TỔNG QUAN
Tổng quan về cây ổi
2.1.1 Khái quát về cây ổi Ổi là một loại trái cây nhiệt đới, có tên khoa học là Psidium guajava L Theo nghiên cứu của Rai và cộng sự (2009), ổi thuộc:
- Chi: Psidium L. Ổi là loại cây thân bụi nhỏ, phân nhiều cành Thân cây ổi cao khoảng 3-4 m, được bao bọc bởi một lớp vỏ mỏng, trơn nhẵn, khi già bong ra thành từng mảnh Lá mọc đối, hình trái xoan hoặc hình trứng, dài 9-11 cm, rộng 3-6 cm, đầu tù hơi nhọn Mặt trên của lá ổi có màu lục sẫm, mặt dưới màu nhạt hơn và có gân Hoa ổi thường có màu trắng, xuất hiện ở cuối các nhánh nhỏ, đơn lẻ hoặc thành cụm Quả ổi dài từ 4 đến 12 cm, có hình tròn hoặc hình bầu dục Khi chín, quả thường có màu vàng hoặc xanh lục tùy thuộc vào các giống cây khác nhau (Kumari và cộng sự, 2013). Ổi được biết đến có nguồn gốc từ Mexico, Caribe, Trung Mỹ và vùng phía bắc của Nam Mỹ Đầu thế kỷ 17, người Bồ Đào Nha đã mang ổi đến Ấn Độ và lan rộng khắp các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới châu Á (Abin và cộng sự, 2011) Nhờ khả năng thích nghi tốt với điều kiện môi trường khác nhau, chúng phát triển mạnh ở cả vùng khí hậu khô và ẩm ướt, cũng như trong nhiều loại đất trồng khác nhau Điều này đã cho phép cây ổi phát triển và phân tán ở nhiều quốc gia thuộc châu Mỹ, châu Âu, châu Phi và châu Á.
Hiện nay, việc trồng ổi trở nên phổ biến và có thị trường lớn tại hơn 60 quốc gia chủ yếu được tiêu thụ ở dạng tươi hoặc chế biến Đây được xem là một loại trái cây có năng suất cao,mang lại lợi nhuận kinh tế mà không cần chăm sóc nhiều Ấn Độ là quốc gia sản xuất ổi lớn nhất thế giới, sau đó là Trung Quốc, Kenya, Thái Lan, Indonesia, Pakistan, Mexico, Brazil,Bangladesh, Nigeria, Philippines, Việt Nam và Ai Cập (Gill, 2016) Ngoài ra, các bộ phận của cây ổi như búp non, lá non, vỏ rễ và vỏ thân còn được dùng làm thuốc (Irshad và cộng sự, 2020).
Hình 2.1 (A) Lá và trái cây ổi, (B) Nhánh lá ổi nhìn từ mặt trên và dưới, (C) Lá ổi nhìn từ mặt trên và dưới (Kumar và cộng sự, 2021) 2.1.2 Thành phần hóa học
Thành phần hoá học trong lá ổi rất đa dạng Lá là bộ phận tích lũy một lượng lớn các chất dinh dưỡng đa lượng, vi lượng và các hợp chất sinh học có lợi cho sức khỏe như polysaccharide, protein, polyphenol, vitamin và khoáng chất trong hầu hết các bộ phận của cây (Kumar và cộng sự, 2021) Nghiên cứu chỉ ra rằng hoạt tính sinh học trong lá ổi có tác dụng rất lớn trong việc hỗ trợ điều trị bệnh như đái tháo đường, tim mạch, chống viêm, chống ung thư, chống tiêu chảy, kháng khuẩn, v.v (Shabbir và cộng sự, 2020).
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của lá ổi (Kumar và cộng sự, 2021)
Thành phần hóa học Hàm lượng trong 100g chất khô Độ ẩm 82,47%
Polysaccharide là thành phần chủ yếu trong lá ổi, thể hiện các đặc tính sinh học và dược lý khác nhau như khả năng kháng oxy hóa, kháng viêm, trị đái tháo đường, điều hòa miễn dịch, v.v Chúng có thể được phân lập bằng phương pháp trích ly có hỗ trợ sóng siêu âm Polysaccharide trong dịch chiết lá ổi chứa khoảng 9,13% uronic acid và 64,42% đường tổng, trong đó có 2,24% là đường khử, phần lớn các polysaccharide này thường hòa tan trong nước, một số ít tan trong các dung môi hữu cơ như ethanol, diethyl ether, ethyl acetate, acetone và chloroform (Luo và cộng sự, 2018) Mặt khác, polysaccharide của lá ổi còn được phân lập thành hai nhóm khác: polysaccharide không sulfate và polysaccharide sulfate Theo Kumar và cộng sự (2021), polysaccharide chứa khoảng 18,58% hàm lượng sulfate, thể hiện hoạt tính kháng oxy hóa tốt, cho thấy khả năng làm giảm hiệu quả stress oxy hóa và độc tính do hydrogen peroxide gây ra trong các tế bào động vật.
Lá ổi chứa 9,73% protein trên tổng hàm lượng chất khô (Rahman và cộng sự, 2013). Bên cạnh đó, dựa trên phương pháp Lowry, Thomas và cộng sự (2017) đã ước tính được khoảng 16,8 mg protein/100g và 8 mg acid amin/100g lá ổi Các protein này bao gồm các acid amin đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển Một số acid amin chính được tìm thấy trong lá ổi như glycine, leucine, proline, alanine, methionine, isoleucine, valine, histidine, tyrosine, phenylalanine, cysteine, aspartic acid, lysine và glutamic acid (Chen và cộng sự, 2009).
Lá ổi là nguồn giàu khoáng chất và vitamin Hàm lượng magie, natri, lưu huỳnh, mangan và boron trong lá ổi cao nên thường được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi để ngăn ngừa tình trạng thiếu vi chất dinh dưỡng (Adrian và cộng sự, 2015) Báo cáo của Thomas và cộng sự (2017) chỉ ra rằng nồng độ Ca, P, Mg, Fe và vitamin B trong lá cao hơn so với quả ổi Do đó, việc sử dụng lá ổi giàu Ca và P làm giảm nguy cơ mắc các bệnh liên quan đến thiếu hụt như hạ calci máu, giảm phosphate huyết và loãng xương Hàm lượng vitamin
C cao trong lá ổi có thể giúp cải thiện hệ thống miễn dịch và vitamin B đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ cải thiện lưu thông máu, thư giãn thần kinh và kích thích chức năng nhận thức của não bộ (Kumar và cộng sự, 2021).
Các hợp chất có hoạt tính sinh học trong lá ổi đã được phân tích liên quan đến phenolic acid, flavonoid, tannin, triterpenoid (Kumar và cộng sự, 2021) Chúng là các chất chuyển hóa thứ cấp của thực vật, đóng vai trò chống lại các tác động sinh học và phi sinh học như bức xạ tia cực tím, nhiệt độ khắc nghiệt, nhiễm nấm, ký sinh trùng và các mầm bệnh khác Đồng thời, polyphenol và một số hợp chất liên quan còn có khả năng kháng oxy hóa bằng cách loại bỏ các oxy phản ứng, các nguyên tố vi lượng tham gia vào quá trình sản xuất gốc tự do, cũng như ức chế enzyme hình thành chất phản ứng (Durant và cộng sự, 2012).
