Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu làm giàu lycopene trong sản xuất bột dưa hấu

Xây dựng mô hình toán học mô tả động học và sự thay đổi hàm lượng các thành phần trong quá trình lọc màng 3 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ và chất mang trong quá trình sấy phun nước ép dư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Lại Quốc Đạt

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Hoàng Kim Anh

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Hoài Hương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 13 tháng 01 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 GS.TS Lê Văn Việt Mẫn

2 PGS.TS Tôn Nữ Minh Nguyệt

3 PGS.TS Hoàng Kim Anh

4 TS Nguyễn Hoài Hương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập- Tự Do- Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đoàn Ngọc Thục Trinh

Ngày, tháng, năm sinh: 08/10/1997

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm

MSHV: 2170051 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Mã số: 8540101

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU LÀM GIÀU LYCOPENE TRONG SẢN XUẤT BỘT DƯA

HẤU

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

(1) Đánh giá độ bền và động học của sự biến đổi lycopene dưới tác động nhiệt độ

(2) Nghiên cứu ứng dụng công nghệ siêu lọc trong nâng cao hàm lượng lycopene

trong nước ép dưa hấu Xây dựng mô hình toán học mô tả động học và sự thay đổi

hàm lượng các thành phần trong quá trình lọc màng

(3) Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ và chất mang trong quá trình sấy phun nước ép

dưa hấu cô đặc giàu lycopene

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LẠI QUỐC ĐẠT

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS Lại Quốc Đạt đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy em rất nhiều kiến thức chuyên môn lẫn kinh nghiệm và hỗ trợ em rất nhiều trong thời gian thực hiện nghiên cứu cũng như trong quá trình làm luận văn

I would like to express my special appreciation and thank to Professor Hiroshi Nabetani for his insightful contributions and advice, which helped me to complete this research

Em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS Nguyễn Hoàng Dũng đã tận tình hỗ trợ và chỉ dẫn em trong suốt thời gian qua

Con cảm ơn ba mẹ, gia đình đã luôn yêu thương và là chỗ dựa vững chắc cho con trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, em xin trân trọng cảm ơn đến tập thể quý thầy cô bộ môn Công nghệ thực phẩm – Khoa Kỹ thuật hóa học – Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM đã chỉ dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học tập và thực hiện luận văn

Học viên thực hiên

Đoàn Ngọc Thục Trinh

và Hermia cho thấy sự tương đồng cao giữa kết quả dự đoán và kết quả thực nghiệm

Mô hình toán học dự đoán sự thay đổi hàm lượng các thành phần trong nước ép dưa hấu cho kết quả tốt trong dự đoán nồng độ lycopen, TS và tro Các kết quả thu được cho thấy ETNA01PP là tiềm năng để làm giàu lycopen

Nước ép dưa hấu thu được sau quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật siêu lọc được sử dụng để sấy phun tạo bột Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đầu vào (150,

160 và 170 oC) và tỉ lệ maltodextrin (MD) với hàm lượng chất khô của nước ép dưa hấu (1:1 và 1:1,5) đến các tính chất hóa lý và khả năng hòa tan của bột đã được nghiên cứu Bột dưa hấu giàu lycopen được phân tích độ ẩm, thời gian hòa tan, chỉ số không hòa tan, hàm lượng lycopen, carbohydrate, tro và các chỉ số màu Kết quả thu được cho thấy nhiệt độ sấy và tỉ lệ MD ảnh hưởng đến độ ẩm, độ hòa tan và hiệu suất thu hồi của lycopen Từ đó, làm thay đổi thành phần và màu sắc của bột Sản phẩm bột thu

được có hàm lượng lycopen cao, dao động trong khoảng 1,2 – 2 mg/g, có thể sử dụng như thực phẩm bổ sung lycopen hoặc nguyên liệu phụ gia trong sản xuất thực phẩm và mỹ phẩm

ABSTRACT

Watermelon juice is proven to be a potential source of lycopene, but its exploitation and used is still narrow, hence, it is neecessary to develop high nutritional and economic value products from lycopene in watermelon The study evaluated the thermal stability of lycopene at 60 – 80 oC for 6 hours With sample no centrifugation, the lycopene content initially increased slighly and then gradually decreased With centrifugated juice samples, the lycopene content reduced at the beginning of heating, the variation obeyed the first-order kinetic equation The research focused on lycopene enrichment from watermelon juice by UF with 1000 Da of molecular weight cut off (MWCO) The influence of operating pressure (from 2 – 8 bar) on permeate flux and constituent rejections were investigated in dead-end mode The operating pressure increased permeate flux, but at higher operating pressures, concentration polarization reduced permeate flux and affected on the permeability of TS and ash The process of lycopene enrichment was evaluated in cross-flow mode with full recirculation of retentate The change of permeate flux, total soluble solid (TSS), lycopene, total sugar (TS), and ash was assessed throughout the filtration process The efficiency of lycopene enrichment was found to be higher at 6 bar of operating pressure than at other pressures, lycopene content increased more than 10 times The concentration polarization and Hermia model were developed to explain the change in flux and substance compositions during enrichment The mathematical model was build to simulate the change in constituent contents in watermelon juice This is in good agreement with experimental observations of permeate flux and concentration of lycopene, TS, and ash Results imply that UF of watermelon juice by ETNA01PP is potential approach for lycopene enrichment

The obtained watermelon juicer after lycopene enrichment by UF was used as a material for spray drying powder production The effect of inlet air temperature (150,

160 and 170 oC) and ratio of maltodextrin (MD) to dry matter content of concentrated watermelon juice (1:1 and 1.5:1) on physichemical properties of lycopene-rich watemelon powder were investigated The lycopene-rich watermelon powder was analyzed moisture, solubility time, insoluble index, lycopene content, total

carbohydrate content, ash content and colormetrics The inlet temperature and MD proportion affected on moisture content, solubility and recovery yield of lycopene As

a result, the content of other compounds and color of produced powder changed The produced powder has a high lycopene content, ranging from 1.2 – 2 mg/g, which can

be used as lycopene supplement or as an additive in food and cosmetic production

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Lại Quốc Đạt

Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH MỤC HÌNH xii

DANH MỤC BẢNG xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Dưa hấu 2

1.2.1 Giới thiệu về dưa hấu 2

1.2.2 Thành phần dinh dưỡng 3

1.2.3 Thực trạng dưa hấu tại Việt Nam 5

1.3 Lycopen 7

1.3.1 Giới thiệu về lycopen 7

1.3.2 Chức năng của lycopen 9

1.3.3 Ứng dụng của lycopen 11

1.3.4 Nguồn cung lycopen 12

1.4 Kỹ thuật lọc màng 14

1.4.1 Bản chất kỹ thuật lọc màng 14

1.4.2 Ưu và nhược điểm của công nghệ lọc màng 16

1.4.2.1 Ưu điểm 16

1.4.2.2 Nhược điểm 17

1.4.3 Ứng dụng kỹ thuật lọc màng 17

1.4.4 Động học của quá trình lọc màng 21

1.4.4.1 Mô hình tập trung nồng độ 21

1.4.4.2 Mô hình Hermia 23

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Mục tiêu đề tài 28

2.2 Nội dung nghiên cứu 28

2.3 Nguyên liệu 30

2.4 Thiết bị lọc 30

2.4.1 Thiết bị membrane mô hình dead-end 30

2.4.2 Thiết bị membrane mô hình cross-flow 31

2.4.3 Màng lọc 33

2.5 Thiết bị sấy phun 34

2.6 Phương pháp nghiên cứu 34

2.6.1 Khảo sát thành phần hóa học của nước dưa hấu 34

2.6.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng lycopen trong nước ép dưa hấu 35

2.6.3 Khảo sát quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF 35

2.6.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF 35

2.6.3.2 Nghiên cứu quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu theo mô hình vận hành hồi lưu toàn phần dòng không qua màng 36

