Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu trích ly chất chống oxy hóa từ vỏ và thịt quả cà phê Robusta (coffea canephora) và ứng dụng trong nước giải khát giàu chất chống oxy hóa

NGUYỄN CHIÊU BÌNH

NGHIÊN CỨU TRÍCH LY CHẤT CHỐNG OXY HÓA TỪ VỎ

VÀ THỊT QUẢ CÀ PHÊ ROBUSTA (COFFEA CANEPHORA)

VÀ ỨNG DỤNG TRONG NƯỚC GIẢI KHÁT GIÀUCHẤT CHỐNG OXY HÓA

Chuyên ngành:Công nghệ Thực phẩm

Mã số:8540101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2021

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS TS Đống Thị Anh Đào

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Thị Lan Phi

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Trung Thiên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 31 tháng 08 năm 2021 (trực tuyến).

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 Chủ tịch: PGS TS Lê Nguyễn Đoan Duy

2 Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Thị Lan Phi3 Phản biện 2: PGS TS Lê Trung Thiên4 Ủy viên: GS TS Đống Thị Anh Đào5 Ủy viên, Thư ký: TS Tạ Thị Minh Ngọc

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa ( nếu có).

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Chiêu Bình MSHV: 1870264 Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1991 Nơi sinh: Sóc Trăng Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số : 8540101

I TÊN ĐỀ TÀI:Nghiên cứu trích ly chất chống oxy hóa từ vỏ và thịt quả cà phê

Robusta (Coffea canephora) và ứng dụng trong nước giải khát giàu chất chống oxy

hóa

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chần đến hàm lượng phenolic tổng (TPC) và khả năng chống oxy hóa của nguyên liệu

2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số trích ly bằng dung môi nước đến hàm lượng TPC và khả năng chống oxy hóa của nguyên liệu

3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ của enzyme cellulase, pectinase và tannase đến TPC và khả năng chống oxy hóa của nguyên liệu

4 Ứng dụng dịch trích để tạo thành sản phẩm nước giải khát giàu chất chống oxy hóa

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22/02/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2021 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS Đống Thị Anh Đào

LỜI CẢM ƠN

Thời gian trôi qua thật nhanh, thấm thoát đã hai năm, tôi đã hoàn thành chương trình học thạc sĩ và hoàn thành luận văn tốt nghiệp Trong thời gian học tập và làm luận văn, tôi không thể nào không biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô Bộ môn Công nghệ Thực phẩm trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn, GS TS Đống Thị Anh Đào - người thầy luôn tận tâm đối với học trò của mình Cô đã truyền lửa và động viên tôi mỗi khi gặp khó khăn hay trở ngại trong nghiên cứu Nếu không có sự giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện của Cô, tôi không thể hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này Tôi không biết nói gì hơn là một lời cảm ơn chân thành đến Cô, người mà những năm tháng sau này khi rời khỏi mái trường Đại học Bách Khoa tôi sẽ không bao giờ quên

Tiếp theo, tôi xin cảm ơn tất cả các bạn cùng làm luận văn tại phòng thí nghiệm B10 – Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, cảm ơn vì đã cùng nhau chia sẻ những niềm vui, nỗi buồn Đặc biệt, tôi gửi lời cảm ơn đến hai bạn sinh viên: Nguyễn Thị Hoài và Hồ Thủy Tiên đã đồng hành, sát cánh cùng tôi trong suốt mùa luận văn vừa qua

Con xin chân thành cảm ơn Cha, Mẹ đã nuôi dưỡng, dìu dắt con những bước đầu đời, luôn tạo điều kiện và ủng hộ con trong suốt quá trình học tập cũng như trong cuộc sống Gia đình mãi mãi là điểm tựa, là nơi bình yên nhất của đời con

Cuối cùng, tôi xin cầu chúc những điều hạnh phúc và tốt đẹp nhất sẽ đến với quý Thầy, Cô, Cha Mẹ và tất cả bạn bè

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 8 năm 2021

Học viên

Nguyễn Chiêu Bình

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Mục đích của nghiên cứu này nhằm tận dụng vỏ và thịt quả cà phê để thu nhận dịch trích chứa chất chống oxy hóa và ứng dụng trong sản phẩm nước giải khát giàu chất chống oxy hóa Đầu tiên, ảnh hưởng của phương pháp chần (phương pháp chần vỏ và phương pháp chần nguyên quả) và thời gian chần đến hàm lượng phenolic tổng (TPC) và hoạt tính chống oxy hóa theo 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) của dịch trích vỏ và thịt quả cà phê được khảo sát Tiếp theo, phương pháp trích ly bằng nước nóng và phương pháp trích ly có hỗ trợ enzyme được sử dụng để thu nhận dịch trích chứa các hợp chất phenolic từ vỏ và thịt quả cà phê Sau đó, dịch trích thể hiện TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH cao nhất thu được từ hai phương pháp trên được sử dụng sản xuất sản phẩm nước giải khát Cảm quan, TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của sản phẩm được đánh giá Cuối cùng, sản phẩm có điểm cảm quan cao nhất được bảo quản trong 30 ngày ở 8±2℃ và trong quá trình này, sự thay đổi TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của sản phẩm được theo dõi

Đối với phương pháp chần, dịch trích từ phương pháp chần vỏ và thịt quả cà phê với thời gian chần 1 phút có TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH cao nhất, lần lượt cao hơn 1,75 và 2,07 lần so với với các giá trị này của dịch trích từ mẫu không chần

Đối với phương pháp trích ly bằng dung môi nước, dịch trích thể hiện TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH cao nhất với giá trị lần lượt 57,89 ± 0,78 (mg GAE/g chất khô nguyên liệu) và 566,28 ± 18,32 (µmol TE/g chất khô nguyên liệu) thu được dưới điều kiện trích ly gồm nhiệt độ 90℃, thời gian trích ly 25 phút và tỷ lệ nguyên liệu:nước 1:40 (w/v)

Phương pháp trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme thu được dịch trích có TPC đạt 62,21 ± 1,76 (mg GAE/g chất khô nguyên liệu) và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH đạt 631,14 ± 16,27 (µmol TE/g chất khô nguyên liệu) với điều kiện trích ly gồm hỗn hợp enzyme tannase (hàm lượng 2 U/g chất khô nguyên liệu) và

pectinase (hàm lượng 150 U/g chất khô nguyên liệu), 50℃, tỷ lệ nguyên liệu:nước 1:25 (w/v) và thời gian trích ly 60 phút

Nước giải khát sản xuất từ dịch trích thu bằng phương pháp trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme có điểm cảm quan, TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH lần lượt đạt 7,12 ± 0,78 (mức độ: thích), 102,69 ± 3,47 (mg GAE/100 ml sản phẩm) và 1003,17 ± 54,02 (µmol TE/100 ml sản phẩm), tương ứng cao hơn 1,19, 1,06 và 1,08 lần so với các giá trị này của sản phẩm từ dịch trích thu được từ phương pháp trích ly bằng dung môi nước TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của sản phẩm sản xuất từ dịch trích thu bằng phương pháp trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme thay đổi không có ý nghĩa thống kê trong 12 ngày bảo quản

