Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của công suất siêu âm, thời gian siêu âm tới hàm lượng vitamin C, hàm lượng polyphenol tổng và hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch quả được khảo sát.. Phươ
TỔNG QUAN
Quả khế
Khế là một loại trái cây nhiệt đới, có tên khoa học là Averrhoa carambola L
Quả khế có nhiều tên gọi khác nhau tùy theo từng khu vực: "star fruit" ở Anh-Mỹ, "carambola" ở Mỹ Latinh và Tây Ban Nha, "belimbing" ở Indonesia, "ma fueang" ở Thái Lan, "yángtáo" ở Trung Quốc Cây khế có nguồn gốc từ Philippines, Indonesia, Malaysia, Ấn Độ, Bangladesh và Sri Lanka Loài cây này phân bố khắp Đông Nam Á, Nam Thái Bình Dương, một phần Đông Á, Châu Mỹ Latinh, Caribbean và miền Nam nước Mỹ.
Theo Dasgupta và cộng sự (2013) phân loại khoa học của quả khế nhƣ sau:
Subclass: Rosidae Order: Oxalidales Family: Oxalidaceae Genus: Averrhoa Species: Averrhoa carambola
Quả khế được trồng rộng rãi ở các vùng cận nhiệt đới và nhiệt đới trên thế giới Tại Hoa Kỳ, khế được trồng thương mại ở Florida và Hawaii Cây khế còn được trồng với mục đích thương mại ở Ấn Độ, Đông Nam Á, miền nam Trung Quốc, Đài Loan và Châu Phi, chủ yếu để làm rau và thuốc Ở Việt Nam, cây khế được phân bố rộng khắp từ Bắc vào Nam.
Cây: thuộc loại thân gỗ, cây lớn nhanh trong thời gian đầu, cao 5 - 7 m, có thể cao đến 10 m, thân cây thẳng đứng, vỏ cây màu xám đến nâu sáng, tán cây rộng 6-
Lá: lá thuộc loại lá kép lông chim lẻ với một lá mọc ở đỉnh bên dưới từng cặp mọc đối xứng , mỗi lá dài 15 - 25cm, số phiến lá từ 5 - 11, hình bầu dục hoặc hình trứng dài từ 2-9cm, rộng khoảng 4.5cm, màu xanh phía mặt trên, màu trắng (Dasgupta và cộng sự,2013)
Hoa: hoa khế nhỏ, màu đỏ tía đến màu tím mọc thành từng chùm Mỗi hoa rộng khoảng 5-6 mm, có 5 cánh Cây ra hoa đồng loạt từ tháng 1 đến tháng 3 cùng với lá non Khế ra hoa nhiều đợt trong năm
Quả: Quả dạng hình trứng hay elip, dài 5-15 cm, có 5 khía (đôi khi có thể thay đổi 4-8 khía), mặt cắt ngang, nó giống nhƣ một ngôi sao, vì thế ở Châu Mỹ còn gọi là quả 5 sao (Starfruits) Da quả mỏng, mịn, và bóng, màu vàng đậm khi chín Thịt quả mọng nước, có màu trắng hay xanh khi còn non và chuyển sang màu vàng sáng khi chín Nước quả có vị chua, ngọt
Hạt: Mỗi quả khế có thể có 10-12 hạt dẹt, phẳng màu nâu nhạt dài khoảng 0,6-
Hình 2.2 Lát cắt ngang của quả khế
2.1.3 Giá trị của cây khế
Ngoài việc sử dụng khế như là một trái cây tươi, khế còn dùng để trang trang trí cho món salad, làm nước ép, jelly (Narain, N và cộng sự, 2001)
Tại Ấn Độ, khế chín hoặc nước ép của nó được dùng để hạ nhiệt, nhuận tràng, kích thích sự thèm ăn Tại Brazil, khế đƣợc khuyến cáo nhƣ là thuốc lợi tiểu Ở Trung Quốc khế là bài thốc trị ho, hen suyển, viêm họng, đau răng, đau bụng, tiêu chảy (Dasgupta và cộng sự 2013)
Theo Shui và cộng sự (2004) trong quả khế giàu chất kháng oxy hóa nhƣ vitamin C, hợp chất polyphenol Đây là một trong những chất kháng oxy hóa chính
Quả khế còn có tác dụng hạ đường huyết do chứa nhiều xơ không hòa tan
(Genasekara và cộng sự, 2011; Chau và cộng sự 2004)
Các lá bị nghiền nát dùng điều trị thủy đậu, nấm ngoài da và nhức đầu, đau thắt ngực, phù nề, viêm dạ dày
Dùng điều trị gun, sốt rét, viêm da
Theo Mia và cộng sự (2007) vỏ cây khế có khả năng ức chế vi khuẩn Gam+ nhƣ
Bacillus cereus, B.megaterium, B.subtilis, Staphylococcus aureus; vi khuẩn Gam– nhƣ: Escherichia coli, Pseudomonas auriginosa, Salmonella typhi, S paratyphi, vi nấm Candida albicans, Aspergillus niger Ngoài ra vỏ cây khế còn đƣợc dùng điều trị đau khớp, đau đầu mãn tính và đƣợc coi là loại thuốc giải độc.