Nghiên cứu của Quang Vinh Nguyen và cộng sự (2022) đã tìm thấy 11 hợp chất phenolic trong lá ổi sấy khô ở các nhiệt độ khác nhau Chúng bao gồm gallic acid, catechin, epicatechin, rutin, ellagic acid, quercetin, apigenin, quercitrin, vitexin, apigenin-7-O-D-glucopyranoside và chlorogenic acid Trong đó, hợp chất phenolic chiếm ưu thế nhất là catechin (16,46-30,07 mg/g lá khô), tiếp theo là chlorogenic acid (1,69-6,80 mg/g lá khô), apigenin (2,55-6,36 mg/g lá khô) và rutin (2,29-3,2 mg/g lá khô) Gallic acid, ethyl gallate, ellagic acid, quercetin, quercetin, vitexin và apigenin-7-O-D-glucopyranoside được tìm thấy với nồng độ thấp hơn trong dịch chiết lá ổi rừng Kết quả tương tự với công bố của Liu và cộng sự (2014) cũng chỉ ra catechin và epicatechin có hàm lượng cao nhất, trong khi gallic acid, chlorogenic acid, quercetin, caffeic acid và epigallocatechin gallate có mặt ở nồng độ thấp hơn trong dịch chiết lá ổi Tuy nhiên, một nghiên cứu khác của Wang và cộng sự (2017) báo cáo rằng quercetin, rutin, gallic acid, avicularin và isoquercitrin chiếm khoảng 65% trên tổng hàm lượng hợp chất phenolic có trong lá ổi Qua đó, sự khác biệt về thành phần và hàm lượng của các hợp chất phenolic bắt nguồn từ sự khác biệt về giống loài, điều kiện sinh trưởng, quá trình thu hái lá ở từng giai đoạn non, trưởng thành, già, v.v.
Flavonoid là hợp chất có hoạt tính sinh học chính hiện diện trong lá ổi, với hai flavonoid quan trọng: quercetin và guaijaverin (Ravi, 2014) Trong đó, bốn hợp chất flavonoid bao gồm quercetin-3-O-arabinoside, quercetin, morin-3-O-α-L-xylopyranoside,morin-3-O-α-L-arabinopyranoside, đã được báo cáo bởi Arima và Danno (2002) Dựa trên phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao, Eidenberger và cộng sự (2013) đã phân lập được bảy flavonol-glycoside chính và trong đó có bốn hợp chất được xác định rõ, cụ thể là peltatoside, hyperoside, isoquercitrin và guaijaverin.
Hình 2.2 Cấu trúc của các hợp chất phenolic trong chiết xuất lá ổi
(Kumar và cộng sự, 2021) 2.1.2.5 Tinh dầu và một số hợp chất tanin
Tinh dầu trong lá ổi được xác định dưới dạng các hợp chất dễ bay hơi, bao gồm các sesquiterpene và monoterpene (E Silva và cộng sự, 2021) Theo de Lima và cộng sự (2008),chiết xuất từ lá ổi rừng chứa ba thành phần tinh dầu chính, bao gồm 1,8-cineol (12,83%),caryophyllene oxide (9,09%) và selin-11-en-4-α-ol (22,19%) Các hợp chất này thường chiếm một tỷ lệ không đáng kể trong tổng khối lượng lá ổi Tuy nhiên, chúng có hoạt tính sinh học cao trong hoạt động chống oxy hóa, kháng viêm, kháng khuẩn tốt, góp phần làm tăng hoạt tính sinh học tự nhiên của các chiết xuất từ lá ổi Mặt khác, tanin là một trong số các hợp chất cũng được quan tâm khá phổ biến đối với cây ổi (Okuda và cộng sự, 1984) Nó thường được phân lập từ tất cả các bộ phận như lá, quả và vỏ thân Các hợp chất tanin có trong lá ổi được tìm thấy như: pedunculagin, casuarictin, tellimagrandin I, isostrictinin, stachyurin, strictinin, casuarinin, v.v (Chen và cộng sự, 2009).
2.1.3 Hoạt tính sinh học của lá ổi
Chiết xuất từ lá ổi đã được nghiên cứu về những tác động tích cực của chúng trong việc chống ung thư, trị đái tháo đường, chống oxy hóa, chống tiêu chảy, kháng khuẩn, v.v. Qua đó, lá ổi trở thành đối tượng nghiên cứu phổ biến nhằm phân tích những hoạt chất có lợi cho sức khỏe con người.
2.1.3.1 Khả năng chống ung thư Ứng dụng các hợp chất có hoạt tính sinh học từ chiết xuất lá ổi trong việc hỗ trợ điều trị ung thư đang được phát triển trong những năm gần đây (Mandal và cộng sự, 2022) Theo một số nghiên cứu, người ta đã thấy rằng các hợp chất sinh học từ lá ổi, như triterpenoid, sesquiterpene, tanin, psiguadial, tinh dầu, flavonoid, glycoside benzophenone và các hợp chất quinon khác có hiệu quả rất tốt trong điều trị ung thư (Jiang và cộng sự, 2020) Biswas và cộng sự (2019) đã chứng minh terpenoid và flavonoid có trong lá ổi tác dụng chống khối u hiệu quả thông qua việc điều chỉnh hệ thống miễn dịch, ức chế truyền tín hiệu và kết dính tế bào khối u, cản trở sự hình thành khối u và tăng sinh tế bào.
Tổng quan về bệnh đái tháo đường và các hợp chất hỗ trợ điều trị
2.2.1 Khái quát về bệnh đái tháo đường
Theo Hiệp hội Đái tháo đường Hoa Kỳ (ADA) (2013), đái tháo đường là một bệnh rối loạn chuyển hóa do nhiều nguyên nhân, đặc trưng bởi sự tăng đường huyết và rối loạn chuyển hóa carbohydrate, lipid và protein do cơ thể hạn chế trong sản sinh insulin, hay hạn chế tác dụng của insulin, hoặc cả hai Ảnh hưởng của bệnh đái tháo đường gây nên các tổn thương lâu dài, rối loạn và suy giảm chức năng của các cơ quan khác nhau (WHO, 1999). Đái tháo đường được chia thành ba loại chính:
- Bệnh đái tháo đường tuýp 1 (phụ thuộc insulin) là một rối loạn tự miễn dịch mà các tế bào β sản xuất insulin của tuyến tụy trong cơ thể đã bị phá hủy và tuyến tụy sản xuất ít hoặc không sản xuất insulin Một người mắc bệnh đái tháo đường tuýp 1 phải dùng insulin hàng ngày để sống Dạng bệnh này thường xuyên được phát hiện ở trẻ em dưới 15 tuổi và đặc biệt là những trẻ em dưới 5 tuổi (DiMeglio và cộng sự, 2018).
- Bệnh đái tháo đường tuýp 2 (không phụ thuộc insulin) là một dạng bệnh chiếm hơn 90% trong các trường hợp chẩn đoán mắc bệnh đái tháo đường ở người lớn Ở trường hợp này, tuyến tụy sản xuất đủ insulin nhưng cơ thể không thể sử dụng insulin hiệu quả, còn gọi là kháng insulin (Chatterjee và cộng sự, 2017).
Ngoài ra, đái tháo đường thai kỳ (GDM) là một rối loạn chuyển hóa phổ biến ở phụ nữ mang thai Tế bào β tuyến tụy của bệnh nhân không có khả năng tạo ra phản ứng bù trừ để chống lại tình trạng kháng insulin, do đó dẫn đến tình trạng không dung nạp glucose(Pheiffer và cộng sự, 2020) Người ta ước tính rằng độ nhạy insulin giảm tới 40% ở phụ nữ mang thai mắc GDM so với phụ nữ có đường huyết bình thường (Catalano và cộng sự,1999) Mặc dù, những rủi ro của GDM đối với phụ nữ mang thai đã được nhận biết, nhưng vẫn chưa chắc chắn rằng: liệu pháp điều trị làm giảm và kiểm soát lượng đường huyết của phụ nữ trong thời kỳ mang thai có thể làm giảm những rủi ro đó hay không Hơn thế nữa,
GDM kéo dài làm tăng nguy cơ phát triển bệnh đái tháo đường đường tuýp 2 sau khi sinh. Tăng đường huyết gây tổn thương mắt, thận, thần kinh, tim và mạch máu (Mayfield, 1998).
Tính đến năm 2019, tỷ lệ mắc bệnh đái tháo đường toàn cầu ước tính là 9,3% (463 triệu người), tăng lên 10,2% (578 triệu người) vào năm 2030 và 10,9% (700 triệu người) vào năm 2045 (IDF, 2019) Hơn thế nữa, một phần hai trên tổng số người mắc bệnh đái tháo đường không biết rằng họ mắc bệnh đái tháo đường Bệnh nhân cũng có thể tử vong do bị đái tháo đường Cứ sau 6 giây, tỷ lệ này cao hơn tỷ lệ tử vong do virus gây suy giảm miễn dịch ở người (HIV) (1,5 triệu), bệnh lao (1,5 triệu) và sốt rét (0,6 triệu) (Kesavadev và cộng sự, 2017; Medagama và cộng sự, 2014).