Từ kết quả nghiên cứu này có thể kết luận rằng dịch trích chất chống oxy hóa từ vỏ và thịt quả cà phê sử dụng phương pháp trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme thể hiện tiềm năng cao để ứng dụng sản xuất nước giải khát có hoạt tính chống oxy hóa Nghiên cứu này cũng mở ra hướng sử dụng mới cho phụ phẩm ngành công nghiệp chế biến cà phê, tăng giá trị kinh tế đồng thời giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường của nguồn phụ phẩm này

ABSTRACT

This study aimed to utilize coffee pulp to recover antioxidant extract which was applied to antioxidant-enriched beverage production Firstly, the effects of blanching methods (pulp-blanching method and whole fruit-blanching method) and blanching time on total phenolic content (TPC) and 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) scavenging activity were investigated Subsequently, hot water extraction and enzyme-assisted extraction were employed to obtain phenolic extract from coffee pulp After that, the extracts exhibiting the highest TPC and DPPH scavenging activity from those extraction methods were considered as an ingredient to produce cascara which was then tested for their sensory, TPC and DPPH scavenging activity Finally, the beverage possessing the highest sensory score was stored at 8 ± 2℃ in 30 days during which the change in its TPC and DPPH scavenging activity was examined

In the blanching process, the extract from the pulp-blanching method in 1 minute expressed the highest TPC and DPPH scavenging activity, which were 1.75 and 2.07 folds greater than the values from the unblanched sample

With the respect to water extraction, the extract obtained under the condition including extraction temperature of 90℃, extraction time of 25 minutes and coffee pulp:water ratio of 1:40 (w/v) showed the greatest TPC of 57.89 ± 0.78 (mg GAE/g material dry matter) and DPPH scavenging activity of 566.28 ± 18.32 (µmol TE/g material dry matter)

Meanwhile, the enzyme-assisted extract having the highest TPC of 62.21 ± 1.76 (mg GAE/g material dry matter) and DPPH scavenging activity of 631.14 ± 16.27 (µmol TE/g material dry matter) was gained under the condition consisting of tannase (2 U/g material dry matter):pectinase (150 U/g material dry matter) mixture, 50℃, coffee pulp:water ratio of 1:25 (w/v) and 60 minutes of extraction

Sensory score, TPC and DPPH scavenging activity of beverage derived from enzyme-assisted extract achieved 7.12 ± 0.78 (acceptability level: like moderately),

102.69 ± 3,47 (mg GAE/100 ml product) and 1003.17 ± 54.02 (µmol TE/100 ml product), which were 1.19, 1.06 and 1.08 folds higher than those of beverage originated from water extract The beverage produced from enzyme-assisted extract could stably maintain its TPC and DPPH scavenging activity up to 12 days of storage The results come to a conclusion that enzyme-assisted phenolic extract from coffee pulp exhibits huge potential in production of antioxidant-enriched beverage This study also opens a new way to utilize the coffee processing by-product, improving its economic value and simultaneously reducing its environmentally pollution risk

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS Đống Thị Anh Đào Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất cứ một nguồn nào, dưới bất cứ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm qui chế đào tạo, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 8 năm 2021

Học viên

Nguyễn Chiêu Bình

Giới thiệu chung 2

Tình hình sản xuất và tiêu thụ chung của thế giới 3

Thị trường Việt Nam 4

1.2 Vỏ và thịt quả cà phê 4

Giới thiệu chung 4

Một số hợp chất có hoạt tính chống oxy hóa trong vỏ và thịt quả cà phê 6 Tình hình nghiên cứu vỏ và thịt quả cà phê trên thế giới 15

Tình hình nghiên cứu vỏ và thịt quả cà phê ở Việt Nam 17

1.3 Tổng quan về phương pháp trích ly 17

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly 18

Phương pháp trích ly bằng dung môi nước 19

Phương pháp trích ly bằng dung môi có hỗ trợ enzyme 20

1.3.3.2 Enzyme pectinase 22

1.3.3.3 Enzyme tannase 23

1.4 Ứng dụng của vỏ và thịt quả cà phê trong thực phẩm 24

CHƯƠNG 2 : NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.3 Phương pháp nghiên cứu 29

Sơ đồ nghiên cứu 29

Quy trình thu nhận dịch trích 30

2.3.2.1 Sơ đồ quy trình 30

2.3.2.2 Thuyết minh quy trình 31

Quy trình tạo mẫu nước giải khát 33

2.3.3.1 Sơ đồ quy trình 33

2.3.3.2 Thuyết minh quy trình 34

Nội dung nghiên cứu 35

2.3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chần đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa 35

2.3.4.2 Khảo sát quá trình trích ly bằng dung môi nước 37

2.3.4.3 Khảo sát quá trình trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme 38 2.3.4.4 Ứng dụng dịch trích từ vỏ và thịt quả cà phê để tạo thành nước giải

khát giàu chất chống oxy hóa 41

2.4 Phương pháp phân tích 42

Xác định độ ẩm 42

Xác định hàm lượng polyphenol tổng 42

Xác định khả năng chống oxy hóa theo DPPH 42

Phương pháp đánh giá cảm quan 42

2.5 Phương pháp xử lý số liệu 42

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43

3.1 Ảnh hưởng của thời gian chần đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa 43

3.2 Ảnh hưởng của các thông số trích ly bằng dung môi nước đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa 46

Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly 46

Ảnh hưởng của thời gian trích ly 47

Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu: dung môi nước 49

3.3 Ảnh hưởng của các thông số trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa 51

Ảnh hưởng của hàm lượng enzyme 51

Ảnh hưởng của enzyme kết hợp 55

Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly 56

Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu:dung môi 58

Ảnh hưởng của thời gian trích ly 59

3.4 Ứng dụng dịch trích từ vỏ và thịt quả cà phê để tạo thành nước giải khát giàu

chất chống oxy hóa 60

Đánh giá chất lượng cảm quan sản phẩm và xác định hoạt tính chống oxy hóa của nước giải khát 60

Chất lượng nước giải khát từ vỏ và thịt quả cà phê 63

Theo dõi sự biến đổi TPC, hoạt tính chống oxy hóa của sản phẩm theo thời gian bảo quản 65

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

A.2 Xác định hàm lượng polyphenol tổng 85

A.3 Xác định khả năng kháng oxy hóa theo dpph 87

A.4 Đánh giá chất lượng cảm quan sản phẩm 89

Phụ lục B: Kết quả thí nghiệm 90

B.1 Xây dựng đường chuẩn 90

B.2 Xác định hoạt tính chống oxy hóa của dịch trích 91

B.3 Ứng dụng dịch trích từ vỏ và thịt quả cà phê để tạo thành nước giải khát giàu chất chống oxy hóa 98

DANH MỤC BẢNG

Tổng quan tình hình nghiên cứu vỏ và thịt quả cà phê trên thế giới 16 Hóa chất dùng trong nghiên cứu 27 Thiết bị dùng trong nghiên cứu 28 Công thức của sản phẩm nước giải khát 1 (dịch trích từ quá trình trích ly bằng dung môi nước) 34 Công thức của sản phẩm nước giải khát 2 (dịch trích từ quá trình trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme) 34 Chỉ tiêu chất lượng nước giải khát từ vỏ và thịt quả cà phê (phương pháp trích ly bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme) 63