2.1.4 Thành phần dinh dƣỡng của quả khế
Thành phần dinh dƣỡng của quả khế phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: giống khế, điều kiện gieo trồng, chăm sóc, thời điểm thu hoạch, phương pháp bảo quản
Bảng 2.1 Thành phần hóa học trên 100g khế (Narain và cộng sự, 2001)
Xanh Vàng xanh Vàng Độ ẩm(g) 90.65 a ±0.58 90.32 a ±0.98 89.96 a ±0.39
Chất xơ (g) 0.92 a ±0.17 1.08 a ± 0.34 0.96 a ±0.08 Đường khử (g) 2.80 a ±0.46 4.31 b ±0.48 5.04 c ±0.44 Đường tổng(g) 2.91 a ±0.61 4.69 b ±0.59 5.60 c ±0.73
Tinh bột 1.92 b ±0.37 1.28 a ± 0.03 1.04 a ±0.02 Độ acid (g acid citric) 0.98 a ±0.07 0.51 b ±0.09 0.36 c ±0.02 Ascorbic acid ( mg) 25.2 a ±0.35 25.9 a ± 0.51 23.4 a ±0.22 Tannin (mg) 0.28 a ± 0.0 0.22 b ±0.01 0.14 c ±0.01
L- Ascorbic Acid (AA) là dạng có hoạt tính sinh học chính của vitamin C AA bị oxy hóa nghịch đảo thành dạng L- dehydroascorbic acid (DHA) vẫn thể hiện hoạt tính sinh học L- dehydroascorbic acid bị oxy hóa thành dạng acid diketogulonic không còn hoạt tính sinh học L- Ascorbic acid (AA) phân bố ở khắp tế bào thịt quả (Arrigoni
Quả khế chứa hàm lượng vitamin C dao động từ 23,4 đến 25,2 mg/100g phần ăn được Nghiên cứu của Narain và cộng sự (2001) chỉ ra rằng hàm lượng vitamin C này gần như không thay đổi trong suốt quá trình phát triển của quả.
Các hợp chất polyphenol này có một hay nhiều vòng thơm mang một hoặc nhiều nhóm hydroxyl Các hoạt động kháng oxy hóa của các hợp chất polyphenol phụ thuộc vào cấu trúc, đặc biệt là số lƣợng và vị trí của các nhóm hydroxyl và bản chất của sự thay thế trên các vòng thơm Trái cây, rau quả và thức uống từ rau quả là nguồn cung cấp các chính các hợp chất phenolic trong chế độ ăn uống của con người (Balasundram và cộng sự, 2006)
Quả khế chứa hàm lượng phenolic đáng kể, đặc biệt là ở quả chín Các hợp chất phenolic này chủ yếu tập trung ở phần vỏ của quả.
Bảng 2.2 Hàm lƣợng các hợp chất phenolic của khế (Theo Lim và Lee, 2013)
Hàm lƣợng Flavanol (g CAE/100 g FW)
Theo G Shui và cộng sự (2006), hàm lƣợng polyphenol trong phần bã khế sau khi khoảng 33.2 mg GAE/g chất khô.
Bảng 2.3 Hàm lƣợng các hợp chất polyphenol trong một số loại quả (Catalina.V và cộng sự)
Quả Hàm lƣợng polyphenol (mg GAE/100g quả tươi)
Chanh dây (banana passion fruit) 1010 Ổi 462
2.1.4.3 Hoạt tính kháng oxy hóa
Hoạt tính kháng oxy hóa trong khế chủ yếu là do các hợp chất polyphenol, đặc biệt là (−) Epicatechin và proantho-cyanidins (Shui và Leong , 2004) Trong vỏ quả khế chớn chứa hàm lượng hoạt tớnh khỏng oxy húa là 1.41 àmol FE/100 g quả tươi theo phương pháp FRAP (Lim and Lee, 2013) Theo Shui và Leong (2006) thì hoạt tính kháng oxy hóa trong bã khế là 513 μmol /g chất khô theo phương pháp FRAP
Chin LH và cộng sự (1999) cho rằng đường chủ yếu trong khế là arabinose với hàm lƣợng là 41,5mg/g chất khô, chiếm 42%, galactose 18%, glucose 15%, xylose 13%, mannose 6%, rham-nose 4%, fucose 2%
Trong quả khế acid hữu cơ chủ yếu là acid oxalic Ngoài ra khế còn chứa một số acid khác nhƣ: acid malic, acid tartaric, acid α- keto glutaric, acid citric
Bảng 2.4 Hàm lƣợng các acid hữu cơ trong khế (Soumya và cộng sự, 2014)
Acid hữu cơ Hàm lƣợng (mg/ml)
2.1.4.6 Các cấu tử dễ bay hơi
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu
Quả khế sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ nhà vườn tại Tiền Giang, có màu vàng nhạt và được thu hoạch trong khoảng thời gian từ 65 đến 70 ngày sau khi ra hoa Trước khi tiến hành thí nghiệm, khế được phân loại, rửa sạch và cấp đông để bảo quản.
Thiết bị siêu âm
Trong nghiên cứu này, thiết bị siêu âm dạng thanh đƣợc sử dụng (Sonicator ® 3000, Misonix, Mỹ)
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của thiết bị siêu âm
Kích thước Dài: 3.8cm; Đường kính: 12.7mm
Phương pháp nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu là cải thiện chất lƣợng dịch quả khế thông qua việc làm tăng hàm lƣợng các hợp chất kháng oxy hóa nhƣ vitamin C, các hợp chất polyphenol trong sản phẩm.
