Nghiên cứu thu nhận, đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của pectin từ cây xương rồng bàn chải (opuntia dillenii) tại tỉnh ninh thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG BÙI THỊ THU HẰNG NGHIÊN CỨU THU NHẬN, ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA VÀ KHÁNG KHUẨN CỦA PECTIN TỪ CÂY XƯƠNG RỒNG BÀN CHẢI Opuntia dill

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BÙI THỊ THU HẰNG

NGHIÊN CỨU THU NHẬN, ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA VÀ KHÁNG KHUẨN CỦA PECTIN

TỪ CÂY XƯƠNG RỒNG BÀN CHẢI (Opuntia dillenii)

TẠI TỈNH NINH THUẬN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÕA - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

-

BÙI THỊ THU HẰNG

NGHIÊN CỨU THU NHẬN, ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA VÀ KHÁNG KHUẨN CỦA PECTIN

TỪ CÂY XƯƠNG RỒNG BÀN CHẢI (Opuntia dillenii)

TẠI TỈNH NINH THUẬN LUẬN VĂN THẠC SĨ

PGS.TS NGÔ ĐĂNG NGHĨA

Khoa sau đại học :

KHÁNH HÕA - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài “Nghiên cứu thu nhận, đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của pectin từ cây xương rồng bàn chải (Opuntia dillenii) tại tỉnh Ninh Thuận” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chƣa từng

đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2017

Học viên thực hiện

Bùi Thị Thu Hằng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trước tiên tôi xin gửi tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Trưởng khoa Sau Đại học và Lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học và môi trường lời cám ơn, niềm kính trọng, sự tự hào được học tập tại trường trong những năm qua

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy cô trong Viện Công nghệ sinh học và môi trường – Trường Đại học Nha Trang đã trang bị cho tôi những kiến thức cơ

sở và chuyên ngành quý giá để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Duy cùng TS Đặng Xuân Cường đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của tập thể cán bộ - Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học, phòng thí nghiệm Viện công nghệ sinh học và môi trường, Phòng thí nghiệm Nhiệt lạnh – Trung tâm Thực hành Thí nghiệm – Trường Đại học Nha Trang, Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn này

Xin tỏ lòng biết ơn gia đình, người thân và các bạn bè đã tạo điều kiện, động viên khích lệ để tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập vừa qua

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2017

Học viên thực hiện

Bùi Thị Thu Hằng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH x

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

4 Nội dung của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu về xương rồng Opuntia dillenii 4

1.1.1 Phân loại, phân bố và đặc điểm của loài Opuntia dillenii 4

1.1.2 Đặc điểm sinh hóa và dinh dưỡng 6

1.1.2.1 Đặc điểm sinh hóa 6

1.1.2.2 Thành phần dinh dưỡng 7

1.1.3 Ứng dụng 8

1.1.3.1 Sử dụng làm thực phẩm 8

1.1.3.2 Sử dụng làm thức ăn cho gia súc 9

1.1.3.3 Sử dụng trong y học 10

1.1.3.4 Một số ứng dụng khác 11

1.2 Pectin và các tính chất của pectin 11

1.2.1.Nguồn gốc, cấu tạo và thành phần hóa học của pectin 11

1.2.1.1 Nguồn gốc của pectin 11

1.2.1.2 Cấu tạo và thành phần hóa học của pectin 12

1.2.2 Phân loại pectin 15

1.2.3 Tính chất của pectin 15

1.2.3.1.Các chỉ số đặc trưng 16

1.2.3.2 Khả năng tạo gel của pectin 16

1.2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo gel 19

1.2.3.4 Tác dụng dược lý 20

1.3 Hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của pectin 21

1.3.1 Hoạt tính chống oxy hóa của pectin 21

1.3.1.1 Quá trình oxy hóa và các gốc tự do 21

1.3.1.2 Hoạt tính chống oxy hóa của pectin 21

1.3.2 Hoạt tính kháng khuẩn của pectin 23

1.4 Ứng dụng của pectin 24

1.4.1 Ứng dụng của pectin trong công nghệ thực phẩm 24

1.4.2 Ứng dụng của pectin trong công nghệ dược phẩm 26

1.5 Các phương pháp chiết xuất pectin 26

1.5.1 Chiết pectin bằng phương pháp gia nhiệt truyền thống 26

1.5.2 Chiết xuất pectin bằng phương pháp vi sóng 27

1.5.3 Chiết xuất pectin bằng sử dụng sóng siêu âm 29

1.5.4 Trích ly pectin bằng hơi nước ở áp suất cao 30

1.6 Tình hình nghiên cứu pectin trong nước và trên thế giới 30

1.6.1 Nghiên cứu trên thế giới 30

1.6.2 Nghiên cứu trong nước 31

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Đối tượng, thời gian và địa điểm nghiên cứu 33