DANH MỤC HÌNH

Thành phần cấu tạo quả cà phê 5

Mô phỏng cơ chế ngăn chặn quá trình oxy hóa lipid của polyphenols (PP) [23] 8

Hiệu ứng liên hợp làm bền gốc tự do có bản chất polyphenols [23] 8

Công thức cấu tạo của chlorogenic acid 9

Một cơ chế chống oxy hóa của caffeic acid [27] 11

Mô phỏng cơ chế nhốt gốc tự do của ferulic acid hoặc dẫn xuất của nó [32] 12

Mô phỏng cơ chế chống oxy hóa của rutin [35] 13

Mô phỏng cơ chế chống oxy hóa của EC [36] 14

Mô phỏng cơ chế chống oxy hóa Adenine của Theophylline, sản phẩm của phản ứng giữa caffeine và oxy hoạt động [38] 15

Mô phỏng tương tác giữa phenolic acids và thành phần thành tế bào thực vật [21] 20

Mô phỏng cơ chế quá trình trích ly có hỗ trợ enzyme [14] 21

Mô phỏng cơ chế thủy phân cellulose của enzyme cellulase [21] 22

Mô phỏng cơ chế thủy phân pectin của enzyme pectinase [21] 23

Mô phỏng cơ chế thủy phân tannin của enzyme tannase [49] 23

Bột vỏ và thịt quả cà phê 25

Sơ đồ nghiên cứu 29

Quy trình thu nhận dịch trích vỏ và thịt quả cà phê quy mô phòng thí nghiệm 30

Quy trình tạo mẫu nước giải khát 33

Ảnh hưởng của phương pháp chần và thời gian chần đến TPC của bột vỏ và thịt quả cà phê 45 Ảnh hưởng của phương pháp chần và thời gian chần đến hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 45 Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly bằng dung môi nước đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 47 Ảnh hưởng của thời gian trích ly bằng dung môi nước đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 49 Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu:nước đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 50 Ảnh hưởng của hàm lượng enzyme cellulase đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của dịch trích bột vỏ và thịt quả cà phê 54 Ảnh hưởng của hàm lượng enzyme tannase đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 54 Ảnh hưởng của hàm lượng enzyme pectinase đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 55 Ảnh hưởng của enzyme sử dụng hỗ trợ trích ly đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 56 Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly có hỗ trợ enzyme đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 57 Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu: nước đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 58 Ảnh hưởng của thời gian trích ly có hỗ trợ enzyme đến TPC và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH của bột vỏ và thịt quả cà phê 60 TPC (a) và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH (b) của dịch trích thu được từ 2 phương pháp trích ly và sản phẩm từ chúng 62

Điểm cảm quan của các mẫu thí nghiệm 63 Sản phẩm nước giải khát từ vỏ và thịt quả cà phê 64 Nhãn sản phẩm 64 Sự thay đổi TPC (a) và hoạt tính chống oxy hóa theo DPPH (b) của sản phẩm từ dịch trích bằng dung môi nước có hỗ trợ enzyme từ vỏ và thịt quả cà phê theo thời gian bảo quản 65

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ANOVA: Analysis Of Variance - Phân tích sự khác biệt DPPH: 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl

GAE: Gallic acid equivalent - Đương lượng acid gallic NL: Nguyên liệu

NL:DM: Nguyên liệu:dung môi TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TE: Trolox equivalent - Đương lương trolox

TPC: Total phenolic content - Hàm lượng phenolic tổng TLTK: Tài liệu tham khảo

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

MỞ ĐẦU

Việt Nam là quốc gia xuất khẩu cà phê lớn thứ 2 trên thế giới cũng là một trong các nước sản xuất và xuất khẩu cà phê Robusta lớn nhất toàn cầu Cà phê xuất khẩu chủ yếu là cà phê nhân, chiếm khoảng 90% Theo Hiệp hội Cà phê - Cacao Việt nam, sản lượng cà phê niên vụ 2019 – 2020 đạt 1,8 triệu tấn [1] Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến cà phê nhân, một lượng lớn phụ phẩm được thải ra môi trường Tùy phương pháp chế biến cà phê nhân là phương pháp khô, bán khô hay ướt mà phụ phẩm có thành phần hóa học và khối lượng khác nhau Trong đó phương pháp chế biến ướt tạo ra khoảng 40 - 50% khối lượng vỏ và thịt quả cà phê [2] Trong vỏ và thịt quả cà phê ngoài chất xơ, carbohydrate, protein và khoáng còn chứa các chất có hoạt tính sinh học quý giá như flavan-3-ols, acid hydroxycinnamic, flavanols và anthocyanidins [3] Các hợp chất này có khả năng giảm nguy cơ mắc nhiều loại bệnh, bao gồm cả bệnh ung thư, tim mạch, tiểu đường

Trên thế giới, có nhiều công trình nghiên cứu khoa học về phụ phẩm này như thu nhận polyphenol và đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa [4], chlorogenic acid có hoạt tính ngăn chặn tích tụ lipid trong tế bào tạo mỡ 3t3-L1[5], thu nhận pectin và đánh giá khả năng tạo gel [6] Ngoài ra, phụ phẩm này là nguồn nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm thực phẩm như trà cascara (vỏ và thịt quả cà phê phơi khô), nước uống “Antioxidant water” và “Hawaiian Coffeeberry juice” [7,8] Tuy nhiên, hiện tại Việt Nam chưa quan tâm nhiều đến việc thu nhận các hợp chất có hoạt tính sinh học và phát triển các sản phẩm giá trị gia tăng từ phụ phẩm của ngành chế biến cà phê nhân Chủ yếu chúng được sử dụng làm chất đốt, phân bón hữu cơ, cơ chất trồng nấm Vì vậy, việc chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ vỏ và thịt quả cà phê để sản xuất các sản phẩm có lợi cho sức khỏe con người là một trong những hướng nghiên cứu hứa hẹn nhất để nâng cao giá trị phụ phẩm từ ngành công nghiệp chế biến cà phê nhân

Nhằm giải quyết một lượng lớn vỏ và thịt quả được thải ra từ ngành công nghiệp chế biến cà phê nhân và nâng cao giá trị sử dụng của chúng, tôi quyết định thực hiện đề

tài: “Nghiên cứu trích ly chất chống oxy hóa từ vỏ và thịt quả cà phê Robusta (Coffea

canephora) và ứng dụng trong sản phẩm nước giải khát giàu chất chống oxy hóa” Mục

đích của nghiên cứu này là trích ly chất chống oxy hóa có trong nguyên liệu vỏ và thịt quả cà phê và ứng dụng trong sản phẩm nước giải khát

Cây thuộc dạng bụi, cao 3-5m, trong điều kiện đất đai thuận lợi có thế cao 7-10m Đơn thân hoặc nhiều thân, nhiều cành nằm ngang, lá đối xứng, hình trứng dài, rìa lá quăn, xanh đậm, phiến lá có nhiều gân, kích thước lá thay đổi theo từng chủng và điều kiện ngoại cảnh, thường dài từ 10-15 cm, rộng từ 4-6 cm