2.6.3.3 Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen trong nước ép dưa hấu

bằng kỹ thuật UF 37

2.6.4 Nghiên cứu quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen 37

2.6.5 Các phương pháp phân tích 38

2.6.6 Công thức tính toán 39

2.6.6.1 Mô hình động học mô tả sự biến đổi của lycopen theo nhiệt độ 39

2.6.6.2 Các thông số đánh giá quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF 40

2.6.6.3 Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF 40

2.6.6.4 Hiệu suất thu hồi lycopen trong quá trình sấy phun 41

2.7 Phương pháp xử lí số liệu 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43

3.1 Thành phần hóa học của nước ép dưa hấu 43

3.2 Độ bền nhiệt của lycopen từ dưa hấu 43

3.3 Nghiên cứu làm giàu lycopen từ nước ép dưa hấu bằng kỹ thuật siêu lọc 47

3.3.1 Ảnh hưởng áp suất đến quá trình siêu lọc nước ép dưa hấu theo mô hình dead-end 47

3.3.1.1 Thông lượng dòng qua màng 47

3.3.1.1 Độ phân riêng 48

3.3.2 Làm giàu lycopen trong nước ép dưa hấu theo mô hình cross-flow và hoàn lưu toàn phần dòng không qua màng 50

3.3.2.1 Sự thay đổi thông lượng dòng qua màng 50

3.3.2.2 Khả năng tách các thành phần trong nước ép dưa hấu 53

3.3.3 Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật siêu lọc 56

3.4 Nghiên cứu quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen 58

3.4.1 Độ ẩm và khả năng hòa tan 59

3.4.2 Hàm lượng lycopen, carbohydrate và tro 61

3.4.3 Màu sắc 63

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

4.1 Kết luận 66

4.2 Kiến nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 81

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ED : Electrodialysis – Điện phân

FAOSTAT : Cơ sở dữ liệu của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp

RO : Reverse osmosis - Thẩm thấu ngược

TS : Total sugar – Tổng đường

TSS : Total dissolve solute – Tổng chất khô hòa tan

VRF : Volume reduced factor – Hệ số cô đặc

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử các đồng phân của lycopen 8

Hình 1.3 Các sản phẩm chứa lycopen trên thị trường 11

Hình 1.4 Cơ chế tắc nghẽn theo mô hình Hermia trong quá trình lọc màng 24

Hình 2.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu 29

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị màng lọc dead-end 31

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị màng lọc cross – flow 31

Hình 2.4 Mô hình hồi lưu toàn phần dòng không qua lọc 33

Hình 3.1 Tỉ lệ thay đổi hàm lượng lycopen theo thời gian dưới tác động của nhiệt 45

Hình 3.2 Thông lượng dòng qua màng theo hệ số cô đặc trong siêu lọc nước dưa hấu 47

Hình 3.3 Độ phân riêng của lycopen, TS và khoáng theo áp suất vận hành 48

Hình 3.4 Thông lượng dòng qua màng theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen 50 Hình 3.5 TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen 53

Hình 3.6 Tỉ lệ lycopen/TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen 54

Hình 3.7 Tỉ lệ TS/TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen 54

Hình 3.8 Tỉ lệ tro/TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen 55

Hình 3.9 Thông lượng dòng qua màng và VCF theo thời gian tại 6 bar 56

Hình 3.10 Hàm lượng các thành phần trong dòng retentate theo thời gian tại 6 bar 57

Hình 3.11 Hiệu suất thu hồi lycopen trong sấy phun bột dưa hấu giàu lycopen 61

Hình 3.12 Hàm lượng lycopen trong bột dưa hấu giàu lycopen 62

Hình 3.13 Bột dưa hấu giàu lycopen sấy phun ở các điều kiện khác nhau 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.2 Các tính chất vật lý của lycopen 9

Bảng 1.5 Phương trình mô hình Hermia 25

Bảng 2.1 Thông số thiết bị màng lọc dead-end HP4750 30

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của thiết bị membrane Labstak M20 32

Bảng 2.3 Thông số màng UF ETNA01PP 33

Bảng 2.4 Thông số cơ bản của thiết bị sấy phun MOBILE MINOR 34

Bảng 2.5 Thông số công nghệ khảo sát quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen 37

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của nước ép dưa hấu 43

Bảng 3.2 Thông số mô hình động học sự biến đổi nhiệt của lycopen 46

Bảng 3.3 Thông số mô hình Hermia và tập trung nồng độ trong làm giàu lycopen 52

Bảng 3.4 Tính chất của nước ép dưa hấu trước và sau quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật UF 58

Bảng 3.5 Độ ẩm và các chỉ số hòa tan của bột dưa hấu giàu lycopen 59

Bảng 3.6 Hàm lượng carbohydrate và tro trong bột dưa hấu giàu lycopen 63

Bảng 3.7 Chỉ số màu sắc của bột dưa hấu giàu lycopen 63

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài

Lycopen được biết đến là một hợp chất sinh học có nhu cầu lớn từ người tiêu dùng,

do có khả năng chống oxy hóa cao Bên cạnh đó, có tác dụng ngăn ngừa và làm chậm

sự phát triển của một số loại ung thư, bảo vệ sức khỏe tim mạch Cùng với đó, lycopen cũng được sử dụng nhiều trong các sản phẩm mỹ phẩm

Ở nước ta hiện nay, các sản phẩm giàu lycopen trên thị trường cũng như nguyên liệu trong sản xuất chủ yếu là nhập từ nước ngoài Hầu hết nguồn lycopen hiện này trên thị trường là từ cà chua, một số ít là được tổng hợp bởi quá trình lên men hoặc các phản ứng hóa học Có nhiều dẫn chứng cho thấy dưa hấu cũng chứa một lượng lycopen đáng kể so với các nguyên liệu khác Tuy nhiên, tính trên khối lượng nguyên liệu thô ban đầu, hàm lượng lycopen thấp hơn so với các nguyên liệu như cà chua, ổi hồng Điều này đồng nghĩa với để thu cùng một lượng lycopen, lượng nguyên liệu dưa hấu cần xử lý là nhiều hơn, đồng thời cần nhiều xử lý để tăng hàm lượng lycopen đáp ứng với yêu cầu sản phẩm Bên cạnh đó, dưa hấu là loại trái cây theo mùa và có thời gian sử dụng ngắn, chỉ từ 10 – 14 ngày Tuy nhiên, về mặt sinh học, lycopen từ dưa hấu thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội so với cà chua về khả năng hấp thụ, tính sinh khả dụng (bioavailability) và độ bền nhiệt Hiện nay, trên thế giới cũng như tại Việt Nam sản lượng và chất lượng dưa hấu ngày càng tăng và được trồng phổ biến ở nhiều nơi Khoa học công nghệ tiến bộ, cũng như các công nghệ hỗ trợ trong quá trình chế biến thực phẩm đã được phát triển nhiều giúp giảm thất thoát, lãng phí, giảm chi phí đầu tư nhưng có khả năng cải thiện chất lượng sản phẩm cao Do đó, dưa hấu như một nguồn lycopen giàu tiềm năng, việc khai thác và sử dụng nó sẽ cung cấp cho người dùng nhiều sự lựa chọn Tuy nhiên, việc tăng nồng độ lycopen từ dưa hấu là một bước cần thiết để cải thiện khả năng ứng dụng của nó trong sản xuất và các sản phẩm

Từ lâu, kỹ thuật siêu lọc đã là một phương pháp được ứng dụng nhiều trong cô đặc, tinh sạch và làm giàu các hợp chất sinh học bởi nhiều ưu điểm nổi bật và khả năng ứng dụng thực tiễn cao Sấy phun là phương pháp được ưa chuộng nhiều trong sản xuất bột trái cây Giải pháp kết hợp kỹ thuật siêu lọc và sấy phun trong sản xuất bột dưa hấu

giàu lycopen sẽ giúp hạn chế các quá trình chế biến nhiệt trong sản xuất các sản phẩm giàu lycopen, qua đó hạn chế sự biến đổi nhiệt của các hợp chất nhạy cảm nhiệt và vẫn duy trì được các đặc tính cảm quan của sản phẩm Vì vậy, đề tài tiến hành nghiên cứu quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật siêu lọc và sấy phun bột dưa hấu giàu lycopen

1.2 Dưa hấu

1.2.1 Giới thiệu về dưa hấu

Dưa hấu (Citrullus lanatus, họ Cucurbitaceae) là loại trái cây có nguồn gốc từ châu

Phi, được trồng chủ yếu ở những vùng có khí hậu nhiệt đới Dưa hấu là loại cây thân thảo, mỗi năm dài ra từ 1,5 – 5 m, ra hoa đơn tính và thụ phấn nhờ côn trùng Trái to, hình cầu hay bầu dục và có thể chứa đến 90% nước, điều này đã giúp dưa hấu trở hành nguồn nước quan trọng ở những nơi khan hiếm nước

