Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu sản xuất bột màu Betacyanin từ củ dền

Từ đó khảo các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng betacyanin và hoạt tính kháng oxy hóa của dịch ép, đồng thời nghiên cứu khả năng ứng dụng quá trình sấy phun để sản xuất bột betacyanin hòa

TỔNG QUAN

Tổng quan về củ dền (Beta vulgaris)

Củ dền là cách gọi của người Việt Nam để chỉ một loại rau củ ôn đới có tên tiếng Anh là Beetroot hay còn gọi là Beet Củ dền (hay còn gọi là củ cải đỏ) có tên khoa học là Beta vulgaris Theo nghiên cứu của Linnaeus, phân loại tên khoa học của củ dền nhƣ sau [1]:

- Bộ: Caryophyllales - Họ: Amaranthaceae - Chi: Beta

- Loài: Beta vulgaris - Phân loài: Beta vulgaris var rubra

Trong các hệ thống phân loại cổ điển và hệ thống phân loại

Cronquist (1981), Chi Củ dền (Beta) đƣợc đặt trong Họ Rau muối (Chenopodiaceae) thuộc Bộ Cẩm chướng (Caryophyllales) [2]

Tuy nhiên, theo cách phân loại của hệ thống APG (1998) và hệ thống APG

II (2003) - là hệ thống phân loại sinh học thực vật hiện đại dựa trên việc phân tích phân tử đã xếp chi này vào Họ Dền (Amaranthaceae) thuộc Bộ Cẩm chướng (Caryophyllales)

Chi Beta được phát hiện có nguồn gốc ở Bắc Phi, lan theo tuyến đường biển Địa Trung Hải du nhập vào châu Á và châu Âu, để thích ứng với điều kiện khí hậu nông nghiệp mới, giống cây ban đầu đã trở nên đa dạng về màu sắc và hình dạng [3, 4] Hiện nay, loại cây này vẫn còn là một cây trồng thương mại rộng rãi ở Châu Âu, Mỹ và Canada [5, 6]

Tại Việt Nam, củ dền (Beta vulgaris) được người Pháp đưa vào trồng thử ở trên vùng đất cát pha ở tỉnh Ninh Bình nhưng kém phát triển Sau đó người Pháp đem thứ củ cải đỏ (var rubra (L.) Moq.) vào trồng ở Đà Lạt, cây mọc tốt và phát triển Dân ta trồng lấy củ để nấu canh, một số nơi dùng làm thuốc Lá cũng đƣợc thu hái quanh năm nhƣ một loại rau xanh, hạt lấy ở quả già để gieo trồng

Phân loài củ dền trồng ở Đà Lạt (Việt Nam) là Beta vulgaris var rubra (L.) Moq hay Beta vulgaris ssp Vulgaris

Củ dền ở Việt Nam có hai màu: tím than và đỏ thẫm, vỏ đen xù xì có nhiều khoang, sở dĩ củ dền có màu đỏ tím là do trong thành phần có chứa hợp chất hỗn hợp tự nhiên betacyanin (màu đỏ tím) và betaxanthin (màu vàng cam) cấu thành nên hóa tính thực vật

Cây củ dền là loài cây thân thảo một năm

- Thân: thân đứng có vằn, ít phân nhánh Cao 40-50 cm

- Rễ: phồng thành củ nạc, ngọt, màu đỏ tím

- Lá: có phiến hình trứng, có cuống, màu lục, có mép lƣợn sóng, phiến lá phẳng, mép lá nhẵn hoặc gần nhẵn

- Hoa: màu lục nhạt, mọc thành bông khá dài Hoa mọc ở các phần trên của cành, không có lá bắc, thuộc loại hoa lƣỡng tính, hoa hợp nhất tại gốc và rụng khi quả chín Nhị hoa đính quanh bầu, có 5 nhị hoa với các chỉ nhị hình dùi; bao phấn thuôn dài, bề mặt núm nhụy có nhú

- Quả: quả hợp sinh ở đầu gần với bao hoa; vỏ quả mọng hay cứng lại ở ngoại biên

- Hạt: hình cầu hơi thuôn, nằm ngang; vỏ hạt dai, bóng, rời khỏi vỏ quả; nội nhũ hình khuyên hoặc gần hình khuyên; ngoại nhũ nhiều

1.1.3 Thành phần hóa học của củ dền

Thành phần của củ dền đƣợc trình bày trong Bảng 1.1 Một hợp chất khác là Biindolyl 5,5’,6,6’-Tetrahydroxy-3,3’ cũng đã đƣợc xác định có trong vỏ củ dền đỏ mặc dù chƣa có thông tin về lợi ích dinh dƣỡng đƣợc xác định [7]

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng trong 100g củ dền tươi (trích Nguồn USDA Nutrient Database, 2016)