Hiện nay, có ba chủng cà phê được trồng chủ yếu trên thế giới cũng như ở Việt Nam là chủng cà phê chè (Arabica coffee), chủng cà phê vối (Robusta coffee) và chủng cà phê mít (Chari coffee) [9] :

• Hạt cà phê Arabica có vỏ lụa màu bạc, ít bám nhân, kích thước dài từ 5-10mm, rộng 4-7mm, dày 2-4mm và trọng lượng hạt 500-700 hạt/100g Hàm lượng caffeine trong nhân từ 0,9-1,8% khối lượng chất khô Cà phê Arabica mang hương vị chua thanh, đắng nhẹ, khi pha có màu nâu nhạt, trong trẻo màu hổ phách Ở Việt Nam, có 3 giống cà phê Arabica chính gồm Typica, Bourbon (xuất xứ từ Pháp), Catimor (xuất xứ từ Bồ Đào Nha, giống chiếm phần lớn sản lượng cà phê Arabica tại Việt Nam) và Catuai [10]

• Hạt Robusta có hình bầu dục hoặc hình tròn, vỏ lụa màu trắng rất khó bong, dài 5-8mm, trọng lượng hạt 600-900 hạt/100g Hàm lượng caffeine trong nhân từ 2,0-3,0%

hàm lượng chất khô Cà phê Robusta có vị đắng là chủ yếu Robusta có 2 giống gồm Robusta Sẻ (dòng Robusta thuần chủng, hạt nhỏ nhưng kết cấu chắc và nặng), và Robusta Cao Sản (sản lượng lớn và năng suất cao, khả năng chống chịu sâu bệnh tốt, được dùng để chiết xuất acid chlorogenic hoặc làm cà phê hòa tan) [10]

• Hạt cà phê mít có hình dáng giống hạt cà phê Arabica, hạt có màu vàng xanh hay màu vàng rạ, vỏ lụa dính sát vào nhân, khó bong Trọng lượng hạt 700-1000 hạt/100g Giá trị thương phẩm hạt không đều, khó chế biến, hương vị thất thường Chủng cà phê có 2 giống chính gồm Liberica và Exelsa [10]

Tình hình sản xuất và tiêu thụ chung của thế giới

Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA), sản lượng cà phê toàn cầu niên vụ 2020 - 2021 dự kiến đạt 10.53 triệu tấn, cao hơn niên vụ trước 420 nghìn tấn Theo Hiệp hội Cà phê - Cacao Việt Nam, sản lượng cà phê niên vụ 2019 - 2020 đạt 1,8 triệu tấn Theo số liệu tính toán từ Tổng cục Hải quan, xuất khẩu cà phê robusta tháng 11/2020 đạt 70,78 nghìn tấn, trị giá 111 triệu USD

Brazil, Việt Nam, Colombia, Indonesia và Ấn Độ là năm quốc gia sản xuất cà phê hàng đầu thế giới [11] Trong đó, Brazil là nước sản xuất cà phê có sản lượng cao nhất với sản lượng Arabica dự tính đạt 2.87 triệu tấn (niên vụ 2020-2021), tăng 348 nghìn tấn bao so với niên vụ trước Mặt khác, cà phê Robusta ước tính đạt mức kỷ lục với 1.26 triệu tấn tăng thêm 96 nghìn tấn Lượng mưa được phân bổ đều ở ba bang chiếm sản lượng lớn là Espirito Santo, Rondonia và Bahia Cùng với việc cải tiến kỹ thuật và nhân giống vô tính đã thúc đẩy gia tăng sản lượng

Theo báo cáo của Cục Xuất Nhập Khẩu, trong 6 tháng đầu năm 2020, Việt Nam đã xuất khẩu cà phê robusta sang nhiều thị trường gồm Đức, Nhật Bản, Algeria, Bỉ, Hàn Quốc, Thái Lan, Australia với tổng sản lượng đạt 109,5 nghìn tấn

Thị trường Việt Nam

Niên vụ 2019 – 2020, sản lượng cà phê Việt Nam đạt 1,8 triệu tấn, giảm 5% so với niên vụ trước, dự đoán trong niên vụ 2020 – 2021 sản lượng cà phê sẽ giảm khoảng 15% do ảnh hưởng của hạn hán và mưa lũ Mức này cao hơn so với mức dự báo của Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA) là 3,5%

Những năm gần đây, diện tích trồng cà phê của Việt Nam giảm do người dân trồng xen canh với các loại cây khác, năm 2020, diện tích cà phê là 680.000 ha giảm 2% so với năm 2019 Theo Tổng cục Hải quan, tính đến 10 tháng đầu năm 2020, Việt Nam đã xuất khẩu được hơn 1,205 triệu tấn cà phê, trong đó cà phê Robusta chiếm đến 95%

Theo báo cáo thị trường của Hiệp hội cà phê-ca cao Việt Nam, tiêu thụ cà phê tăng trưởng ấn tượng từ 0,6kg/người năm 2008 lên 1,9kg/người năm 2018 Tiêu thụ cà phê bình quân đầu người được dự báo sẽ tăng lên hơn 2,6kg/người vào năm 2024

1.2 Vỏ và thịt quả cà phê

Giới thiệu chung

Trên thế giới, cà phê là loại thức uống được sử dụng nhiều thứ hai sau trà Quả cà phê bao gồm 5 lớp màng bảo vệ hạt cà phê (Hình 1.1), thứ tự từ ngoài vào trong của chúng như sau [12]:

• Lớp vỏ (skin hoặc outer skin): Lớp màng đơn được bao phủ bởi một lớp sáp, được hình thành bởi một lớp tế bào nhu mô nhỏ (các tế bào sơ cấp có chứa lục lạp và có khả năng hấp thụ nước), khi chín có thể có màu đỏ, vàng hoặc hồng, tùy theo giống cà phê

• Lớp vỏ thịt và lớp chất nhầy (pulp và mucilage): Trong quả cà phê chưa chín, lớp vỏ thịt là các mô cứng gắn liền với vỏ quả, khi quả trưởng thành, các enzyme pectolytic sẽ phá vỡ các chuỗi pectic tạo thành các hợp chất đường và pectin làm nên một cấu trúc mềm, mọng nước có độ nhớt cao nên thường được gọi là lớp chất nhầy (Mucilage)

• Lớp vỏ trấu (Parchment): lớp ngoài cùng của phần hạt, tiếp xúc trực tiếp với phần vỏ quả, được hình thành từ ba đến bảy lớp tế bào xơ cứng

• Lớp vỏ lụa (silver skin): Lớp vỏ này rất mỏng, được hình thành từ nucellus, bao bọc trực tiếp nhân cà phê

• Nhân cà phê (bean): Phần trong cùng và là quan trọng nhất của quả, chịu trách nhiệm trích lũy chất dinh dưỡng cho quá trình nảy mầm của phôi Một quả cà phê thông thường có 2 nhân