Dưa hấu có vỏ cứng, là loại trái cây phổ biến và có giá trị cao trong họ bầu bí Dưa hấu rất đa dạng về hình dạng và màu sắc Hình dạng chính được xem xét với mặt phẳng cắt ngang từ cuống đến đuôi trái dưa là thuôn dài, dạng oval, dạng quả tròn, quả vuông Màu sắc của quả dưa hấu cũng thay đổi từ màu xanh sáng đến xanh đậm, có sọc hoặc không có sọc Thịt quả có màu đỏ, đỏ hồng, màu vàng, màu cam hay màu trắng Hạt dưa hấu cũng khá đa dạng từ màu trắng, đen, màu nâu với kích cỡ (lớn, trung bình, nhỏ), hiện nay còn phổ biến các loại dưa không hạt

Dưa hấu là loại cây trồng nhiệt đới, sinh trưởng và phát triển kéo dài trong điều kiện thời tiết ấm áp, khô ráo và đầy đủ nắng Nó thuộc nhóm cây ngắn ngày, có yêu cầu cao về nhiệt độ trong suốt quá trình sinh trưởng và phát triển Nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của dưa hấu khoảng 25-30 oC Dưa hấu có rễ mọc sâu, chịu úng kém

và khi bị úng dưa hấu dễ bị thối rễ dẫn đến chết cây hoặc không trổ bông, thụ phấn và đậu quả Dưa hấu có thể trồng được trên nhiều loại đất, tuy nhiên đất phải thoát nước tốt, kết cấu nhẹ, không quá phèn Các vùng đất cát gần biển, đất phù sa ven sông là những vùng đất lý tưởng để trồng dưa hấu

Dưa hấu có thể được trồng quanh năm ở những vùng gần xích đạo Ở Việt Nam các vùng trồng dưa hấu truyền thống là Hải Hưng, Nghệ An, Quảng Nam, Long An, Tiền

Giang… hàng năm cung cấp một sản lượng dưa hấu lớn cho người tiêu dùng nội địa

và xuất khẩu Tùy vào điều kiện thời tiết của từng vùng mà mùa trồng của nước ta sẽ khác nhau:

- Vụ sớm (dưa Noel): gieo trồng vào tháng 10 dương lịch và thu hoạch vào dịp Noel Mùa này dưa trồng trên đất nhẹ, thoát nước tốt và ở những vùng mưa dứt sớm tuy nhiên năng suất ít hơn vụ chính do ảnh hưởng của mưa đầu vụ

- Vụ chính (dưa Tết): gieo trồng tháng 11 dương lịch và thu hoạch vào Tết Nguyên Đán Mùa này ở những đồng bằng dưa sinh trưởng thuận lợi vì thời tiết mát mẻ và khô ráo, năng suất cao

- Vụ hè: gieo trồng từ tháng 2 đến tháng 5 dương lịch, chủ yếu trên đất ruộng sau

vụ lúa ở vùng An Giang, Kiên Giang, Đồng Tháp, các tỉnh duyên hải miền Trung

và Cao Nguyên Trái dưa hấu sinh trưởng tốt, năng suất cao nhờ thời tiết khô ráo Hiện nay, ở nước ta có nhiều giống dưa hấu khác nhau như Đình Cao (Hải Hưng), dưa Hường (Huế), dưa Gò Công (Tiền Giang)… Tuy nhiên để phục vụ xuất khẩu, các giống được sử dụng phổ biến là: Sugar baby, Hắc Mỹ Nhân, An Tiêm, Hồng Lương, Mặt Trời Đỏ, các giống dưa hấu ruột vàng, vàng nghệ, giống dưa hấu vỏ vàng, ruột đỏ

1.2.2 Thành phần dinh dưỡng

Dưa hấu được cấu thành bởi 3 phần chính: thịt quả chiếm 68% tổng trọng lượng, vỏ khoảng 30% và 2% là hạt [1] Trong dưa hấu, chứa 91% là nước và 7,5% là carbohydrate Carbohydrate trong dưa hấu chủ yếu là các loại đường đơn như glucose, fructose, saccharose và một lượng nhỏ chất xơ Bên cạnh đó, dưa hấu chứa một lượng nhỏ protein; chất khoáng như calcium, phospho, sắt; các vitamin như thiamin B1, riboflavin B2, niaxin B3, axit ascorbic C,… và hàm lượng chất béo là rất thấp

Dưa hấu được coi là một loại thực phẩm ít năng lượng, có rất ít chất béo và natri, hầu như không chứa cholesterol mà giá trị dinh dưỡng cao do chứa nhiều dưỡng chất

Nó chứa một lượng lớn và đa dạng các vitamin (như B1, B6, C, E,…); khoáng chất (K,

P, Ca, Fe và Mg); axit amin (arginine và citrulline, glutamic axit, leucine,…) [3–5] Dưa hấu là một thực phẩm giàu các hợp chất có hoạt tính sinh học cao như các hợp chất phenolic, citrulline, flavonoids [6,7] Cùng với đó, dưa hấu là nguồn dồi dào các

sắc tố sinh học thuộc nhóm carotenoid như lycopen, β-carotene… Trong đó β-carotene – tiền chất của vitamin A, là một trong những vitamin có vai trò quan trọng đối với sức khỏe, giúp điều trị các bệnh tiêu hóa, các vấn đề về da và ngăn ngừa bệnh tiểu đường, ung thư Dưa hấu còn chứa nhiều enzyme superoxide dismutase có khả năng chống oxy hóa, giúp tế bào cơ thể phát triển tốt, giảm căng thẳng

Bảng 1 Thành phần dinh dưỡng của ruột và vỏ dưa hấu đỏ

Thành phần Đơn vị Ruột dưa hấu Vỏ dưa hấu

Vì vậy, khi sử dụng thường xuyên trong chế độ ăn uống dưa hấu sẽ mang lại những tác động tích cực đến sức khỏe Có thể thấy, nó là loại trái cây cung cấp nhiều hợp chất kháng oxy hóa, ngăn ngừa và hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư và cải thiện sức khỏe cho mắt, hệ tiêu hóa, các chức năng của hệ thần kinh, tim mạch, giảm huyết áp, hạn chế và giảm viêm,…[10,11]

Vỏ dưa hấu là nguồn giàu amino axit và đặc biệt là citrulline Citrulline khi đưa vào

cơ thể người được chuyển hóa thành arginine là axit amin có lợi cho tim mạch, hệ tuần hoàn và miễn dịch Vỏ dưa hấu cũng chứa nhiều hợp chất alkaloit có tác dụng giải nhiệt, ngăn chặn sự tích tụ của cholesterol ở thành mạch máu, có tác dụng chống xơ vữa động mạnh, giúp kháng viêm, giảm đau, chống co thắt và kháng khuẩn, hỗ trợ trong điều trị các bệnh về gan và thận [11]

Hạt dưa hấu có hàm lượng dầu cao (hơn 40%), trong đó có nhiều axit béo thiết yếu nằm trong nhóm các axit béo không bảo hòa (gần 80%, bao gồm omega 3, 6, 9) giúp làm giảm cholesterol và tryglyceride trong máu, giảm LDL cholesterol và giảm nguy

cơ tắc nghẽn mạch vành, đột quỵ,…[13],[14] Trong thành phần axit amin của hạt dưa hấu chứa nhiều leucine, các axit amin thiết yếu chiếm 34,6 g/16g nitơ, do đó hạt dưa hấu được khuyến cáo dùng như thực phẩm bổ sung dinh dưỡng cũng như protein cho con người [14]

1.2.3 Thực trạng dưa hấu tại Việt Nam

Theo FAOSTAT, năm 2020, Việt Nam đứng thứ 13 trong các nước sản xuất dưa hấu với tổng sản lượng khoảng 1,5 triệu tấn/năm, và diện tích canh tác là 63.948 hecta Trong đó, các tỉnh phía Bắc chiếm khoảng 25%, diện tích tập trung chủ yếu tại Hải Dương, Bắc Giang, Nghệ An, Hòa Bình Các tỉnh Duyên hải Nam Trung Bộ có khoảng 16 nghìn ha (25%), diện tích tập trung chủ yếu tại Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Gia Lai, Lâm Đồng Các tỉnh miền Nam chiếm khoảng 50%, diện tích tập trung chủ yếu tại Long An, Tiền Giang, Hậu Giang, Cần Thơ