Trên thế giới, 10 quốc gia có số người mắc bệnh đái tháo đường lớn nhất tính đến năm 2030: Ấn Độ, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Pakistan, Brazil, Indonesia, Mexico, Bangladesh, Liên bang Nga và Ai Cập (Shaw và cộng sự, 2010) Ngày nay, bệnh đái tháo đường gia tăng cùng với những thay đổi nhanh chóng về văn hóa, xã hội như già hóa dân số, ít hoạt động thể chất, chế độ ăn uống, v.v (Knight, 2005).
2.2.2 Tác dụng của các hợp chất tự nhiên hỗ trợ điều trị bệnh đái tháo đường Ởbệnh nhân đái tháo đường, việc ức chế các enzyme thủy phân carbohydrate được coi là liệu pháp điều trị hiệu quả có thể làm giảm đáng kể lượng đường trong máu sau khi ăn (Tundis và cộng sự, 2010) Nhiều loại thực vật giàu polyphenol đã được khuyến cáo trong điều trị ở dạng thuốc đơn lẻ hoặc kết hợp để làm giảm tác dụng phụ của thuốc trị thông thường (ví dụ: hạ đường huyết ở liều cao, các vấn đề về gan, nhiễm toan và tiêu chảy) (Solayman và cộng sự, 2016).
Trong những thập kỷ gần đây, người ta ngày càng quan tâm đến việc sử dụng các dược phẩm có nguồn gốc tự nhiên để điều trị bệnh đái tháo đường tuýp 2 Các hợp chất chiết xuất từ thực vật được xác định với các tỷ lệ khác nhau, cho thấy hoạt động ức chế α- glucosidase được nhóm thành các danh mục dựa trên phân loại hóa học của chúng (Hình2.3) Trong đó, phần lớn các hợp chất có bản chất là polyphenol.
Hình 2.3 Biểu đồ thể hiện sự phân bố hóa học của các hợp chất có hoạt tính sinh học
Năm 2016, nghiên cứu của Solayman và cộng sự đã nêu bật các tác dụng của polyphenol trong các con đường gây bệnh đái tháo đường khác nhau:
- Ức chế α-glucosidase và α-amylase: McDougall và Stewart (2005) đã phân tích tác động của polyphenol từ quả mọng đối với các enzyme tiêu hóa này Họ chỉ ra rằng anthocyanin và ellagitannin có khả năng ức chế lần lượt α-glucosidase và α-amylase, dẫn đến giảm lượng đường trong máu sau bữa ăn giàu tinh bột Tương tự với quercetin, một flavonoid có thể ức chế α-glucosidase (Hussain và cộng sự, 2012) Hơn thế nữa, Mai và cộng sự (2007) đã tìm thấy mối tương quan giữa khả năng ức chế α-glucosidase và hàm lượng polyphenol trong một số cây ăn được của Việt Nam.
- Ức chế chất vận chuyển glucose (GLUT): Nhiều nghiên cứu điều trị bệnh đái tháo đường đã cho thấy sự ức chế các GLUT bằng polyphenol thực vật Kobayashi và cộng sự (2000) đã chỉ ra rằng các polyphenol trong trà làm giảm lượng đường trong máu bằng cách ức chế các chất vận chuyển glucose trong đường ruột (SGLT1) Catechin, một dẫn xuất chính của polyphenol trong trà, có khả năng ức chế SGLT1 (Welsch và cộng sự, 1989) Hoạt động ức chế này thể hiện rõ rệt nhất trong polyphenol do dư lượng galloyl như epicatechin gallate (ECG) và epigallocatechin gallate (EGCG) (Kobayashi và cộng sự, 2000).
- Ức chế các enzyme tạo glucose: Các enzyme như glucose-6-phosphatase (G6Pase) và fructose-1,6-bisphosphatase (F1,6-BPase) tham gia vào quá trình tạo glucose Một nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng diosmin (flavone) trong 45 ngày làm giảm đáng kể lượng đường huyết bằng cách tăng hoạt động của enzyme đường phân ở gan và giảm enzyme tạo glucose (tức là G6Pase và F1,6-BPase) (Pari và cộng sự, 2010).
- Tăng cường bài tiết và hoạt động của insulin: Quercetin, một flavonoid phân bố rộng rãi trong tự nhiên, bảo vệ các tế bào tuyến tụy chống lại tổn thương oxy hóa (Coskun và cộng sự, 2005) Youl và cộng sự (2010) đã báo cáo rằng quercetin là một flavonoid mạnh,làm tăng tiết insulin trong các dòng tế bào được tạo ra bởi glucose và glibenclamide bằng con đường trung gian ERK1/2.
Tổng quan về kỹ thuật vi bao bằng phương pháp sấy thăng hoa
2.3.1 Giới thiệu về kỹ thuật vi bao
Kỹ thuật vi bao (microencapsulation) có thể được hiểu là một quá trình bao phủ kín một chất (rắn, lỏng hoặc khí) trong một hoặc nhiều chất mang khác nhau với kích thước siêu nhỏ (Desai và Park, 2005) Vi bao tạo thành thường có dạng hình cầu với kích thước đường kớnh từ 1 àm đến vài 100 àm, một số khỏc cú hỡnh dạng bất đối xứng tựy theo phương pháp và tỷ lệ thành phần vật liệu nhân và chất bao gói (Choudhury và cộng sự, 2021; Fang và Bhandari, 2010) Hai hình thái chính thường gặp: một là vi bao đơn nhân được bao bọc bởi một lớp vỏ, trong khi còn lại là các vi bao đa nhân có một hoặc nhiều lớp vỏ trong cùng một cấu trúc (Schrooyen và cộng sự, 2001; Gibbs và cộng sự, 1999).
Hình 2.4 Hình thái của hạt vi bao thu được từ các quy trình bao gói khác nhau
Một số kỹ thuật vi bao đã được phát triển để đóng gói các hoạt chất, chẳng hạn như sấy phun, sấy thăng hoa, ép đùn, đông tụ, nhũ hóa, v.v (Fang và Bhandari, 2010) Việc lựa chọn kỹ thuật vi bao phù hợp phụ thuộc vào kích thước hạt dự kiến, vật liệu bao gói, khả năng phân hủy, cơ chế giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học, chi phí thực hiện và tính ứng dụng vào quy mô công nghiệp (James Oxley, 2014; Nesterenko và cộng sự, 2013).
Ngày nay, kỹ thuật vi bao được phát triển rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm vì những lợi ích mang lại như bảo vệ hợp chất có hoạt tính sinh học, giải phóng có kiểm soát, duy trì chất dễ bay hơi, che chắn mùi vị không mong muốn và cải thiện kết cấu (Đorđević và cộng sự, 2014) Hình 2.5 trình bày vòng đời của hạt vi bao, từ khi tạo thành đến khi được hấp thụ hoàn toàn Vật liệu nhân được bao bọc thông qua những tương tác phân tử, bao gồm lực hút tĩnh điện, lực van der Waals, liên kết hydro hoặc liên kết ion Các chất mang bảo vệ vật liệu nhân khỏi sự thay đổi của nhiệt độ khắc nghiệt, oxy hoặc hơi ẩm trong quá trình chế biến và bảo quản Cuối cùng, đi đến hệ thống tiêu hóa của con người, các chất mang có thể được hòa tan trong acid dạ dày ở độ pH thấp, sau đó các hợp chất có hoạt tính sinh học được giải phóng và hấp thụ trong ruột non (Yang và cộng sự, 2020).