Thành phần cấu tạo quả cà phê

Quá trình sản xuất cà phê nhân bắt đầu từ quá trình loại bỏ các thành phần bên ngoài quả cà phê dù theo quy trình chế biến ướt, chế biến khô, quy trình bán khô, hay quy trình cơ học chỉ để lại hạt cà phê tươi Một lượng lớn phụ phẩm, phần lớn là và thịt quả cà phê, chiếm 40 - 45% khối lượng quả cà phê bị thải bỏ trong quá trình chế biến cà phê nhân, tác động xấu đến môi trường [11]

Vỏ và thịt quả cà phê chứa 44,0 - 50,0% carbohydrate, 18,0 - 21,0% xơ tổng, 10,0 - 12,0% protein và 2,5% lipid (tính trên khối lượng chất khô) [13], thường được tận dụng làm nguyên liệu sản xuất biogas, phân bón sinh học, cơ chất trồng nấm và thức ăn gia súc [14] Tuy nhiên, đáng chú ý hơn, vỏ và thịt quả cà phê chứa một lượng lớn các hợp chất có hoạt tính sinh học như hợp chất phenolic (1,48%) [11], caffeine (1,25-1,3%),

tannins (1,8-8,6%) và chlorogenic acid (1,07%) (tính trên khối lượng chất khô) [13] Từ đó thúc đẩy các nghiên cứu thu nhận hợp chất có hoạt tính sinh học từ vỏ và thịt quả cà

phê

Một số hợp chất có hoạt tính chống oxy hóa trong vỏ và thịt quả cà phê

Chất kháng oxy hoá là những hợp chất có khả năng ngăn chặn quá trình oxy hoá, chúng có nhiều vai trò trong sản xuất thực phẩm và sức khoẻ con người

Trong lĩnh vực thực phẩm, quá trình oxy hoá chất béo không bão hoà không những làm giảm giá trị cảm quan mà còn giảm giá trị dinh dưỡng, giảm sự an toàn của sản phẩm trong quá trình bảo quản và tạo ra các sản phẩm thứ cấp trong quá trình chế biến Do đó, việc bổ sung chất kháng oxy hoá sẽ ngăn chặn hoặc làm giảm quá trình oxy hoá trong thực phẩm gây ra và tăng thời gian bảo quản sản phẩm [15]

Việc tạo thành gốc tự do như gốc anion superoxide (O2●-), hydroperoxide (H2O2) và gốc hydroxyl (●OH) là hệ quả không thể tránh khỏi ở sinh vật trong quá trình trao đổi chất Gốc tự do không ổn định và nhanh chóng phản ứng với các chất khác trong cơ thể, dẫn tới tổn thương tế bào và các mô, kết quả là hàng loạt các rối loạn và bệnh tật xuất hiện như tiểu đường, ung thư, bệnh Alzheimer, viêm, xơ vữa động mạch, lão hóa, [15] Trong cơ thể con người, có nhiều hệ thống kháng oxy hoá khác nhau như enzyme kháng oxy hoá nội tại (superoxide dismutase, catalase và glutathione peroxidase), vitamin C, vitamin E, glutathione Chúng có vai trò quan trọng trong việc trung hòa gốc tự do, giúp tế bào không bị tổn thương

Để ngăn ngừa và làm chậm quá trình peroxide trong thực phẩm, nhiều chất chống oxy hóa có bản chất hóa học như butylated hydroxytoluene (BHT), butylated hydroxyanisole (BHA), tert-butylhydroquinone (TBHQ) và propyl gallate (PG) đã và đang được sử dụng Tuy nhiên việc sử dụng các chất chống oxy hóa tổng hợp này cần được kiểm soát nghiêm ngặt do những nguy cơ ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người [16]

Do đó, những chất chống oxy hóa tự nhiên thay thế cho những chất chống oxy hóa tổng hợp đã và đang thu hút sự được quan của nhiều nhà khoa học trên thế giới Trong đó, dịch trích nguyên liệu thực vật là một trong những chất chống oxy hóa tự nhiên đáng được cân nhắc Trong đó hợp chất phenolic được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu Hợp chất phenolic thực vật được định nghĩa là hợp chất có một (hợp chất phenolic đơn giản hoặc phenolic acid) hoặc nhiều vòng thơm mang gốc thế hydroxyl và được xem là sản phẩm trao đổi chất bậc 2 của thực vật Hợp chất phenolic bao gồm [17]:

• Acid phenolic có hai loại chính là các dẫn xuất của acid benzoic (protocatechuic acid, vanillic acid, gallic acid, syringic acid) và các dẫn xuất acid cinnamic (p-coumaric acid, caffeic acid, chlorogenic acid, cryptochlorogenic acid, neochlorogenic acid, ferulic acid, sinapic acid)

• Flavonoids là một nhóm lớn của các polyphenol tự nhiên, chúng đặc trưng bởi hạt nhân flavan chứa 15 nguyên tử Carbon xếp theo ba vòng (C6-C3-C6) Chúng được phân thành nhiều phân lớp khác nhau dựa vào mức độ oxy hóa của vòng, bao gồm: flavones, flavonols, flavan-3-ols, isoflavones, flavanones, anthocyanins [18]

• Tannins: Tanin hay tannoit là một hợp chất polyphenol có trong thực vật có khả năng tạo liên kết bền với các protein và các hợp chất hữu cơ cao phân tử khác như các acid amin và alkaloid Tannins được phân làm 3 nhóm gồm tannins có thể thủy phân (gallotannins và ellagitannins), tannins ngưng tụ (Proanthocyanine) và phlorotannins [19]

• Stillbenes: Hợp chất stilbenes có cấu trúc 1,2-diphenylethylene với nhóm một số nhóm hydroxyl trên vòng thơm, tồn tại dạng monomer hoặc oligomer [20]

Các hợp chất phenolic có nhiều lợi ích cho sức khỏe con người nhờ vào hoạt tính sinh học của chúng như hoạt tính chống oxy hóa, hoạt tính kháng viêm, hoạt tính ngăn ngừa khối u ác tính, hoạt tính ngăn ngừa nghẽn mạch và giãn mạch [21, 22] Bên cạnh

đó, các hợp chất phenolic cũng thể hiện tiềm năng ứng dụng vào sản phẩm thực phẩm như một phụ gia thay thế cho các chất chống oxy hóa và kháng khuẩn tổng hợp [21]

Cơ chế chống oxy hóa chính của các hợp chất phenolic được cho là nhờ vào khả năng nhốt gốc tự do, từ đó làm chậm hoặc ngăn chặn giai đoạn khởi phát hoặc làm gián đoạn giai đoạn phát triển của quá trình oxy hóa lipid trong thực phẩm [23] (Hình 1.2)

Mô phỏng cơ chế ngăn chặn quá trình oxy hóa lipid của polyphenols (PP) [23]

Hoạt tính chống oxy hóa của các hợp chất phenolic phụ thuộc vào số lượng và cách sắp xếp các nhóm hydroxyl trong phân tử Hợp chất phenolic có khả năng cho nguyên tử Hidro hoặc electron cho gốc tự do có bản chất lipid tạo thành một hợp chất bền và gốc tự do có bản chất polyphenols Gốc tự do có bản chất phenolic bền và khó tham gia quá trình tự oxy hóa hơn gốc tự do có bản chất lipid do chúng không những có hiệu ứng liên hợp chuyển vị electron mà còn hiệu ứng không gian tốt, cản trở chúng tham gia phản ứng oxy hóa các đại phân tử khác [23] (Hình 1.3)

