TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Đặc tính hóa, sinh của nước ép bưởi
Bưởi có tên khoa học là Citrus grandis, được trồng rộng rãi ở Trung Quốc, Thái Lan, Việt Nam, Mã Lai… Ở nước ta, nhóm cây ăn quả có múi nói chung, bưởi nói riêng được coi là một trong những loại cây ăn quả chủ lực với nhiều giống bưởi nổi tiếng như bưởi Đoan Hùng, bưởi Phúc Trạch, bưởi Năm Roi, bưởi Diễn, bưởi Tân Triều, bưởi Da Xanh
Bưởi cung cấp chất xơ, vitamin C, nhiều vi chất dinh dưỡng bao gồm folate, thiamin, niacin, vitamin B6, riboflavin, axít pantothenic, kali, calcium, phospho, magie, đồng và các chất phytochemical như flavonoid, carotenoids…[6],[7] Các chất có hoạt tính sinh học trong bưởi có tác dụng tăng cường sức khỏe, giảm nguy cơ mắc các bệnh mãn tính và lão hóa [6],[7]
2.1.1 Thành phần hóa lý trong nước ép bưởi
2.1.1.1 Đường và axít hữu cơ
Tổng chất rắn hòa tan (TSS), hàm lượng axít (TA), độ chín (TSS/TA) là các thông số
6 chất lượng quan trọng ảnh hưởng đến thị hiếu của người tiêu dùng và chất lượng cảm quan Nishad và cộng sự xác định thành phần 16 giống bưởi và đã công bố TSS của bưởi dao động từ 8,27-12,12 °Brix TA trong bưởi dao động từ 0,48-0,96% Nước ép bưởi chứa bốn axít hữu cơ chính bao gồm: axít citric, axít malic, axít succinic và axít ascorbic Trong đó, axít citric là axít chính, chiếm hàm lượng lớn, dao động từ 5,92-11,71 g/L Axít malic chiếm ưu thế thứ hai và dao động từ 0,47-1,47 g/L, tiếp theo là axít ascorbic (0,06-0,43 g/L) và axít succinic (0,125-0,38 g/L) [8],[9] Axít hữu cơ không chỉ ảnh hưởng đến hương vị nước quả mà còn ảnh hưởng đến điều kiện chế biến và bảo quản Đường tổng trong các giống bưởi dao động từ 49,96-102,76 g/L Trong đó, sucrose được xác định là thành phần chính, chiếm 71-80% tổng lượng đường Hai loại đường khác gồm glucose và fructose, có hàm lượng nhỏ (5-20%) và tỷ lệ giữa hai loại đường này gần như bằng nhau [8] Tỉ số TSS/TA cho thấy độ chín của quả, quyết định hương vị và cấu trúc của các loại trái cây Giống bưởi có tỷ lệ TSS/TA cao (> 10) là giống bưởi có chất lượng cảm quan phù hợp để chế biến nước ép Đường và axít hữu cơ còn ức chế và che vị đắng bằng cách tăng ngưỡng cảm nhận hai chất đắng limonin và naringin có trong nước ép bưởi [10]
2.1.1.2 Hợp chất phenolic trong nước ép bưởi
Hợp chất phenolic là một nhóm phức tạp của các chất chuyển hóa thứ cấp trong trái cây Cấu trúc hóa học gồm một nhóm hydroxyl liên kết với một vòng thơm
Phenolics chứa hàm lượng lớn trong nước bưởi Ấn Độ, dao động từ 22,18-48,0 mg GAE/100 mL [7] Kết quả này tương tự như công bố của Cheong và cộng sự [8] Tuy nhiên, phenolics trong nước ép bưởi của Nigeria có hàm lượng thấp hơn (10 mg GAE/