Hình 2.5 Vòng đời của hạt vi bao (Yang và cộng sự, 2020) 2.3.2 Cơ sở khoa học của phương pháp sấy thăng hoa
Các hợp chất có hoạt tính sinh học cần được bao gói thường ở dạng lỏng nên nhiều công nghệ vi bao được nghiên cứu dựa trên quá trình sấy khô (Ray và cộng sự, 2016) Sấy thăng hoa hay còn gọi là sấy đông khô (freeze drying hoặc lyophilization) là phương pháp phổ biến nhất để khử nước của nguyên liệu chứa các hợp chất dễ bị oxy hóa và nhạy cảm với nhiệt, kể cả hạt vi bao tạo thành (Wilkowska và cộng sự, 2016; Desai và Park, 2005) Quá trình này diễn ra bằng cách kết tinh nước trong nguyên liệu ở nhiệt độ thấp, sau đó giảm áp suất xung quanh đến áp suất chân không và bổ sung đủ nhiệt, cho phép các tinh thể đá thăng hoa trực tiếp từ pha rắn sang pha khí, không qua pha lỏng (Oetjen và Haseley, 2004).
Việc bao gói bằng phương pháp sấy thăng hoa đạt được khi các vật liệu nhân đồng nhất trong dung dịch chất mang và sau đó đồng đông khô, dẫn đến các hình dạng bất đối xứng của hạt vi bao được tạo thành Hơn thế nữa, kỹ thuật vi bao sấy thăng hoa thành công giữ được hầu hết các đặc tính ban đầu của nguyên liệu thô như mùi vị, màu sắc, kết cấu và hoạt tính sinh học (Ceballos và Giraldo, 2012) Hiệu quả bảo vệ và giải phóng có kiểm soát chủ yếu phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc vật liệu bao gói (Young và cộng sự, 1993). Nhược điểm chính của phương pháp sấy thăng hoa là năng lượng đầu vào cao và thời gian khử nước lâu (Ray và cộng sự, 2016) Do trong quá trình thực hiện, các lỗ nhỏ được tạo thành từ các mầm tinh thể đá, chống lại sự truyền khối và hoạt động như một rào cản chống lại sự thăng hoa của nước (Pudziuvelyte và cộng sự, 2020).
2.3.3 Vật liệu bao gói được sử dụng
Chất mang có vai trò quan trọng trong kỹ thuật vi bao và được sử dụng phổ biến để đóng gói các chiết xuất từ thực vật (George và cộng sự, 2021) Chúng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất bao gói, các đặc tính hóa lý và tính ổn định của bột sấy thăng hoa trong thời gian bảo quản (Šturm và cộng sự, 2019; Wilkowska và cộng sự, 2016) Các tác nhân bao gói có thể được chọn từ nhiều loại vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp khác nhau, như maltodextrin, gum Arabic, tinh bột biến tính, whey protein, v.v (Grgić và cộng sự, 2020). Chất mang sẽ được lựa chọn dựa trên khả năng tạo màng, độ nhớt, khả năng chống lại hệ tiêu hóa, hàm lượng chất khô, khả năng phân hủy sinh học, mức độ an toàn và giá thành thấp (Kuck và cộng sự, 2016).
2.3.3.1 Maltodextrin kháng Độ hòa tan cao, độ nhớt thấp và đặc tính tạo gel tối ưu chứng minh rằng maltodextrin phù hợp với quá trình vi bao cao chiết bằng phương pháp sấy thăng hoa (Papoutsis và cộng sự, 2018; Jeyakumari, 2016) Tuy nhiên, maltodextrin có chỉ số đường huyết cao, dẫn đến các sản phẩm vi bao không phù hợp đối với những người mắc bệnh đái tháo đường hoặc ăn kiêng (Pudziuvelyte và cộng sự, 2020) Vì vậy, nhiều nghiên cứu gần đây lựa chọn maltodextrin kháng tiêu hóa thay thế maltodextrin thông thường trong việc bao gói các hợp chất có hoạt tính sinh học từ chiết xuất thực vật.
Hình 2.6 Cấu trúc của Maltodextrin kháng tiêu hóa (Buck, 2012)
Maltodextrin kháng (RMD) là một polysaccharide được cấu tạo từ các phân tử α-D- glucose thông qua các liên kết glycosidic ngẫu nhiên và có có chỉ số đường huyết thấp hơn 10% so với maltodextrin (Buck, 2012; Goda và cộng sự, 2006) Trọng lượng phân tử trung bình khoảng 2000 Da (Hashizume và Okuma, 2009) RMD là một chất xơ hòa tan, được sản xuất bằng cách xử lý nhiệt tinh bột ngô ở điều kiện pH giảm, dẫn đến sự phân cắt các liên kết glycosidic α-(1-4) và α-(1-6) Các đầu glucose tự do liên kết với nhau và quá trình chuyển hóa glucose diễn ra, tạo ra các liên kết glycosidic ngẫu nhiên như β-(1-4), β-(1-6), α và β-(1-3) và (1-2) Hỗn hợp sản phẩm bao gồm RMD và glucose RMD được tinh chế bằng enzyme α-amylase và glucoamylase (Okuma và Matsuda, 2003).
Các nhà nghiên cứu đang tập trung vào những tác động tích cực của RMD đối với sức khỏe con người Lợi ích dinh dưỡng của RMD phải kể đến tăng sinh lợi khuẩn Bifidobacterium trong đại tràng (Lefranc-Millot và cộng sự, 2012), tạo cảm giác no lâu (Guérin-Deremaux và cộng sự, 2011) và tăng trọng lượng phân (Timm và cộng sự, 2013), giúp điều trị bệnh táo bón vô căn mãn tính (Braquehais và Cava, 2011) Có rất ít công trình nghiên cứu sử dụng maltodextrin kháng làm chất mang trong kỹ thuật sấy phun và sấy thăng hoa (Pudziuvelyte và cộng sự, 2020) Báo cáo của Nguyễn Minh Trung và cộng sự (2021) đã chứng minh maltodextrin kháng tiêu hóa có khả năng vi bao gói tốt nhất cao chiết trâm vỏ đỏ với hiệu suất vi bao đạt trên 97,2% RMD là một chất thích hợp được sử dụng làm vật liệu bao gói bởi tạo ra sản phẩm vi bao có độ bền cao (Igual và cộng sự, 2021).
2.3.3.2 Gum Arabic Để cải thiện tốt hơn về tính ổn định và hiệu suất đóng gói của các hạt vi bao, sự kết hợp của maltodextrin kháng tiêu hóa và các chất mang khác, điển hình là gum Arabic, đã được khuyến nghị tương tự như với maltodextrin (Sarabandi và cộng sự, 2019; Tolun và cộng sự, 2016) Gum Arabic (GA) là một loại gum tự nhiên có nguồn gốc từ cây keo Acacia với trọng lượng phân tử rất lớn, dao động trong khoảng 250000-365000 Da (Phillips và Williams, 2000; Swenson và cộng sự, 1968) Bản chất của GA là phức hợp của polysaccharide (98% w/w) và peptide (~2% w/w) (Randall và cộng sự, 1988) Miền polysaccharide có cấu trúc phân nhánh, trong đó galactose đóng vai trò là thân với các nhánh arabinose và rhamnose được liên kết, kết thúc bằng glucuronic acid dưới dạng muối kali, magie và calci được tìm thấy trong tự nhiên (Isobe và cộng sự, 2020; Dauqan và Abdullah, 2013) Các thành phần chính của miền peptide là hydroxyproline, serine và threonine (Renard và cộng sự, 2006) Phức hợp arabinogalactan-protein (AGP) được tạo thành với trọng lượng phân tử cao hơn Các chuỗi arabinogalactan liên kết cộng hóa trị với một chuỗi protein thông qua các nhóm serine và hydroxyproline (Dauqan và Abdullah, 2013).
Hình 2.7 Cấu trúc của Gum Arabic (Dauqan và Abdullah, 2013)
GA có độ hòa tan cao, khả năng nhũ hóa tốt, độ nhớt thấp ở nồng độ cao, không độc hại và không vị (Chranioti và cộng sự, 2014) AGP đóng một vai trò quan trọng trong cấu trúc GA, trong đó miền kỵ nước giàu peptide hấp phụ trên bề mặt dầu và miền ưa nước polysaccharide cồng kềnh giúp ổn định các giọt dầu nhũ hóa (Padala và cộng sự, 2009).
GA đã được sử dụng để đóng gói các loại dầu vì khả năng này trong một phạm vi pH rộng(Kanakdande và cộng sự, 2007) Vì vậy, GA là chất mang thích hợp để kết hợp với maltodextrin kháng bao gói cao chiết lá ổi rừng chứa các hợp chất có hoạt tính sinh học,đặc biệt là thành phần tinh dầu của chúng.