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.1.2 Địa điểm nghiên cứu 33

2.1.3 Thời gian nghiên cứu 33

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1 Phương pháp phân tích 33

2.2.1.1 Xác định hàm ẩm 33

2.2.2 Phương pháp định lượng 34

2.2.3 Phương pháp xác định hoạt tính sinh học 34

2.2.3.1 Phương pháp xác định hoạt tính chống oxy hóa tổng 34

2.2.3.2 Xác định hoạt tính khử sắt 35

2.2.3.3 Xác định hoạt tính kháng khuẩn 35

2.3 Bố trí thí nghiệm 36

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 36

2.3.2 Bố trí thí nghiệm cụ thể 37

2.4.Phân tích dữ liệu 44

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Nghiên cứu quy trình chiết pectin thô tự cây xương rồng bàn chải (Opuntia dillenii) tại Ninh Thuận 45

3.1.1 Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng pectin thô và hoạt tính chống oxy hóa 45

3.1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/nhiên liệu đến hàm lượng pectin và hoạt tính chống oxy hóa 48

3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng pectin và hoạt tính chống oxy hóa 53

3.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết đến hàm lượng pectin và hoạt tính chống oxy hóa 56

3.1.5 Khảo sát hàm lượng pectin thu nhận qua các lần chiết và hoạt tính chống oxy hóa 60

3.1.6 Hoạt tính kháng khuẩn của pectin thô sau khi chiết 61

3.1.7 Đề xuất quy trình chiết pectin thô từ cây xương rồng bàn chải (Opuntia dillenii) sinh trưởng tại tỉnh Ninh Thuận 63

3.2 Hàm lượng và hoạt tính của pectin tinh chế từ xương rồng 64

3.2.1 Hàm lượng pectin 64

3.2.2 Hoạt tính chống oxy hóa của pectin tinh sạch 66

3.2.3 Hoạt tính kháng khuẩn của pectin tinh sạch 66

3.3 Thành phần hóa học của mẫu pectin tinh sạch từ cây xương rồng 67

3.3.1 Thành phần hóa học của pectin tinh sạch 67

3.3.2 Đề xuất quy trình tinh chế 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

Kết luận 74

Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TA Hoạt tính chống oxy hóa tổng Total antioxidant activity

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Flavonoids trong từng bộ phận của cây Opuntia dillenii 7

Bảng 1.2 Hàm lượng pectin trong các nguyên liệu khác nhau (Pornsak, 2003) 12

Bảng 1.3 Tác dụng của DE lên sự tạo gel (Nguyễn Thị Thu Sang, 2009) 19

Bảng 3 1 Đường kính vòng kháng khuẩn của pectin thu nhận từ O dillenii 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mô tả đầu tiên của Hortus Elthamensis về loài Opuntia dillenii 5

Hình 1.2 Hình ảnh quả xương rồng chín được thu tại Phan Rang, Ninh Thuận 9

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của Cellulose Pectin có trong các lớp giữa hai tế bào được liên kết với nhau bởi Ca2+ 12

Hình 1.4 Liên kết α – 1,4-glycozide giữa hai đơn phân acid D-galacturonic 13

Hình 1.5 Thành phần và cấu trúc của pectin 13

Hình 1.6 Sơ đồ cho thấy rhamnose (Rha) chèn gây nút gấp trong chuỗi acid galacturonic (GalA); S là đường trung tính 14

Hình 1.7 Cấu trúc các điểm liên kết gel HMP khi nghiên cứu nhiễu xạ tia X 17

Hình 1.8 Cơ chế tạo gel của pectin bằng liên kết với ion Ca2+ 18

Hình 1.9 Tóm tắt các loại và nguồn ROS, và điểm tác động của các chất chống oxy hoá 22

Hình 2.1 Dự kiến quy trình chiết pectin 36

Hình 2.2 Quy trình khảo sát pH chiết 37

Hình 2.3 Quy trình khảo sát tỷ lệ DM/NL chiết 38

Hình 2.4 Quy trình khảo sát thời gian chiết 40

Hình 2.5 Quy trình khảo nhiệt độ chiết 41

Hình 2.6 Quy trình khảo sát số lần chiết 42

Hình 2.7 Dự kiến quy trình tinh chế pectin 43

Hình 3.1 Ảnh hưởng của pH dung môi đến hàm lượng pectin thô trong mẫu xương rồng 45 Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH dung môi đến hoạt tính chống oxy hóa của pectin trong mẫu xương rồng 46

Hình 3.3 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin và hoạt tính chống oxy hóa tổng 47

Hình 3.4 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin và hoạt tính khử sắt 48

Hình 3.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu (DM/NL) đến hàm lượng pectin thô trong mẫu xương rồng 49

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu (DM/NL) đến hoạt tính chống oxy trong mẫu xương rồng 50

Hình 3.7 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin thô và hoạt tính chống oxy hóa tổng ở công đoạn khảo sát tỷ lệ DM/NL 51

Hình 3.8 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin thô và hoạt tính khử sắt ở công đoạn khảo sát tỷ lệ DM/NL 52

Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng pectin trong mẫu xương rồng