Hiệu ứng liên hợp làm bền gốc tự do có bản chất polyphenols [23]

Một số chất chống oxy hóa có trong vỏ và thịt quả cà phê như chlorogenic acid, caffeic acid, quinic acid, ferulic acid, rutin, epicatechin, tannin, caffein

• Chlorogenic acid

Chlrogenic acid (5-O-caffeoylquinic acid, 5CQA) (Hình 1.4), ester có nguồn gốc từ caffeic và quinic acid, là một sản phẩm trao đổi chất bậc 2 có thể tìm thấy ở nhiều thực vật, điển hình là cà phê Ở thực vật, 5CQA đóng vai trò là chất chống oxy hóa bảo vệ tế bào thực vật tránh khỏi quá trình peroxyl hóa lipid [24]

Công thức cấu tạo của chlorogenic acid

Nhiều cơ chế chống oxy hóa đã được đề xuất cho 5CQA bao gồm [24]:

o Cơ chế phản ứng chuyển electron-chuyển proton

Trong cơ thể con người, quá trình hấp thu 5CQA được mô tả ngắn gọn như sau [17]:

bị thủy phân) ở dạ dày hoặc đoạn đầu ruột non và đi vào máu

acid và quinic acid

đổi chất của vi sinh vật được hấp thu vào máu

hoặc chuyển hóa ở gan

Trong cơ thể con người, 5CQA được chứng minh có khả năng ức chế stress oxy hóa gây ra trong quá trình bày tiết interleukin-8 (IL-8) và biểu hiện gen mRNA [25]

• Caffeic acid

Caffeic acid (CA, 3,4-dihydroxycinnamic acid) là một phenolic acid có hàm lượng cao trong cà phê Cơ chế chống oxy hóa của CA được đề xuất là tổ hợp của nhiều cơ chế chống oxy hóa gồm [26, 27]:

bắt gốc tự do lipid hydroperoxyl (LOO)

hoạt động tự do

o CA có khả năng liên kết với các ion kim loại chuyển tiếp (Fe2+, Cu2+,…), loại bỏ năng lực xúc tác các phản ứng hình thành gốc tự do của chúng

o Hoạt tính kháng oxy của CA được cho là có liên quan đến tạo o-quinone và tái tạo CA bằng cách phân bổ không cân đối gốc semiquinone, hình thành bởi phản ứng liên quan đến chất chống oxy hóa và gốc tự do (Hình 1.5)

và các enzyme (Cyclooxygenase (COX) and Lipoxygenase (LOX)) tham gia vào các phản ứng gây stress oxy hóa

Một cơ chế chống oxy hóa của caffeic acid [27]

• Quinic acid

Quinic acid (1,3,4,5-tetrahydroxycyclohexane carboxylic acid) là một polyphenol

tự nhiên có trong trái cây, cà phê, ca cao In vitro, quinic acid chứa nhiều nhóm hydroxyl

ở các vị trí nối tiếp nhau trên vòng thơm, có khả năng phản ứng với gốc tự do và bảo vệ DNA khỏi tổn thương gây ra bởi gốc tự do [28] Inbathamizh và Padmini (2013) [29] phân tích cấu trúc của quinic acid cho thấy rằng quinic acid có 5 gốc hydroxyl có khả năng cho nguyên tử hidro, góp phần vào hoạt tính chống oxy hóa của nó Một cơ chế chống oxy hóa khác của quinic acid được Pero và cộng sự (2009) [30] công bố: quinic acid hỗ trợ tổng hợp tryptophan và nicotinamide, dẫn đến tăng cường hoạt động sửa chữa DNA và ức chế yếu tố phiên mã (NF-kB), ngăn ngừa stress oxy hóa

• Ferulic acid

Trong tự nhiên, ferulic acid tồn tại chủ yếu dưới dạng hợp chất ester Cả ferulic acid và các ester của nó đều có hoạt tính chống oxy hóa cao [31] Chúng không chỉ nhốt gốc tự do mà còn tăng khả năng nhốt gốc tự do của enzyme đồng thời ức chế hoạt tính của các enzyme xúc tác cho phản ứng tạo thành gốc tự do [32] Khả năng nhốt gốc tự do của ferulic acid nhờ vào khả năng chuyển nguyên tử hydro hoặc electron thông qua chuỗi phản ứng như mô tả ở Hình 1.6 [32] Hoạt tính chống oxy hóa của ferulic acid cũng được cho nhờ vào những gốc thế có khả năng cho electron trên vòng benzene [33] Ngoài ra, liên kết đôi C=C gần vòng benzene cũng là vị trí dễ bị oxy hóa, có thể ngăn chặn gốc tự do tấn công các hợp chất khác [33] Trong cơ thể con người, ferulic acid cũng được chứng minh có khả năng điều hòa hoạt động của các enzyme chống oxy hóa như superoxide dismutase (SOD), góp phần giảm stress oxy hóa cho cơ thể [31]

Mô phỏng cơ chế nhốt gốc tự do của ferulic acid hoặc dẫn xuất của nó [32]

• Rutin

Rutin (3, 3ʹ, 4ʹ, 5, 7-pentahydroxyflavone-3- rhamnoglucoside) còn được gọi là rutoside, quercetin-3-rutinoside hoặc sophorin, là một glycoside của flavonol quercetin và disaccharide rutinose Trong ống tiêu hóa, một phần rutin được hấp thu nguyên vẹn, phần còn lại được vi sinh vật đường ruột chuyển hóa thành aglycone, quercetin và đường trước khi hấp thu vào máu [34] Rutin thể hiện hoạt tính chống oxy hóa nhờ vào khả năng cho electron hoặc nguyên tử hidro thông qua vòng phenolic hoặc những gốc hydroxyl trên vòng (Hình 1.7) [35] Ngoài ra, trong cơ thể con người, rutin tham gia vào

làm giảm sự hình thành các oxy hay nitơ hoạt động, tăng hoạt tính các enzyme chống oxy hóa như catalase, superoxide dismutase [34]

Mô phỏng cơ chế chống oxy hóa của rutin [35]

• Epicatechin

Epicatechin (EC) là sản phẩm trao đổi chất bậc 2 phổ biến trong thực vật, bao gồm 2 vòng thơm và 1 dị vòng oxy Hoạt tính chống oxy hóa của EC phần lớn nhờ vào nhiều gốc hydroxyl trên vòng phenolic, chúng có thể trực tiếp chuyển nguyên tử hidro cho các dạng oxy hoạt động và tự ổn định gốc tự do mới sinh ra như Hình 1.8 Ngoài ra, EC còn có khả năng điều hòa enzyme xúc tác phản ứng sinh ra các dạng oxy hoạt động Hơn nữa, các nhóm hydroxyl này còn giúp cho EC tương tác với protein và lipid trên màng tế bào, kích hoạt quá trình truyền tín hiệu oxy hóa khử Sau khi hấp thu ở ruột, hầu hết EC được chuyển hóa nhanh chóng bởi tế bào ruột và tế bào gan, các chất chuyển hóa trong quá trình methyl hóa của EC có thể điều chỉnh chức năng mạch máu của con người, giảm sự hấp thu các chất độc oxy hóa và làm giảm rối loạn chức năng của tế bào niêm mạc [36]

