Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Sử dụng sóng siêu âm thu nhận dịch trái chùm ruột (Phyllanthus acidus) giàu các hợp chất chống oxy hóa

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát ảnh hưởng của công suất và thời gian siêu âm trong quá trình xử lý chùm ruột đến hoạt tính chống oxy hóa của dịch trích.. Nghiên cứu của Khan và cộng sự

TỔNG QUAN

Trái chùm ruột

Chùm ruột còn gọi là tầm ruột, có tên khoa học là Phyllanthus acidus, Phyllanthus distichus, Cicca disticha, Cicca acida hay Averrhoa acida, là loại cây thân gỗ nhỏ Đây là một loại cây phổ biến, có nguồn gốc Nam Á, phân bố chủ yếu ở các nước nhiệt đới như Ấn Độ, Bangladesh, một số nước Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam Chùm ruột là loài cây ăn quả duy nhất trong họ Phyllanthaceae [6]

Phân loại tên khoa học theo hệ thống APG III-2009 (Angiosperm Phylogeny Group)

Giới: Plantae Ngành: Angiospermae Lớp: Eudicots

Bộ: Rosales Họ: Phyllanthaceae Chi: Phyllathus Loài: P.acidus

2.1.2 Đặc điểm thực vật Chùm ruột là loại cây thân mộc (Hình 2.1A), cỡ nhỏ, gần giống cây bụi, đạt chiều cao từ 2m đến 9 m Tán cây rậm rạp, thân cây dày có nhiều nhánh cứng

Nhánh cây sần sùi vì vết sẹo cũ của những cuống lá cũ Ở mỗi cành chính đều có nhiều cành nhỏ màu xanh, dài từ 15 cm đến 30 cm, mọc thành chùm dày đặc [6]

Hình 2.1 B cho thấy lá chùm ruột mọc so le, hình trứng dài, với kích thước khoảng 4-5 cm, rộng khoảng 1,5- 2 cm [6]

Mùa hoa nở khoảng tháng 3-5, mùa cho quả khoảng tháng 6-8 Hoa chùm ruột có màu hồng, nở thành từng chùm (Hình 2.1 C) [7]

Trái chùm ruột có hình tròn, chia thành 6 múi, Trái chùm ruột khi còn non có màu xanh hoặc màu vàng nhạt, m trái Thịt chùm ruột giòn

2.1.3 Thành phần Chùm ruột là trái giàu chất dinh dưỡng vitamin và các hợp chất chống oxy hóa

Hình 2.1 Cây (A), Lá (B), hoa (C) có hình tròn, chia thành 6 múi, đường kính qu t khi còn non có màu xanh đậm sau khi chín chuy t, mỗi trái chỉ có một hạt duy nhất, cứng và n t giòn có vị rất chua [7]

Thành phần dinh dưỡng: trái giàu chất dinh dưỡng, chủ yếu là các loại đường vitamin và các hợp chất chống oxy hóa ng kính quả khoảng 2-2,5 cm m sau khi chín chuyển sang màu trắng ng và nằm ở trung tâm của là các loại đường, khoáng,

Thành phần dinh dưỡng của trái chùm ruột phụ thuộc vào giống, độ chín, thổ nhưỡng, khí hậu, chế độ chăm sóc trong suốt quá trình phát triển và trưởng thành [8], [9]

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng của trái chùm ruột có xuất xứ từ Ấn Độ [8]

Thành phần Khối lượng trong 100g trái tươi

 Vitamin C:Trái chùm ruột chứa nhiều loại vitamin, tuy nhiên đáng chú ý là vitamin C Hàm lượng vitamin C ban đầu thấp rồi tăng dần đến khi trái chùm ruột đạt độ chín sinh lý [10] Hàm lượng vitamin C trong chùm ruột trong các công bố trước đây có sự khác nhau

Bảng 2.2 Kết quả công bố về hàm lượng vitamin C trong dịch trích trái chùm ruột với những nghiên khác nhau

Tên tác giả Năm Hàm lượng vitamin C (mg/100g trái tươi)

Kết quả từ bảng 2.2 cho thấy hàm lượng vitamin C trong các công bố có sự dao động đáng kể từ 4,6 đến 135,5 mg/ 100g trái tươi Sự khác nhau trong các công bố có thể do nhiều nguyên nhân, trong đó giống và độ chín của đối tượng trái chùm ruột là một yếu tố quan trọng[12], [13]

Phenolic là một nhóm các hợp chất mà trong cấu trúc có nhiều vòng benzene mang một hay nhiều nhóm chức hydroxyl-OH Trong thiên nhiên các hợp chất phenolic bao gồm: flavonoid, xanthon, quercetin, quinon, các phenol mạch đơn vòng, các polyphenol

Một số hợp chất phenolic trong thực phẩm có tính kháng oxy hóa cao, tác động tốt đến sức khỏe của con người Hiệu quả được chứng minh trong việc phòng chống bệnh ung thư và tim mạch [14]

Trong dịch trái chùm ruột, các hợp chất phenolic chủ yếu thuộc nhóm flavonoid, cụ thể là quercetin, kaemferol, myricetin [1]

Bảng 2.3 Kết quả công bố về hàm lượng phenolic tổng trong dịch trích trái chùm ruột trong các công bố khác nhau

Tên tác giả Năm Hàm lượng phenolic tổng (mg GAE/10g chất khô)

Sự khác biệt nói trên phụ thuộc vùng nguyên liệu và thời điểm thu hái khác nhau [13]

 Hoạt tính chống oxy hóa:

Chùm ruột là một trong những loại trái có khả năng kháng oxy hóa, mang lại nhiều lợi ích cho cơ thể, có tiềm năng để phát triển các sản phẩm giàu hợp chất chống oxy hóa Các hợp chất chống oxy hóa trong dịch quả chùm ruột chủ yếu là vitamin C, acid galic, quercetin, tannin, kaempferol, myricetin [15]