53

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian đến hoạt tính chống oxy hóa trong mẫu xương rồng 53

Hình 3.11 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin thô và hoạt tính chống oxy hóa tổng ở công đoạn khảo sát thời gian 55

Hình 3.12 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin thô và hoạt tính khử sắt của mẫu xương rồng 56

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng pectin thô trong mẫu xương rồng 57

Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính chống oxy hóa trong mẫu xương rồng 57

Hình 3.15 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin và hoạt tính chống oxy hóa tổng của mẫu xương rồng 58

Hình 3.16 Sự tương quan giữa hàm lượng pectin và hoạt tính khử sắt của mẫu xương rồng 59

Hình 3.17 Hàm lượng pectin trong mẫu xương rồng ở các lần chiết khác nhau 60

Hình 3.18 Hoạt tính chống oxy hóa của pectin ở các lần chiết khác nhau 60

Hình 3.19 Quy trình chiết pectin thô 63

Hình 3.20 Hàm lượng pectin thu được theo quy trình tinh sạch 64

Hình 3.21 Kết tủa dịch chiết bằng cồn 65

Hình 3.22 Bột thu được sau ly tâm lần chiết 1 và lần chiết 2 theo quy trình tinh sạch 65 Hình 3.23 Hoạt tính chống oxy hóa trong mẫu pectin tinh sạch 66

Hình 3.24 Kết quả thử nghiệm kháng khuẩn của pectin tinh sạch……… 66

Hình 3.25 Phổ IR của mẫu pectin chiết lần 1 68

Hình 3.26 Phổ IR của pectin khi chiết lần 2 69

Hình 3.27 Phổ sắc ký đồ phân tích thành phần đường theo các chất chuẩn 69

Hình 3.28 Phổ sắc ký đồ phân tích thành phần đường trong pectin thu được từ lần chiết 1 70

Hình 3.29 Phổ sắc ký đồ phân tích thành phần đường trong pectin thu được từ lần chiết 2 70

Hình 3.30 Quy trình tinh chế pectin 72

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Nghiên cứu thu nhận, đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của

pectin từ cây xương rồng bàn chải (Opuntia dillenii) tại tỉnh Ninh Thuận

Giới thiệu về đề tài và mục tiêu nghiên cứu

Xương rồng là loại cây có khả năng sinh trưởng mạnh mẽ trên các vùng đất khác nhau và chúng phát triển mạnh mẽ nhất ở vùng đất cát Thực tế cho thấy, tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận có diện tích trồng xương rồng rất lớn bởi có diện tích đất cát rộng Cây xương rồng sinh trưởng ở tỉnh Ninh Thuận vẫn chỉ được sử dụng làm thức

ăn gia súc hoặc phân bón cho cây trồng sau khi đã được đốt

Trong khi đó nhiều nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy, cây xương rồng là nguồn lợi giàu pectin, betalain…có hoạt tính sinh học như chống oxy hóa, kháng khuẩn với khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như y dược, thực phẩm, đồ uống… Đồng thời pectin cây xương rồng còn được sử dụng như chất giữ nước cho các vùng đất khô hạn và sau khi chiết pectin vẫn có thể sử dụng bã để làm thức ăn gia súc, phân bón, hay nhiên liệu sinh học

Pectin là chất tạo đông được sử dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm (chiếm hơn 75% sản phẩm của pectin) để chế biến mứt quả đông Trong y học, pectin được sử dụng để sản xuất thuốc chữa bệnh đường ruột (giúp cơ thể tăng cường bài tiết các kim loại nặng) Vì vậy, nó được nhiều nước quan tâm, nghiên cứu sản xuất và ứng dụng Nước ta hiện nay chưa sản xuất được pectin ở quy mô công nghiệp nên vẫn phải nhập khẩu với giá 18 USD/ kg Như vậy, việc tách pectin từ cây xương rồng là một nghiên cứu có ý nghĩa tìm kiếm khả năng tự sản xuất pectin để sử dụng trong nước, không phải nhập khẩu với giá cao, giải quyết nguyên liệu cho ngành sản xuất pectin, tạo ra nguyên liệu cho công nghệ thực phẩm và y học Chính vì vậy, được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, tôi thực hiện đề tài:“Nghiên cứu thu nhận, đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của pectin từ cây xương rồng bàn chải (Opuntia dillenii) tại tỉnh Ninh Thuận” Mục tiêu của đề tài: Xây dựng được quy trình thu nhận và tinh sạch

hoạt chất pectin từ cây xương rồng sinh trưởng tại tỉnh Ninh Thuận Xác định được hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn, thành phần hóa học của pectin chiết từ cây xương rồng sinh trưởng tại tỉnh Ninh Thuận