Thành phần Đơn vị Giá trị dinh dƣỡng

1.1.4 Giá trị của củ dền

Củ dền chứa một hàm lƣợng lớn các chất dinh dƣỡng gồm: protein, carbohydrate, các nguyên tố vi lƣợng, các vitamin A, B, C, E và sắc tố betacyanin màu đỏ tím đặc trƣng Nhờ đó, củ dền không chỉ có tác dụng bồi bổ cơ thể mà còn có tác dụng nhuộm màu một số thực phẩm theo phương pháp truyền thống của người Việt Nam

Về mặt dinh dưỡng: củ dền là loại rau củ giàu chất xơ, vitamin và khoáng chất, đƣợc sử dụng để chế biến món ăn hàng ngày

Về mặt dược học: củ dền có tác dụng:

- Bảo vệ gan: do chứa betaine, chất này cũng đóng vai trò trong việc tăng cường chức năng gan, giúp cơ thể phân giải mỡ, ngăn ngừa chứng mệt mỏi

- Bảo vệ tim mạch: củ dền có chức năng hạ cholesterol, chống oxy hóa

- Ngăn ngừa ung thƣ: nhiều nghiên cứu cho thấy củ dền có tác dụng ngăn ngừa ung thư phổi và ung thư da Nước ép củ dền ngăn chặn sự tổng hợp nitrosamine - đƣợc cho là nguyên nhân gây ung thƣ

- Ổn định trạng thái tinh thần: hợp chất nitrogen còn gọi là bataine có trong củ dền có tác dụng thƣ giãn tinh thần do kích thích quá trình tổng hợp serotonin với vai trò là chất dẫn truyền thần kinh

Về màu sắc: Màu đỏ tím của củ dền là hỗn hợp tự nhiên của màu đỏ tím

(betacyanin) và màu vàng cam (betaxanthin) Những màu này vừa là hóa chất thực vật đƣợc ứng dụng làm chất tạo màu cho thực phẩm, đồng thời cũng là chất chống oxy hóa giúp bảo vệ cơ thể chống lại gốc tự do

Về mặt y học dân tộc: củ dền có vị ngọt, hơi đắng, tính hàn, có tác dụng khai vị, mạnh tỳ, hạ khí, bổ nội tạng, làm thông huyết mạch, chữa đau đầu, củ dền đƣợc dùng kết hợp với các bài thuốc để chữa bệnh sốt cao và nhuận tràng

Về mặt giá trị kinh tế: tại Việt Nam, cây củ dền đỏ có thể gieo trồng quanh năm nhƣng thời gian thích hợp nhất cho cây là từ tháng 8 đến đầu tháng 2 năm sau

Cây củ dền là cây ít tốn kém về giống, phân bón, điều kiện chăm sóc, phòng chống sâu bệnh và có thể sử dụng đƣợc tất cả các bộ phận của cây

1.1.5 Tình hình trồng củ dền trên thế giới và ở Việt Nam

Trên thế giới, củ dền có khoảng 20 loài, phân bố từ vùng bờ biển Địa Trung

Tổng quan về chất màu betalain và betacyanin

1.2.1 Khái niệm và phân loại

Thuật ngữ "betalain" đã đƣợc giới thiệu bởi Mabry và Dreiding (1968) với sự hỗ trợ của sinh học di truyền [14] Trong một ý nghĩa nghiêm ngặt, betalain không thuộc về alkaloid vì nó có tính axit do sự hiện diện của nhóm cacboxyl Ban đầu, betalain đƣợc gọi là ―caryophylli enroth‖ và đổi tên thành ―rübenroth‖ và

Betalain là một hợp chất tan trong nước, có màu từ vàng tươi đến da cam, đỏ tươi, đỏ sẫm, hồng cho đến màu đỏ tím Sự hiện diện của betalain được giới hạn trong hoa bộ Caryophyllales - Cẩm chướng [17], một số loại nấm như Amanita

(màu cam), Hygrocybe (màu đỏ) và Hygrosporus (màu cam) [18], hoa họ Aizoaceae - Phiên hạnh (màu đỏ, hồng, cam và vàng), hoa họ Portulacaceae - Rau sam (màu hồng, màu tím) [19], sắc tố tím trong hoa họ Cactaceae - Xương rồng, họ Nyctagynaceae - Bông giấy [20] và họ Chenopodiaceae - Củ dền [21]

Betalain đƣợc sử dụng với vai trò là chất tạo màu tự nhiên để sử dụng trong thực phẩm, dƣợc phẩm và mỹ phẩm nhƣ: kem, các sản phẩm từ sữa, công nghệ chế biến thịt nguội, trái cây và rau đóng hộp và các sản phẩm bánh k o [22] Tuy nhiên, sự phức tạp của các phân tử betalain mang lại nhiều khó khăn để sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học và sự nhạy cảm với điều kiện nhiệt độ, ánh sáng và pH làm hạn chế việc ứng dụng của nó [18]

Betalain đƣợc chia thành hai nhóm sắc tố chính [23]:

- Betaxanthin: nhóm sắc tố có màu vàng - cam

- Betacyanin: nhóm sắc tố có màu đỏ - tím

Màu sắc của betalain tùy thuộc vào các gốc R 1 -N-R 2 (Hình 1.2)