Về mặt hấp thu, một phần proacyanthocyanidines được hấp thu ở biểu mô ruột Các tannins không hấp thu được hệ vi sinh vật đường ruột chuyển hóa thành nhiều hợp chất phenolic (như phenylvaleric, phenylpropionic, phenylacetic và benzoic acid) trước khi hấp thu vào cơ thể [19] Macáková và cộng sự (2014) [19] công bố rằng tannins có khả năng ức chế enzyme nitric oxide synthases (NOS), lipoxygenases (LOX) và α-glucosidase trong cơ thể nhờ vào khả ái lực cao của nhóm polyphenols đối với protein, từ đó giảm stress oxy hóa trong cơ thể con người

• Caffeine

Caffeine (1,3,7-trimethylxanthine) là một alkaloid được tìm thấy ở nhiều loài thực vật, đặc biệt là ở hạt cà phê Mức độ hấp thu caffeine của cơ thể gần như 100% và thời gian trung bình 50% caffeine hấp thu bị chuyển hóa hoặc loại bỏ trong máu lên đến 5 giờ Ở gan, khoảng 99% caffeine được chuyển hóa thành 3 chất trao đổi chính gồm 3,7-dimethylxanthine, 1,7-dimethylxanthine, and 1,3-dimethylxanthine [37]

Cơ chế chống oxy hóa của caffeine được cho là nhờ vào sản phẩm hình thành từ phản ứng giữa caffeine và gốc tự do hydroxyl (●OH), cụ thể là 1,3,7-trimethyluric acid, paraxanthine, theophylline, theobromine, 1,3-dimethyluric acid và 3-methylxanthine Trong những sản phẩm này, theophylline đã được công bố là chất chống oxy hóa tiềm năng, đặc biệt là ngăn cản gốc tự do hydroxyl tổn hại base-N trong DNA Ví dụ, Adenine bị oxy hóa bởi gốc tự do hydroxyl tạo thành gốc tự do Adenine, theophylline sẽ khử gốc này thành Adenine (Hình 1.9) [38]

Mô phỏng cơ chế chống oxy hóa Adenine của Theophylline, sản phẩm của phản ứng giữa caffeine và oxy hoạt động [38]

Tình hình nghiên cứu vỏ và thịt quả cà phê trên thế giới

Trên thế giới, vỏ và thịt quả cà phê được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, tuy nhiên hàm lượng caffeine cao là một điểm hạn chế của ứng dụng này Ngoài ra, vỏ và thịt quả cà phên còn dùng làm cơ chất nuôi nấm, nguyên liệu sản xuất thức uống có cồn hoặc thức uống tăng lực [12] Bên cạnh đó, cũng có nhiều nghiên cứu về việc tận dụng thịt và vỏ quả cà phê đã được công bố như tổng quan ở Bảng 1.1

Tổng quan tình hình nghiên cứu vỏ và thịt quả cà phê trên thế giới

Trích ly bằng CO2 siêu tới

của dịch trích

Trích ly bằng nước nóng và

methanol

[42]

3

Melkayo Geremu và

cộng sự

2016

Thu nhận polyphenols, đánh giá hoạt tính chống

oxy hóa của dịch trích

Trích ly bằng nhiều dung môi hữu cơ

[4]

Thu nhận Chlorogenic Acid có hoạt tính ngăn chặn tích tụ lipid trong tế bào tạo mỡ 3t3-L1

Trích ly bằng

7

Valenzuela và

Torres-cộng sự

2020

Thu nhận polyphenols và hợp chất alkaloids, đánh giá hoạt tính chống

oxy hóa của dịch trích

Trích ly bằng dung môi hữu cơ siêu phân tử

[40]

8 Reichembach

Thu nhận pectin và đánh giá khả năng tạo gel của

Trích ly bằng

Tình hình nghiên cứu vỏ và thịt quả cà phê ở Việt Nam

Ở Việt Nam, hiện nay, vỏ và thịt quả cà phê chỉ được dùng làm chất đốt và được sử dụng làm phân bón và cơ chất để nuôi trồng nấm Số lượng các công bố nghiên cứu tận dụng vỏ và thịt quả cà phê ở Việt Nam còn khá hạn chế Trâm và Trà (2020) [45] thu nhận dịch trích polyphenol có hoạt tính chống oxy hóa từ vỏ và thịt quả cà phê bằng phương pháp trích ly sử dụng dung môi nước Kết quả cho thấy hiệu suất trích ly polyphenol đạt 94% ở điều kiện trích ly gồm nhiệt độ quá trình 50℃, pH 4,0 và tỉ lệ nguyên liệu:dung môi (NL:DM) = 1:7 trong thời gian 1 giờ và dịch trích thu được thể hiện chống oxy hóa theo DPPH đạt 1959 ± 168 mM TE/g chất khô dịch trích và theo FRAP đạt 1976 ± 117 mM TE/g chất khô dịch trích Võ và Lượng (2010) [46] trích ly pectin thô từ vỏ quả cà phê bằng phương pháp trích ly sử dụng dung môi acid Lượng pectin thu được cao nhất đạt 16,25% pectin trong nguyên liệu với điều kiện trích ly gồm kích thước vỏ cà phê nghiền nhỏ qua rây 0,7x0,7 mm, môi trường trích ly H2SO4 pH 1, tỷ lệ nguyên liệu:dung môi 19:1, nhiệt độ trích ly 100℃ và thời gian trích ly 1 giờ

Như vậy, hiện trên thế giới và Việt Nam chưa có rất ít công bố thu nhận dịch trích có hoạt tính chống oxy hóa từ vỏ và thịt quả cà phê, đặc biệt là sử dụng phương pháp trích ly có hỗ trợ enzyme

1.3 Tổng quan về phương pháp trích ly

Trích ly là quá trình hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử trong mẫu nguyên liệu bằng cách cho nguyên liệu tiếp xúc với dung môi Động lực của quá trình trích ly là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử ở trong nguyên liệu và ở trong dung môi Nhiều phương

pháp trích ly khác nhau đã được áp dụng để tối ưu hóa hiệu quả trích ly các đại phân tử có hoạt tính sinh học bao gồm cả polyphenols từ nhiều cơ quan khác nhau của thực vật [21]

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly

Quá trình trích ly rắn lỏng là phương pháp tách một hay một số chất ra khỏi nguyên liệu dựa vào đặc tính của chất tan cần chiết và dung môi, là sự phân bố giữa hai pha không trộn lẫn vào nhau: một pha lỏng và một pha rắn tạo cân bằng rắn-lỏng Dung môi phân cực sẽ tách đƣợc chất phân cực còn dung môi không phân cực sẽ tách chất không phân cực Khi nguyên liệu và dung môi tiếp xúc với nhau, lúc đầu dung môi thấm vào nguyên liệu, sau đó hòa tan những chất tan có trong tế bào nguyên liệu rồi được khuếch tán ra ngoài tế bào Trong quá trình trích ly sẽ xảy ra một số quá trình như khuếch tán, thẩm thấu, hòa tan…và chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố như nhiệt độ trích ly, thời gian trích ly, tỷ lệ rắn-lỏng, kích thước của nguyên liệu