Phương pháp nghiên cứu

Xương rồng sử dụng nghiên cứu thu tại ven biển tỉnh Ninh Thuận có một số đặc điểm sau: phiến lá non, tươi, dày Sau khi thu mẫu xử lý cắt gai, bảo quản ở nhiệt độ lạnh

phục vụ cho quá trình nghiên cứu

Để hiệu suất thu nhận pectin cao tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chiết pectin từ xương rồng: pH dung môi chiết; tỷ lệ dung môi/nguyên liệu, thời gian chiết, nhiệt độ chiết và số lần chiết để hoàn thiện quy trình thu nhận pectin từ xương rồng Sản phẩm thu được, được xác định hàm lượng và đánh giá hoạt tính chống oxy hóa, hoạt tính kháng khuẩn và thành phần hóa học

Để thu được pectin tinh sạch tiến hành nghiên cứu quy trình tinh chế Sản phẩm thu được, được xác định hàm lượng và đánh giá hoạt tính chống oxy hóa, hoạt tính kháng khuẩn và thành phần hóa học bằng HPLC và phổ IR

Dữ liệu thực nghiệm được phân tích thống kê và hồi quy bằng phần mềm Excell

2010 Loại bỏ giá trị bất thường bằng phương pháp Dulcan

Kết quả thu được:

1 Thông số thích hợp chiết pectin từ xương rồng Opuntia dillenii như sau: pH

tối ưu là pH 4, tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu 6/1, thời gian chiết 90 phút, nhiệt độ chiết 90˚C, chiết 1 lần Sau khi thực hiện ở điều kiện thích hợp như trên, kết quả thu được: hàm lượng pectin thô 203,4315 ± 0,3317 mg acid uronic/g DW, hoạt tính chống oxy hóa tổng (TA) 13,5494 ± 0,1531 mg acid ascorbic/g DW và hoạt tính khử sắt (RP) 3,3654 ± 0,0188 mg FeSO4/g DW, pectin thô có hoạt tính kháng vi khuẩn E coli

2 Hàm lượng pectin thu được từ quy trình tinh chế với các điều kiện 25g nguyên liệu, pH 4, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 6/1, thời gian 90 phút, nhiệt độ 90˚C chiết lần 1 là 114,25 ± 0,0039 mg acid uronic/g DW Chiết lần 2 là 272,75 ± 0,0106

mg acid uronic/g DW Pectin thu được sau tinh chế có khả năng kháng E.coli

3 Pectin tinh chế thu được từ quy trình công nghệ tinh chế gồm hai thành phần hóa học là acid galacturonic và glucose Kết quả phân tích HPLC, IR và thành phần hóa học cho thấy chất được chiết từ xương rồng sinh trưởng ở tỉnh Ninh Thuận theo công nghệ của đề tài là pectin

Từ khóa: pectin, xương rồng bàn chải, xương rồng Opuntia dellenii, hoạt tính chống

oxy hóa , tinh chế pectin

Khánh Hòa, ngày … tháng … năm 2017

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Pectin tồn tại chủ yếu ở trong thực vật như vỏ cam, vỏ quýt, vỏ bưởi, xương rồng,… Pectin là polysaccharide có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như thực phẩm, sinh học, nông nghiệp, dược phẩm,… nhờ khả năng tạo cấu trúc hàng đầu như: tạo gel, tạo đặc, tạo nhũ tương và ổn định trạng thái rất hiệu quả Ngoài ra pectin còn là hoạt chất sinh học mạnh với khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng nấm,… Trong đó, xương rồng là nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú,

có sẵn trong tự nhiên, dễ trồng và dễ nhân giống với hàm lượng pectin tương đối cao Thực tế cho thấy nếu sử dụng xương rồng để chiết pectin vừa dễ kiếm mà còn góp phần phát triển loài cây xương rồng bảo vệ môi trường và đem lại hiệu quả kinh tế cao

ở những vùng ven biển

Ngày nay, các nhà khoa học quan tâm và đang phát triển các sản phẩm tự nhiên

có dinh dưỡng, lợi ích chữa bệnh và tăng cường sức khỏe Các nhà khoa học tại Hoa

Kỳ và các quốc gia khác đã nghiên cứu nhiều loài thực vật và thảo dược xác định hàm lượng dinh dưỡng, tính chất dược liệu và lợi ích sức khỏe của chúng để sử dụng như

là một nguồn thực phẩm và thuốc chữa bệnh Hơn nữa, ngày nay có rất nhiều vấn đề xảy ra về an toàn thực phẩm, vì những nguyên nhân từ thành phần thực phẩm như phụ gia thực phẩm hay chất tạo màu có nguồn gốc không rõ ràng, hoặc trong cấu trúc phân tử gây hại cho sức khỏe con người khi sử dụng quá quy định Do đó, ngày càng nhiều nghiên cứu về lĩnh vực phụ gia thực phẩm nhằm tìm kiếm những loại nguyên liệu phụ gia an toàn mà có tính tự nhiên, an toàn cho sức khỏe Trong những năm gần đây một sản phẩm tự nhiên như vậy dưới sự giám sát của các nhà khoa học y tế đã được sử dụng như là một nguồn thực phẩm cơ bản và y học là cây xương rồng

