương pháp tối ưu hoá điều kiện lên men chè đen [9] Q trình tối ưu hóa thực qua bước với