100 mL) [11] Trong đó, naringin là thành phần có hàm lượng lớn nhất (8,94–41,94 mg/100mL) trong hợp chất phenolic [7] Những thành phần khác của hợp chất phenolics trong nước ép bưởi như caffeic, benzoic axít narirutin (0,19 mg/100mL), epicatechin (0,04–0,29 mg/100mL), neoeriocitrin (0,046–0,112 mg/100mL) và hesperidin, chỉ có trong một số giống bưởi (0,070 – 0,22 mg/100mL) [7] Zhang và cộng sự khảo sát thành phần của 4 giống bưởi “Grandis” ở Trung Quốc như C grandis ‘Shatianyu’, C grandis
‘Guanximiyu’, C grandis ‘Yuhuanyu’, và C grandis ‘Cuixiangtianyu’ [12] Tác giả
7 này cũng kết luận naringin là thành phần chủ yếu của hợp chất phenolics có trong các giống bưởi
2.1.1.3 Hoạt tính chống oxy hóa
Chất chống oxy hóa quét gốc tự do, giúp người sử dụng ngăn ngừa một số căn bệnh như viêm khớp, tiểu đường và ung thư [6],[7] Gardner và cộng sự đã xác định được axít ascorbic chiếm từ 65 đến 100 % hoạt tính chống oxy hóa trong nước ép bưởi [13] Đồng thời, giữa hợp chất phenolic và hoạt tính chống oxy hóa có mối quan hệ tuyến tính (R 2
= 0,8), cho phép kết luận phenolics cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến hoạt tính chống oxy hóa Như vậy, trong nước ép bưởi, axít ascorbic, naringin (thuộc nhóm phenolics) là những hợp chất đóng góp chính cho hoạt tính chống oxy hóa Ngoài ra, các chất chống oxy hóa như các hợp chất carotenoids và hợp chất flavonoid khác, cũng có thể có hiệu quả chống oxy hóa Do đó, giữa các giống bưởi khác nhau có sự khác nhau về hoạt tính chống oxy hóa, có thể là do thành phần hóa học khác nhau hoặc do liên kết cộng hưởng hoặc đối kháng giữa những hợp chất phenolic khác nhau [14]
Nước ép bưởi chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học tốt cho sức khỏe, một vài chất trong số chúng là những chất gây đắng, gia tăng trong quá trình chế biến làm giảm chất lượng cảm quan của sản phẩm Trong đó, limonin và naringin được cho là hai thành phần chính gây ra vị đắng
Naringin là flavanone có hàm lượng lớn nhất và là thành phần gây đắng chủ yếu trong nước bưởi [15] Ngưỡng cảm nhận vị đắng của naringin trong nước ép bưởi khoảng 20 mg/L [16]
Limonin, dẫn xuất triterpene của nhóm limonoid, là chất gây đắng chính trong nước cam, có thể có mặt một lượng nhỏ trong một số giống bưởi Tuy nhiên, chất đắng gây ra do limonin được gọi là "chất đắng muộn", gia tăng trong quá trình bảo quản và xử lý nhiệt, làm giảm chất lượng nước ép chế biến Limonin được phát hiện bởi vị giác ở hàm lượng thấp, khoảng 6 - 8 mg/L Limonin là chất đắng được tổng hợp từ chất không đắng limonoate A -ring lactone (LARL), sau khi tiếp xúc với môi trường axít (xảy ra ở công
8 đoạn ép), chuyển thành limonin do xúc tác của enzyme limonin D-ring lactone hydrolase [17]
Hàm lượng naringin và limonin phụ thuộc vào độ chín của quả, giống bưởi, phương pháp chế biến Do đó, chọn giống bưởi, độ chín, phương pháp chế biến phù hợp là một yếu tố quan trọng được xem xét trong chế biến nước ép bưởi