Xương rồng là loại cây có khả năng sinh trưởng mạnh mẽ trên các vùng đất khác nhau và chúng phát triển mạnh mẽ nhất ở vùng đất cát Thực tế cho thấy, tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận có diện tích trồng xương rồng rất lớn bởi có diện tích đất cát rộng Cây xương rồng sinh trưởng ở tỉnh Ninh Thuận vẫn chỉ được sử dụng làm thức

ăn gia súc hoặc phân bón cho cây trồng sau khi đã được đốt

Trong khi đó nhiều nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy, cây xương rồng là nguồn lợi giàu pectin, betalain…có hoạt tính sinh học như chống oxy hóa, kháng

khuẩn với khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như y dược, thực phẩm, đồ uống… Đồng thời cây xương rồng còn được sử dụng như chất giữ nước cho các vùng đất khô hạn và sau khi chiết pectin vẫn có thể sử dụng bã để làm thức ăn gia súc, phân bón, hay nhiên liệu sinh học

Pectin là chất tạo đông được sử dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm (chiếm hơn 75% sản phẩm của pectin) để chế biến mứt quả đông Trong y học, pectin được sử dụng để sản xuất thuốc chữa bệnh đường ruột (giúp cơ thể tăng cường bài tiết các kim loại nặng) Vì vậy, nó được nhiều nước quan tâm, nghiên cứu sản xuất và ứng dụng Nước ta hiện nay chưa sản xuất được pectin ở quy mô công nghiệp nên vẫn phải nhập khẩu với giá 18 USD/kg Như vậy, việc tách pectin từ cây xương rồng là một nghiên cứu có ý nghĩa tìm kiếm khả năng tự sản xuất pectin để sử dụng trong nước, không phải nhập khẩu với giá cao, giải quyết nguyên liệu cho ngành sản xuất pectin, tạo ra nguyên liệu cho công nghệ thực phẩm và y học

Vì vậy chiết pectin và đánh giá hoạt tính sinh học của pectin như kháng khuẩn

và chống oxy hóa từ cây xương rồng sẽ mang ý nghĩa khoa học cao cũng như thực tiễn

tốt, nên đề tài “Nghiên cứu thu nhận, đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của pectin từ cây xương rồng bàn chải (Opuntia dillenii) tại tỉnh Ninh Thuận” được tiến hành thực hiện

2 Mục tiêu của đề tài

Các kết quả của đề tài cung cấp dữ liệu khoa học về tiềm năng thu nhận pectin

từ cây xương rồng bàn chải (Opuntia dillenii) sinh trưởng tại tỉnh Ninh Thuận và một

số hoạt tính sinh học của chúng

Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả của đề tài là cơ sở quan trọng để hoàn thiện quy trình thu nhận

pectin từ nguồn nguyên liệu xương rồng Do vậy đề tài có ý nghĩa thực tiễn

4 Nội dung của đề tài

- Xây dựng quy trình chiết và đánh giá hoạt tính chống oxy hóa, kháng khuẩn

của pectin thô từ cây xương rồng Opuntia dillenii sinh trưởng tại tỉnh Ninh Thuận

- Xác định hàm lượng và đánh giá hoạt tính chống oxy hóa, kháng khuẩn của

pectin sau bước đầu tinh sạch từ xương rồng Opuntia dillenii

- Xác định thành phần hóa học của pectin thô và sau bước đầu tinh sạch từ cây

xương rồng Opuntia dillenii sinh trưởng tại tỉnh Ninh Thuận

- Khảo sát một số tính chất của pectin tinh sạch

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về xương rồng Opuntia dillenii

1.1.1 Phân loại, phân bố và đặc điểm của loài Opuntia dillenii

Năm 1732, Dilleninus đã công bố những đặc tính của cây xương rồng Opuntia dillenii trồng trong khu vườn nổi tiếng của Eltham Nhưng công bố này đã bị Carl von

Linné (1707-1778) bác bỏ Năm 1817, Ker-Gawler đã đưa ra các công bố của mình về loài xương rồng này trên cơ sở các dữ liệu đã có sẵn và quan sát thêm Năm 1819,

Haworth được phân công phân loại các đơn vị của chi Opuntia Ông đã phân loại tên chính xác loài này là Opuntia dillenii dựa theo tên của người đầu tiên phát hiện ra

Chúng còn có một số tên phân loại khác như Cactus dillenii Ker- Gawl Haw (1820) hay Opuntia elatior Mill (1768) Ở Việt Nam loài này còn có tên là vợt gai,

xương rồng bà gai hay nhân tiên chưởng

Opuntia dillenii có nguồn gốc từ đông nam của Bắc Mỹ, bờ biển phía đông của

Mexico, Bermudas, Tây Ấn và từ phía bắc của Nam Mỹ Các quần thể tự nhiên sống ở cùng một khu vực và ngoài ra còn xuất hiện ở vùng vịnh của Texas (Benson & Lyman, 1982), ven biển đông nam của Brazil (Scheinvar, 1984) và ở Ecuador (Hartmut, 2008)