18 Nội dung nghiên cứu đƣợc trình bày qua sơ đồ sau:
Hình 3.1.Sơ đồ nghiên cứu
Xác định các thông số động học của quá trình trích ly các hợp chất polyphenol và vitamin C ở điều kiện trích ly tối ƣu (C e , k, h) Nội dung nghiên cứu
Tối ƣu hóa công suất và thời gian siêu âm
Hoạt tính chống oxy hóa
Hoạt tính chống oxy hóa Ảnh hưởng của thời gian siêu âm
Hàm mục tiêu Xử lý khế chà bằng sóng siêu âm Ảnh hưởng của công suất siêu âm
3 3.2 Quy trình thu nhận dịch khế
Quy trình thu nhận dịch quả khế đƣợc thực hiện theo sơ đồ hình 3.2
Hình 3.2: Sơ đồ quy trình thu nhận dịch trích quả khế
20 Khế được rã đông, chần ở 90 o C trong 2 phút, chà qua rây có đường kính lỗ 0.1-0.5 mm và pha loãng theo tỉ lệ nguyên liệu : dung môi (nước) là 1:2 Sau đó, mẫu đƣợc xử lý siêu âm với các thông số thay đổi tùy theo từng nghiệm thức Mẫu sau đó đƣợc lọc thô qua vải lọc Dịch lọc đƣợc đem ly tâm để tách cặn mịn với tốc độ 10000xg, ở nhiệt độ 10 0 C trong 20 phút bằng máy ly tâm lạnh (Sartorius, Sigma 3K30) Dịch quả thu đƣợc sau quá trình ly tâm đƣợc sử dụng để phân tích polyphenol tổng, vitamin C và hoạt tính kháng oxy hóa.
Thuyết minh sơ đồ nghiên cứu
Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng công suất siêu âm đến chất lượng dịch trích
Thông số khảo sát: công suất siêu âm đƣợc thay đổi lần lƣợt là 0 (mẫu đối chứng), 5, 10, 15, 20 và 22.5 W/g
Thông số cố định: thời gian siêu âm là 2 phút, khối lƣợng mẫu 30g, tỷ lệ dịch quả: nước = 1:2 Nhiệt độ mẫu trong quá trình xử lý được kiểm soát sao cho không vượt quá 30 o C (sử dụng nước đá)
Hàm mục tiêu: hàm lƣợng polyphenol tổng, vitamin C và hoạt tính kháng oxy hóa (ABTS, FRAP) trong dịch khế
Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng thời gian xử lý siêu âm đến chất lượng dịch trích
Thông số khảo sát: thời gian siêu âm đƣợc thay đổi lần lƣợt là: 0 (mẫu đối chứng), 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 và 10 phút
Thông số cố định: giá trị công suất siêu âm đƣợc chọn từ kết quả của thí nghiệm 1, khối lượng mẫu 30g, tỷ lệ dịch quả : nước = 1:2 Nhiệt độ mẫu trong quá trình xử lý được kiểm soát sao cho không vượt quá 30 o C (sử dụng nước đá)
Hàm mục tiêu: hàm lƣợng polyphenol tổng, vitamin C và hoạt tính kháng oxy hóa (ABTS, FRAP) trong dịch khế
Phương pháp: thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao 2 yếu tố có tâm xoay với 5 thí nghiệm ở tâm theo mô hình CCC, sử dụng phần mềm Modde 5.0 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
21 gian xử lý siêu âm Các khoảng giá trị cho hai thông số này đƣợc chọn dựa vào kết quả thí nghiệm của phần 1 (mục 3.4.1)
Bảng 3.2: Bảng bố trí thí nghiệm các thông số khảo sát của ma trận qui hoạch thực nghiệm (Lundstedt, 1998)
STT Công suất siêu âm (W/g) Thời gian
Với α = √2; [-1]: cận dưới; [+1]: cận trên
Thông số cố định: Khối lượng mẫu 30g, tỷ lệ dịch quả : nước = 1:2 Nhiệt độ mẫu trong quá trình xử lý đƣợc kiểm soát sao cho không vƣợt quá 30 o C (sử dụng nước đá)
Hàm mục tiêu: hoạt tính kháng oxy hóa ( FRAP) trong dịch khế
3.4.3 Xác định các thông số động học của quá trình trích ly hợp chất polyphenol và vitamin C từ quả khế
Quá trình trích ly các hợp chất phenolic và vitamin C có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình bậc hai tổng quát như sau (Taralkar, S V Garkal, D J, 2010):
C e : khả năng trích ly (đây là nồng độ chất chiết ở trạng thái cân bằng trong dịch trích), mg.g -1
C t : nồng độ chất chiết trong dịch trích tại thời điểm t, mg.g -1 k: hằng số tốc độ trích ly bậc 2, g.mg -1 phút -1
Quy luật trích ly theo mô hình bậc hai nằm trong điều kiện biên t = 0 đến t và C t
= 0 đến Ct, có thể viết theo phương trình đường thẳng như sau:
Tốc độ trích ly ban đầu, h (g chất khô/mg phút) là Ct/t khi t tiến đến 0 và đƣợc xác định bởi phương trình sau: h = k
Tốc độ trích ly ban đầu h (g chất khô/mg phút), khả năng trích ly C e (mg/g chất khô) và hằng số tốc độ trích ly k (g chất khô/mg phút) sẽ đƣợc xác định từ đồ thị đường thẳng trên hai trục tọa độ t và t/Ct
Hàm mục tiêu: Hàm lƣợng polyphenol tổng và hàm lƣợng vitamin C trong dịch khế thu đƣợc
23 Với các thông số đã chọn, phương trình động học được xây dựng bằng cách lấy mẫu ở những khoảng thời gian khác nhau
Trích ly có hỗ trợ sóng siêu âm
Công suất siêu âm: Sử dụng kết quả từ thí nghiệm 3.4.2 Thay đổi thời gian trích ly lần lƣợt là 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 và 8 phút
Trích ly không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm Thay đổi giá trị thời gian lần lƣợt là 0, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 phút
Tất cả các thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần để kiểm tra sự khác biệt có ý nghĩa của các kết quả theo phương pháp xử lý ANOVA.