2.1.2 Vi sinh vật trong nước ép bưởi
2.1.2.1 Vi sinh vật gây bệnh
Vi sinh vật (VSV) nhiễm vào nước ép trái cây qua nguồn nước dùng để rửa/ phối chế hoặc do thiếu kiểm soát vệ sinh trong quá trình chế biến Nước ép bưởi có tính axít (pH
< 4,6), nguy cơ tồn tại những VSV gây bệnh như chủng E coli O157:H7, các chủng
Salmonella, và loài ký sinh đơn bào Cryptosporidium parvum, có thể gây ngộ độc thực phẩm nghiêm trọng [18] Trong đó, E coli O157:H7 và Salmonella spp là những VSV đích, được kiểm soát chặt chẽ trong ngành công nghiệp chế biến nước trái cây họ có múi [19] Để đảm bảo an toàn sinh học cho người tiêu dùng nước trái cây, cơ quan FDA đã yêu cầu các nhà chế biến phải có chế độ xử lý để đạt mức giảm tối thiểu 5 log đối với loại VSV gây bệnh có tính kháng cao nhất [18]…
Nhiễm E coli O157:H7 gây hiện tượng tan huyết, tăng ure [20] E coli O157:H7 có thể sống và phát triển được trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí, chịu được axít của dạ dày hoặc trong các thực phẩm có tính axít [19] Nhiệt độ tăng trưởng của E coli
Đặc tính của nước ép bưởi Năm Roi
Việt Nam có nhiều giống bưởi nổi tiếng như bưởi Năm Roi, bưởi Tân Triều, bưởi da xanh, bưởi Diễn…Một số đặc điểm nổi bậc về bưởi được trồng ở Việt Nam như sau:
- Bưởi năm roi nhanh cho thu hoạch, sau 2,5 năm trồng cây đã có thể ra hoa đậu quả Bưởi Năm Roi nhiều nước, nước ép bưởi có mùi hương khá đậm, màu vàng sáng, vị chua ngọt hài hòa (TSS/TA >17 (mg/100 g), ít đắng, hàm lượng vitamin C cao, được mô tả chi tiết như sau:
+ Về mặt cảm quan: Bưởi Năm Roi có hình quả lê, núm thấp, khi chín màu xanh vàng đến vàng, vỏ mỏng, dễ bóc Trọng lượng trung bình của bưởi từ 1-1,4 kg, ruột đặc, tỷ lệ ăn được là 55 – 60 %, múi đều, dễ tách, có mùi thơm đậm đà, và đặc biệt là rất ít hạt hoặc không có hạt
+ Về mặt chất lượng: Bưởi Năm Roi có vị ngọt thanh, hơi chua nhẹ, không đắng, không the Hàm lượng nước trung bình 89 % (cao nhất 90,41 %, thấp nhất 88,13 %), hàm lượng chất khô trung bình 10,58 % (cao nhất 11,87 %, thấp nhất 9,59 %), hàm lượng đường tổng số trung bình 6,88 % (cao nhất 7,91 %, thấp nhất 5,8 %), hàm lượng chất rắn hòa tan (độ Brix) trung bình 10,23 % (cao nhất 10,82 %, thấp nhất 9,67 %), hàm lượng axít trung bình 0,48 % (cao nhất 0,63 %, thấp nhất 0,32 %), hàm lượng vitamin C trung bình 55,54 mg/100g (cao nhất 67,86 mg, thấp nhất 49,16 mg) (Chỉ dẫn địa lý số 00036, Quyết định số 2064/QĐ-SHTT, Cục SHTT, 2013)
Trong các giống bưởi của Việt Nam, bưởi Năm Roi nhiều nước, nước ép bưởi có màu sắc vàng sáng, mùi hương khá đậm, vị chua ngọt hài hòa (TSS/TA >17), ít đắng, hàm lượng vitamin C cao rất phù hợp để chế biến nước ép quả.