Tổng quan về phương pháp bề mặt đáp ứng
Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được áp dụng cho các kỹ thuật đa biến có thể tạo ra các bề mặt phản hồi và cung cấp giải pháp tối ưu cho một quy trình cụ thể, thường được đề cập đến việc lựa chọn các điều kiện tham số sao cho phản hồi được tối đa hóa hoặc tối thiểu hóa.
Nó được thực hiện bằng cách giữ một yếu tố không đổi trong khi thay đổi các yếu tố khác (Ranade và Thiagarajan, 2017) RSM thường đánh giá các hiệu ứng tương tác giữa các yếu tố.
Nó bao gồm một loạt các công cụ toán học và thống kê phù hợp với các phương trình đa thức và dữ liệu thực nghiệm, từ đó giải thích tính chính xác của tập dữ liệu Mục tiêu của thiết kế RSM là tối ưu hóa đồng thời nhiều biến số để đạt được hiệu suất tối ưu của hệ thống Do đó, RSM phải được thực hiện sau khi lựa chọn cẩn thận các biến số có ảnh hưởng lớn đến đối tượng cần tối ưu hóa Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các thí nghiệm sàng lọc như thiết kế giai thừa (Zhang và Xiaofeng, 2009) Hai dạng thiết kế phổ biến của phương pháp này là thiết kể hỗn hợp trung tâm (CCD) và thiết kế Box-Behnken.
2.4.1 Thiết kế hỗn hợp trung tâm (CCD)
Box và Wilson đã trình bày thiết kế hỗn hợp trung tâm lần đầu tiên vào năm 1951. CCD bao gồm ba loại thiết kế ngoại tiếp (CCC), nội tiếp (CCI) và tâm mặt (CCF) (Zhang và Xiaofeng, 2009) CCC liên quan đến điểm giai thừa, điểm trung tâm cũng như điểm sao. Điểm sao đại diện cho các giá trị cực trị của các biến Khoảng cách giữa điểm trung tâm và điểm giai thừa là ±1, giữa điểm trung tâm và điểm sao là α > 1 Đối với thiết kế CCI, các điểm sao lấy các giá trị giới hạn xác định của các biến Các điểm giai thừa nằm trong giới hạn thay đổi Các điểm sao và điểm giai thừa nằm ở khoảng cách ±1 tính từ điểm trung tâm của thiết kế CCF và do đó α = 1 Số lượng thí nghiệm trong CCD được tính bằng công thức
N = k 2 + 2k + cp, trong đó k là số lượng biến và cp là số lần lặp lại ở điểm trung tâm (Ranade và Thiagarajan, 2017).
George Box và Donald Behnken đã nghĩ ra thiết kế Box-Behnken vào năm 1960 Thiết kế này xem xét điểm giữa của các cạnh trong không gian xử lý và điểm trung tâm khi xây dựng thiết kế Ba mức cách đều nhau là -1, 0 và +1 của các yếu tố được xem xét Những thiết kế này tiết kiệm hơn so với các thiết kế 3k khác do số lần thí nghiệm trong thiết kế đã giảm Số lần thử nghiệm được tính bằng công thức: N = 2k (k - 1) + cp Trong đó N là số lần thử, k là số lượng biến và cp là số lần lặp lại ở các điểm trung tâm Tất cả các điểm thí nghiệm được đặt cách đều điểm trung tâm (Ranade và Thiagarajan, 2017).
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Hiện nay, phần lớn dữ liệu thu thập được ở một số nghiên cứu trong và ngoài nước chỉ dừng lại ở việc xác định thành phần dinh dưỡng, lợi ích sức khỏe và một số phương pháp trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học trong lá ổi rừng.
2.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Năm 2016, Phạm Minh Tuấn và cộng sự đã nghiên cứu trích ly có hỗ trợ vi sóng nhằm thu được dịch chiết lá ổi và bao gói chúng bằng chất mang phù hợp để duy trì hoạt tính của polyphenol Tổng hàm lượng polyphenol và flavonoid tăng 12,7% và 36,5% khi áp dụng vi sóng so với phương pháp ngâm dung môi Theo các tác giả, sự kết hợp 20% maltodextrin và 10% gum Arabic là cách tốt nhất để duy trì hoạt tính của các hợp chất này.
Lá ổi rừng từ lâu đã được các dân tộc thiểu số châu Á sử dụng làm trà thảo mộc và thuốc y học cổ truyền Nguyễn Quang Vinh và cộng sự (2022) đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp sấy khác nhau (phơi nắng, sấy đối lưu, sấy vi sóng, sấy chân không và sấy lạnh) đến khả năng lưu giữ các hợp chất có hoạt tính sinh học, khả năng chống oxy hóa và trị đái tháo đường của lá ổi rừng Việt Nam Trong đó, lá sấy lạnh có hàm lượng polyphenol tổng cao nhất (173,25 ± 0,68 mg GA/g lá khô), hàm lượng flavonoid tổng (24,46 ± 0,78 mg QE/g lá khô), khả năng chống oxy hóa và hoạt tính trị đái tháo đường cũng chiếm ưu thế so với những loại khác.
Mặt khác, kỹ thuật sấy thăng hoa trong lĩnh vực vi bao các chiết xuất từ thực vật vẫn chưa được khai thác sâu Vào những năm gần đây, một số nghiên cứu chỉ dừng ở mức khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ chất mang đến các tính chất của hạt vi bao bằng kỹ thuật sấy thăng hoa. Nguyễn Văn Tăng và cộng sự (2021) tiến hành vi bao chiết xuất vỏ quả ca cao (Theobroma cacao L.) Sự kết hợp giữa maltodextrin và gum Arabic (8:2 w/w) thu được các đặc tính tốt nhất về độ ẩm thấp 4,77 ± 0,33%, hoạt độ nước 0,41 ± 0,01, độ hòa tan 93,95 ± 1,13%. Khả năng lưu giữ TPC 15,19 mg GAE/g bột vi bao với hiệu suất bao gói 52,35% và khả năng kháng oxy hóa cao. Ởmột nghiên cứu khác của Nguyễn Quốc Duy và cộng sự (2022), anthocyanin từ đài hoa dâm bụt (Hibiscus sabdariffa L.) được vi bao bằng kỹ thuật sấy phun và sấy thăng hoa, sử dụng bốn loại chất mang gồm maltodextrin (MD), gum Arabic (GA) và hỗn hợp inulin (INU) và konjac glucomannan (KON) Kết quả cho thấy bột vi bao cao chiết hoa dâm bụt sử dụng MD và GA (1:1 w/w) thu được hiệu suất vi bao tốt nhất ở phương pháp sấy thăng hoa (95,7%), tiếp đến là sấy phun (91,8%) Ngoài ra, độ ẩm của các mẫu bột sấy phun cao hơn đáng kể so với bột sấy thăng hoa và độ hòa tan của tất cả các mẫu đều trên 94,1%.
2.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trong nghiên cứu của You và cộng sự (2011) đã khảo sát hoạt tính chống oxy hóa và ức chế tyrosinase của dịch chiết từ các phần khác nhau của cây ổi bằng bốn loại dung môi (acetone, ethanol, methanol và nước cất) Trong đó, chiết xuất acetone của lá ổi có hàm lượng polyphenol tổng (141,28 mg/g GAE), khả năng chống oxy hóa ở DPPH (IC 50 34,01 àg/mL) và ABTS (IC 50 = 3,23 àg/mL), cũng như hoạt tớnh ức chế tyrosinase của dịch chiết ethanol từ lá ổi (69,56%) được đánh giá là cao nhất trong số các dịch chiết.
Theo Amaral và cộng sự (2020), phương pháp trích ly có hỗ trợ sóng siêu âm thu được năng suất cao hơn (11%) so với phương pháp thông thường Dung môi ethanol 50% được đánh giá có hiệu quả hơn trong việc chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ lá ổi Cả hai dịch chiết xuất ethanol (50 và 70%) đều cho thấy mối tương quan tích cực giữa hàm lượng polyphenol và khả năng chống oxy hóa.