Các loài bản địa của O dillenii sống chủ yếu ở các vùng cồn cát có độ cao gần mực

nước biển, chúng còn phát triển ở các bìa rừng ven biển, hoặc phát triển xen lẫn với

các loài thực vật nhiệt đới (Benson & Lyman, 1982) Đáng chú ý là loài O dillenii dễ

phát triển ở nhiều điều kiện khác nhau nên chúng được du nhập vào nhiều nơi trên trái

đất Opuntia dillenii có thể phát triển rất nhanh và lan rộng trong mọi điều kiện kể cả

khí hậu khắc nghiệt ở sa mạc hay những đồng cỏ, từ ôn đới cho tới nhiệt đới, chúng

đều phát triển nhất mạnh mẽ (Hartmut, 2008) Vì vậy, chúng cùng với một số loài

Opuntia khác như O stricta ở miền đông Australia đã bị liệt vào danh sách những loài

phá hoại (Mabry, 1980)

Hình 1.1 Mô tả đầu tiên của Hortus Elthamensis về loài Opuntia dillenii

Thân của O dillenii mọng nước và có lớp biểu bì khá dày Chúng phát triển theo

mọi hướng bởi lá có gai theo chiều ngang mặt đất hoặc đứng và đạt chiều cao trong khoảng 50-200 cm Hình dạng đa dạng, từ những đoạn thân dẹt, hình elip và lá có hình trứng hoặc có hình tròn (Hình 1.1) Chúng có cành dạng lá được gọi là Cladode, vì lá mọc từ thân tạo các khớp nối, từ thân và các khớp nối có nhiều gai cứng Các khớp thường có màu xanh lá cây hoặc xanh lá cây đậm, dài khoảng 10 đến 40 cm, rộng từ 5 đến 15 cm, dày khoảng 1 đến 2 cm Trên cladode chứa từng cụm từ 1 - 10 gai Các gai rất đa dạng về màu sắc (màu vàng đến màu nâu) và về chiều dài (1,5 - 6 cm) và cũng

có thể bị tiêu biến Chúng phát triển theo mọi hướng đi kèm các gai ngắn tạo thành cụm Phân đoạn gốc chứa nhiều cùi thịt có xơ cứng và lớp vỏ nhăn khô Thân được bao phủ bởi những cụm lông gai và gai, tán rộng Hoa thường nở vào tháng 6, cánh hoa màu cam vàng hoặc đỏ vàng Quả có hình elip và khi chín có màu nâu đỏ hoặc màu tím đỏ Hệ rễ cây xương rồng phát triển rất mạnh chủ yếu để giữ cho thân đứng vững và giữ nước Tuy nhiên, rễ của chúng mọc rất nông cho nên hạn chế trong việc hút nước vào các mùa ít mưa Loài này có thể mọc rải rác hoặc mọc theo cụm hàng ngàn cây ở các vùng đất khô cằn bởi khả năng giữ nước (Hartmut, 2008) Mặc khác, chúng cũng cộng sinh với các loại nấm, vi khuẩn để cải thiện việc hút các chất dinh dưỡng và khoáng (Mabry, 1980)

1.1.2 Đặc điểm sinh hóa và dinh dưỡng

1.1.2.1 Đặc điểm sinh hóa

O dillenii là loài cây mọng nước và có hai đặc điểm sinh lý đặc trưng, đó là thân

chứa nhiều chất nhầy, polysaccharides heterogenic với cấu trúc phức tạp và có khả năng hấp thu lượng lớn nước vào trong thân Do đó thân của chúng mặc dù rất cứng nhưng luôn mọng nước Các cơ quan màu xanh lá cây hấp thụ carbon theo đúng cách đặc trưng của thực vật CAM (CAM) bởi sự cố định CO2 tạo ra acid malic (Osmond và cộng sự, 1979)

Trong họ Cactaceae nói chung và loài O dillenii có quá trình sinh tổng hợp tạo ra

các betalain qui định màu tím đỏ hoặc màu vàng của hoa và quả (Mabry, 1980) Vì vậy

betalain là một trong những hợp chất đặc trưng nhất của O dillenii Quá trình sinh tổng

hợp của chúng phụ thuộc vào khả năng tạo thành axit betalamic của thực vật ngưng kết ưu tiên với cyclo-DOPA hoặc amino axit trong các phản ứng nonenzymatic, dẫn đến hình thành betacyanins màu tím đỏ (ví dụ, betanidin) hoặc betaxanthins vàng (ví dụ,

indicaxanthin) Hoa của O dillenii có màu vàng là do sự tích lũy betaxanthins và cũng

một phần là do flavonol Trong cánh hoa còn có quercetin 3-O-glucoside isoquercitrin, kaempferol 3-O-arabinoside, isorhamnetin 3-O-glucoside và isorhamnetin 3-O-rutinoside Hiện nay có tổng số 16 flavonoids được phân lập từ flavanols và catechin epicatechin của

quả O dillenii (Bảng 1.1) Các nghiên cứu đã chứng minh rằng trong quả không chỉ chứa

quercetin và mà còn có flavonol (Hartmut, 2008)