Ở Việt Nam, hiện nay dưa hấu được trồng khá nhiều với sản lượng lớn và ngày càng tăng, theo Bộ Công Thương, dưa hấu là loại nông sản ngắn ngày, dễ chuyển đổi diện tích, nên thường được trồng tăng vụ xem kẽ với các loại nông sản khác, do đó

không xây dựng được quy hoạch vùng trồng và sản lượng dưa hấu thường không ổn định Dưa hấu được sản xuất ra chủ yếu phục vụ mục đích xuất khẩu qua Trung Quốc theo con đường tiểu ngạch thông qua các thương lái Nông dân trồng dưa hấu theo xu hướng tự phát, theo phong trào, dù chưa xác định được nhu cầu thị trường cũng như chất lượng sản phẩm, do đó đến nay vẫn chưa kiểm soát và quản lý tốt được về sản lượng và chất lượng của dưa hấu đầu ra Đây là nguyên nhân chính khiến dưa hấu thường xuyên rơi vào cảnh được mùa mất giá, cần phải giải cứu Về thói quen giao dịch hiện nay cho thấy, khi đến mùa vụ, thương nhân Việt Nam thường gom dưa hấu

từ các nông dân và đưa về các của khẩu sau đó tìm khách hàng Trung Quốc bán lại Cùng với đó, hiện nay vẫn chưa có giải pháp để bảo quản dưa hấu phù hợp nên hầu hết lượng dưa hấu sản xuất được đều hướng đến tiêu dùng tươi từ đó dẫn đến tình trạng bán ào ạt khi vào vụ mùa; vì vậy giá bán dưa hấu thường thấp hơn so với giá trị thực tế của nó Thậm chí trong một số thời điểm, dưa hấu Việt Nam thường bị ách tắc và đổ

bỏ khá nhiều do lượng tiêu thụ từ các thị trường xuất khẩu giảm mạnh và bất ngờ

Hình 1 Sơ đồ chuỗi cung ứng xuất khẩu dưa hấu sang Trung Quốc

Ở những vùng khác nhau trên thế giới, dưa hấu được sử dụng theo những cách khác nhau nhưng được bán phổ biến nhất dưới dạng fresh-cut, và được sử dụng làm món tráng miệng sau bữa ăn, làm salad, nước ép, kem, thạch trái cây và dùng chung với một số loại rượu Tại miền Nam nước Nga, nước ép dưa hấu có thể được sử dụng cho sản xuất bia hoặc cô đặc làm siro Ở nước ta, dưa hấu thường được ăn tươi hoặc ép lấy nước Mà trong nhiều điều kiện bảo quản khác nhau thì dưa hấu cũng không thể bảo quản được hơn một tháng vì dưa hấu có pH cao và hàm lượng đường đáng kể, do đó

dễ dàng thúc đẩy các quá trình hư hỏng [15] Điều này cũng tương tự với nhiều trái

cây và rau quả được sản xuất trên thế giới bị hư hỏng do các biến đổi sau thu hoạch Vì thế, thường xuyên xảy ra tình trạng lượng dưa hấu sản xuất ra không được tiêu thụ kịp thời gây thiệt hại về kinh tế và ảnh hưởng lớn đến môi trường Do đó, nhằm kéo dài thời gian bảo quản và có thể sử dụng quanh năm, ngày nay dưa hấu được chế biến thành nhiều sản phẩm thương mại khác nhau Các sản phẩm phổ biến hiện nay bao gồm: bột hòa tan, nước trái cây, sinh tố, mứt, kẹo, nước sốt, thạch…

Bên cạnh thực phẩm, dưa hấu cũng được sử dụng nhiều trong sản xuất các sản phẩm mỹ phẩm Các sản phẩm mỹ phẩm từ dưa hấu giúp cải thiện và bảo vệ làn da, giữ ẩm, ngăn ngừa khô da, hạn chế lão hóa… Trên thế giới, hạt dưa hấu được dùng làm thức ăn nhẹ hoặc dùng để khai thác dầu ở một số nước Trong nước hiện nay, hạt dưa hấu còn được dùng trong sản xuất bánh kẹo Với hàm lượng dầu cao, dầu hạt dưa hấu còn được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất xà phòng, mỹ phẩm [16]

Nhìn chung, có thể thấy hiện nay các sản phẩm được phát triển từ dưa hấu trên thị trường trong và ngoài nước đã và đang được phát triển Tuy nhiên, các sản phẩm này chưa có giá trị gia tăng cao và chưa khai thác hết hiệu quả, tiềm năng từ dưa hấu Do đó, việc phát triển các công nghệ giúp hướng đa dạng hóa, và tập trung gia tăng giá trị thành phẩm sẽ giúp chủ động hơn trong sản xuất, tăng giá trị kinh tế từ đó mang lại lợi ích kinh tế và thu nhập tăng thêm cho người nông dân khi đầu tư trồng dưa hấu là rất cần thiết

1.3 Lycopen

1.3.1 Giới thiệu về lycopen

Lycopen là một sắc tố carotenoid tự nhiên màu đỏ tươi, công thức hóa học C40H56 Lycopen là một carotenoid tetrapenic và có chứa 11 liên kết đôi liên hợp thẳng và 2 liên kết đôi không liên hợp [17] Tuy nhiên, lycopen không phải là tiền chất của vitamin A, vì thiếu vòng ion β tận cùng được tìm thấy trong cấu trúc cơ bản của vitamin A Lycopen tạo nên màu đỏ cho một số loại trái cây và rau củ như cà chua, bưởi hồng, nho đỏ, dưa hấu và ổi đỏ Trong thực vật, lycopen là một sản phẩm trung gian của quá trình sản xuất xanthophylls; ß-cryptoxanthin, zeaxanthin, leutin, …

Lycopen là một hợp chất ưa béo có đặc điểm kỵ nước do cấu trúc mạch hở và 11 liên kết đôi liên hợp thẳng nên không hòa tan trong nước, hầu như không hòa tan trong các dung môi phân cực methanol và ethanol Nó hòa tan trong các dung môi hữu cơ như cacbon disunfua, ete etylic, ete dầu mỏ, cloroform, và benzen [18] Tính chất vật

lý và cấu trúc phân tử của lycopen lần lượt được trình bày trong Hình 1.2 và Bảng 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử các đồng phân của lycopen

Các tinh thể lycopen có màu đỏ rực được tìm thấy ở dạng các hạt cầu nhỏ lơ lửng trong các loại trái cây, rau củ [19] Ở cấp độ tế bào, lycopen nằm bên trong màng thylakoid dưới dạng phức hợp protein-lycopen do bản chất ưa béo của nó Nó gồm 2 dạng đồng phân là cis và trans Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng lycopen trong tự nhiên được tìm thấy ở dạng all-trans, dạng ổn định nhiệt nhất, nó được biến đổi từ lycopen

có cấu hình cis do hoạt động của enzyme carotenoid isomerase Cũng như các carotenoit khác, các liên kết đôi trong lycopen có thể trải qua quá trình đồng phân hóa

từ đồng phân trans thành các đông phân mono hoặc poly-cis dưới tác động của nhiệt

độ cao, ánh sáng, oxy, axit, chất xúc tác và các ion kim loại Cấu trúc lycopen khá dễ

bị biến đổi trong các quá trình xử lý nhiệt và oxy hóa Khi lycopen bị oxy hóa, hình thành nên nhiều sản phẩm oxy hóa khác nhau như acetone, methylheptone, laevulinic

aldehyde, làm thay đổi màu và sinh ra mùi khó chịu (mùi cỏ), đây là quá trình bất thuận nghịch [20] Trong số các cấu hình khác nhau, dạng 5-cis ổn định hơn với khả năng chống oxy hóa mạnh so với dạng all-trans, 7-cis, 9-cis, 11-cis, 13-cis và 15-cis [21], [22] Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng huyết thanh máu người chứa cả lycopen dạng đồng phân cis và trans [23] Các đồng phân dạng cis có tính chất hóa lý khác hẳn so với dạng trans, như: điểm nóng chảy thấp hơn, độ hấp phụ riêng thấp hơn Mặc dù có độ ổn định thấp hơn, các đồng phân cis ít có khả năng gắn kết và kết tinh vì vậy có khả năng hòa tan tốt hơn trong môi trường béo Do đó, đồng phân cis có hoạt tính sinh học và khả năng hấp thụ lớn hơn