Các phương pháp phân tích
Tổng hàm lượng các hợp chất polyphenol được phân tích dựa trên phương pháp quang phổ so màu, sử dụng thuốc thử Folin – Ciocalteu (Singleton và Rosi, 1965;
Nguyên tắc: hợp chất polyphenol bị oxy hóa bởi thuốc thử Folin - Ciocalteu (hỗn hợp của oxide tungsten và molybdenum) để tạo thành hợp chất có màu xanh
Hợp chất tạo thành có độ hấp thu mạnh nhất ở bước sóng 760 nm
Cường độ màu của hỗn hợp phản ứng được đo bằng máy quang phổ so màu tỉ lệ thuận với nồng độ các hợp chất polyphenol Dựa theo đồ thị chuẩn của acid gallic với thuốc thử, ta sẽ tính đƣợc hàm lƣợng polyphenoltổng có trong mẫu phân tích
Vitamin C đƣợc xác định bằng thiết bị đo RQflex plus 10, Merck, (Đức) Nguyên tắc của phương pháp đo này là acid ascorbic của dung dịch mẫu sẽ làm chuyển màu vàng của acid molybdophosphoric trên test thử sang màu xanh Các test thử đƣợc nhúng vào trong dung dịch mẫu đã đƣợc pha loãng bằng dung dịch acid oxalic 1%
Dung dịch mẫu phải đƣợc pha loãng sao cho hàm lƣợng ascorbic nằm trong khoảng đo được của thiết bị tương đương 25 - 450 (mg acid ascorbic/L)
Phản ứng giữa acid molybdophosphoric và acid ascorbic xảy ra nhƣ sau:
PMo VI 12 O 40 3- + 2C 6 H 8 O 6 -> PMo V 4 Mo VI 8 O 40 7- + 2C 6 H 6 O 6 + 4H +
24 Hàm lƣợng vitamin C đƣợc xác định bằng công thức:
Hàm lƣợng vitamin C (mg/L) = Giá trị đo đƣợc x Hệ số pha loãng
3.5.3 Hoạt tính kháng oxy hóa
3.5.3.1 Xác định hoạt tính kháng oxy hóa bằng phương pháp ABTS (2,2-
Azino-bis-3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)
Phương pháp này dựa trên khả năng làm giảm độ hấp thu của gốc tự do cation ABTS ●+ bởi các chất có hoạt tính kháng oxy hóa ở bước sóng 734 nm (Re và cộng sự, 1999) Gốc ABTS ●+ có màu xanh trong khi ABTS không có màu.Các hợp chất có hoạt tính kháng oxyhóa trong mẫu nghiên cứu sẽ cung cấp electron để khử gốc ABTS ●+ thành ABTS Mức độ giảm độ màu của dung dịch chứa gốc tự do ABTS ●+ tỉ lệ thuận với khả năng ức chế sự oxy hóa trong một phạm vi nhất định, đƣợc đo bằng máy quang phổ so màu ở bước sóng 734 nm
Cường độ màu của thuốc thử ABTS ●+ tỉ lệ nghịch với nồng độ các chất kháng oxy hóa và thời gian phản ứng, đƣợc đo bằng máy quang phổ so màu Dựa theo đồ thị chuẩn của Trolox với thuốc thử, ta sẽ tính đƣợc hoạt tính kháng oxy hóa của mẫu phân tích (Re và cộng sự, 1999)
3.5.3.2 Xác định hoạt tính kháng oxy hóa bằng phương pháp FRAP Đây là phương pháp quang phổ so màu, sử dụng TPTZ (Benzie & Strain, 1996;
Thaipong và cộng sự, 2006; Chen và cộng sự, 2010)
Fe(TPTZ) 2 3+ + ArOH → Fe(TPTZ) 2 2+ + ArO
(λ max = 593 nm) Ở điều kiện pH thấp, các chất có hoạt tính kháng oxy hóa sẽ tham gia phản ứng khử phức Fe III – TPTZ thành hợp chất Fe II –tripyridyltriazine, kết quả là làm tăng độ hấp thu dung dịch phân tích đối với ánh sáng có bước sóng 593 nm Đo độ hấp thu của mẫu cần phân tích, kết hợp với đồ thị đường chuẩn được dựng theo Trolox, suy ra hoạt tính kháng oxy hóa trong mẫu phân tích
3.5.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần, kết quả trình bày là giá trị trung bình của 3 lần đo Phân tích sự khác biệt có ý nghĩa giữa các mẫu thí nghiệm được thực hiện bằng phương pháp ANOVA (α = 5%), sử dụng phần mềm Statgraphics plus (phiên bản 7.0).