Gia nhiệt Ohm
Thanh trùng/tiệt trùng bằng nhiệt được ứng dụng phổ biến hiện nay là các phương pháp gia nhiệt gián tiếp theo phương thức gia nhiệt trong bao bì, hoặc ngoài bao bì (sử dụng các bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, bản mỏng…) Phương pháp này truyền nhiệt cho thực phẩm theo cơ chế dẫn nhiệt và đối lưu có tốc độ truyền nhiệt chậm vì độ dẫn nhiệt của thực phẩm thấp Do đó, để nhiệt độ tại tâm khối thực phẩm đạt được nhiệt độ cần thiết đã gây ra sự quá nhiệt cho lớp ngoài Trong hầu hết các trường hợp, chế độ xử lý nhiệt để đạt được sự an toàn và ổn định lâu dài về VSV lại làm thực phẩm bị biến đổi
12 tính chất lý, hóa, cảm quan như mất các hợp chất có hoạt tính sinh học nhạy nhiệt, biến đổi cấu trúc, màu sắc và hương vị Để khắc phục nhược điểm trên, gia nhiệt Ohm (OH) được đánh giá là phương pháp gia nhiệt có triển vọng Phương pháp OH được gọi là phương pháp gia nhiệt thể tích, là quá trình gia nhiệt HTST (thời gian ngắn, nhiệt độ cao), hạn chế những biến đổi tính chất hóa lý và cảm quan của thực phẩm [36]
Gia nhiệt Ohm (OH), còn gọi là gia nhiệt Joule, là một quá trình sinh nhiệt khi cho một dòng điện xoay chiều đi qua khối thực phẩm, trong đó thực phẩm đóng vai trò như một điện trở, cản trở dòng điện nên điện năng chuyển thành nhiệt năng bên trong khối thực phẩm [37], do đó cần sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực và dòng thực phẩm
Nguyên tắc của OH được trình bày như Hình 2.3 Suốt quá trình OH, điện thế dòng điện xoay chiều được áp vào 2 đầu điện cực Nhiệt sinh ra bằng bình phương cường độ điện trường áp dụng và độ dẫn điện của thực phẩm 𝑄 = σ ∗ 𝐸 2 , trong đó σ là độ dẫn điện và
E là cường độ điện trường [38]
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp gia nhiệt Ohm
Kỹ thuật OH đã được phát triển và ứng dụng vào thế kỷ thứ 19 và nửa đầu thế kỷ 20 (Getchell, 1935) Đối với thực phẩm lỏng hoặc rắn – lỏng, OH đã được ứng dụng ở qui mô công nghiệp trên phạm vi sáu bang của nước Mỹ [39] Sau đó, công nghệ này đã biến mất do không có vật liệu làm điện cực trơ và khó khăn trong kiểm soát các thông số vận hành [37] Trong vòng hai thập kỷ qua, ngành công nghệ vật liệu đã có những
13 bước tiến, phát triển được vật liệu chống ăn mòn, đồng thời đã phát triển kỹ thuật kiểm soát tốt các thông số hệ thống của thiết bị OH Hiệp hội ngành điện của Vương quốc Anh đã cấp phép giải pháp công nghệ và bằng sáng chế cho tập đoàn APV Baker về thiết bị OH [40] Do đó, nhóm công nghệ này đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và phát triển ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm
2.3.2 Cấu hình cơ bản của hệ thống gia nhiệt Ohm
Nguồn Lee và cộng sự [5]
Hình 2.4 Mô hình nguyên lý hoạt động thiết bị gia nhiệt Ohm
Hình 2.5 Bộ phận gia nhiệt Ohm (a-gián đoạn; b, c, d-liên tục)