Hiện nay, có hơn 50 loại betalain đƣợc biết đến và chúng đều có cấu trúc cơ bản giống nhau; trong đó R 1 và R 2 có thể là một phân tử hydro hoặc một nhóm thế thơm; màu sắc tạo thành là do sự cộng hưởng liên kết của hai nhóm R 1 và R 2 làm thay đổi bước sóng cực đại hấp thụ từ 480 nm đối với betaxanthin (màu vàng) đến 540 nm đối với betacyanin (màu đỏ-tím) [18, 24]

Về mặt hoá học, betalain bao gồm tất cả các hợp chất có cấu trúc dựa trên công thức chung đƣợc thể hiện trong Hình 1.2 Do đó, chúng bao gồm cả các dẫn xuất muối amoni của acid betalamic [18, 25]

Hình 1.2 Công thức chung của betalain (A) - Acid betalamic có trong tất cả các phân tử betalain, (B) - Cấu trúc đại diện cho một betacyanin hoặc một betaxanthin, tùy thuộc vào bản chất của gốc R 1 và R 2

Hai nhóm betacyanin và betaxanthin đều có cấu trúc cơ bản giống nhau ở đầu chứa axit betalamic và khác nhau chủ yếu ở gốc ngoại quan R 1 -N-R 2 Nếu gốc ngoại quan R 1 -N-R 2 là các axit amin hoặc amin, cấu trúc sẽ tương ứng với betaxanthin (hấp thụ tối đa ở bước sóng 480 nm), và nếu gốc ngoại quan chứa nhóm 3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA) sẽ có cấu trúc tương ứng với betacyanin (hấp thụ tối đa ở bước sóng 540 nm) Những cấu trúc này có ít nhất một phân tử dị vòng carbon và màu sắc của chúng được quyết định bởi sự cộng hưởng hóa học [14, 18]

Betanidin là đơn vị cấu trúc đơn giản nhất của betacyanin với thành phần cấu tạo từ một đơn vị phân tử acid betalamic liên kết với một phân tử cyclo-DOPA

Tiếp theo là đồng phân lập thể C 15 của betanidin là isobetanidin [23, 26]

Hình 1.3 (a) - Công thức chung của betacyanin; (b) - Betanidin là một ví dụ của betacyanin; (c) - Indicaxanthin là một ví dụ của betaxanthin

Có hơn 200 axit amin đƣợc tìm thấy trong thực vật có khả năng tạo nên cấu trúc betaxanthin [18], và một trong những hợp chất cơ bản đại diện cho betaxanthin là indicaxanthin đƣợc phân lập từ quả lê gai (Opuntia ficus indica) [23] Đa số các betacyanin khác đƣợc tạo thành từ hai hợp chất cơ bản là betanidin và isobetanidin do phản ứng glucosyl hóa một trong hai nhóm chức -OH tự do của vòng cyclo-DOPA, trong đó thường gặp nhất là sự glucosyl hóa ở vị trí 5, ít xảy ra ở vị trí 6 [26] Dẫn xuất betacyanin quan trọng và thường gặp nhất trong tự nhiên là betanin (tức betanidin-5-O-glycosidase, có công thức phân tử C 24 H 26 N 2 O 13 và M 551,48 g/mol) và một ví dụ cho dẫn xuất betacyanin có quá trình glusosyl ở vị trí 6 là gomphrenin

Hình 1.4 Công thức betanin (c) và gomphrenin (d) [27]

1.2.3 Yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của betalain và betacyanin

Nước có ý nghĩa quan trọng trong hoạt động thủy phân Theo nghiên cứu của

Serris và Biliaderis (2001), hoạt độ dưới nước (a w ) khoảng 0,64 là phù hợp cho sự ổn định lâu dài của sắc tố betalain trong củ dền [28]

Cả betaxanthin và betacyain đều không bền trong sự hiện diện của oxy do xảy ra quá trình oxy hóa làm mất màu các sắc tố Ngoài oxy, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) là một hợp chất quan trọng trong khí quyển cũng có tác động làm mất màu betacyanin một cách nhanh chóng [29] Do đó, việc bổ sung axit ascorbic và axit isoascorbic đã giúp tăng cường sự ổn định của betalain [30] Nghiên cứu này đã mô tả vai trò của các chất chống oxy hóa khác nhau trong sự suy thoái của sắc tố betalain bởi oxy trong không khí và chứng minh rằng không phải hợp chất phenolic hay bất kỳ chất chống oxy hóa nào khác có chứa lưu huỳnh có khả năng bảo vệ betalain khỏi sự mất màu do oxy trong không khí gây ra Từ đó kết luận rằng, oxy đóng một vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa betacyanin và quá trình này càng xảy ra mạnh mẽ khi có sự góp mặt của ánh sáng và nhiệt độ môi trường xung quanh [30]