Bảng 1.2 Các tính chất vật lý của lycopen

Khả năng hòa tan Tan trong chloroform, hexane, benzene, carbon

disulfide, acetone, petroleum ether và dầu

Không tan trong nước, ethanol và methanol Tính ổn định Nhạy cảm với ánh sáng, oxy, nhiệt độ cao, axit, các xúc

tác và ion kim loại

1.3.2 Chức năng của lycopen

Lycopen không phải là một chất dinh dưỡng thiết yếu đối với con người, tuy nhiên nó là một dưỡng chất quan trọng nên được bổ sung trong chế độ dinh dưỡng do có hoạt tính sinh học và khả năng miễn dịch cao Sự hiện diện của số lượng lớn các liên

kết đôi là nguyên nhân để lycopen có khả năng loại bỏ gốc tự do khá cao, đặc biệt khả năng dập tắt oxy đơn của nó thậm chí còn tốt hơn α- và ß-caroten, lutein và α-tocopherol, cao gấp 2 lần so với beta-carotene và cao hơn gấp 10 lần so với α-tocopherol [24] Lycopen có khả năng giảm các quá trình oxy hóa dẫn đến phá hủy lipid (lipoprotein, màng lipid), protein (nguồn enzyme quan trọng), DNA (vật liệu di truyền), do đó làm giảm các tổn thương do quá trình oxy hóa của tế bào và giảm nguy

cơ mắc các bệnh ung thư cũng như các bệnh về tim mạch [25] Thông qua các nghiên cứu dịch tễ học, lycopen thể hiện vai trò duy trì sự phân hóa và phân chia tế bào bình thường Lycopen quét các gốc tự do ở cấp độ tế bào do sự gắn kết của nó trong màng

tế bào, do đó có thể ngăn ngừa tăng cholesterol và tăng đường huyết cùng với các rối loạn chức năng liên quan [26] Lycopen ngăn ngừa oxy hóa cholesterol LDL và làm giảm nguy cơ phát triển xơ vữa động mạch và bệnh tim mạch vành [27] Theo nghiên cứu Mangiagalli và cộng sự (2012), hoạt tính chống oxy hóa của lycopen cũng giúp cải thiện chất lượng tinh trùng [28] Theo nhiều nghiên cứu, khi sử dụng lycopen thường xuyên trong chế độ dinh dưỡng có thể hỗ trợ và cải thiện chức năng gan, làm chậm phát triển và giảm đáng kể nguy cơ mắc các bệnh ung thư khác nhau như tuyến tiền liệt, phổi, vú, gan, cổ tử cung, buồng trứng,…[29]–[32] Lycopen cũng có tác dụng giảm tỷ lệ mắc các bệnh về mắt như thoái hóa điểm vàng [33], giảm viêm và giúp bảo vệ da khỏi những tổn thương do tiếp xúc với tia UV từ ánh nắng mặt trời [30] Rao và cộng sự (2018) đã báo cáo lycopen làm giảm các quá trình lão hóa của phụ nữ sau mãn kinh, điều này giúp làm giảm nguy cơ mắc bệnh loãng xương Lycopen đóng vai trò quan trọng trong sức khỏe của xương khớp và có thể được sử dụng thay cho thuốc điều trị hiện nay cho người có nguy cơ mắc bệnh loãng xương [34]

Tóm lại, lycopen có khả năng ngăn ngừa các bệnh mãn tính khác nhau như rối loạn lipid máu, tiểu đường, ung thư, bệnh thoái hóa thần kinh, loãng xương, v.v Các khía cạnh bảo vệ được cho là do khả năng phản ứng với oxy đơn phân tử Trong khi đó, nhiều hội chứng chuyển hóa phát sinh do sự hình thành các gốc tự do phản ứng với các đại phân tử do đó oxy hóa protein, lipid và DNA Vì vậy, lycopen bảo vệ con người khỏi các cuộc tấn công gây bệnh khác nhau gây ra một loạt bệnh

Sự hấp thụ và chuyển hóa lycopen từ các nguồn thực phẩm bị ảnh hưởng bởi một

số yếu tố, chẳng hạn như sự phá vỡ nền thực phẩm để giải phóng lycopen, sự hòa tan thành các giọt béo trong dạ dày và tá tràng [35] Cùng với đó, tỉ lệ đồng phân cis và trans là khác nhau trong các loại thực phẩm Do đó hoạt tính sinh học của lycopen trong các nguồn thực phẩm là rất khác nhau Làm nóng thực phẩm trước khi ăn có thể cải thiện khả dụng sinh học của carotenoid do kết quả của sự phân ly phức hợp protein-carotenoid hoặc sự phân tán của các tập hợp tinh thể carotenoid Bên cạnh đó,

sự hiện diện của lipid và các hợp chất phân giải lipid khác bao gồm cả các carotenoid khác cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ, và tính chất sinh học của lycopen Lycopen được hấp thụ hiệu quả khi được bổ sung cùng chất béo do tích chất ưa béo của nó [35]

1.3.3 Ứng dụng của lycopen

Hình 1.3 Các sản phẩm chứa lycopen trên thị trường

Hiện nay trong thực phẩm, lycopen được sử dụng nhiều như là phụ gia tạo màu tự nhiên, và thành phần chức năng, chất chống oxy hóa trong quá trình chế biến và bảo quản để giúp tăng giá trị dược phẩm và dinh dưỡng của sản phẩm [36], [37] Lycopen được bổ sung phổ biến vào thực phẩm chức năng, sản phẩm ngũ cốc, sản phẩm tráng

miệng từ sữa, sữa chua, kẹo, đồ uống có gas, nước ép trái cây, bánh kẹo, nước sốt, súp, sản phẩm phết,… và một số thực phẩm khác [38] Lycopen cũng được ứng dụng nhiều vào trong các sản phẩm thuộc lĩnh vực mỹ phẩm và dược phẩm Trong mỹ phẩm, lycopen được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc da, chống nắng, cải thiện làn da, chống lão hóa,…[39] Trong dược phẩm, nó được sử dụng với chức năng tăng cường sức khỏe cho tuyến tiền liệt, mắt, tim mạch, chống lão hóa tế bào và tăng cường hệ thống miễn dịch [40]

1.3.4 Nguồn cung lycopen

Lycopen có thể được sản xuất bằng những con đường rất khác nhau: khai thác từ nguồn tự nhiên, chủ yếu là tách chiết từ các loại thực vật [41]; lên men bởi vi sinh vật

như nấm mốc Blakeslea tripora, E.coli, Mycobacterium aurum [42]; tổng hợp hóa

học [43] Trong tự nhiên, lycopen là một sắc tố được tổng hợp bởi thực vật và vi sinh vật Chúng cũng là nguồn cung lycopen chính cho động vật và trong sản xuất Chức năng chính của lycopen ở thực vật và vi sinh vật là hấp thụ ánh sáng trong quá trình quang hợp Lycopen từ tự nhiên có nhiều trong gấc, cà chua, dưa hấu, ổi hồng, đu đủ… Trước đây, chỉ có cà chua và các sản phẩm của nó được coi là nguồn lycopen chủ yếu và tiềm năng, chiếm trên 85% lượng lycopen được tiêu thụ Nhưng đến nay, đã có nhiều nghiên cứu cho thấy rằng dưa hấu cũng chứa lượng lycopen nhiều hơn so với hầu hết các loại thực phẩm, cao hơn gần 40% so với cà chua tươi, đặc biệt là các giống dưa hấu đỏ [29], [44] Bên cạnh đó, lycopen từ dưa hấu dễ dàng hấp thụ trực tiếp vào

cơ thể con người ngay sau khi sử dụng mà không cần qua các quá trình xử lý nhiệt Trong khi đó, lycopen từ cà chua có mạng lưới liên kết phức tạp trong các phức hợp protein – carotene, màng thykaloid dày hơn do đó cần qua quá trình xử lý nhiệt để tăng cường giải phóng và hấp thụ [45], [46] Ngoài ra, dưa hấu có tỉ lệ trans-lycopen cao hơn cà chua, mà trans-lycopen ổn định hơn trong các quá trình chế biến so với đồng phân cis Trans-lycopen từ dưa hấu chiếm tỉ lệ cao hơn và cần nhiều thời gian hơn để chuyển đổi thành cis-lycopen trong quá trình gia nhiệt so với trong cà chua Do đó, làm chậm quá trình oxy hóa và phân hủy của lycopen Năm 2014, Cheol-Hyun Kim và cộng sự, đã chỉ ra rằng lycopen của dưa hấu thể hiện hoạt tính chống oxy hóa cao hơn