Hệ thống thiết bị OH điển hình bao gồm: bộ phận chứa mẫu, hai điện cực, cảm biến nhiệt, thiết bị điều chỉnh tần số, thiết bị điều chỉnh cường độ điện trường, máy tính Bộ phận chứa mẫu thường được làm bằng thủy tinh hoặc teflon có tính trơ, cách điện (Hình 2.4) Mẫu được đặt giữa hai điện cực và luôn phải tiếp xúc với điện cực Dòng điện đi qua bộ phận OH được điều chỉnh tần số nhờ thiết bị phát xung và điều chỉnh cường độ điện trường nhờ thiết bị khuếch đại cường độ điện trường Nhiệt sinh ra trong mẫu thực phẩm được ghi nhận bằng thiết bị cảm biến nhiệt, đặt tại tâm của bộ phận chứa mẫu, sau đó được chuyển về máy tính để xử lý kết quả OH gồm phương thức gia nhiệt gián đoạn hoặc liên tục (Hình 2.5)
2.3.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp gia nhiệt Ohm
Gia nhiệt Ohm (OH) là một phương pháp gia nhiệt trực tiếp, cung cấp nhiệt nhanh và đồng nhất cho khối thực phẩm [1] Do đó, không xảy ra sự quá nhiệt giữa lớp bề mặt và tâm khối thực phẩm Sản phẩm sau xử lý nhiệt bằng phương pháp OH sẽ ít xuất hiện những biến đổi về dinh dưỡng, cảm quan [41] và hạn chế sự tổn thất năng lượng (tiết kiệm được 82 đến 97 % năng lượng) so với gia nhiệt truyền thống [4] Ngoài ra, bộ thiết bị OH không có bề mặt truyền nhiệt nóng nên không làm cháy sản phẩm, không phân hủy những thành phần nhạy nhiệt [42] Phương pháp OH có hiệu quả sử dụng năng lượng cao, không gây ô nhiễm môi trường [42] Kĩ thuật OH hứa hẹn là một kĩ thuật gia nhiệt tiềm năng ứng dụng để bảo quản, chế biến thực phẩm
Bên cạnh những ưu điểm như trên, phương pháp OH cũng có một số hạn chế Lượng nhiệt tạo ra trong quá trình OH liên quan trực tiếp đến độ dẫn điện của thực phẩm [43]
Do đó, OH không phù hợp để ứng dụng cho thực phẩm có chứa thành phần không phân cực như chất béo và thực phẩm có độ ẩm thấp [44] Ngoài ra, mỗi loại thực phẩm có độ dẫn điện khác nhau, tức là tốc độ gia nhiệt khác nhau, cần phải khảo sát lại trên từng đối tượng nghiên cứu
Tác động của OH đến thực phẩm là tác động kép của điện và nhiệt Bên cạnh tác động nhiệt, các phản ứng điện hóa tiềm ẩn ở bề mặt tiếp xúc giữa các điện cực và thực phẩm
15 cũng như những ảnh hưởng phi nhiệt của điện trường cũng có thể xảy ra [45], tùy thuộc vào điều kiện của quá trình Cần khảo sát và kiểm soát chặt chẽ các thông số để ngăn ngừa những hiệu ứng không mong muốn, đồng thời nâng cao hiệu quả quá trình xử lý
2.3.4 Phản ứng điện hóa và ăn mòn điện cực trong gia nhiệt Ohm
Stirling (1987) báo cáo có phản ứng điện hóa xảy ra trong quá trình OH Các hiệu ứng điện hóa giảm dần khi tăng tần số dòng điện [46] Sử dụng điện cực titanium và titanium mạ platin để OH cũng hạn chế được các phản ứng điện hóa khi gia nhiệt ở tần số thấp (50 Hz, 60 Hz) [47]
Trong suốt quá trình OH luôn có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực và thực phẩm Tính chất điện tử tại bề mặt điện cực sẽ thay đổi khi đặt vào điện cực cường độ điện trường khác nhau thông qua nguồn điện bên ngoài Điện tử từ điện cực giải phóng ra là nguyên nhân chính cho sự ăn mòn bề mặt điện cực
Thiết bị gia nhiệt OH có cấu trúc như một pin điện hóa Tại điện cực xảy ra quá trình oxy hóa (điện cực nhận electron), được gọi là “cực dương (anode)” và tại điện cực xảy ra quá trình khử (điện cực cho electron) được gọi là “cực âm (cathode)” [48] Những vị trí trên bề mặt điện cực xảy ra phản ứng oxy hóa khử hình thành các lỗ thủng Trong quá trình xử lý OH, điện cực bị ăn mòn khi sử dụng AC tần số thấp (