Bảng 2.4 Hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trái của một số loài trong họ

Phyllanthaceae sử dụng ethanol làm dung môi trích ly [16]

Phenolic tổng (mg GAE/100g chất khô)

Flavonoid Tổng( mg quercetin/10 0 g chất khô)

FRAP(àmol TE/100g chất khô)

Theo trang Les plantes médicales, lá chùm ruột nấu chín đắp lên mụn nhọt giúp hút mủ rất tốt Nhai lá chùm ruột sẽ xoa dịu các chứng viêm họng và miệng Thân cây chùm ruột được đưa vào các trị liệu dân gian do khả năng làm hạ sốt nhanh chóng Chùm ruột là một trong những loại thực vật được đưa vào chương trình giải độc cơ thể, trị các bệnh về da

Các nghiên cứu gần đây cho thấy sử dụng trái chùm ruột có khả năng chống lại nhiều bệnh như đau đầu, hạ sốt, sáng mắt, kháng viêm [17], [18]

Nghiên cứu của Kumar (2011) trên lá chùm ruột cho kết quả khả quan trong việc chống lại bệnh gan trên đối tượng thử nghiệm là chuột Nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong lá chùm ruột có chứa hai chất là acetaminophen và thioacetamide sử dụng với nồng độ 200-400mg/kg cân nặng cơ thể chuột trong vòng 7 ngày sẽ cho các chỉ số kháng bệnh tốt hơn nhóm không sử dụng [19]

Ngoài ra, dịch trái chùm ruột cũng có khả năng kháng một số loài vi khuẩn gây ngộ độc trên cơ thể người cụ thể như Shigella dysenteriae, Vibrio cholera, Staphylococcus aureus [20]

2.1.5 Các sản phẩm có nguồn gốc từ trái chùm ruột Hiện nay ở thị trường Việt Nam nói riêng và Châu Á nói chung chưa có bất kỳ một sản phẩm công nghiệp nào từ trái, thân, lá và rễ chùm ruột

Kỹ thuật siêu âm

2.2.1 Sóng siêu âm Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số vượt quá ngưỡng nghe của tai người Thông thường, các thiết bị siêu âm sử dụng bước sóng từ

Sóng siêu âm có th Sóng siêu âm tần số thấp có tần số trong khoảng tần số này tạo ra các bong bóng lớn bong bóng, mức năng dụng để làm biến đổi các đặc tính vật lý

Sóng siêu âm tần số cao có tần số trong khoảng tần số này, hiện tượng sủi bong bóng ít dữ dội hơn hơn 1 W ), được ứng dụng chất hóa lý, cấu trúc của nguyên liệu Sóng siêu âm đoán có tần số từ trong khoảng tần số này là “acoustic streaming” tích hóa học [5]

Hình 2.3 Quá trình hình thành và n

2.2.2 Tác động của sóng siêu âm

 Tác động vật lý Các tác động vật lý của sóng siêu âm chủ yếu diễn ra mạnh mẽ ở ranh giới lỏng – rắn và lỏng – lỏng Những hiệu ứng biên là rất quan trọng vì lớp biên ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình truyền nhiệt và truyền khối

Kỹ thuật siêu âm siêu âm Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số vượt quá ngưỡng nghe của tai người các thiết bị siêu âm sử dụng bước sóng từ 20kHz đến có thể được chia thành các dãy tần số như sau Sóng siêu âm tần số thấp có tần số trong khoảng 20-100kHz o ra các bong bóng lớn, làm tăng nhiệt độ và áp suất trong vùng sủi mức năng lượng trong phạm vi 10-1000 W. dụng để làm biến đổi các đặc tính vật lý, hóa học của thực phẩm Sóng siêu âm tần số cao có tần số trong khoảng 100kHz đến hiện tượng sủi bong bóng ít dữ dội hơn, năng lượng thấp được ứng dụng để điều khiển các quy trình và cấu trúc của nguyên liệu

Sóng siêu âm đoán có tần số từ 1 đến 10 MHz Cơ chế chính của sóng siêu âm trong khoảng tần số này là “acoustic streaming”, được dùng trong

Quá trình hình thành và nổ bể bong bong do tác động c

Tác động của sóng siêu âm trong quá trình trích ly Tác động vật lý

Các tác động vật lý của sóng siêu âm chủ yếu diễn ra mạnh mẽ ở ranh giới lỏng

Những hiệu ứng biên là rất quan trọng vì lớp biên ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình truyền nhiệt và truyền khối Do tập trung năng lượng ở vùng Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số vượt quá ngưỡng nghe của tai người kHz đến 10 MHz [21] chia thành các dãy tần số như sau : kHz Sóng siêu âm trong làm tăng nhiệt độ và áp suất trong vùng sủi và thường được sử hóa học của thực phẩm [22], [23], [24] kHz đến 1 MHz Ở khoảng năng lượng thấp (thường thấp điều khiển các quy trình và xác định các tính

Cơ chế chính của sóng siêu âm được dùng trong y học và phân ng của sóng siêu âm trong quá trình trích ly

Các tác động vật lý của sóng siêu âm chủ yếu diễn ra mạnh mẽ ở ranh giới lỏng

Những hiệu ứng biên là rất quan trọng vì lớp biên ảnh hưởng

Do tập trung năng lượng ở vùng này, sóng siêu âm cải thiện động học truyền nhiệt và truyền khối rất hiệu quả [25]

Các tác động vật lý quan trọng của sóng siêu âm là hiện tượng sủi bọt khí (cavitattion) [25], và hiện tượng vi dòng [26]