đáng kể so với lycopen của cà chua [46] Do vậy, dưa hấu được coi là một nguồn cung cấp lycopen tự nhiên giàu tiềm năng

Bảng 3 Hàm lượng lycopen trong một số loại thực vật [20], [47], [48]

Nguồn Hàm lượng (μg/g chất khô)

cà chua tương đối bền khi xử lý ở nhiệt độ từ 60 – 150 oC trong thời gian 5 – 60 phút, bên cạnh đó hàm lượng lycopen tăng lên bởi sự phá vỡ màng tế bào và tăng cường giải phóng lycopen ra khỏi mạng lưới tế bào [49] Sự ảnh hưởng bởi xử lý nhiệt đối với hàm lượng lycopen trong nước ép dưa hấu đã được nghiên cứu bởi Yetenayet và Hosahalli (2015), trong đó nước ép dưa hấu được xử lý nhiệt ở 70, 80, 90 oC từ 5 – 35 phút Hàm lượng lycopen trong tất cả các mẫu được tìm thấy có xu hướng giảm, khi tăng nhiệt độ và thời gian sự tổn thất lycopen tăng cao [50] Trong nghiên cứu của Tremlova và cộng sự (2021) khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 40, 70 và 100 oC trong thời gian

từ 2 – 15 phút, kết quả thu được cho thấy trong thời gian ngắn và nhiệt độ thấp (40 oC) hàm lượng lycopen tăng nhẹ sau đó giảm theo thời gian [51] Từ đó, có thể thấy rằng tùy thuộc vào cấu trúc của màng sắc lạp, tế bào, cũng như các tính chất hóa lý của nguyên liệu và các phương pháp xử lý nguyên liệu mà sự biến đổi của hàm lượng lycopen là khác nhau Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra hàm lượng lycopen trong dưa hấu cũng như một số nguyên liệu khác giảm theo phương trình động học bậc 1 dưới tác dụng của nhiệt độ [50], [52] Nhưng ngược lại, cũng có một số nghiên cứu khác chỉ ra

sự thay đổi của hàm lượng lycopen theo thời gian không thay đổi theo phương trình động học bậc 1, như nghiên cứu của Shi và cộng sự (2008) [53] Vì vậy, để hiểu rõ hơn sự thay đổi hàm lượng lycopen trong nước ép dưa hấu và tìm ra phương trình động học cho sự biến đổi này, nghiên cứu tiến hàm khảo sát sự thay đổi hàm lượng lycopen ở các điều kiện xử lý khác nhau Từ đó, sử dụng kết quả làm cơ sở lựa chọn các giải pháp chế biến phù hợp và tính toán tổn thất trong quá trình sản xuất

1.4 Kỹ thuật lọc màng

1.4.1 Bản chất kỹ thuật lọc màng

Phân riêng bằng màng lọc (membrane) là quá trình tách các cấu tử có phân tử lượng khác nhau nhưng cùng hòa tan trong một pha lỏng hoặc tách cấu tử rắn có kích thước rất nhỏ ra khỏi pha lỏng hoặc pha khí Cơ chế của kỹ thuật phân riêng bằng membrane là dưới tác động của lực tác dụng thì các cấu tử có đường kính nhỏ hơn đường kính mao quản của membrane sẽ đi qua, còn các cấu tử có phân tử lượng lớn được giữ lại trên bề mặt màng lọc Quá trình phân riêng bằng màng lọc sẽ cho hai dòng sản phẩm: dòng đi qua màng lọc gọi là permeate, dòng sản phẩm không qua màng lọc gọi là retentate Trong kỹ thuật lọc màng, sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của membrane là động lực của quá trình Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp lực, điện thế, nồng độ dung dịch, nhiệt độ… Các thông số cơ bản của kỹ thuật màng: áp lực, cơ chế phân tách, cấu trúc màng, pha dung dịch [54]

Những quá trình phân riêng bằng màng lọc thường gặp trong công nghệ thực phẩm gồm [55]:

- Vi lọc (Microfiltration MF) có kích thước mao quản 0,01 – 2 µm, giữ lại các cấu tử lơ lửng có kích thước nhỏ như các tế bào vi sinh vật

- Siêu lọc (Ultrafiltration UF) đường kính mao quản trung bình từ 2 – 50 nm, có khả năng giữ lại protein, chất rắn lơ lửng, và loại bỏ mono và đi saccharide, muối, amino axit, axit hữu cơ Thường được sử dụng trong cô đặc và tinh sạch các hợp chất sinh học

- Lọc nano (Nanofiltration NF) mao quản có đường kính trung bình khoảng 2

nm Kỹ thuật này được áp dụng trong quá trình cô đặc dịch đường, các dung dịch chứa gốc muối hóa trị hai, chất màu hay các hợp chất có khối lượng phân tử lớn hơn 1.000 Da

- Thẩm thấu ngược (Reversed osmosis RO) là quá tình phân riêng với đường kính lỗ mao quản nhỏ nhất, nhỏ hơn 1 nm Nên có khả năng tách các cấu tử có kích thước nhỏ như các ion của muối chẳng hạn Na+, Cl-,… ra khỏi dung dịch Trong kỹ thuật membrane, có hai loại mô hình dòng chảy chính là dead-end và cross-flow

- Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane, dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy qua màng bởi áp suất Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗ mao quản sẽ bị giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong màng và tạo thành lớp bã Theo thời gian, độ dày của lớp bã sẽ tăng lên, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và lưu lượng của dòng permeate giảm dần Thiết bị siêu lọc dead-end phù hợp với qui mô phòng thí nghiệm để nghiên cứu hay phát triển quy trình

- Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặt membrane Mô hình này hạn chế hiện tượng tắc nghẽn hơn so với mô hình dead-end, thời gian hoạt động kéo dài Hệ thống cross-flow được sử dụng phổ biến gồm

mô hình sợi, cuộn và tấm bảng, được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm và công nghệ sinh học ở quy mô lớn

Trong quá trình phân riêng bằng kỹ thuật lọc màng, các yếu tố ảnh hưởng khả năng phân riêng là thành phần và tích chất của nguyên liệu, cấu trúc và tích chất của membrane, các thông số vận hành và mô hình thực hiện

- Tính chất màng: kích thước lỗ mao quản, vật liệu chế tạo, cấu trúc bề mặt, điện tích trên bề mặt màng lọc,… là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình phân riêng

- Tính chất của nguyên liệu: Các yếu tố của nguyên liệu như nồng độ chất tan, lượng vi sinh vật, pH nguyên liệu, cũng như thành phần hóa học,… sẽ tạo ra tương tác với bề mặt màng khác nhau, do đó gây ra những ảnh hưởng đến các quá trình phân riêng khác nhau Để hạn chế các hiện tượng tắc nghẽn màng, giảm lưu lượng của dòng permeate thì tùy theo thành phần hóa học của nguyên liệu mà ta cần chọn màng với bản chất hóa học phù hợp

- Các thông số kỹ thuật của quá trình: Đặc tính của màng và nguyên liệu là hai yếu tố khó thay đổi trong quá trình phân riêng Yếu tố ta có thể điều khiển được một cách dễ dàng và có hiệu quả là chế độ vận hành của quá trình phân riêng Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình phân riêng chủ yếu tập trung vào các thông số kỹ thuật như: áp suất làm việc, lưu lượng dòng nhập liệu, mô hình vận hành