Lựa chọn dung môi để trích ly muốn chiết hợp chất ra khỏi nguyên liệu cần lựa chọn dung môi thích hợp Dung môi được chọn phải có các điều kiện sau: trung tính, không độc, không quá dễ cháy, hòa tan được hợp chất cần khảo sát, sau khi chiết tách xong dung môi đó có thể được loại bỏ hoặc thu hồi dễ dàng Cơ sở để lựa chọn dung môi trích ly là độ phân cực của các hợp chất chứa trong nguyên liệu và độ phân cực của dung môi

Muốn chiết xuất các hợp chất ra khỏi nguyên liệu thô ngoài chọn dung môi phù hợp còn phải chú ý việc sử dụng kỹ thuật trích ly phù hợp (chiết ngâm, soxhlet, có hỗ trợ enzyme… sao cho đạt hiệu quả chiết hợp chất hữu cơ từ nguyên liệu thô cao nhất Mỗi phương pháp trích ly có ưu nhược điểm khác nhau, tùy thuộc hợp chất hữu cơ muốn chiết mà chọn phươg pháp phù hợp, dễ tiến hành mà thu được hiệu quả chiết mong muốn Trong nghiên cứu này, phương pháp trích ly bằng dung môi nước và phương pháp trích ly có hỗ trợ enzyme được sử dụng

Phương pháp trích ly bằng dung môi nước

Nhiều dung môi hữu cơ như methanol, ethanol và acetone được sử dụng trong nghiên cứu thu nhận hợp chất phenolic từ thực vật nhưng những dung môi này có nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường và có tác động bất lợi đến sức khỏe con người [47] Thay vào đó, nước được cân nhắc là dung môi thay thế cho những dung môi hữu cơ này Tuy nhiên, trích ly sử dụng dung môi nước có những nhược điểm đáng kể sau:

• Thời gian trích ly dài, hiệu suất trích ly thấp: so với dung môi hữu cơ, nước có độ phân cực thấp hơn và không có khả năng ngăn chặn hoạt động của enzyme polyphenol oxidase, giảm hiệu suất trích ly các hợp chất phenolic [47]

• Chất lượng dịch trích thấp: được thực hiện ở nhiệt độ cao dẫn đến giảm hoạt tính sinh học [21]

• Chi phí cao: thực hiện ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, đòi hỏi chi phí năng lượng cao [21]

Về mặt sinh lý, hợp chất phenolic dạng liên kết không bị thủy phân ở dạ dày và ruột non mà tiến thẳng đến ruột kết Tại ruột kết, quá trình thủy phân giải phóng hợp chất phenolic xảy ra bởi enzyme esterase, xylanase từ vi sinh vật đường ruột và β-glycosidases trong cơ thể con người Do đó, hợp chất phenolic dạng liên kết có tỷ lệ hấp thu và sinh khả dụng thấp [21]

Về mặt hóa sinh, trong thực vật, hầu hết hợp chất phenolic phần lớn tồn tại dưới dạng liên kết với một thành phần thành tế bào như cellulose, hemicellulose và pectin thông qua liên kết kỵ nước và liên kết hydro [22] Ngoài ra, một số dạng acid phenolic khác hoặc liên kết với lignin nhờ vào gốc hydroxyl trong vòng thơm của chúng hoặc liên kết ester với polysaccharides và protein [21] (Hình 1.10) Những tương tác này làm giảm hiệu quả trích ly hợp chất phenolic từ tế bào thực vật

Mô phỏng tương tác giữa phenolic acids và thành phần thành tế bào thực vật [21]

Với những lý do trên, enzyme thủy phân polysaccharides như cellulase, pectinase, hemicellulase…đã được sử dụng để nâng cao hiệu quả trích ly polyphenols cũng như cải thiện khả năng hấp thu của chúng

Phương pháp trích ly bằng dung môi có hỗ trợ enzyme

Phương pháp trích ly bằng dung môi có hỗ trợ enzyme ngày càng được sử dụng rộng rãi để thu nhận dịch trích có hoạt tính sinh học từ thực vật Phương pháp này thể hiện nhiều ưu điểm nổi bật so với phương pháp trích ly bằng dung môi nước như:

• Quá trình trích ly thực hiện ở điều kiện ôn hòa trong thời gian ngắn: chi phí năng lượng thấp mà còn giữ được hoạt tính sinh học của hợp chất polyphenols [48]

• Nguyên tắc của phương pháp trích ly có hỗ trợ enzyme (Hình 1.11) là phá hủy thành tế bào thực vật nhờ vào quá trình thủy phân xúc tác bởi enzyme, cải thiện hiệu suất quá trình trích ly Thêm vào đó, enzyme giải phóng hợp chất polyphenols khỏi liên kết với các đại phân tử khác, nâng cao khả năng hấp thu và sinh khả dụng của polyphenols trong cơ thể con người [22]

Mô phỏng cơ chế quá trình trích ly có hỗ trợ enzyme [14]

Trong những nghiên cứu trước đây về quá trình trích ly hợp chất polyphenols có hỗ trợ enzyme từ thực vật, nhiều loại enzyme đã được sử dụng như cellulase, xylanase, hemicellulase, β-glucosidase, tannase, pectinase, một số protase… [22] Trong nghiên cứu này, ba loại enzyme gồm cellulase, tannase và pectinase được sử dụng để hỗ trợ quá trình trích ly polyphenols từ vỏ cà phê

1.3.3.1 Enzyme cellulase

Cellulose là polymer của glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glycoside, liên kết với các polymer sinh học khác như hemicellulose và lignin tạo nên cấu trúc của tế bào thực vật [21] Cellulase (EC 3.2.1.4), enzyme thủy phân cellulose thành đường đơn, oligosaccharide hoặc polysaccharide ngắn hơn thông qua tác động cộng hưởng từ 3 loại enzyme khác nhau (Hình 1.12) [21]:

• Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4 glucoside nội phân tử, giải phóng nhiều đầu mạch mới cho enzyme cellobiohydrolase

• Cellobiohydrolase có hoạt tính exogluconase, giải phóng cellobiose và glucose • Cellobiose tiếp tục bị thủy phân bởi β-glucosidase tạo thành đường đơn

Mô phỏng cơ chế thủy phân cellulose của enzyme cellulase [21] 1.3.3.2 Enzyme pectinase

Pectin là một polymer từ 2 monomer là α-D-galacturonate và L-rhamnose liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 hoặc α-1,2 Hợp chất pectin được chia thành 4 nhóm chính bao gồm protopectin, pectic acids, pectinic acids và polymethyl galacturonate, liên kết với cellulose tạo nên độ cứng và độ cố kết cho thành tế bào thực vật [21]

Pectinase (EC 3.2.1.15), enzyme thủy phân pectin, bao gồm hoạt động của nhiều enzyme thành phần (Hình 1.13):

• Esterases hoặc pectin methyl esterases làm suy giảm các monomer bị ester hóa bằng cách loại bỏ các methoxy ester [21]

• Depolymerase (pectin lyases và polygalactoronase) xúc tác sự phân mảnh của các liên kết glycoside [21]