 Hiện tượng sủi bọt Sủi bọt khí do âm thanh là sự hình thành, phát triển và vỡ ra nhanh chóng của các bong bóng hay khoảng trống trong chất lỏng dưới sự biến đổi của áp suất [27], [28] Trong môi trường lỏng, khi sự thay đổi áp suất đủ lớn, chất lỏng sẽ bị xé ra do tác động của sóng siêu âm tạo thành những bong bóng khí [25] Sóng siêu âm truyền trong môi trường vật lý bằng cách nén và giãn khoảng cách giữa các phân tử trong môi trường mà chúng đi qua Khi sóng siêu âm truyền qua môi trường, khoảng cách trung bình giữa các phân tử sẽ thay đổi khi chúng dao động quanh vị trí cân bằng Khi áp suất âm tạo ra sóng siêu âm đi qua chất lỏng đủ lớn, khoảng cách giữa các phân tử của chất lỏng vượt quá khoảng cách tối thiểu để giữ chất lỏng nguyên vẹn, chất lỏng bị vỡ ra và các lỗ trống được tạo thành Các lỗ trống này được gọi là bong bóng khí xâm thực Khi chất lỏng nén và giãn, bong bóng khí xâm thực có thể xảy ra hai trạng thái, ổn định và tạm thời Bong bóng ổn định tạo thành khi sóng siêu âm có cường độ thấp (1-3 W ) dao động ở kích thước cân bằng trong nhiều chu kì sóng âm Bong bóng tạm thời tạo thành khi sóng siêu âm có cường độ lớn (vượt quá 10 W ), bong bóng này giãn nở nhanh chóng qua vài chu kỳ sóng âm, bán kính tăng ít nhất gấp đôi so với kích thước ban đầu trước khi vỡ ra trong chu kỳ nén [29] Quá trình này tạo ra áp suất rất lớn (70-100 MPa) [30], làm hỗn loạn môi trường xung quanh và gãy mạch polymer, phá vỡ thành tế bào [31] Năng lượng tạo ra khi một bong bóng bị vỡ rất nhỏ, nhưng hàng triệu bong bóng khí vỡ trong một giây hợp lại tạo thành năng lượng rất lớn [32]

Như vậy, hiện tượng sủi bọt khí có thể làm giảm kích thước nguyên liệu đồng thời thúc đẩy quá trình truyền khối trong hệ thống trích ly rắn- lỏng Những biến đổi này sẽ góp phần làm tăng hiệu suất và rút ngắn thời gian trích ly

 Hiện tượng vi dòng Đây là sự xuất hiện các bong bóng tức thời gần bề mặt rắn Lúc này bong bóng vỡ ra không đối xứng, từ đây có thể phát ra tia bọt khí hay lỏng [33] Những tia này hướng vào bề mặt rắn và có thể phá hủy bề mặt tiếp xúc Hoạt động này có thể đánh bật các hạt gắn liền với bề mặt và phá vỡ các khối liên kết thành các hạt nhỏ Những biến đổi cũng góp phần làm giảm kích thước nguyên liệu rắn hoặc phá vỡ cấu trúc nguyên liệu, giúp cho dung môi xâm nhập dễ dàng hơn để trích ly chất chiết [34]

 Tác động hóa học Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất lớn xảy ra đồng thời có thể gây ra một số biến đổi hóa học bên trong bong bóng và vùng xung quanh nó [36]

Theo Feng và cộng sự (2010), sự tạo thành các gốc tự do là hệ quả trực tiếp của nhiệt độ cao bên trong bong bóng Nếu tồn tại hơi nước, nhiệt độ cao phân hủy phân tử nước ( 0) thành ion hydro ( )và gốc tự do hydroxyl ( ) Ion hydro ( )và gốc hydroxyl ( ) có thể tái hợp thành hydro peroxide ( ) và hydro phân tử ( ) Nếu có những thành phần khác cũng được siêu âm, thì có thể xảy ra các phản ứng thứ cấp [25], [28]

Tác động hóa học của sóng siêu âm có thể có lợi hay có hại cho các cấu tử cần trích ly Tuy nhiên, khi xử lý siêu âm với công suất lớn và thời gian kéo dài thì các gốc tự do mới được hình thành và gây những tác động tiêu cực đến chất lượng sản phẩm [35]

2.2.3 Các thông số của quá trình xử lý siêu âm

Nhiều nghiên cứu cho thấy công suất siêu âm ảnh hưởng lớn tới sự biến đổi của nguyên liệu Theo lý thuyết, công suất siêu âm lớn tạo ra áp suất lớn trong môi trường, do đó phá hủy cấu trúc vi mô trong thực phẩm thông qua hiện tượng bong bóng khí xâm thực [37] Do đó, mục tiêu của các nhà nghiên cứu là tìm ra công suất phù hợp cho quá trình trích ly đồng thời bảo vệ các vitamin, màu sắc, hương vị, các chất có hoạt tính sinh học trong thực phẩm

Hiệu suất trích ly tăng theo công suất siêu âm trong một khoảng xác định

Nghiên cứu của Khan và cộng sự (2009) cho thấy hàm lượng các hợp chất phenolic trong vỏ cam tăng 50% so với mẫu đối chứng không xử lý siêu âm khi tăng công suất siêu âm từ 3,2 đến 30W; nếu tiếp tục tăng công suất lên 56 W; hiệu quả trích ly tăng không đáng kể [38].Tương tự vậy, theo Le và Le (2012), hiệu suất trích ly các chất có hoạt tính oxi hóa trong sơ ri tăng 12% so với mẫu đối chứng không xử lý siêu âm theo phương pháp ABTS trong khoảng công suất từ 0-15 W/g Tuy nhiên, giá trị này không tăng có ý nghĩa thống kê khi tiếp tục tăng công suất siêu âm lên 20 W/g [39]