1.4.2 Ưu và nhược điểm của công nghệ lọc màng

trong chế biến thực phẩm và công nghệ sinh học

- Tiết kiệm năng lượng hơn so với các kỹ thuật khác, hầu hết năng lượng sử dụng chủ yếu là để bơm chất lỏng qua màng do đó tổng năng lượng sử dụng có thể

coi là nhỏ hơn

- Không sử dụng nhiều hóa chất, các quá trình lọc góp phần giảm thiểu lượng chất thải ra môi trường vì vậy lọc màng được coi là phương pháp thân thiện với

môi trường

- Hệ thống được lắp đặt dễ dàng, chi phí vận hành và chi phí cho thiết bị phụ trợ

thấp, khả năng tái sử dụng cao

- Có thể dễ dàng mở rộng quy mô

1.4.2.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm, kỹ thuật membrane cũng còn một số mặt hạn chế như sau:

- Nồng độ chất khô của dòng retentate tối đa thường vào khoảng 30% (w/w) Đây

là nồng độ tương đối thấp trong quá trình cô đặc, thu hồi các chất

- Chi phí đầu tư thiết bị tương đối cao so với kỹ thuật truyền thống Tuy nhiên điều này ngày càng được khắc phục do sự tiến bộ của các ngành khoa học kỹ

thuật liên quan

- Hiện tượng tắc nghẽn màng trong quá trình vận hành

1.4.3 Ứng dụng kỹ thuật lọc màng

Hiện nay quá trình phân riêng bằng màng lọc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Trong giai đoạn đầu phát triển và cho đến hiện nay, kỹ thuật lọc màng được sử dụng phổ biến trong xử lý nguồn nước như khử muối, sản xuất nước uống, xử lý nước thải, phục vụ cải tạo và tái sử dụng nguồn nước Trong những năm gần đây, màng lọc được đưa vào sử dụng nhiều hơn trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm, sinh học, hóa chất, các thiết bị y tế như thiết bị chạy thận nhân tạo, máy tạo oxy máu,… Bên cạnh đó, công nghệ lọc màng còn được ứng dụng trong các phân tích định tính và định lượng [58], [59]

Trong công nghiệp thực phẩm, kỹ thuật lọc màng được coi là phương pháp chế biến và phân tách được ứng dụng trong sản xuất nhiều sản phẩm Kỹ thuật lọc màng

được coi là công nghệ xanh vì tiết kiệm năng lượng, hạn chế sử dụng hóa chất, các chất bảo quản trong thực phẩm, Phổ biến nhất là áp dụng trong các quá trình cô đặc dung dịch, hỗn hợp; thu hồi và tinh sạch các hợp chất, chế phẩm sinh học; thanh trùng, tiệt trùng sản phẩm,… Điển hình công nghệ lọc màng được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm như enzyme, protein, hợp chất sinh học, nước trái cây, rượu lên men và dầu thực vật, các sản phẩm sữa,… [60] Quá trình lọc màng được thực hiện khác nhau chủ yếu về kích thước lỗ màng được lựa chọn và vật liệu cấu tạo phù hợp với các cấu tử cần phân tách và trọng lượng phân tử của chúng

Bảng 4 Một số ứng dụng kỹ thuật membrane trong chế biến thực phẩm [61]

membrane

Ngành

Lọc trong Rượu, bia, nước trái cây MF, UF Đồ uống

Cô đặc Protein (whey), nước trái

cây

UF, RO (kết hợp)

Khoai tây, sữa

Tinh chế Protein (trứng, whey,

huyết, thực vật), carbohydrate

UF

Sữa, thịt, trứng, đường, protein thực vật

Thu hồi sản phẩm Axit lactic, axit citric UF, ED Công nghệ sinh học

Các hợp chất chức năng ngày càng được quan tâm để khai thác và sử dụng, nhờ những ưu điểm và sự phổ biến công nghệ lọc màng được biết đến nhiều như một trong những kỹ thuật tách chiết và tinh sạch công nghiệp quan trọng, được sử dụng để để thay thế một phần hoặc hoàn toàn các phương pháp chiết tách các hợp chất tự nhiên như chưng cất, trích ly… Hiện nay, kỹ thuật lọc màng được áp dụng trong tách và tinh sạch các hợp chất chức năng trong thực phẩm như: protein, axit amin, petin, β-glucan, polyphenol, anthocyanin, carbohydrate và đường từ các loại nông sản, dung dịch, các phụ phẩm nông nghiệp,… [60]

Các quá trình trong sản xuất các sản phẩm từ nước ép trái cây truyền thống trong thương mại thường liên quan đến xử lý nhiệt, các phương pháp này gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm như mất dinh dưỡng, vitamin và gây ra hương vị của quá trình gia nhiệt, ảnh hưởng đến màu sắc và hương, mùi của sản phẩm Trong khi đó, kỹ thuật lọc màng là một giải pháp thay thế tốt cho ngành công nghiệp sản xuất sản phẩm

từ nước trái cây, hạn chế đáng kể các tác động đến tính chất cảm quan và dinh dưỡng của sản phẩm Các kỹ thuật vi lọc (MF), siêu lọc (UF) thường được sử dụng nhằm mục đích làm trong các loại nước trái cây, trong khi kỹ thuật lọc nano (NF), thẩm thấu ngược (RO) được áp dụng để cô đặc, tách các hợp chất trong nước trái cây Sự kết hợp nhiều loại màng trong sản xuất các sản phẩm từ nước trái cây, rau củ có thành phần dinh dưỡng, tính chất cảm quan cao và thu hồi các hợp chất hoạt tính sinh học cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới [62] Một số ví dụ như: ứng dụng màng lọc làm trong dịch quả từ cherry [63], đào [64], dứa [65]…; thu nhận polyphenol

từ dịch cam bergamot [66], ứng dụng siêu lọc để cô đặc dịch kiwi [67] và ứng dụng vi lọc để thu nhận lycopen từ dưa hấu [68]

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành và ghi nhận thấy hiệu quả trong việc sử dụng màng lọc để cô đặc và tinh sạch lycopen từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, như

ổi, đu đủ, cà chua, dưa hấu [68]–[70] De Souza và cộng sự (2019) đã nghiên cứu kết hợp RO và diafiltration để làm giàu lycopen trong nước ép cà chua, kết quả thu được cho thấy toàn bộ lycopen được giữ lại trên màng, tuy nhiên hàm lượng lycopen giảm 14%, có thể là do sự oxy hóa đã xảy ra trong quá trình vận hành [71] Sản phẩm cuối cùng thu được tăng hàm lượng lycopen 244% và tổng polyphenol 370% Màng UF 50

kDa được sử dụng trong cô đặc lycopen từ đu đủ, kết quả thu được chỉ ra rằng hơn 98% lycopen được giữ lại trên màng, và hàm lượng lycopen trong thành phẩm đạt được cao nhất là 68,06 µg/g Với độ nhớt cùng với nồng độ chất khô thấp, nước ép dưa hấu dễ dàng được chế biến với bằng các phương pháp lọc màng hơn so với nước ép cà chua và đu đủ Do đó, đến nay có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá khả năng thu hồi và cô đặc lycopen từ dưa hấu Oliveira và cộng sự (2016) và Dos Santos Gomes và cộng sự (2011) đã nghiên cứu ứng dụng màng RO trong xử lý nước ép dưa hấu nhằm mục đích cô đặc [72], [73] Hệ số cô đặc thể tích và lycopen dao động lần lượt trong khoảng 3,7 – 4,4 và 3,1 – 3,2 Oliveira và cộng sự (2016) đã cho thấy rằng khả năng giữ lại lycopen là khoảng 74,2% [72] Những kết quả này chỉ ra rằng một lượng đáng kể lycopen bị tổn thất trong quá trình RO là do quá trình oxy hóa và đồng phân hóa Điều này được cho là do vận hành ở áp suất cao đã làm tăng nhiệt độ của nước ép, thúc đẩy các quá trình chuyển hóa Chất rắn hòa tan trong nước ép trong nghiên cứu này cũng tăng theo hệ số cô đặc thể tích Do kích thước mao quản nhỏ nên

hệ số nồng độ cuối quá trình RO thường thấp hơn trong UF, chất rắn hòa tan cũng tăng theo thể tích, do khả năng loại bỏ các cấu tử kém Hơn nữa, vận hành dưới áp suất cao dẫn đến tăng chi phí vận hành, thiết bị và bảo trì Nhiều nghiên cứu được tiến hành về việc sử dụng MF 0.2 µm, UF 50 kDa, UF 5kDa để lọc nước ép dưa hấu [69], [74] Kết quả thu được chỉ ra rằng VRF có thể đạt 5 – 6 lần, hàm lượng lycopen trên hàm lượng chất khô được cải thiện đáng kể nhưng tỉ lệ thất thoát lycopen theo dòng qua màng có thể lên tới 35% Mặc khác, việc loại bỏ hoàn toàn đường và khoáng đôi khi không cần thiết, thậm chí còn làm thất thoát các hợp chất dinh dưỡng Theo đó, với mục đích làm giàu lycopen, tăng hiệu suất thu hồi nhằm đa dạng hóa và tăng khả năng sử dụng, màng UF được coi là một hướng tiếp cận đầy triển vọng Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu màng fluoropolymer có tính kỵ nước và kỵ dầu cao, hạn chế sự liên kết của chất tan trong nguyên liệu và màng, đồng thời làm chậm quá trình tắc nghẽn và suy giảm thông lượng dòng qua màng trong quá tình lọc, cũng góp phần làm quá trình vệ sinh được thực hiện dễ dàng hơn [75]