Thí nghiệm tối ƣu hóa đƣợc thực hiện dựa trên xử lý số liệu từ phần mềm Modde 5.0
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Xử lý khế chà bằng sóng siêu âm
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của công suất siêu âm đến chất lượng của dịch khế đƣợc trình bày ở bảng 4.1
Bảng 4.1: Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến quá trình thu nhận dịch quả khế
Hàm lƣợng vitamin C (mg/g chất khô nguyên liệu)
Hàm lƣợng polyphenol (mg GAE/ g chất khô nguyên liệu)
Hoạt tính kháng oxy hóa (àmol TEAC/g chất khụ nguyên liệu)
Những giá trị có chữ cái khác nhau trong cùng một cột thể hiện sự khác biệt có nghĩa thống kê (p < 0.05)
4.1.1.1 Hàm lƣợng vitamin C và hợp chất polyphenol tổng
Hình 4.1: Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hàm lượng Vitamin C trong dịch quả khế
Bảng 4.1 và hình 4.1 cho thấy khi tăng công suất siêu âm đến 15W/g thì hàm lƣợng vitamin C cũng tăng theo và đạt giá trị 2.67mg/g chất khô, cao hơn 14% so với mẫu không xử lý siêu âm Điều này có thể đƣợc giải thích là khi tăng công suất siêu âm sẽ làm tăng mức năng lƣợng đƣợc truyền vào trong dịch trích, dẫn đến hiện tƣợng sủi bong bóng diễn ra mạnh mẽ hơn và số lƣợng cũng nhƣ vận tốc của các vi dòng trong dịch trích cũng tăng lên thúc đẩy quá trình phá vỡ cấu trúc của nguyên liệu giúp cho quá trình trích ly diễn ra hiệu quả hơn (Mason và Lorimer, 2002) Do đó, hàm lƣợng vitamin C trong dịch trích cũng tăng Một nghiên cứu khác với đối tƣợng trích ly là quả sơ ri cho thấy công suất siêu âm đạt giá trị 15W/g, khi đó hàm lƣợng vitamin C trích ly tăng 20% so với mẫu đối chứng không xử lý siêu âm (Le và cộng sự, 2012)
Khi công suất vƣợt quá 15W/g, hàm lƣợng vitamin C trong dịch quả khế giảm dần
Nguyên nhân là do khi tăng công suất siêu âm quá cao thì nhiệt độ của dịch trích tăng lên đáng kể mà vitamin C là hợp chất mẫn cảm với nhiệt độ nên dễ bị phân hủy Hơn
28 nữa, khi công suất quá cao sẽ tạo ra các gốc tự do phản ứng với viatimin C làm giảm hàm lƣợng vitamin C trong dịch trích Kết quả nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự (2014) cũng cho thấy khi tăng công suất siêu âm trên mức11W/g thì hàm lƣợng vitamin C thu đƣợc giảm dần
Trong công trình nghiên cứu này, hàm lượng vitamin C đạt giá trị cao nhất là 2,67 mg/g chất khô nguyên liệu khi sử dụng công suất siêu âm 15 W/g Giá trị này cao hơn 14% so với mẫu không được xử lý bằng siêu âm.
Hình 4.2 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hàm lượng polyphenol tổng trong dịch quả khế
Kết quả từ bảng 4.1 và hình 4.2 cho thấy khi tăng công suất siêu lên đến 15W/g thì hàm lƣợng polyphenol tổng cũng tăng theo và đạt 27.22 mg GAE/ g chất khô, cao hơn 65% so với mẫu không xử lý siêu âm Điều này đƣợc giải thích là do trong tế bào hợp chất polyphenol chủ yếu liên kết với các polysaccharide (cellulose, hemicelluloses, lignin, pectin…) của thành tế bào bằng liên kết hydro và liên kết kị nước Ngoài ra, một lượng nhỏ hợp chất polyphenol tồn tại ở dạng tự do trong không bào hay liên kết với protein thể vùi trong không bào và một phần hợp chất polyphenol liên kết với nhân tế bào (Pinelo M và cộng sự, 2006) Sóng siêu âm có tác dụng cắt mạch không chọn lọc, phá vỡ thành tế bào và các tổ chức bên trong tế bào thực vật
29 cũng nhƣ phá vỡ các liên kết giữa phenolic với các thành phần khác, giúp giải phóng dịch bào, làm cho các thành phần polyphenol đƣợc giải phóng ra ngoài, dẫn đến tăng hàm lƣợng polyphenol tổng trong dịch quả sau khi đƣợc xử lí siêu âm Nguyen và cộng sự (2014) cũng cho thấy khi tăng công suất siêu âm lên 11W thì hàm lƣợng polyphenol tổng trong dịch trích cóc tăng 67% so với mẫu không xử lý siêu âm Tuy nhiên, khi công suất siêu âm tăng quá cao sẽ làm gia tăng hàm lƣợng các gốc tự do dẫn đến xảy ra các phản ứng oxy hóa các hợp chất polyphenol, làm giảm hàm lƣợng polyphenol tổng trong dịch trích (Adekunte, A O, 2010; Feril & Kondo, 2004; Pétrier et al., 2007; Riesz & Kondo, 1992)
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng siêu âm với công suất 15 W/g giúp tăng đáng kể hàm lượng polyphenol tổng trong dịch trích khế, đạt giá trị cực đại là 27,22 mg GAE/g chất khô So với mẫu không xử lý siêu âm, hàm lượng polyphenol tổng tăng đến 65%.