1.2.3.3 Ánh sáng Ánh sáng làm ảnh hưởng đến sự ổn định của các sắc tố Nguyên nhân là do sự hấp thu ánh sáng tia cực tím và bước sóng ánh sáng nhìn thấy làm kích thích các electron của phân tử betalain một cách mạnh mẽ Điều này sẽ gây ra một phản ứng khác hoặc tạo ra một năng lượng hoạt hóa thấp làm ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, hình dạng, kích thước và nhất là sự định hướng không gian của các tiểu phân tử khi va chạm [31]

Các nhà khoa học cũng chứng minh rằng sự kết hợp giữa ánh sáng và oxy đồng thời t lệ thuận đến sự phân hủy betalain Trong một thí nghiệm cụ thể, ánh sáng và oxy lần lƣợt chiếm 15,6% và 14,6% nguyên nhân làm phân hủy betalain, trong khi sự kết hợp của hai yếu tố này gây ra là 28,6% [32]

Tuy nhiên, không phải tất cả các nguồn ánh sáng đều có tác động phân hủy betalain Điều này đã đƣợc nghiên cứu bằng cách chiếu ánh sáng lên mô s o của Hoa mười giờ (Portulaca sp.) và kết quả cho thấy rằng ánh sáng màu xanh có khả năng làm sản sinh betalain cao [33] Tương tự như vậy, một nghiên cứu khác đã báo cáo về sự ảnh hưởng của ánh sáng trong việc nuôi cấy tế bào củ dền, kết quả cho thấy rằng ánh sáng màu xanh kết hợp với tia hồng ngoại làm sản sinh betalain cao hơn [34, 35]

Nhiệt độ cũng có tác động rõ ràng đến sự ổn định của betacyanin [36] Kết quả này đã đƣợc đánh giá bởi nhiều tác giả và đƣợc báo cáo rằng ngoài nhiệt độ, khả năng chịu nhiệt của betacyanin còn phụ thuộc vào pH và ngƣợc lại [36–41] Trong quá trình phân hủy, betacyanin giảm dần màu đỏ và cuối cùng chuyển sang màu vàng nâu nhạt [41]

Tổng quan về sấy phun

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt

Trong quá trình sấy, nước tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:

- Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu

- Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lƣợng vật liệu, tăng độ bền và bảo quản sản phẩm đƣợc lâu hơn

1.3.2 Ngu n ủ phương ph p sấ phun

Quá trình sấy phun là quá trình chuyển đổi dòng nhập liệu dạng lỏng thành sản phẩm dạng bột [54] Dòng nhập liệu đƣợc phân tán thành những hạt nhỏ li ti nhờ cơ cấu phun sương Cơ cấu phun sương thường có dạng đĩa quay hay vòi phun áp lực

Những hạt lỏng phun ra ngay lập tức tiếp xúc với dòng khí nóng, kết quả là hơi nước được bốc đi nhanh chóng nhưng nhiệt độ của vật liệu vẫn được duy trì ở mức thấp Nhờ vậy mà vật liệu đƣợc sấy khô mà không làm thay đổi đáng kể tính chất của sản phẩm Thời gian sấy khô các hạt lỏng dạng sương trong sấy phun nhanh hơn nhiều so với các quá trình sấy khác

Sấy phun gồm 3 quá trình cơ bản:

Giai đoạn 1: chuyển nguyên liệu cần sấy sang dạng sương mù (các hạt lỏng phân tán trong không khí) nhờ cơ cấu phun sương trong thiết bị sấy phun Hiện nay có 3 cơ cấu phun sương: đầu phun ly tâm, đầu phun 1 dòng, đầu phun 2 dòng Kích thước các giọt nhỏ sau giai đoạn phun sương dao động trong khoảng 10 ÷ 20 μm

Giai đoạn 2: hòa trộn sương mù với dòng tác nhân sấy trong buồng sấy Đây chính là giai đoạn tách ẩm ra khỏi nguyên liệu Do nguyên liệu được phun sương nên diện tích tiếp xúc giữa các giọt lỏng và tác nhân sấy là rất lớn Do đó ẩm trong nguyên liệu đƣợc bay hơi nhanh chóng Thời gian diễn ra sự tách ẩm chỉ mất từ vài giây đến vài chục giây

Giai đoạn 3: tách sản phẩm ra khỏi dòng tác nhân sấy Người ta có thể thu hồi sản phẩm bằng cách sử dụng hệ thống cyclone, túi lọc hoặc phương pháp kết tủa trong trường tĩnh điện, phổ biến nhất là sử dụng cyclone Hiệu suất thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun dao động trong khoảng 90 - 98%

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến qu tr nh sấ phun

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun Nhưng quan trọng nhất là các yếu tố sau: a Nồng độ chất khô của nguyên liệu

Trong quá trình sấy phun, nếu nồng độ chất khô của nguyên liệu càng cao thì lượng nước cần bốc hơi để sản phẩm đạt giá trị độ ẩm cho trước càng thấp Tuy nhiên nếu nồng độ chất khô quá cao sẽ làm tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khăn cho quá trình tạo sương mù trong buồng sấy, cơ cấu phun dễ bị tắc nghẽn hoặc tạo hạt với hình dạng và kích thước không như mong muốn b Nhiệt độ tác nhân sấy

Nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố ảnh hưởng đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm của sản phẩm bột thu đƣợc sẽ giảm đi khi ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tác nhân sấy tăng quá cao, độ ẩm cuối cùng của sản phẩm bột sẽ không giảm thêm nhiều mà ngƣợc lại nhiệt độ làm các hạt bột bị cháy, gây ảnh hưởng đến màu sắc, mùi vị và chất lượng của sản phẩm c Các yếu tố khác

Tốc độ bơm đưa dòng nguyên liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo và kích thước của buồng sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy phun

1.3.4 Một số nghiên cứu về sấy phun trong sản xuất thực phẩm

Theo nghiên cứu của Poonam Mishra và cộng sự (2013) về việc khảo sát quá trình sấy phun dịch quả quít (Emblica officinalis) với các thông số là: áp lực 1,2 bar, tốc độ nạp liệu là 13-15 ml/phút, hàm lƣợng maltodextrin bổ sung vào khoảng 5- 9%, và nhiệt độ sấy khoảng 125-200C sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của sản phẩm nhƣ độ ẩm, màu sắc, phenolic tổng và DPPH Với nhiệt độ sấy ở 125C, hàm lƣợng maltodextrin 5% thì khả năng giữ phenolic tổng và DPPH tốt hơn, tuy nhiên bột sấy phun dễ bị dính Ở điều kiện sấy 175C, hàm lƣợng maltodextrin 7% sẽ khắc phục đƣợc hiện tƣợng bột dính, màu sắc sáng hơn và hàm lƣợng phenolic tổng giảm nhƣng ở mức độ chấp nhận [59]

Nghiên cứu của Milton Cano-Chauca và cộng sự (2005) về các chất mang khác nhau hỗ trợ cho quá trình sấy phun dịch xoài cũng đã kết luận rằng sử dụng 12% maltodextrin (DE 20) bổ sung vào dịch xoài (12Bx) với nhiệt độ sấy 160C, tốc độ nhập liệu 10 ml/phút thì sản phẩm sấy phun có chất lƣợng tốt hơn, độ hòa tan cao (trên 90%) so với khi kết hợp maltodextrin với crystalline cellulose 3%, 6%, 9% [60]

Cristhiane Caroline Ferrari và cộng sự (2012) đã nghiên cứu những ảnh hưởng của điều kiện sấy phun lên tính chất hóa lý của bột việt quất nhƣ độ ẩm, tính hút ẩm, anthocyanin, màu sắc, trạng thái bột với nhiệt độ sấy 140-180C và nồng độ maltosedextrin 5-25% Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ không khí đầu vào cao làm tăng đáng kể tính hút ẩm của bột, giảm độ ẩm của bột và dẫn đến sự hình thành của các hạt lớn hơn với bề mặt nhẵn Bột đƣợc sản xuất với nồng độ maltodextrin cao hơn ít hút ẩm, màu sáng hơn, ít màu đỏ và có độ ẩm thấp Khả năng lưu giữ anthocyanin chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ do tính nhạy cảm nhiệt của các sắc tố Các điều kiện tối ƣu là nhiệt độ không khí đầu vào từ 140-150C và nồng độ maltodextrin 5-7% Nhìn chung, những kết quả này cho thấy chất lƣợng bột thành phẩm tốt, có thể thu đƣợc bằng cách sấy phun và có tiềm năng đƣợc ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm [61]

Kết quả nghiên cứu của F.D.B Abadio và cộng sự (2004) cho rằng việc bổ sung maltodextrin nồng độ 10% vào dịch khóm ép với điều kiện sấy ở 190C, tốc độ nhập liệu 18ml/phút, tốc độ đĩa quay 25000 rpm, sản phẩm sau khi sấy có màu sắc sáng, hạt mịn, dễ hòa tan [62]

Nghiên cứu của T.C Kha và cộng sự (2010) cũng chỉ ra rằng, nhiệt độ sấy và hàm lượng maltodextrin có ảnh hưởng rất lớn đến độ ẩm, carotenoid tổng và hoạt tính kháng oxy hóa của sản phẩm Sử dụng thiết bị sấy phun SD-05 spray dryer, ở điều kiện sấy 120C, áp lực 0,6 bar, tốc độ nạp liệu 12-14 ml/phút, bổ sung 10% maltodextrin thì sản phẩm bột gấc thu đƣợc sau khi sấy có màu sắc sáng hơn, tổng hoạt tính chống oxy hóa cao hơn so với sấy ở nhiệt độ 200C (0,14 so với 0,08 μmol TE/g) [63]

1.3.5 u đi v nhượ đi ủ quá trình sấ phun

Kỹ thuật sấy phun là một công nghệ hiện đại đang đƣợc sử dụng nhiều trong những thập k gần đây để đóng gói các thành phần thực phẩm như hương vị, chất béo và carotenoid Những ƣu điểm của quá trình này đã và đang đƣợc chứng minh bằng nhiều nghiên cứu và thu đƣợc một số nhận định bao gồm:

- Sản phẩm từ quá trình sấy phun giữ đƣợc tính chất và chất lƣợng tốt hơn so với một số phương pháp chế biến khác Sản phẩm sau khi sấy có dạng bột mịn đồng nhất, xốp, dễ hòa tan, chất lƣợng ít bị biến đổi so với nguyên liệu ban đầu, tiện lợi cho sử dụng Kết luận này đã đƣợc chứng minh bởi nghiên cứu của Chegini và cộng sự (2005) trong việc ứng dụng quá trình sấy phun để sản xuất bột cam hòa tan, sản phẩm thu đƣợc có màu sáng, hạt mịn và ít biến đổi về thành phần dinh dƣỡng [64]

Kết quả tương tự cũng được ghi nhận trong nghiên cứu của Abadio và cộng sự (2004) trong quá trình sấy phun dịch xoài [62]

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu và thiết bị

Củ dền (Beta Vulgaris L.) đƣợc mua tại siêu thị Co.opXtra Thủ Đức, có nguồn gốc từ Đà Lạt, được trồng theo tiêu chuẩn Việt GAP Chọn củ dền còn tươi, cứng, có màu đỏ-tím, đường kính 6-8cm và không bị sâu Củ dền mua về được xử lý và bảo quản lạnh đông -18C để sử dụng dần

Mỗi lần tiến hành thí nghiệm, củ dền đƣợc gọt vỏ, cắt nhỏ và ép lấy dịch, lọc dịch ép và xử lý để tiến hành từng thí nghiệm khác nhau

Sử dụng sản phẩm GLUCIDEX của Pháp, DE 12, độ ẩm 3,3%

Các hóa chất phân tích có xuất xứ từ Đức và Mỹ Các hóa chất thông thường có xuất xứ từ Trung Quốc

Thiết bị chính đƣợc sử dụng trong luận văn là thiết bị sấy phun Buchi mini (Model B290, Thụy Sĩ) với các thông số kỹ thuật nhƣ sau:

- Công suất tiêu hao điện tối đa: 2900 W - Điện áp kết nối:200-230 V ± 10%

- Tần số:50/60 Hz - Năng suất bay hơi: 1 kg H 2 O/h - Lưu lượng không khí tối đa: 35 m 3 /h - Điều khiển động cơ: sử dụng bộ chuyển đổi tần số - Thiết bị thu nhận dữ liệu: cổng nối tiếp Serial port RS-232 cho tất cả các thông số - Nhiệt độ đầu vào tối đa: 220C

- Cảm biến nhiệt: PT100, độ chính xác  3C - Công suất gia nhiệt: 2300 W

- Áp lực nén (không khí hoặc nitrogen) của cơ cấu tạo sương: 5-8 bar - Đường kính đầu hút: 2 mm

- Đường kớnh hạt sản phẩm: 1-25àm - Thời gian lưu trữ mẫu trung bình: 1-1,5 giây - Mức độ ô nhiễm: 2

- Kích thước (WxHxD): 65 x 100 x 70 cm - Cân nặng: 46 kg

Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Mụ đí h nghi n cứu Đánh giá mức độ ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, pH đến hàm lƣợng betacyanin và hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép củ dền

Khảo sát khả năng tạo bột màu betacyanin từ củ dền bằng phương pháp sấy phun nhằm ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Sơ đồ nghiên cứu của đề tài đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.1

2.2.3.1 Phân tích một số thành phần trong dịch ép củ dền

Củ dền sau khi đƣợc rửa, gọt vỏ, cắt nhỏ 2 x 3 cm, ép lấy dịch bằng máy ép Philips HR1811/71 và lọc bằng thiết bị lọc chân không, sau đó dịch ép sẽ đƣợc tiến hành phân tích thành phần

- Nồng độ chất khô - Giá trị pH

- Hàm lƣợng betacyanin tổng - Hoạt tính kháng oxy hóa của dịch ép

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu

2.2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ bền của betacyanin trong dịch ép

Nguyên liệu sau khi ép lấy dịch sẽ đƣợc xử lý ở các chế độ khác nhau tùy theo điều kiện thí nghiệm Mỗi lần chuẩn bị mẫu đủ cho một thí nghiệm lớn

Khảo sát nồng độ chất khô

Khảo sát nhiệt độ không khí đầu vào

Sấy phun và đánh giá tính chất sản phẩm bột

Phân tích thành phần dịch ép củ dền

- Hàm lƣợng chất khô - Betacyanin tổng số - Hoạt tính chống oxy hóa (DPPH)

Khảo sát ảnh hưởng của pH đến betacyanin trong dịch ép

Khảo sát ảnh hưởng của ánh sáng đến betacyanin trong dịch ép

Xác định thông số công nghệ của quá trình sấy phun

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến betacyanin trong dịch ép

 Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của betacyanin trong dịch ép

- Các mức nhiệt độ: 4, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50C (cho dịch ép vào bình tam giác và ngâm trong nước ở điều kiện nhiệt độ tương ứng)