Các nghiên cứu về vi bao sấy thăng hoa đã được báo cáo từ những năm 2000 bởi Heinzelmann và cộng sự Tuy nhiên, việc tối ưu hóa điều kiện vi bao bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được thực hiện trong một số báo cáo gần đây Jordán-Suárez và đồng tác giả (2021) đã chọn ba yếu tố ảnh hưởng: kỹ thuật (sấy phun và sấy thăng hoa), chất bao gói (gum Arabic và maltodextrin) và nồng độ của dịch chiết lá mãng cầu (5-10%) Vi bao sấy phun với maltodextrin ở mức 10% cho thấy hiệu suất vi bao cao nhất 74,90 ± 1,92% Thông số công nghệ tối ưu được xác định ở nhiệt độ sấy 140ºC và tốc độ cấp liệu 7mL/phút.
Trong một nghiên cứu khác về dịch chiết lá olive (OLE), González-Ortega và cộng sự (2020) cũng chọn ra ba yếu tố ảnh hưởng, gồm hàm lượng chất khô (10-30% w/v), tỷ lệ chất mang maltodextrin:trehalose (0-100% MD) và tỷ lệ OLE:chất khô (0,05-0,25) Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp RSM được áp dụng và kết quả cho thấy tỷ lệ chất mang và tỷ lệ OLE:chất khô có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất vi bao và khả năng kháng oxy hóa,tính chất hóa lý và hình thái bề mặt của bột vi bao sấy thăng hoa.
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu và thiết bị
Lá ổi rừng (Psidium littorale Raddi) được thu hái tại rừng Ea Sô thuộc huyện M’Drắk, tỉnh Đắk Lắk, Việt Nam Nguyên liệu được chọn lọc để nghiên cứu là những lá tươi, nguyên vẹn, không bị dập nát và không bị sâu bọ ăn Lá ổi được rửa sạch, để ráo và sấy khô bằng tủ sấy đối lưu (Memmert, Đức) ở nhiệt độ 50ºC đến khi độ ẩm của chúng đạt
< 8% Sau đó, chúng được xay thành bột và rây qua lỗ có kích thước < 1mm Bột lá ổi được cho vào túi zipper có gói hút ẩm và bảo quản trong ngăn đông của tủ lạnh ở nhiệt độ - 30ºC trước khi sử dụng cho các nghiên cứu sau này.
Maltodextrin kháng tiêu hóa (RMD), gum Arabic (GA) được sử dụng làm vật liệu bao gói trong sấy thăng hoa Gallic acid, quercetin, DPPH, ABTS, trolox, enzyme α- amylase và α-glucosidase, cơ chất ρ-nitrophenyl-α-D-glucopyranoside, thuốc thử Folin- Ciocalteu được mua từ hãng Sigma Aldrich (St Louis, MO, Hoa Kỳ) Thuốc thử DNS được mua từ hãng Merck (Đức) Tinh bột, methanol, acetic acid và một số loại muối vô cơ như sodium carbonate, calci chloride, v.v được mua từ hãng Xilong (Trung Quốc).
- Bình định mức 50mL, 100mL, 500mL
- Micropipette, erlen 100mL và 1000mL, cốc becher 100mL
- Ống đong, ống nghiệm, ống ly tâm, xilanh
- Cuvet, đũa thủy tinh, đĩa petri và giá ống nghiệm
Các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm:
- Tủ đông New Brunswick, Mỹ
- Máy sấy thăng hoa Operon, Hàn Quốc
- Bể siêu âm Elmasonic S100H Elma, Đức
- Máy lắc Vortex Stuart SA8, Anh
- Cân phân tích 4 số lẻ TE214S Sartorius, Đức
- Máy khuấy từ Raypa, Tây Ban Nha
- Máy quang phổ UV-Vis V-630 Jasco, Đức
- Máy đồng hóa OV5 Velp, Ý
- Máy ly tâm lạnh Hettich MIKRO 220R, Đức
- Máy đọc khay vi thể Hidex Sense (Microplate Reader)
- Máy đọc khay vi thể BIO-RAD iMark (Microplate Reader), Mỹ
- Máy cô quay chân không IKA RV10 digital, Đức
Phương pháp nghiên cứu
Quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa điều kiện vi bao cao chiết bằng phương pháp sấy thăng hoa
Khảo sát các chỉ tiêu của hạt bao cao chiết lá ổi
Xác định điều kiện vi bao tối ưu
-Tổng quan về lá ổi: đặc điểm mô tả, nguồn gốc, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học.
-Tổng quan về bệnh đái tháo đường: tác dụng của các hoạt chất từ thực vật đến hỗ trợ trị bệnh đái tháo đường.
-Tổng quan về phương pháp sấy thăng hoa: tìm hiểu về kỹ thuật vi bao, các chất mang được sử dụng.
-Tổng quan về phương pháp bề mặt đáp ứng
-Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
-Ba yếu tố ảnh hưởng đầu vào: tỷ lệ chất khô, tỷ lệ GA thay thế RMD, tỷ lệ PGL trong chất khô.
- Hàm mục tiêu: Hàm lượng polyphenol tổng, flavonoid tổng, hiệu suất vi bao, năng suất tải, khả năng kháng oxy hóa (DPPH, ABTS) và ức chế enzyme (α-amylase và α- glucosidase).
-Chỉ tiêu hóa lý: Độ ẩm, mật độ khối, độ hòa tan, tốc độ hấp thụ nước và độ trương nước, hình thái bề mặt hạt bao (SEM).
-Chỉ tiêu hóa sinh: khả năng kháng oxy hóa (DPPH, ABTS) và ức chế enzyme (α-amylase và α-glucosidase).
-Chỉ tiêu hóa học: tổng hàm lượng polyphenol và flavonoid.
-Ngoài ra còn có hiệu suất vi bao, năng suất tải.
Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu
3.2.2 Quy trình tạo hạt bao cao chiết bằng phương pháp sấy thăng hoa
3.2.2.1 Quy trình thu nhận cao chiết thô
Bột lá ổi rừng được trích ly bằng dung môi ethanol 50% với tỷ lệ bột : dung môi = 1/10 g/mL Quá trình này được hỗ trợ sóng siêu âm với tần số 28 kHz, đầu dò được ngập không quá 10mm ở 30℃ trong 20 phút Dịch trích được ly tâm lạnh 15000 vòng/phút trong 15 phút, sau đó lọc để loại bỏ cặn và tiến hành cô quay chân không Dịch cao chiết sau cùng được đông khô để loại bỏ hầu hết dung môi ra khỏi hỗn hợp Cao thô thu được ở dạng bột với hàm lượng chất khô trên 90% và bảo quản ở nhiệt độ -30℃ (Nguyen và cộng sự, 2022).
3.2.2.2 Quy trình tạo hạt bao cao chiết thô
Hòa tan Ủlạnh Phối trộn Đồng hóa Cấp đông
Hình 3.2 Sơ đồ quy trình tạo hạt bao cao chiết lá ổi rừng bằng phương pháp sấy thăng hoa
Quy trình vi bao được tiến hành theo phương pháp mô tả bởi González-Ortega và cộng sự (2020) với một số chỉnh sửa ở các thông số kỹ thuật.
Mục đích: Hỗn hợp chất mang được hòa tan hoàn toàn trong nước tạo thành dung dịch trong, đồng nhất.
Cách thực hiện: Hỗn hợp chất mang được cân theo công thức, sau đó hòa tan với nước cất Quá trình này được hỗ trợ thực hiện trong bể đánh siêu âm để tan tốt hơn và rút ngắn thời gian.
Mục đích: Tăng khả năng hình thành mạng lưới liên kết giữa các phân tử hydrophilic thông qua liên kết hydro.
Cách thực hiện: Dung dịch sau hòa tan được ủ trong ngăn mát tủ lạnh ở nhiệt độ 4ºC trong 14 giờ.
Mục đích: Phối trộn cao thô vào dung dịch chất mang để chuẩn bị đến công đoạn đồng hóa hỗn hợp.