Acid phenol có nguồn gốc từ axit benzoic (acid gallic, acid vanillic, acid benzoic 3,4-dihydroxy, ethyl 3,4-dihydroxybenzoate) và acid cinnamic (acid sinapic, acid

ferulic, acid p-coumaric) cũng được tìm thấy trong quả và Cladode của O dillenii

Chúng là tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp các hợp chất chuyển hóa thứ cấp phức tạp hơn Enzyme quan trọng liên quan đến sự biến đổi của các chất phenolic là

polyphenol oxidase (PPO) Các PPO từ Cladodes O dillenii bao gồm ba isoenzymes

với hoạt động giảm dần theo thứ tự: ethylene diamine acid tetraacetic < acid ascorbic <

acid citric Ngoài ra, một chất chuyển hóa thứ cấp đặc trưng của O dillenii cũng phân

lập từ Cladodes là α-pyrones, ví dụ, opuntiol và một số dẫn xuất khác, một số steroid

là C29 - 5β – Sterol opuntisterol và glucoside của chúng là opuntisteroside Evans, 2001)

(Rice-Bảng 1 1 Flavonoids trong từng bộ phận của cây Opuntia dillenii

Kaempferol 7-O-glucosyl(14)-glucoside +

Theo Chang và cộng sự (2008), phần vỏ tươi, thịt quả và hạt O.dillenii ở đảo Penghu

thu được một vài thông số như sau: 1,2; 15,1; 0,0 mg acid ascorbic và 133,4; 91,5; 212,8 mg phenol tổng số/100 g trọng lượng tươi Các khoáng chất K, Ca, Mg, Na, Mn cũng có mặt với hàm lượng khá cao trong thành phần xương rồng Như vậy, hương vị chua ngọt của quả loài cây này là do có chứa hàm lượng đường và acid khá cao Hàm lượng hòa tan của các chất rắn từ 12 – 17%, lớn hơn so với các loại trái cây khác, chẳng hạn như mận, mơ và đào, có kết cấu mọng nước và lâu rụng khi chín nên quả luôn có quanh năm Chúng cũng được đánh giá là một thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao; thường được dùng như trái cây tươi, hoặc các món ăn truyền thống khác nhau và

sử dụng trong công nghiệp Chúng còn được sử dụng làm rau trong món salad và nước sốt; hoặc sử dụng làm thành phần chính trong các món tráng miệng, món khai vị và

trong các đồ uống có cồn Cladodes của loài O.dillenii giàu pectin, chất nhầy và chất

khoáng, trong khi quả là nguồn cung cấp vitamin, acid amin và betalains Các mầm hạt

đã được báo cáo là chứa các polysaccharides giàu arabinan, thành phần chủ yếu vỏ hạt

là D-xylan Ngoài chứa rất nhiều lipid, hạt loài này còn tích lũy proanthocyanidin, một loại polyphenol thuộc nhóm flavonoid có tác dụng chống oxy hóa cực mạnh (Hartmut,

2008; Mohnen,2002)

Trong các Cladodes: Các khớp non chứa lượng lớn protein bao gồm các acid amin

và các vitamin, tám trong số đó đều là acid amin thiết yếu Các loại vitamin E hay tocopherol và beta-carotene cũng được tìm thấy một phần nhỏ trong cả hạt giống và cùi thịt Những đồng đẳng vitamin E gamma và delta – tocopherol là thành phần chính trong hạt, chúng chiếm khoảng 80% tổng hàm lượng vitamin E có mặt trong hạt Acid ascorbic, thường được gọi là vitamin C, nhóm vitamin lớn thứ ba ở loài cây xương rồng này Một lượng nhỏ của vitamin B1, vitamin B6, niacin, riboflavin và pantothenic acid cũng được phát hiện có mặt trong loài xương rồng này (Hartmut, 2008)

Quả xương rồng chứa hàm lượng cao các acid amin, đặc biệt là proline, taurine

và serine Taurine, một acid béo aminosulfonic có nguồn gốc từ L-cysteine, lần đầu tiên được phân lập từ mật của bò; acid amin này rất phổ biến ở động vật có vú và nhiều loài sinh vật biển, nhưng chỉ được tìm thấy ở nồng độ thấp trong một số thực vật

bậc cao Hiện nay có một số nghiên cứu cho thấy O dillenii có chứa taurine, nhưng

điều này vẫn chưa được làm rõ hoàn toàn

Hạt khô của O dillenii có chứa dầu và chiếm khoảng 7,5% trọng lượng khô, trong

đó axit linoleic chiếm ưu thế, tiếp theo là axit oleic và palmitic, trong khi axit stearic, arachidic, myristic là những thành phần chiếm tỷ lệ nhỏ (Rice-Evans, 2001)