Bảng 4.1 cho thấy khi tăng công suất siêu âm thì hàm lƣợng vitamin C và hàm lƣợng polyphenol tổng trong dịch trích cũng tăng theo Tuy nhiên, hàm lƣợng polyphenol tổng tăng (65%) sau khi xử lý siêu âm ở công suất 15W/g nhiều hơn so với hàm lƣợng vitamin C tăng (13%) Nguyên nhân có thể là do vitamin C là cấu tử dễ hòa tan trong nước Trong tế bào, vitamin C được phân bố chủ yếu trong không bào Trong khi đó, phần lớn hợp chất polyphenol nằm ở dạng liên kết kỵ nước nên vitamin C dễ dàng hòa tan triệt để vào dịch trích hơn các hợp chất polyphenol khi không xử lý siêu âm Do đó, khi xử lý sóng siêu thành tế bào sẽ bị phá vỡ cấu trúc nhiều hơn giúp quá trình trích ly polyphenol tăng nhanh hơn so với vitamin C
4.1.1.2 Hoạt tính kháng oxy hóa
Hình 4.3: Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch quả khế
Bảng 4.1 và hình 4.3 cho thấy khi tăng công suất siêu âm đến 15W/g thì hoạt tính khỏng oxy húa trong dịch quả khế cũng tăng theo, đạt 129.21àmol TEAC/g chất khụ, tăng 49% (theo phương phỏp ABTS) và đạt 142.07 àmol TEAC/g chất khụ51 (theo phương pháp FRAP) so với mẫu không xử lý siêu âm
Một nghiên cứu khác trên nguyên liệu là dịch cóc cho thấy ở công suất siêu âm
11 W/g hoạt tính kháng oxy hóa tăng 50% (theo phương pháp ABTS) và 35.5% (theo phương pháp FRAP) so với mẫu không xử lý siêu âm (Nguyen và cộng sự, 2014) Tuy nhiên khi công suất tăng quá cao thì hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trích khế sẽ giảm Kết quả nghiên cứu này là tương tự như kết quả nghiên cứu của Alighourchi và cộng sự (2013) trên nguyên liệu quả lựu, cùng một thời gian xử lý sóng siêu âm nhƣng khi tăng công suất siêu âm thì hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trích cũng tăng theo và đạt cực đại khi công suất siêu âm đạt 300 W/ cm 2 , nếu tiếp tục tăng công suất siêu âm lên 400 W/ cm 2 thì hoạt tính kháng oxy hóa giảm dần
Trong nghiên cứu này, hệ số tương quan R 2 giữa hàm lượng vitamin C và hoạt tính kháng oxy hóa theo ABTS và FRAP lần lượt là 0,898; 0,936 Hệ số tương quan R 2 giữa hàm lƣợng các hợp chất polyphenol và hoạt tính kháng oxy hóa theo ABTS và FRAP lần lƣợt là 0,980; 0,991 (phụ lục B.7) Điều này cho thấy hoạt tính kháng oxy
31 hóa của dịch khế tăng, giảm cùng với sự tăng, giảm hàm lƣợng vitamin C và hàm lƣợng các hợp chất polyphenol
Với công suất siêu âm 15W/g, hàm lƣợng Vitamin C, hàm lƣợng polyphenol tổng và hoạt tính kháng oxy hóa đạt giá trị cực đại Vì vậy công suất siêu âm 15W/g đƣợc chọn để tiến hành thí nghiệm tiếp theo
4.1.2 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến chất lượng của dịch quả khế
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến chất lượng của dịch khế đƣợc trình bày ở bảng 4.2
Bảng 4.2: Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến quá trình thu nhận dịch quả khế
Thời gian siêu âm (phút)
Hàm lƣợng Vitamin C (mg/g chất khô nguyên liệu)
(mg GAE/ g chất khô nguyên liệu)
Hoạt tính kháng oxy hóa (àmol TEAC/g chất khụ nguyên liệu)
0.00 2.35±0.02 a 16.49±0.5 a 84.21±0.47 a 94.93±0.27 a 1.00 2.48±0.03 b 23.02±0.89 b 109.36±1.54 b 128.77±3.21 b 2.00 2.69±0.05 de 27.29±0.78 d 125.49±1.94 e 143.58±0.79 d 3.00 2.72±0.01 e 28.12±0.81 de 128.27±2.95 ef 144.75±0.46 de 4.00 2.76±0.05 ef 28.9±0.95 ef 128.71±1.81 f 146.12±1.41 e 5.00 2.81±0.02 fg 29.99±0.16 gh 131.28±0.66 fg 152.02±0.49 fg
7.00 2.84±0.04 gh 31.07±1.11 hi 133.23±1.31 gh 153.48±0.97 gh 8.00 2.74±0.02 ef 29.86±0.24 fg 129.7±1.68 f 149.97±0.98 f 9.00 2.65±0.06 cd 26.81±0.74 d 119.88±2.95 d 143.1±0.48 d 10.00 2.59±0.09 c 25.32±0.74 c 115.14±2.28 c 135.83±2.67 c
Những giá trị có chữ cái khác nhau trong cùng một cột thể hiện sự khác biệt có nghĩa thống kê (p < 0.05)
4.1.2.1 4.1.2.1 Hàm lƣợng vitamin C và hàm lƣợng polyphenol tổng Vitamin C
Hình 4.4: Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hàm lượng vitamin C trong dịch quả khế
Bảng 4.2 và hình 4.4 cho thấy khi tăng thời gian xử lý siêu âm từ 0 lên 6 phút thì hàm lƣợng vitamin C trong dịch quả tăng từ 2.48mg/g chất khô đến 2.9 mg/g chất khô và đạt giá trị cực đại ở thời gian siêu âm là 6 phút Khi đó, hàm lƣợng vitamin C tăng 23.2% so với mẫu không qua xử lý siêu âm Điều này đƣợc giải thích là khi thời gian siêu âm càng dài thì các biến đổi của nguyên liệu càng sâu sắc Sóng siêu âm làm phá vỡ cấu trúc thành tế bào thịt quả, giúp gia tăng quá trình giải phóng vitamin C vào dịch trích