1.4.4 Động học của quá trình lọc màng

Động lực của quá trình lọc màng là sự chênh lệch áp suất hai bên màng Trong quá trình lọc, sẽ xuất hiện một số hiện tượng làm giảm động lực của quá trình lọc dẫn đến giảm thông lượng dòng qua màng Trong lọc màng điều khiển bằng áp lực, sự suy giảm thông lượng dòng qua màng được gây ra bởi: hiện tượng tập trung nồng độ (concentration polarization), đây là sự tích lũy của các cấu tử ở khu vực gần bề mặt màng; và hiện tượng tắc nghẽn (fouling), bao gồm: hấp thụ, tắc mao quản và tích tụ của chất rắn [76] Các hiện tượng này giảm động lực của quá trình lọc và tăng trở lực chống lại sự vận chuyển các chất qua màng trong suốt quá trình lọc Theo các nghiên cứu gần đây, các mô hình được ứng dụng trong UF để dự đoán thông lượng theo các hiện tượng xảy ra trong quá trình vận hành có thể được nhóm thành các loại sau: (i)

mô hình tập trung nồng độ (concentration polarization); (ii) mô hình áp suất thẩm thấu (osmotic pressure); (iii) mô hình các trở lực (resistance-in-series); (iv) mô hình tắc nghẽn (fouling) [77] Tùy thuộc vào các tính chất nguyên liệu, tính chất màng và điều kiện vận hành mà các nghiên cứu sử dụng các mô hình khác nhau để mô tả động học của quá trình lọc màng Trong nghiên cứu này, tập trung vào mô hình tập trung nồng

độ và mô hình tắc nghẽn được phát triển bởi Hermia

1.4.4.1 Mô hình tập trung nồng độ

Mô hình tập trung nồng độ được phát triển dựa trên lý thuyết lớp cổ điển (film theory), trong đó đề cập đến sự ảnh hưởng của hiện tượng tập trung nồng độ trên bề mặt màng đến thông lượng dòng qua màng [76]

Tương quan giữ thông lượng dòng qua màng và nồng độ của dòng retentate theo lý thuyết film được thể hiện qua phương trình sau:

𝐽𝑣 = 𝑘 𝑙𝑛 (𝐶𝑙𝑖𝑚

Trong đó Clim là nồng độ của cấu tử trong dòng nhập liệu khi Jv=0

C: nồng độ cấu tử trong dòng nhập liệu

𝐽𝑣: Thông lượng dòng qua màng (L.m-2.h-1)

𝑘: Hệ số truyền khối ở lớp biên bề mặt bên trên membrane (L.m-2.h-1) Phương trình tương quan (1.1) có thể được giải thích bởi 2 mô hình lý thuyết khác nhau là mô hình tập trung nồng độ (concentration polarization) và mô hình áp suất thẩm thấu (osmotic pressure) Trong mô hình tập trung nồng độ, thông lượng dòng qua màng bị giới hạn bởi trở lực thủy tĩnh của lớp gradient nồng độ được hình thành trên

bề mặt màng và Clim được tạo thành bởi nồng độ các cấu tử trên lớp gradient nồng độ, nó không phụ thuộc vào điều kiện vận hành như áp suất qua màng Mặc khác, với mô hình áp suất thẩm thấu, thông lượng dòng qua màng giảm bởi tăng áp suất thẩm thấu tại bề mặt màng và Clim là giá trị nồng độ của cấu tử khi ấp suất thẩm thấu của dung dịch bằng áp suất chênh lệch trên màng [78] Hệ số truyền khối k đặc trưng cho khả năng di chuyển của một cấu tử từ lớp biên trên bề mặt màng vào mao quản của màng Khi giá trị k lớn có nghĩa khả năng đến màng của các cấu tử lớn, trở lực nhỏ và ngược lại k nhỏ các cấu tử khó qua lớp nồng độ tập trung trên bề mặt màng, trở lực lớn Mô hình được áp dụng thành công trong mô tả sự thay đổi thông lượng của màng trong tách jojoba protein [78], ovalbumin [79] bằng màng UF và cô đặc nước mắm bằng màng NF [80]

Khi độ phân riêng của các cấu tử đủ lớn, ta có:

Trong đó, 𝑘′′: Hệ số truyền khối ở lớp biên bề mặt bên trên membrane (L.m-2.h-1),

và ⁡: giá trị cực đại của VRF đạt tại thời điểm Jv=0

1.4.4.2 Mô hình Hermia

Hermia (1982) đã đề xuất mô hình thực nghiệm tương ứng với các cơ chế tắc nghẽn trên ở điều kiện áp suất không đổi Phương trình dựa trên sự thay đổi thông lượng qua màng và được dùng để xác định các loại cơ chế trong suốt quá trình vận hành để từ đó có biện pháp làm giảm thiểu tới mức thấp nhất hiện tượng tắc nghẽn màng [82]

𝑑2𝑡

𝑑𝑉2= 𝑘 (𝑑𝑡

𝑑𝑉)

Với n là chỉ số tắc nghẽn, đặc trưng riêng cho từng cơ chế tắc nghẽn màng

k là hằng số, là hệ số cản trở phụ thuộc vào đặc tính của huyền phù, màng lọc và điều kiện vận hành trong suốt quá trình lọc (L.m-2.h-1),

t là thời gian vận hành (giờ)

V là thể tích tích lũy được của dòng qua màng lọc (L)

Hình 1.4 Cơ chế tắc nghẽn theo mô hình Hermia trong quá trình lọc màng (a Che kín toàn phần; b Che kín một phần; c Che kín bề mặt; d Hình thành bánh

lọc)

Các nguyên nhân gây nên tắc nghẽn trong quá trình phân riêng bằng màng lọc được được xem xét trong mô hình bao gồm: sự tắc nghẽn của các lỗ mao quản và sự hình thành bánh lọc Cụ thể hơn mô hình đã đưa ra 4 cơ chế tắc nghẽn khác nhau để giải thích cho các hiện tượng xảy ra trong quá trình lọc màng (Hình 1.4) Các phương trình tương quan giữa thông lượng dòng qua màng và thời gian vận hành tương ứng với từng cơ chế được thể hiện ở Bảng 1.5

- Che kín hoàn toàn (Complete blocking): một vài lỗ mao quản bị nghẹt hoàn toàn bởi những chất tan bị tích tụ bên trên bề mặt màng, dẫn đến sự giảm số lượng lỗ mao quản trên màng Cơ chế này thường xảy ra khi kích thước các cấu

tử trong dung dịch lớn hơn kích thước mao quản

- Che kín một phần (Intermediate blocking): các mao quản không chỉ bị nghẹt một phần lỗ mao quản của màng mà còn cả sự tích tụ của một số hạt lên trên bề mặt các hạt lắng đọng khác thành nhiều lớp trên bề mặt ngoài màng, nó diễn gây ra sự tắc nghẽn cả bên trên lẫn bên trong bề mặt màng Che kín một phần xảy ra khi kích thước cấu tử hòa tan tương đương với kích thước lỗ mao quản

- Che kín lỗ bề mặt (Standard blocking): diễn ra bên trong mao quản của màng lọc, do sự tích tụ, bám dính của các cấu tử trên bề mặt các mao quản, nó làm giảm đường kính hoạt động của mao quản Cơ chế tắc nghẽn này xảy ra khi các