- pH dịch ép ban đầu: 5,78 - Thời gian xử lý: 30 phút

Yếu tố đánh giá: Hàm lƣợng betacyanin tổng, hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép thu đƣợc

 Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng đến độ bền của betacyanin trong dịch ép

- Điều kiện bảo quản dịch ép trong bao bì thủy tinh đƣợc bọc giấy bạc và không bọc giấy bạc

- pH dịch ép ban đầu: 5,78 - Nhiệt độ: nhiệt độ phòng - Thời gian xử lý: 7 ngày, đo độ hấp thụ ở 538nm sau mỗi 24 giờ

Yếu tố đánh giá: Hàm lƣợng betacyanin tổng, hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép thu đƣợc

 Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến độ bền của betacyanin trong dịch ép

- pH lần lƣợt là 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5 (chỉnh pH bằng đệm citrate và đệm phosphate)

- Nhiệt độ xử lý: 50 o C - Thời gian xử lý: 30 phút

Yếu tố đánh giá: Hàm lƣợng betacyanin tổng, hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép thu đƣợc

2.2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ của quá trình sấy phun dịch ép củ dền

 Quy trình sấy phun bột betacyanin ở quy mô phòng thí nghiệm

Quy trình sấy phun bột betacyanin ở quy mô phòng thí nghiệm đƣợc thể hiện trong hình 2.2

- Lựa chọn nguyên liệu: củ dền đƣợc mua ở siêu thị Co.opXtra Thủ Đức, có nguồn gốc ở Đà Lạt, Lâm Đồng, đạt tiêu chuẩn VIETGAP Lựa chọn những củ dền còn nguyên v n, kích thước đồng đều, không bị tổn thương cơ học, đường kính 6 - 8cm Sau khi đƣợc rửa sạch và gọt vỏ, củ dền đƣợc cắt thành miếng 2 x 3cm và mang đi làm lạnh nhanh ở -18C, rồi bảo quản đến khi sử dụng để không thay đổi cấu trúc đáng kể so với củ tươi

- Rửa: chà xát quanh thân củ dền để loại bỏ đất cát dính trên củ, tránh làm dập củ và để ráo

- Gọt vỏ: dùng dao gọt bỏ phần vỏ

- Cắt nhỏ: dùng dao cắt củ dền thành từng miếng có kích thước 2 x 3cm

- Ép: ép củ dền bằng máy ép Philips HR1811/71

- Lọc: lọc lần 1 bằng vải lọc, sau đó lọc lại lần 2 bằng thiết bị lọc chân không

- Phối trộn maltodextrin: hòa tan maltodextrin ở dạng bột vào dịch ép đến nồng độ chất khô (Bx) mong muốn

- Đồng hóa: đồng hóa dịch ép bằng thiết bị đồng hóa cơ

- Sấy phun: sấy phun dịch ép củ dền bằng thiết bị sấy phun BUCHI Mini Spray Dryer B-290 của Thụy Sĩ

Hình 2.2 Quy trình sấy phun bột betacyanin từ củ dền

 Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất khô đến quá trình sấy phun dịch ép

- Bổ sung maltodextrin vào dịch ép để nồng độ chất khô trong dịch ép đạt:

Bã Vỏ Đất, cát Nước Đồng hóa Phối trộn

Thông số cố định của quá trình sấy:

- pH nguyên liệu: giá trị tối ƣu ở TN 3 (trong mục 2.2.3.2) - Nhiệt độ sấy: 150 o C

- Áp suất: 3 bar - Lưu lượng nhập liệu: 5ml/ phút

Các đại lượng được theo dõi:

- Độ ẩm - Hiệu suất thu hồi - Hàm lƣợng betacyanin tổng - Hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép

 Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào của tác nhân sấy đến quá trình sấy phun dịch ép

Thông số cố định của quá trình sấy:

- pH nguyên liệu: giá trị tối ƣu ở TN 3 (trong mục 2.2.3.2) - Nồng độ chất khô: giá trị tối ƣu ở TN 1 (trong mục 2.2.3.3) - Áp suất: 3 bar

- Lưu lượng nhập liệu: 5 ml/ phút

Các đại lượng được theo dõi:

- Độ ẩm - Hiệu suất thu hồi - Hàm lƣợng betacyanin tổng - Hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép

 Thí nghiệm 3: Sấy phun và đánh giá chất lượng sản phẩm bột betacyanin Thông số cố định của quá trình sấy:

- pH nguyên liệu: giá trị tối ƣu ở TN 3 (trong mục 2.2.3.2) - Nồng độ chất khô: giá trị tối ƣu ở TN 1 (trong mục 2.2.3.3) - Nhiệt độ không khí đầu vào: giá trị tối ƣu ở TN 2 (trong mục 2.2.3.3) - Áp suất: 3 bar

- Lưu lượng nhập liệu: 5 ml/ phút

- Hóa lý: độ ẩm, hiệu suất thu hồi, hàm lƣợng betacyanin tổng, hoạt tính kháng oxy hóa của sản phẩm bột