Nếu kéo dài thời gian siêu âm hơn 6 phút thì hàm lƣợng vitamin C trong dịch quả giảm nhanh là do vitamin C tan tốt trong nước nên khi siêu âm trong 6 phút thì có thể lƣợng Vitamin C đã hầu nhƣ đi vào dịch trích hoàn toàn nên khi tăng thời gian siêu âm cũng không làm gia tăng hàm lƣợng vitamin C đáng kể Đồng thời khi thời gian kéo dài sẽ dẫn tới sự hình thành các gốc tự do trong mẫu xử lý, do đó làm giảm hàm lượng vitamin C trong dịch quả Kết quả này tương đồng với kết quả nghiên cứu trên nguyên liệu cóc của Nguyen và cộng sự (2014) ở công suất 11W/g trong thời gian 6 phút cho hiệu suất trích ly vitamin C là cao nhất, tăng 14% so với mẫu không xử lý
33 siêu âm Tương tự, siêu âm trên đối tượng là quả xương rồng (Opuntia ficus Indica) ở công suất 80% (4.8W/ml), hàm lƣợng vitamin C tăng khi tăng thời gian và đạt giá trị cao nhất ở thời gian 10 phút với hàm lƣợng 551 mg/l tăng 8% so với mẫu không xử lý siêu âm Khi tăng thời gian lên 25 phút thì hàm lƣợng vitamin C hầu nhƣ không tăng (Nelly và cộng sự, 2013)
Tối ưu hóa quá trình xử lý siêu âm dịch quả khế bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm
Tối ưu hóa quá trình trích ly dịch quả có xử lý siêu âm sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo mô hình trực giao cấp hai có tâm xoay với hai yếu tố ảnh hưởng là công suất siêu âm và thời gian siêu âm, hàm mục tiêu là hoạt tính kháng oxy hóa (xác định theo phương pháp FRAP)
Bảng 4.3: Giá trị tâm và bước nhảy của các yếu tố thí nghiệm
Yếu tố Công suất siêu âm (W/g) Thời gian siêu âm (phút)
Tổng số thí nghiệm đƣợc bố trí: 13 Số thí nghiệm ở tâm: 5
Biến thiên công suất siêu âm: X 1 dao động trong khoảng 10W/g – 20W/g, tâm là 15 W/g
Biến thiên thời gian siêu âm: X 2 dao động trong khoảng 4 phút – 8 phút, tâm là 6 phút
Hàm mục tiêu là hoạt tính kháng oxy hóa theo phương pháp FRAP Ma trận quy hoạch thực nghiệm và kết quả hoạt tính kháng oxy hóa (theo phương pháp FRAP) đƣợc trình bày trong bảng 4.4
Bảng 4.4: Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm và kết quả
Hoạt tính kháng oxy hóa theo phương pháp FRAP (μmol TEAC/g chất khô)
Mô hình dạng toàn phương bậc hai được xác định bằng hồi quy đa biến, có dạng:
Y = b 0 + b 1 X 1 + b 2 X 2 + b 11 X 1 2 + b 22 X 2 2 + b 12 X 1 X 2 (*) Với b 0 ; b 1 ; b 2 ; b 11 ; b 22 ; b 12 là hằng số, hệ số X 1 ; X 2 ; X 1 2 ; X 2 2 ; X 1 X 2 tương ứng.
Bảng 4.5 Ảnh hưởng của các biến độc lập đến hoạt tính kháng oxy hóa của dịch quả khế (theo pương pháp FRAP)
Yield Coeff SC Std Err P Conf int(±)
Trong đó, Y, X 1 , X 2 hoạt tính kháng oxy hóa (μmol TEAC/g chất khô), công suất siêu âm (W/g) và thời gian xử lý siêu âm (phút)
Std err: sai số chuẩn Coeff Sc: hệ số đặc trưng cho ảnh hưởng tương tác của các yếu tố đến quá trình trích ly
Bảng 1.1 cho thấy ảnh hưởng của mỗi biến số trong phương trình hồi quy ở mức ý nghĩa 95% Trong đó, ảnh hưởng tương tác của X 1 *X 2 là không có ý nghĩa (p>0.05) Các biến số X 1 , X 2 ảnh hưởng dương tính đến phương trình hồi quy và yếu tố công suất (X 1 ) tác động đến hoạt tính kháng oxy hóa cao hơn nhân tố thời gian (X 2 ) , các biến số X 1 2 , X 2 2 có ảnh hưởng âm tính đến phương trình hồi quy
Phương trình hồi quy như sau:
Y = 157.948 + 4.15464 X 1 + 2.35877 X 2 – 10.2355 X 1 2 – 7.31453 X 2 2 Hai giá trị Q 2 (độ biến thiên ảo) và R 2 (độ biến thiên thực) cho biết mức độ tin cậy của mô hình thí nghiệm Theo Gabrielsson và cộng sự (2002) thì mô hình thí
39 nghiệm đáng tin cậy khi giá trị R 2 trong khoảng 0.8 – 0.9; giá trị Q 2 lớn hơn 0.5 và độ sai lệch giữa chúng không lớn hơn 0.2 –0.3 Kết quả thực nghiệm với R 2 = 0.956 và Q 2 = 0.714 cho thấy mô hình hồi quy là đáng tin cậy Theo phương trình hồi quy, hai yếu tố X 1 (công suất siêu âm) và X 2 (thời gian siêu âm) không có sự tương tác lẫn nhau trong các khoảng giá trị đã khảo sát
Phương trình hồi quy được biểu diễn trên trục tọa độ không gian 3 chiều (hình 4.7) và 2 chiều (hình 4.8)
Hình 4.7: Đồ thị bề mặt đáp ứng hoạt tính kháng oxy hóa theo phương trình hồi qui trên không gian 3 chiều
Điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý nguyên liệu dịch khế bằng sóng siêu âm được xác định bằng phần mềm Modde 5 như sau: biểu đồ bề mặt đáp ứng hoạt tính kháng oxy hóa theo phương trình hồi qui trên không gian 2 chiều (Hình 4.8).
Thời gian siêu âm: 6 phút 30 giây
Hoạt tính kháng oxy hóa dự đoán theo phương trình hồi quy là 158,6 μmol TEAC/g chất khô, cao hơn 68% so với đối chứng Thử nghiệm thực tế thu được hoạt tính 157,8 μmol TEAC/g chất khô, chỉ khác biệt 0,52% so với dự đoán, chứng tỏ phương trình hồi quy chính xác Hàm lượng hợp chất phenolic tổng, vitamin C và hoạt tính kháng oxy hóa theo phương pháp ABTS cũng tăng đáng kể sau xử lý siêu âm, lần lượt là 96%, 23% và 59% so với đối chứng.