 Nhiệt độ Nhiệt độ môi trường có hai vai trò quan trọng trong xử lý siêu âm Một mặt, nhiệt độ cao phá vỡ tương tác giữa các thành phần trong nguyên liệu (lực Van der Waals, liên kết hydro) và làm tăng độ khuếch tán Mặt khác, nhiệt độ cao làm tăng áp suất hơi và hơi nước sẽ lấp đầy các bong bóng khí, sự vỡ bong bóng diễn ra ít mạnh mẽ hơn, làm giảm tác động của sóng siêu âm Do đó cần cân bằng nhiệt độ và tác động xâm thực của sóng siêu âm để đạt hiệu quả trích ly cao nhất [40] Nghiên cứu trên dịch nho của Le và Le (2010) cho thấy nhiệt độ tối ưu để xử lý siêu âm thu nhận dịch nho là 74 C, khi đó tổng hàm lượng chất chiết thu nhận được là cao nhất [41].Tuy nhiên nghiên cứu của V Santhirasegaram (2014) để trích ly các chất chống oxy hóa trong xoài cho thấy nhiệt độ xử lý siêu âm thích hợp là 25 C [42]

Như vậy tùy thuộc vào cấu tử cần trích ly mà nhiệt độ xử lý siêu âm sẽ khác nhau

Tính mới của đề tài

Theo các tài liệu mà chúng tôi có được, chưa có công bố khoa học nào về sử dụng sóng siêu âm để thu dịch trích trái chùm ruột Trong luận văn này, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của công suất và thời gian siêu âm đến quá trình trích ly các chất chống oxy hóa và hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trái chùm ruột từ đó tiến hành tối ưu hóa điều kiện xử lý siêu âm và xác định thông số động học của quá trình trích ly.

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu và thiết bị

3.1.1 Nguyên liệu Trái chùm ruột được thu hái từ một nhà vườn tại huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 6 năm 2015 Trái chùm ruột được tiến hành phân loại xác định độ chín, trước đó loại bỏ những trái dập úng, sâu bệnh Sau khi chọn được độ chín phù hợp cho các thí nghiệm, chùm ruột được rửa sạch, để ráo nước cho vào túi nilon, bảo quản ở nhiệt độ -18 0 C để sử dụng cho cả quá trình thí nghiệm

3.1.2 Thiết bị Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm gồm có:

Thiết bị siêu âm dạng thanh Sonics & materials Inc., VC 750, Hoa Kỳ với các thông số kỹ thuật:

- Tần số : 20 kHz - Công suất : 0-750 W - Kích thước đầu phát sóng dài 3,8 cm, đường kính 12,7 mm Thiết bị ly tâm Startorius, Sigma 3K30, Hoa Kỳ

Thiết bị đo quang phổ UV-vis CT 2300, Đài Loan Bể điều nhiệt Memmert, WNB 45, Indonesia

Cân điện tử Sartorious, Đức.

Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Mục đích nghiên cứu Mục đích của nghiên cứu là thu nhận dịch trái chùm ruột giàu các hợp chất chống oxy hóa

3.2.2 Qui trình thu nhận dịch chùm ruột ở qui mô phòng thí nghiệm

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thu nhận dịch chùm ruột

Trái chùm ruột lạnh đông

Ly tâm Xử lý siêu âm

Dịch trái chùm ruột Nước

Trái chùm ruột được tiến hành rã đông ở nhiệt độ phòng trong vòng một giờ, chần với nước nóng ở nhiệt độ 85 0 C trong vòng 2 phút để vô hoạt enzyme polyphenol oxydase, sau đó làm lạnh nhanh bằng nước đá rồi đem cắt nhỏ bằng dao để loại bỏ hạt, Sau khi loại bỏ hạt, phần thịt quả được đem đi nghiền bằng thiết bị nghiền dao cắt (Philip HR2, Hoa kỳ) trong thời gian 1 phút Sau khi nghiền, nguyên liệu được pha loãng với nước theo tỷ lệ nước và thịt quả là 2:1, (w/w), trộn đều trong cốc thủy tinh 50 ml đã được quấn giấy bạc trước khi sử lý siêu âm Khối lượng mẫu cho mỗi lần xử lý là 30g bao gồm cả thịt quả và nước pha loãng Để xử lý siêu âm, chúng tôi sử dụng thanh siêu âm Sonicator 3000 ® (Hoa kỳ)

Công suất của thanh siêu âm có thể điều chỉnh trong khoảng 0-750W với tần số là 20kHz Quá trình xử lý siêu âm cũng chính là quá trình trích ly Trong quá trình xử lý siêu âm, cốc thủy tinh chứa mẫu được đặt vào bể nước lạnh sao cho nhiệt độ trong cốc thủy tinh không vượt quá 30

Sau khi xử lý siêu âm, hỗn hợp được lọc chân không để loại bỏ bã thô rồi ly tâm với tốc độ 3000 vòng/ phút ở 25 C trong 15 phút bằng máy ly tâm Satorius 3K30, Sigma (Hoa kỳ) để loại bỏ bã mịn Dịch chùm ruột được đem đo thể tích và tiến hành phân tích hàm lượng vitamin C, hàm lượng phenolic tổng và hoạt tính chống oxy hóa theo phương pháp ABTS và FRAP

Hình 3.2 Sơ đồ nghiên cứu Nội dung nghiên cứu

Tối ưu hóa điều kiện xử lý siêu âm để hoạt tính kháng oxy hóa của dịch chùm ruột là cao nhất Chọn độ chín của trái chùm ruột

Xác định thông số động học của quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trái chùm ruột

- Tốc độ trích ly ban đầu (h) - Hằng số tốc độ trích ly (k) - Khả năng trích ly ( )

Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý siêu âm đến hàm lượng vitamin C , phenolic tổng và hoạt tính kháng oxy hóa của dịch trích trái

3.2.3.2 Chọn độ chín nguyên liệu

Thí nghiệm 1: Chọn độ chín để thu dịch quả

 Mục đích: Lựa chọn độ chín thích hợp để thu dịch trái giàu các chất chống oxy hóa

Phân loại sơ bộ trái chùm ruột thành 3 độ chín khác nhau dựa vào màu sắc của vỏ trái, khối lượng theo bảng 3.1

Bảng 3.1 Phân loại độ chín của trái chùm ruột theo màu sắc và khối lượng trái tươi Độ chín Màu sắc Khối lượng trái chùm ruột tươi (g)

Sau quá trình phân loại, dịch chùm ruột được thu nhận theo quy trình trên hình 3.1, bỏ qua giai đoạn xử lý siêu âm, phần bã được tái trích ly thêm hai lần nữa để trích ly hết hàm lượng vitamin C và phenolic tổng Các thông số được thực hiện như sau:

Hàm mục tiêu: Khối lượng mẫu 30g, Tỷ lệ nước: thịt quả là 2:1 (w/w), Khảo sát ở nhiệt độ phòng

Thông số xác định: Hàm lượng vitamin C, phenolic tổng

 Kết quả: Chúng tôi chọn nguyên liệu có độ chín sao cho hàm lượng vitamin C và phenolic tổng trong dịch trái đạt cao nhất

3.2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý siêu âm hàm lượng vitamin C, phenolic tổng và hoạt tính kháng oxy hóa của dịch trích trái chùm ruột

Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của công suất siêu âm

 Mục đích: Xác định công suất siêu âm của quá trình xử lý để dịch trích trái chùm ruột thu được có hàm lượng các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hóa là cao nhất

 Tiến hành: Dịch chùm ruột được thu nhận theo quy trình trên hình 3.1 Thông số khảo sát : Công suất siêu âm được thay đổi lần lượt là 0; 5; 10; 15; 20;

25 W/g thịt quả đã pha loãng

Thông số cố định : Khối lượng mẫu 30g, Tỷ lệ nước: thịt quả 2:1 (w/w), thời gian siêu âm 1 phút

 Hàm mục tiêu: Hàm lượng vitamin C, phenolic tổng, hoạt tính kháng oxy hóa

Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm

 Mục đích: Xác định thông số thời gian xử lý siêu âm để dịch trích trái chùm ruột có hàm lượng các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hóa là cao nhất

 Tiến hành: Dịch chùm ruột được thu nhận theo quy trình trên hình 3.1 Thông số khảo sát: Thời gian siêu âm thay đổi lần lượt là 0; 1; 2; 3; 4; 5 phút Thông số cố định: Khối lượng mẫu 30g, Tỷ lệ nước: thịt quả 2:1 (w/w), công suất siêu âm được chọn từ thí nghiệm 2

 Hàm mục tiêu: Hàm lượng vitamin C, phenolic tổng, hoạt tính kháng oxy hóa

Thí nghiệm 4: Tối ưu hóa các thông số công suất và thời gian siêu âm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

 Mục đích: Khảo sát sự ảnh hưởng đồng thời của công suất và thời gian siêu âm đến hàm lượng các hoạt tính kháng oxy hóa của dịch chùm ruột, xác định công suất và thời gian tối ưu

 Tiến hành: Thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao hai yếu tố có tâm xoay với 5 thí nghiệm ở tâm theo mô hình CCC (Central Composite Circumscribed design), sử dụng phầm mềm Modde 5 để thiết kế và xử lý số liệu thực nghiệm với hàm mục tiêu là hoạt tính kháng oxy hóa Hai thông số khảo sát là công suất siêu âm và thời gian xử lý siêu âm Các khoảng giá trị cho hai thông số này được chọn dựa vào kết quả thí nghiệm 2 và 3

Thông số khảo sát: Được trình bày trong bảng 3.2 Thông số cố định: khối lượng mẫu 30g, Tỷ lệ nước: thịt quả là 2:1 (w/w)

 Hàm mục tiêu: Hoạt tính kháng oxy hóa theo FRAP Bảng 3.2 Bảng bố trí quy hoạch thực nghiệm bằng phần mềm mode 5.0

Với [0] cận tâm [-1] cận dưới [+1] cận trên

STT Mã hóa Mã hóa

3.2.3.4 Xác định thông số động học của quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trái chùm ruột

Quá trình trích ly vitamin C và các hợp chất phenolic có thể được biểu diễn bằng phương trình bậc hai (Qu và cộng sự, 2010) dưới dạng sau:

Trong đó: k: hằng số tốc độ trích ly theo mô hình bậc hai (L/g.phút) : khả năng trích ly- nồng độ chất chiết ở trạng thái cân bằng trong dịch trích (g/L)

:nồng độ chất chiết trong dịch trích tại thời điểm t (g/L)

Quy luật trích ly của mô hình bậc 2 nằm trong điều kiện biên t=0 đến t và

=0 đến có thể viết theo phương trình đường thẳng như sau:

Tốc độ trích ly ban đầu h (L/g.phút) là /t khi t tiến đến 0 và được đến 0 và được xác định bởi phương trình : h= k (4) Tốc độ trích ly ban đầu h (L/g.phút), khả năng trích ly (g/L) và hằng số tốc độ trích ly k (L/g.phút) sẽ được xác định từ đồ thị đường thẳng trên hai trục tọa độ t và t/ [52]

Thí nghiệm 5: Xác định thông số động học của quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trái chùm ruột

 Mục đích: Tính toán các thông số động học của hai phương pháp trích ly có sử dụng và không sử dụng sóng siêu âm, so sánh các thông số động học để đánh giá hiệu quả của phương pháp trích ly có sử dụng sóng siêu âm với phương pháp trích ly không sử dụng sóng siêu âm

 Tiến hành: Dịch chùm ruột được thu nhận theo quy trình trên hình 3.1 Phương pháp trích ly có sử dụng sóng siêu âm:

Chùm ruột sau khi nghi được xử lý siêu âm vớ siêu âm, tiến hành lấy m để thu dịch trích

Phương pháp trích ly không có s Chùm ruột sau khi nghi được ngâm để trích ly các ch lấy mẫu sau 0; 20; 35; 50; 65; 80 phút.