Cách thực hiện: Cao chiết lá ổi rừng được hòa tan với dung dịch chất mang Quá trình này thực hiện bằng máy khuấy từ với tốc độ khuấy 590 vòng/phút trong 5 phút.
Mục đích: Tăng độ đồng nhất của hỗn hợp dung dịch chất mang và cao thô.
Cách thực hiện: Việc sử dụng áp lực cao để thực hiện quá trình đồng hóa sẽ làm tăng nhiệt độ của nguyên liệu Do đó, hỗn hợp được đặt trong bể nước lạnh và đồng hóa ở tốc độ 10000 vòng/phút trong 12 phút.
Mục đích: Nước trong dung dịch kết tinh và tách ra khỏi dung dịch nhằm chuẩn bị cho công đoạn sấy thăng hoa.
Cách thực hiện: Dung dịch đồng nhất được cấp đông trong tủ đông -80ºC trong 14 giờ để đảm bảo nhiệt độ tại tâm và bề mặt của nguyên liệu đều đạt -80ºC và hàm lượng nước tự do được chuyển thành trạng thái rắn hoàn toàn.
Mục đích: Tách các tinh thể nước đá ra khỏi nguyên liệu, tăng hàm lượng chất khô trong mẫu nguyên liệu.
Cách thực hiện: Trong phương pháp sấy thăng hoa, thiết bị sẽ tạo áp suất chân không là 20Pa và nâng nhiệt độ từ -80ºC lên -50ºC để nước thăng hoa, hàm lượng nước tự do sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi mà không qua trạng thái lỏng Quá trình vi bao đạt được khi vật liệu nhân (cao thô) đồng nhất trong dung dịch nền (chất mang), sau đó được đông khô (Desai và Park, 2005) Thời gian khử nước kéo dài khoảng 34 giờ.
Mục đích: Giảm kích thước của hạt vi bao.
Cách thực hiện: Mẫu nguyên liệu được giảm kích thước bằng cách dùng đũa thủy tinh nghiền nhỏ đến khi đạt trạng thái bột mịn.
Mục đích: Tăng thời gian bảo quản, tránh làm giảm các hợp chất có hoạt tính sinh học trong bột vi bao dưới tác động của điều kiện môi trường.
Cách thực hiện: Bột vi bao được đựng trong các falcon có gói hút ẩm, cho vào túi nhựa PE hút chân không Chúng được bảo quản trong ngăn đông tủ lạnh ở nhiệt độ -30ºC.
3.2.3 Quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa điều kiện vi bao cao chiết
Dựa trên nghiên cứu của González-Ortega và cộng sự (2020), phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được lựa chọn để tối ưu hóa điều kiện vi bao cao chiết lá ổi rừng Để giảm số lượng thí nghiệm và thu nhận đầy đủ dữ liệu về tác động của các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của hạt vi bao, thiết kế nội tiếp phức hợp trung tâm (CCI) đã được áp dụng CCI là một thiết kế giai thừa đầy đủ 2 k mà điểm trung tâm và các điểm sao (α = √k/k) được thêm vào để xác định độ cong của mô hình Ba yếu tố (các biến độc lập) đã được chọn: tỷ lệ chất khô (X1, % w/w), tỷ lệ thành phần chất mang GA:RMD (X2, %GA) và tỷ lệ cao chiết lá ổi rừng PGL:chất mang (X3, % w/w) ở 5 mức độ khác nhau (Bảng 3.1).
Các biến phụ thuộc như sau: tổng hàm lượng Polyphenol (TPC), tổng hàm lượng Flavonoid (TFC), hiệu suất vi bao, khả năng kháng oxy hóa và khả năng kháng enzyme.
Phần mềm Design Expert ® (V.12.0, Stat-Ease Inc., Minneapolis, Mỹ) được sử dụng để thiết kế thí nghiệm và phân tích thống kê, cũng như xây dựng các mô hình bề mặt đáp ứng.
Phương trình hồi quy thực nghiệm cấp trực giao cấp 2: k k k y = b 0 + ∑ + ∑ b jl x j x l + ∑ b jj (x j2 − λ) j=1 j,l=1; j≠l j=1
Trong đó: y: Biến phụ thuộc; xi,j: Nhân tố mã hóa của biến độc lập; b0: Hệ số hồi quy bậc 0; bj: Hệ số hồi quy bậc 1 mô tả ảnh hưởng của biến xj đến Y; bij: Hệ số ảnh hưởng đồng thời của biến xi và xj đến Y; bjj: Hệ số hồi quy bậc hai mô tả ảnh hưởng của biến x 2 j đến Y.
Số thí nghiệm được bố trí trong quy hoạch trực giao cấp 2:
Như vậy, CCI được thiết kế bao gồm 20 thí nghiệm, trong đó có 8 thí nghiệm giai thừa, 6 thí nghiệm tại các điểm sao và 6 thí nghiệm tại tâm.
Các điểm trong mô hình được bố trí theo thứ tự mã hóa -1, -α, 0, +α, +1 Giá trị thực của ba yếu tố được xác định theo lần lượt theo thứ tự đã mã hóa như sau:
Tỷ lệ chất khô: giá trị tại hai biên tương ứng là 10% và 30%, giá trị tại tâm là 20%. Khoảng chênh lệch giữa biên và tâm: d = 10 Điểm -α và +α được xác định: Điểm - α = 20 – 10 × 0,57 = 14,3 (%) Điểm + α = 20 + 10 × 0,57 = 25,7 (%)
Tương tự, giá trị thực của hai yếu tố tỷ lệ GA thay thế RMD và tỷ lệ cao chiết được xác định và thể hiện ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Các mức yếu tố ảnh hưởng của thiết kế hỗn hợp trung tâm
Giá trị mã hóa % chất khô % GA:RMD % PGL:chất mang
+α (+0,57) 25,7 78,5 7,28 a tỷ lệ chất mang thể hiện theo % GA (%RMD = 100-%GA) b tỷ lệ PGL so với tổng hàm lượng chất khô
Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa
Số thí Biến mã hóa Biến thực nghiệm
N X 1 X 2 X 3 Chất khô GA:RMD PGL:chất mang
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của điều kiện vi bao đến một số tính chất hóa lý của bột sấy thăng hoa cao chiết lá ổi rừng
Một số tính chất hóa lý của bột vi bao thể hiện ở Bảng 4.1 có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và thời gian bảo quản cũng như tiềm năng ứng dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
Bảng 4.1 Một số chỉ tiêu hóa lý của bột sấy thăng hoa cao chiết lá ổi rừng
STT Độ ẩm (%) 1 Mật độ khối Độ hòa tan Độ hấp thụ nước Độ trương nước
Các chữ cái khác nhau trong cùng một cột biểu thị sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p0,05) nhưng có ảnh hưởng đến các biến tương tác, do đó cần giữ lại trong mô hình để tiến hành tối ưu Hệ số tương quan R 2 của các hàm hiệu suất vi bao, năng suất tải, tổng hàm lượng polyphenol, tổng hàm lượng flavonoid, khả năng dập tắt gốc DPPH và ABTS, hoạt tính kháng α-amylase và α-glucosidase lần lượt là 0,9915, 0,9302, 0,8901, 0,9446, 0,9982, 0,9953,
0,9114 và 0,9895 (R 2 > 0,8) Độ chênh lệch giữa R 2 hiệu chỉnh và R 2 dự đoán không quá 0,2 cho thấy mô hình có độ tương quan tốt Đồng thời, đánh giá được sự biến thiên của hàm mục tiêu do sự tác động của ba biến X1, X2, X3 trong mô hình tùy theo mức độ độc lập và sự tương tác có ý nghĩa của chúng Sau khi xử lý số liệu bằng phần mềm Design Expert
12, phương trình hồi quy thể hiện ảnh hưởng của ba biến đến từng hàm mục tiêu như sau:
Hoạt tính chống oxy hóa thông qua khả năng dập tắt gốc tự do DPPH:
Hoạt tính chống oxy hóa thông qua khả năng dập tắt gốc tự do ABTS:
Hoạt tính ức chế enzyme α-amylase (IC 50 ):
Hoạt tính ức chế enzyme α-glucosidase (IC 50 ):
X1: tỷ lệ khối lượng chất khô (%g/g);
X2: tỷ lệ GA:RMD (%GA);
X3: tỷ lệ khối lượng cao chiết (%g/g).