4.3 Xác định các thông số động học của quá trình trích ly các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hóa trong dịch trích khế
Từ những kết quả khảo sát thu đƣợc trong quá trình trích ly dịch khế có sử dụng sóng siêu âm cho thấy vitamin C và các hợp chất polyphenol đóng vai trò quan trọng trọng việc làm tăng hoạt tính kháng oxy hóa của dịch quả Vì vậy, sự thay đổi hàm lƣợng vitamin C và hàm lƣợng các hợp chất polyphenol theo thời gian đƣợc khảo sát, từ đó tính các thông số động học của quá trình trích ly Bên cạnh đó, hàm lƣợng vitamin C và hàm lƣợng polyphenol tổng trong dịch trích ly khi không sử dụng siêu âm cũng được khảo sát để so sánh hiệu quả trích ly của hai phương pháp
Kết quả đƣợc trình bày trong bảng 4.6, bảng 4.7 Hình 4.9 và hình 4.10
Bảng 4.6: Hàm lƣợng polyphenol tổng và vitamin C trong dịch trích theo thời gian trích ly khi sử dụng sóng siêu âm
Thời gian siêu âm (phút)
Hàm lƣợng Vitamin C (mg/g chất khô nguyên liệu)
Hàm lƣợng polyphenol tổng (mg GAE/ g chất khô nguyên liệu)
Những giá trị có chữ cái khác nhau trong cùng một cột thì khác nhau có nghĩa về mặt thống kê (p < 0.05)
Bảng 4.7: Kết quả hàm lƣợng polyphenol tổng và vitamin C trong dịch trích theo thời gian trích ly khi không sử dụng sóng siêu âm
Hàm lƣợng Vitamin C (mg/g chất khô nguyên liệu)
Hàm lƣợng polyphenol tổng(mg GAE/ g chất khô nguyên liệu)
Những giá trị có chữ cái khác nhau trong cùng một cột thì khác nhau có nghĩa về mặt thống kê (p < 0.05)
Hình 4.9: Hàm lƣợng vitamin C theo thời gian trích ly
Hình 4.10: Hàm lƣợng polyphenol tổng theo thời gian trích ly
Mẫu có thời gian trích ly bằng không (t=0) khi không xử lý siêu âm vẫn có chứa vitamin C (2.36mg/g chất khô) và các hợp chất phenolic (16.67mgGAE/g chất khô) vì trong quá trình xử lý nguyên liệu (chà) cấu trúc nguyên liệu bị phá vỡ nên vitamin C và các hợp chất polyphenol tổng đƣợc giải phóng ra khỏi tế bào nằm trong dịch trích
Hình 4.11: Đồ thị biểu diễn giá trị nghịch đảo của tốc độ trích ly các hợp chất polyphenol và vitamin C theo thời gian trích ly khi sử dụng sóng siêu âm
Đồ thị hình 4.12 biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị nghịch đảo của tốc độ trích ly hợp chất polyphenol và vitamin C với thời gian trích ly khi không sử dụng sóng siêu âm Đồ thị cho thấy giá trị nghịch đảo của tốc độ trích ly tăng theo thời gian trích ly, điều này có nghĩa là tốc độ trích ly giảm dần theo thời gian.
Bảng 4.8: So sánh thông số động học của quá trình trích ly hợp chất polyphenol và vitamin C của hai phương pháp có sử dụng và không sử dụng sóng siêu âm
Khả năng trích ly C e (mg/g)
Tốc độ trích ly ban đầu h (mg/g.phút)
Hằng số tốc độ trích ly k (g/mg.phút)
Không xử lý siêu âm 2.49 6.59 1.063 0.999
Không xử lý siêu âm 21.28 7.25 0.016 0.999
45 Bảng 4.8 cho thấy hằng số tốc độ trích ly, tốc độ trích ly ban đầu, khả năng trích ly vitamin C và các hợp chất polyphenol của mẫu có qua xử lý siêu âm đều cao hơn so với mẫu không xử lý siêu âm Hằng số tốc độ trích ly, tốc độ trích ly ban đầu và khả năng trích ly của phương pháp có sự hỗ trợ của siêu âm tăng lần lượt là 5.32; 6.87 và 1,14 lần (đối với vitamin C) và 10.6; 22.9 và 1.47 lần (đối với các hợp chất polyphenol) khi so sánh với phương pháp không xử lý siêu âm Do đó, trích ly có sự hỗ trợ của sóng siêu âm là một phương pháp phù hợp khi trích ly các hợp chất kháng oxy hóa từ quả khế
Hằng số tốc độ trích ly vitamin C khi có sử dụng sóng siêu âm cao hơn 33 lần so với hằng số tốc độ trích ly của polyphenol tổng Nhƣ vậy, quá trình trích ly vitamin C trong của dịch quả khế diễn ra nhanh hơn nhiều so với polyphenol tổng Kết quả này cũng đã đƣợc tìm thấy trong một nghiên cứu gần đây trên nguyên liệu cóc ( Nguyen và cộng sự, 2014) khi siêu âm ở công suất 11.47W/g, thời gian 6 phút 38 giây Hằng số tốc độ trích ly vitamin C cao gấp 5.42 lần so với hằng số tốc độ trích ly của polyphenol tổng Theo nghiên cứu của Vo và cộng sự (2012) trên nguyên liệu sim cũng cho thấy hằng số tốc độ trích ly vitamin C cao gấp 26.67 lần so với hằng số tốc độ trích ly của polyphenol tổng khi xử lí siêu âm ở điều kiện tối ƣu
Khả năng trích ly của polyphenol vượt trội hơn vitamin C do hàm lượng cao hơn Trong đó, phương pháp có xử lý siêu âm tăng khả năng trích ly polyphenol nhờ tác động phá vỡ liên kết với thành tế bào Ngược lại, vitamin C dễ trích ly hơn do đặc tính hòa tan trong nước nên phương pháp thông thường cũng đạt hiệu quả cao.