3.2.4 Các phương pháp phân tích

3.2.4.1 Xác định hàm lượng vitamin C Nguyên tắc:

Vitamin C được đ Ascorbic acid của dung d acid trên test thử thành phosphomolybdenum có màu xanh Hàm định bằng phương pháp ph trị hàm lượngvitamin C ascorbic acid nằm trong A1]

Phản ứng giữa vitamin C và molybdophosphic acid:

Kết quả sẽ được biể dụng để thu dịch trái

3.2.4.2 Xác định tổng hàm lượng các hợp chất phenolic Nguyên tắc:

Hợp chất phenolic chất có màu xanh có đ t sau khi nghiền được phối trộn với nước theo tỷ ới công suất được chọn từ thí nghiệm 4 Trong quá trình x y mẫu sau 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 phút Mẫu đượ

Phương pháp trích ly không có sử dụng sóng siêu âm: t sau khi nghiền được phối trộn với nước theo t trích ly các chất chống oxy hóa Trong quá trình ngâm, ti u sau 0; 20; 35; 50; 65; 80 phút c tiêu: Hàm lượng vitamin C, phenolic tổng trong d

Các phương pháp phân tích Xác định hàm lượng vitamin C định lượng bằng thiết bị đo RQflex plus 10, Merck a dung dịch mẫu sẽ làm chuyển màu vàng của thành phosphomolybdenum có màu xanh Hàm pháp phản xạ quang học Thiết bị đo sẽ tính toán và hi n C theo đơn vị mg/L Dung dịch mẫu trong khoảng đo được của thiết bị từ 25 – a vitamin C và molybdophosphic acid: ểu diễn dưới dạng mg vitamin C/100g chấ

Xác định tổng hàm lượng các hợp chất phenolic bị oxy hóa bởi thuốc thử Folic-Ciocalteu đ t có màu xanh có độ hấp thu mạnh nhất ở bước sóng 760 nm Cư ỷ lệ là 2:1, hỗn hợp m 4 Trong quá trình xử lý ợc đem lọc rồi ly tâm c theo tỷ lệ là 2:1, hỗn hợp ng oxy hóa Trong quá trình ngâm, tiến hành ng trong dịch trích thu đo RQflex plus 10, Merck (Đức) a molybdophosphoric thành phosphomolybdenum có màu xanh Hàm lượng được xác tính toán và hiển thị giá u phải có hàm lượng – 450 mg/L [phụ lục ất khô nguyên liệu sử

Xác định tổng hàm lượng các hợp chất phenolic

Ciocalteu để tạo thành hợp c sóng 760 nm Cường độ màu của hỗn hợp phản ứng tỷ l và được đo bằng máy quang ph hàm lượng phenolic t

3.2.4.3 Xác định hoạt tính chống oxy hóa

 Phương pháp ABTS Nguyên tắc:

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chọn độ chín nguyên liệu

Bảng 4.1 Kết quả xác đ Độ chín

Hàm vitamin C (mg/10 khô nguyên li trái)

Từ kết quả bảng 4.1 tăng dần qua các giai đo đạt 355,4 mg/100g chấ giai đoạn 1 và giai đo nhất trong giai đoạn này

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN n nguyên liệu

Hình 4.1 Phân loại trái chùm ruột theo độ chín xác định hàm lượng vitamin C, phenolic tổng, pH d các giai đoạn chín của trái chùm ruột

Hàm lượng vitamin C (mg/100g chất khô nguyên liệu trái)

Hàm lượng phenolic tổng ( mg GAE/100g chất khô nguyên liệu trái)

4.1,ta thấy hàm lượng các chất như phenolic t qua các giai đoạn chín Hàm lượng vitamin C cao nhấ ất khô nguyên liệu trái Giá trị này khác bi n 1 và giai đoạn 2 (p>0,05) Hàm lượng phenolic tổng n này (2801,3 mg GAE/ 100g chất khô nguyên li

N chín ng, pH dịch trích qua pH

3,58 b ±0,01 3,62 c ±0,01 phenolic tổng và vitamin C ất ở giai đoạn chín 3 khác biệt có ý nghĩa so với ng cũng đạt giá trị cao t khô nguyên liệu trái)

Kết quả trên bảng 4.1 là phù hợp với quá trình phát triển của trái cây nói chung [57] Trong quá trình phát triển của trái, khối lượng trái tăng lên, đồng thời trái cũng tích lũy được nhiều chất dinh dưỡng [58]

Hàm lượng vitamin C và phenolic tổng trong nghiên cứu của chúng tôi có sự khác biệt so với các công bố của một số tác giả ngoài nước Như đã đề cập ở phần tổng quan, đó là do sự khác biệt về điều kiện trồng trọt [9] Để thu nhận dịch quả giàu các chất chống oxy hóa, độ chín 3 được lựa chọn để làm nguyên liệu cho các khảo sát tiếp theo.

Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý siêu âm đến hàm lượng vitamin C,

4.2.1 Ảnh hưởng của công suất siêu âm

Hình 4.2 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hàm lượng vitamin C trong dịch trích trái chùm ruột a a b c d e

Hàm lượng vitamin C trong dịch trích trái chùm ruột (mg/100 g chất khô nguyên liệu trái)

Hình 4.3 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hàm lượng phenolic tổng trong dịch trích trái chùm ruột Kết quả hình 4.2 và hình 4.3 cho thấy, tất cả các mẫu qua xử lý siêu âm đều có hàm lượng vitamin C và phenolic tổng cao hơn so với mẫu đối chứng (p0.05), biến s quy, còn biến ảnh hư

Sử dụng các hệ số ảo như sau:

YF4.54+ 10.12 Hai giá trị (độ bi cậy của mô hình thí nghi khoảng 0,8-0,9 giá trị 0,2-0,3 [74] Kết quả điều này cho thấy mô hình h

Bề mặt đáp ứng ho trên không gian 2 chiề

Hình 4.8 Đồ thị đáp Điều kiện tối ưu cho quá tr được xác định bằng ph

- à 0,076 t y trong đó ảnh hưởng của và tương tác n số và có ảnh hưởng dương tính đ nh hưởng âm tính đến phương trình hồi quy. trên bảng 4.3, ta sẽ thu được phương trình

-30.12 -20.48 (1) biến thiên ảo) và (độ biến thiên thực) cho bi a mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm đáng tin cậy khi giá tr lớn hơn 0,5 và độ chênh lệch giữa chúng không l thực nghiệm phương pháp FRAP với y mô hình hồi quy là đáng tin cậy ng hoạt tính kháng oxy hóa theo phương tr ều được trình bày ở hình 4.8 đáp ứng bề mặt hoạt tính kháng oxy hóa theo FRAP trình hồi qui trong hệ 2 chiều i ưu cho quá trình xử lý nguyên liệu chùm ruộ ng phần mềm Modde 5 như sau:

076 tương đương với công suất siêu âm : 20,3 W/g và tương tác ∗ là không có đến phương trình hồi ình hồi quy theo biến c) cho biết mức độ tin y khi giá trị trong a chúng không lớn hơn

> 0,7 và > 0,9, t tính kháng oxy hóa theo phương trình hồi qui (1) tính kháng oxy hóa theo FRAP của phương ột bằng sóng siêu âm

- à 0,134 tương đương với thời gian siêu âm : 4,1 phút Hoạt tính kháng oxy hóa (FRAP) dự đoán theo phương trình hồi quy đạt 4570 μmol TE/100g chất khô nguyên liệu trái cao hơn là 111%

Thí nghiệm kiểm chứng, thí nghiệm kiểm chứng được lặp lại 3 lần l với công suất siêu âm là 20,3 W/g và thời gian siêu âm 4,1 phút Kết quả được thể hiện trong bảng 4.4:

Bảng 4.4 Kết quả thực nghiệm tại điều kiện công suất và thời gian tối ưu Công suất (W/g)-

FRAP (μmol TE/100g chất khô

ABTS (μmol TE/100gchất khô)

0-0 355,4 2755,4 2168,1 3757 Độ tăng so với đối chứng

Như vậy, ở điều kiện xử lý siêu âm tối ưu, hoạt tính kháng oxy hóa của dịch trớch chựm ruột theo phương phỏp FRAP là 4693 àmol TE/ 100 chất khụ nguyờn liệu trỏi So với giỏ trị dự đoỏn của phương trỡnh hồi quy (4640 àmol TE/ 100g chất khô nguyên liệu trái) thì độ chênh lệch giữa giá trị dự đoán và giá trị thực nghiệm là 1,14 % Độ chênh lệch giữa hai giá trị nhỏ hơn 5%, vì vậy phương trình hồi quy mô tả tốt kết quả thực nghiệm

Trước khi tối ưu hóa, thí nghiệm cổ điển cho điều kiện xử lý thích hợp với công suất siêu âm là 20 W/g và thời gian siêu âm là 4 phút Khi đó hàm lượng vitamin C, phenolic tổng và hoạt tính kháng oxy hóa theo phương pháp FRAP tăng lần lượt là 151; 53; 119 và 87 % so với mẫu không xử lý siêu âm Hàm lượng vitamin C, phenolic, hoạt tính kháng oxy hóa tăng lần lượt là 154; 53; 116 và 88 % so với mẫu không xử lý siêu âm Như vậy, quá trình tối ưu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm không làm tăng thêm đáng kể hàm lượng các chất chống oxy hóa và hoạt tính chống oxy hóa dịch trái chùm ruột Tuy nhiên, quy hoạch thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của công suất siêu âm và thời gian xử lý siêu âm đến họat tính kháng oxy hóa trong dịch trái chùm ruột Ở một số nghiên cứu trước đây, phương pháp đáp ứng bề mặt cũng được sử dụng để tối ưu hóa các thông số của quá trình xử lý bằng sóng siêu âm nhằm nâng cao chất lượng nước ép quả Cordeiro và cộng sự (2014) đã tối ưu hóa quá trình xử lý sóng siêu âm để thu nhận dịch trái mãng cầu sim Kết quả cho thấy công suất siêu âm là 330 W/ thời gian siêu âm 9 phút làm tăng 71,5 % hàm lượng phenolic tổng và 86,7 % hàm lượng vitamin C so với mẫu đối chứng không qua xử lý sóng siêu âm [67] Điều kiện tối ưu trên dịch nước dưa hấu cho thấy hàm lượng phenlic tổng tăng 30% so với mẫu không xử lý siêu âm khi tối ưu ở công suất siêu âm là 376 W/ với thời gian siêu âm là 10 phút theo nghiên cứu của Vial và cộng sự (2014) [68].