4.2.1 Hàm lượng polyphenol tổng (TPC)
Kết quả phân tích phương sai ANOVA ở Bảng 4.2 cho thấy hàm lượng TPC của bột vi bao cao chiết lá ổi rừng có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p < 0,05) Các giá trị TPC nằm trong khoảng từ 3,77 đến 29,26 mg GAE/g chất khô, thấp nhất ở các nghiệm thức có 1% cao chiết (w/w) và cao nhất ở các nghiệm thức có 9% cao chiết (w/w) Các hệ số tương quan R 2 > 0,8 chứng tỏ mô hình có độ phù hợp cao và có thể áp dụng để dự đoán với độ tương thích 96,37% Hàm mục tiêu của mô hình được xác định tuân theo quy luật phân bố phi tuyến. Trong đó, các biến đổi chủ yếu là do sự tác động của tỷ lệ cao chiết, tổng lượng chất khô, tỷ lệ chất mang và sự tương tác giữa chúng với nhau Hàm lượng TPC của bột vi bao tăng lên đáng kể (p < 0,05) khi tăng tỷ lệ cao chiết bổ sung Tỷ lệ này được xem là một trong ba yếu tố tác động chủ yếu đến TPC Bên cạnh đó, khi xét trên mô hình phi tuyến đơn yếu tố, việc thay thế hàm lượng RMD bằng GA có tác động đáng kể đến hàm mục tiêu (p < 0,05) Hàm lượng TPC đạt giá trị cao nhất khi tỷ lệ GA thay thế là 50% và giảm dần về hai biên khi lượng gum thay thế chiếm tỷ lệ cao hơn so với RMD Qua đó đánh giá được mức độ thay thế phù hợp trong quá trình tạo hạt vi bao cao chiết Tổng lượng chất khô cũng tác động đến sự thay đổi mô hình, tuy nhiên tác động này không đáng kể Hàm lượng TPC đạt giá trị cao ở hai biên và giảm nhẹ về phía trung tâm Sự chênh lệch giữa hai điểm này không quá rõ lớn Vì vậy, việc càng tăng tỷ lệ chất khô sẽ không tác động trực tiếp làm tăng tỷ lệ TPC mà phụ thuộc vào sự tương tác của hai yếu tố còn lại.
Hình 4.2 Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hàm lượng polyphenol tổng với các yếu tố (a) Bề mặt đáp ứng tương tác một yếu tố (b) Bề mặt đáp ứng tương tác giữa tỷ lệ chất mang và tỷ lệ cao (c) Bề mặt đáp ứng tương tác giữa tổng chất khô với tỷ lệ cao
Theo Hussain và cộng sự (2018), nguyên nhân chính có thể ảnh hưởng đến hàm lượng TPC của bột vi bao sấy thăng hoa là sự phân tán của các hợp chất bên trong cấu hình của vật liệu bao gói GA có độ nhớt cao hơn do trọng lượng phân tử rất lớn, làm giảm sự khuếch tán của cao chiết trong quá trình sấy thăng hoa Tuy nhiên, nghiên cứu của Ramakrishnan và cộng sự (2018) đã chỉ ra rằng bột vi bao nước ép cà chua thân gỗ sử dụng hoàn toàn GA được cho là kém ổn định nhất trong việc lưu giữ các hợp chất phenolic và điều này được giải thích bởi GA có độ nhớt cao dẫn đến độ hòa tan trong dung dịch giảm, khả năng tạo màng kém do đó giảm sự liên kết và bao lấy các hợp chất sinh học Ngược lại, chất mang có trọng lượng phân tử thấp hơn như RMD chứa các chuỗi polysaccharide ngắn và nhiều nhóm hydroxyl ưa nước Điều đó cũng tác động không tốt đến việc lưu giữ các hợp chất phenolic bên trong bột vi bao chứa hoàn toàn RMD Idham và cộng sự (2012) đã báo cáo các mẫu bột roselle anthocyanin sử dụng hỗn hợp maltodextrin và gum Arabic có tốc độ phân hủy thấp nhất Do đó, tỷ lệ GA thay thế RMD 50% (w/w) theo mô hình khắc phục được nhược điểm giữa chúng và tăng khả năng lưu giữ TPC cao nhất của bột vi bao Mặt khác, Tolun và cộng sự (2016) đã chứng minh TPC của bột vi bao sẽ giảm khi tỷ lệ các nguyên liệu đạt giá trị tới hạn tùy thuộc vào chất mang và tỷ lệ các thành phần Vì vậy, tỷ lệ cao chiết 5% (w/w) được chúng tôi đánh giá là lựa chọn tốt nhất dựa trên sự tương tác của nó với tỷ lệ
GA thể hiện ở Hình 4.2b Việc tăng hàm lượng cao chiết hoặc chất mang không làm tăng giá trị TPC đáng kể, ngược lại gây tiêu tốn nguyên liệu.
4.2.2 Hàm lượng flavonoid tổng (TFC)
Phần lớn các hợp chất phenolic trong chế độ ăn uống được tiêu thụ ở dạng flavonoid (Ming Hu, 2007) Do đó, việc phân tích hàm lượng TFC của bột vi bao cũng quan trọng không kém như TPC Hàm mục tiêu TFC được xác định dựa trên sự tương tác của ba yếu tố và sự phân bố của mô hình tuyến tính Các giá trị TFC của bột vi bao động trong khoảng từ 1,38 đến 14,41 mg QE/g chất khô và có sự khác biệt về mặt thống kê giữa các nghiệm thức với độ tin cậy 95% Hệ số tương quan R 2 là 0,9302 và R 2 dự đoán là 0,8847 đều trên 0,8 Điều đó cho thấy mô hình có độ phù hợp cao và có thể áp dụng dự đoán sự tương tác giữa các yếu tố với mức độ khác nhau Dựa trên mô hình bề mặt đáp ứng, tỷ lệ chất khô và tỷ lệ chất mang ảnh hưởng không đáng kể đến sự thay đổi hàm lượng TFC của mô hình. Thay vào đó, tỷ lệ cao chiết bổ sung là yếu tố tác động trực tiếp đến sự thay đổi tuyến tính của mô hình Tỷ lệ cao chiết càng cao, giá trị TFC ở các nghiệm thức càng cao.
Dựa theo số liệu thực nghiệm ở Phụ lục 2, hàm lượng TFC ở tất cả nghiệm thức đều có giá trị thấp hơn so với TPC Kết quả này tương tự với công bố của Dadi và cộng sự (2020) khi các mẫu vi bao chiết xuất lá chùm ngây có độ chênh lệch TFC đi theo xu hướng như TPC Các tác giả đã chỉ ra rằng hàm lượng TPC, TFC của bột sấy thăng hoa cao hơn so với bột sấy phun.
Sự sẵn có của các hợp chất này trên bề mặt vi bao sấy thăng hoa đã góp phần làm tăng hàm lượng TPC của chúng Mặt khác, hàm lượng TPC và TFC của bột vi bao cũng tương thích với hàm lượng TPC và TFC của nguyên liệu cao chiết lá ổi rừng ban đầu được thể hiện ở Phụ lục
1 Qua đó chứng minh quá trình vi bao bằng phương pháp sấy thăng hoa đảm bảo lưu giữ các hợp chất phenolic trong cao chiết Như vậy, cả hai hàm TPC và TFC đều chịu sự tương tác của ba yếu tố, trong đó tỷ lệ cao chiết bổ sung là yếu tố tác động đáng kể nhất, quyết định mức độ thay đổi ở cả hai mô hình Kết quả này cũng được tìm thấy bởi Cilek và cộng sự (2012) khi tỷ lệ vật liệu nhân trên chất mang tăng lên, TPC và TFC của bột vi bao sấy thăng hoa cũng tăng lên.
Hình 4.3 Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hàm lượng flavonoid tổng với các yếu tố (a) Bề mặt đáp ứng tương tác một yếu tố (b) Bề mặt đáp ứng tương tác giữa tổng lượng chất khô và tỷ lệ cao 4.2.3 Hiệu suất vi bao (EE)