- Vi sinh: TSVSVHK, nấm mốc, nấm men, Coliforms, E.coli

Phương pháp phân tích

Nguyên tắc: đo độ hấp thu của dịch ép chứa betacyanin ở 538nm và xác định hàm lƣợng betacyanin bằng định luật Lambert-Beer [66, 67]

Hàm lƣợng betacyanin tổng số trong mẫu phân tích đƣợc tính theo công thức:

A: độ hấp thu M: khối lƣợng phân tử betacyanin (M = 550g/mol) F: độ pha loãng

: hệ số hấp thu của betacyanin trong H 2 O ( = 60000 L/mol.cm) d: bề dày cuvet (d = 1cm)

2.3.2 Hoạt tính chống oxy hóa DPPH

Nguyên tắc: Khi có mặt của các chất chống oxy hóa, nó sẽ khử gốc tự do

DPPH* và làm cho dung dịch bị giảm màu sắc từ màu tím sẫm sang vàng Sự giảm độ hấp thu tại bước sóng 515nm cho phép xây dựng đường cong ức chế tính theo liều lƣợng

Khả năng bắt các gốc tự do DPPH của mẫu thử (%) tính bằng công thức:

A Sample : Là độ hấp thu của mẫu pha với DPPH A Control : Là độ hấp thu của DPPH không pha mẫu

Dựng đường chuẩn trolox và dựa vào đường chuẩn để tính toán hoạt tính chống oxy hóa DPPH trong mẫu thí nghiệm.

Phương pháp xử lý số liệu

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành lập lại ba lần đối với mỗi thí nghiệm Kết quả đƣợc trình bày ở dạng giá trị trung bình Đánh giá sự khác biệt có ý nghĩa giữa các mẫu thí nghiệm đƣợc thực hiện bằng phương pháp thống kê ANOVA (α = 5%) trên phần mềm SPSS 16.0.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả xác định một số thành phần trong dịch ép củ dền

Kết quả phân tích thành phần hóa học của dịch ép củ dền đƣợc trình bày trong bảng 3.1 nhƣ sau:

Bảng 3.1 Kết quả phân tích một số thành phần trong dịch ép củ dền

STT Chỉ tiêu phân tích Kết quả Đơn vị

1 Nồng độ chất khô 9,6 ± 0,22 Bx

3 Hàm lƣợng betacyanin tổng 15,03 ± 0,28 mg/g chất khô 4 Hàm lƣợng DPPH 303,07 ± 4,61 àmol TEAC/g chất khụ

Kết quả phân tích từ bảng 3.1 cho thấy hàm lƣợng betacyanin và hoạt tính kháng oxy hóa của dịch ép củ dền lần lƣợt là 15,03 ± 0,28 mg/g chất khô và 303,07 ± 4,61 àmol TEAC/g chất khụ Số liệu này đó chỉ ra rằng hàm lƣợng betacyanin trong dịch ép cao hơn nhiều so với trong dịch chiết đã đƣợc ghi nhận bởi Azeredo và cộng sự (2009) khi nghiên cứu chiết xuất betacyanin từ củ dền với dung môi là nước và thu được kết quả về hàm lượng betacyanin đạt 84,26 mg/100g nguyên liệu [68] Bên cạnh đó, một nghiên cứu khác của Roy và cộng sự (2004) cũng đã báo cáo rằng hàm lượng betacyanin trong củ dền khi chiết xuất bằng nước ở nhiệt độ 30C đạt 66  0,04 mg/100 ml [69] Sự khác biệt về hàm lƣợng betacyanin trong các nghiên cứu trên đƣợc giải thích chủ yếu là do sự khác biệt về các điều kiện khí hậu, thổ nhƣỡng, giống củ dền, chế độ chăm sóc và tuổi của cây

Bên cạnh hàm lƣợng betacyanin thì nồng độ chất khô hòa tan đo đƣợc từ Brix kế cũng đạt giá trị cao là 9,6Bx, với nồng độ này chúng tôi có thể bỏ qua công đoạn cô đặc dịch ép trước khi sấy phun, rút ngắn được thời gian và giảm chi phí sản xuất của quá trình theo nhƣ quy trình sản xuất bột betacyanin từ dịch chiết củ dền đã đƣợc báo cáo bởi B Neelwarne và S.B Halagur (2013) [1].

Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của betacyanin trong dịch ép củ dền

3.2.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của betacyanin trong dịch ép củ dền

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của betacyanin trong dịch ép đƣợc trình bày trong hình 3.1 và 3.2 nhƣ sau:

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng betacyanin trong dịch ép

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính chống oxy hóa của dịch ép

Nhiệt độ (C) Hàm lƣợng betacyanin còn lại (mg/g chất khô)

Nhiệt độ (C) Hoạt tớnh khỏng oxy húa (àmol TEAC/g chất khụ)

Hình 3.1 và 3.2 cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng đến hàm lượng betacyanin và hoạt tính kháng oxy hóa của dịch ép ở mức độ tin cậy 95% (p