Xác định các thông số động học của quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trái chùm ruột

Quá trình xử lý siêu âm nguyên liệu trái chùm ruột cho thấy các hợp chất phenolic và vitamin C có liên quan mật thiết đến hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trái chùm ruột Do đó để tính toán các thông số động học của quá trình trích ly, chúng tôi xác định sự biến thiên của hàm lượng vitamin C và phenolic tổng trong dịch trích theo thời gian, xét 2 trường hợp trích ly có sử dụng sóng siêu âm và không sử dụng siêu âm

Hình 4.9 Đồ thị biến thiên hàm lượng vitamin C theo thời gian trích ly trong trường hợp không sử dụng siêu âm để hỗ trợ

Hình 4.10 Đồ thị biến thiên hàm lượng phenolic tổng theo thời gian trích ly trong trường hợp không sử dụng siêu âm để hỗ trợ a b c c c c

Hàm lượng vitamin C trong dịch trích chùm ruột (mg/100g chất khô nguyên liệu trái)

Thời gian trích ly (phút) a b b b b b

Hàm lượng phenolic tổng trong dịch trích chùm ruột( mg GAE/100g chất khô nguyên liệu trái)

Thời gian trích ly (phút)

Hình 4.11 Đồ thị biến thiên hàm lượng vitamin C theo thời gian trích ly trong trường hợp có sử dụng siêu âm hỗ trợ

Hình 4.12 Đồ thị biến thiên hàm lượng phenolic tổng theo thời gian trích ly trong trường hợp có sử dụng siêu âm hỗ trợ a b c d e f d

Hàm lượng viatamin C trong dịch trích chùm ruột (mg/100g chất khô nguyên liệu)

Thời gian trích ly (phút) a b c d e f g

Hàm lượng phenolic tổng trong dịch trích chùm ruột( mg GAE/100 g chất khô nguyên liệu trái)

Thời gian trích ly (phút)

Từ kết quả hình 4.9, 4.10 và 4.11, 4.12, chúng tôi vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị nghịch đảo tốc độ trích ly đối với vitamin C và hợp chất phenolic theo thời gian ( hình 4.13 và hình 4.14)

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn giá trị nghịch đảo của tốc độ trích ly vitamin C và hợp chất phenolic theo thời gian trong trường hợp không sử dụng sóng siêu âm

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn giá trị nghịch đảo của tốc độ trích ly hàm lượng vitamin C và hợp chất phenolic theo thời gian trong trường hợp sử dụng sóng siêu âm y = 0,250x + 0,213 R² = 0,999 y = 0,0342x + 0,0131 R² = 0,9999

Nghịch đảo tốc độ trích ly (phút.g chất khô nguyên liệu/mg)

Thời gian trích ly (phút) vitamin C phenolic y = 0,111x + 0,023 R² = 0,991 y = 0,017x + 0,002 R² = 0,996

Nghịch đảo tốc độ trích ly (phút.g.chất khô nguyên liệu )

Thời gian trích ly (phút) vitamin C phenolic

Bảng 4.5 So sánh thông số động học quá trình trích ly vitamin C và phenolic tổng khi có và không có sử dụng siêu âm hỗ trợ trích ly

Kết quả từ bảng 4.6 cho thấy mẫu có qua xử lý siêu âm có khả năng trích ly, tốc độ trích ly ban đầu và hằng số tốc độ trích ly luôn cao hơn so với mẫu không xử lý siêu âm Khả năng trích ly, tốc độ trích ly ban đầu và hằng số tốc độ trích ly của vitamin C trong phương pháp có hỗ trợ siêu âm cao hơn lần lượt 2,4; 7,9; 1,3 lần so với mẫu không xử lý siêu âm Khả năng trích ly, tốc độ trích ly ban đầu, hằng số tốc độ trích ly của hợp chất phenolic cao hơn lần lượt 1,8; 1,8; 2,2 lần so với mẫu không xử lý siêu âm Hơn nữa, với phương pháp hỗ trợ siêu âm, thời gian trích ly cho kết quả cao nhất chỉ trong 4 phút, còn ở phương pháp trích ly không xử lý siêu âm, thời gian trích ly đạt kết quả cao nhất sau 65 phút, dài hơn gấp 16 lần so với phương pháp trích ly có sóng siêu âm hỗ trợ Do đó xử lý siêu âm có thể được xem là một phương pháp hỗ trợ trích ly hiệu quả để thu nhận dịch chùm ruột giàu các hợp chất chống oxy hóa

Trong phương pháp sử dụng siêu âm, khả năng trích ly của các hợp chất phenolic cao hơn 5,7 lần so với khả năng trích ly vitamin C Nguyên nhân có thể do hàm lượng các hợp chất phenolic trong trái chùm ruột cao hơn hàm lượng vitamin C

Khả năng trích ly Ce(mg/g)

Tốc độ trích ly ban đầu h(mg/phút.g)

Hằng số tốc độ trích ly, k(g/mg.ph út)

Hằng số tốc độ trích ly vitamin C cao hơn 3,6 lần so với hằng số tốc độ trích ly phenolic tổng khi xử lý siêu âm Điều này cho thấy quá trình trích ly vitamin C diễn ra nhanh và dễ dàng hơn so với quá trình trích ly các hợp chất phenolic

Nguyên nhân có thể do vitamin C là chất tan trong nước, dễ dàng tách khỏi tế bào trong khi các hợp chất phenolic tồn tại chủ yếu ở dạng liên kết, khó tách khỏi tế bào hơn Bên cạnh đó phenolic là một nhóm các hợp chất, trong đó có một số hợp chất không tan trong nước nên quá trình trích ly bằng nước có một số trở ngại nhất định [14], [69]

Tất cả các thí nghiêm đều thu được hệ số cao (lớn hơn 0,99) mô hình động học bậc hai là phù hợp với các kết quả thí nghiệm và chúng ta có thể sử dụng để mô tả quá trình trích ly hàm lượng vitamin C cũng như các hợp chất phenolic từ trái chùm ruột.