1.1.3 Ứng dụng

1.1.3.1 Sử dụng làm thực phẩm

Xương rồng và đặc biệt là những loài của chi Opuntia được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau Quả của O dillenii được sử dụng làm thực phẩm vì có nhiều đặc

tính lợi thế: da căng láng, không có gai cứng và màu sắc hấp dẫn (Hình 1.2.) nhiều hạt,

ăn được, chứa nhiều chất xơ và thành phần dinh dưỡng giúp tăng cường sức khỏe tương đối cao Quả chứa hàm lượng acid trung bình 1,23 g acid citric/100 g trọng lượng tươi

(Hartmut, 2008) Quả Opuntia dillenii chủ yếu được dùng để ăn tươi, nhưng cũng có thể

xử lý qua nhiệt bằng cách luộc hoặc phơi khô ngoài nắng (Novosel‟skaya và cộng sự, 2000) Vì có màu sắc khá bắt mắt và chứa nhiều chất màu tự nhiên có thể sử dụng trong thực phẩm nên còn được sử dụng để làm các sản phẩm cổ truyền như mứt, xi-rô Các khớp non được sử dụng trong các món xào, món rau hay món salad Các khớp già có thể

sử dụng để nghiền để lấy nước khi thời tiết hạn hán nghiêm trọng

Ở Aztecs người ta đã nghiên cứu quy trình dùng nước ép trái cây của các loài

Opuntia để làm thức uống có cồn Gần đây các báo cáo cho thấy đã nghiên cứu được một loại bia từ nước cây O dillenii Ngày càng có nhiều mối quan tâm hơn nữa về quá

trình lên men ethanol khác nhau từ nguyên liệu xương rồng Một nhà máy bia tại Cộng

hòa Czech đã thử nghiệm thành công quy trình sản xuất bia từ cây xương rồng Nopal

Theo nghiên cứu thì loại bia này phù hợp với người bị bệnh tiểu đường và vận động viên thể thao (Hartmut, 2008)

Hình 1.2 Hình ảnh quả xương rồng chín được thu tại Phan Rang, Ninh Thuận

1.1.3.2 Sử dụng làm thức ăn cho gia súc

Kể từ khi biết được các khớp già của loài Opuntia có thể sử dụng làm thức ăn

thay thế cho bò và cừu, người nông dân Nam Phi đã sử dụng cladode của xương rồng

Opuntia làm thức ăn cho gia súc trong thời kỳ hạn hán từ thế kỷ 18 Thành phần trong

xương rồng không những đảm bảo đầy đủ dinh dưỡng cho gia súc mà còn đảm bảo nguồn thức ăn và nguồn nước trong điều kiện khắc nghiệt Các gai dài của chúng cùng với các gai tơ được loại bỏ bằng lửa và làm mềm lớp biểu bì Một cách khác để có thể

sử dụng các lá già O dillenii là ủ chua Qua quá trình ủ chua, các thành phần sẽ được

lên men, không những tăng thêm mùi vị mà còn giúp dễ tiêu hóa những bộ phận khó hấp thu như xơ hoặc các cladode già (Hartmut, 2008)

1.1.3.3 Sử dụng trong y học

Loài O dillenii có một vị trí quan trọng trong y học dân gian của nhiều quốc gia,

ví dụ như trong Tiếng Hin-đi của Ấn Độ, chúng được gọi là Kanthari hoặc Nagphana

Ở Đài Loan và Trung Quốc, chúng có tên là Ren Xian Zhang O dillenii được ghi lại

trong nhiều tài liệu cho thấy công dụng hiệu quả về dược lý của chúng Ngoài ra còn

có thể sử dụng để làm một số thức uống tốt cho sức khỏe từ loài thực vật này Các gốc

tự do, đặc biệt là các hợp chất oxy hóa (phản ứng oxygen, ROS), có thể gây hại đến axit desoxyribonucleic (DNA) và protein của cơ thể sống dẫn đến các bệnh mãn tính hoặc gây thoái hóa ở người (Hartmut, 2008) ROS là chất chuyển hóa bình thường trong cơ thể sống, nhưng sự dư thừa của chúng lại rất nguy hiểm Khi bị tác động bởi các gốc này, động vật có vú kích hoạt một loạt các gốc chất chống oxy hóa Phenol thực vật là một trong những chất ROS chống oxy hóa cực kỳ mạnh mẽ và trong số đó nổi bật nhất là các flavonoid (Rice-Evans, 2001) Theo các báo cáo cho thấy, một số

chất chuyển hóa thứ cấp xuất hiện ở O dillenii từ Cladodes chiết xuất bằng dung dịch

ethanol và chúng có khả năng hoạt động như một chất chống oxy hóa Các nghiên cứu cũng khẳng định rằng hàm lượng của flavonoid và acid phenolic quyết định đến khả

năng chống oxy hóa của các loại quả Opuntia

Các nghiên cứu cho thấy dịch nước chiết xuất bằng ethanol từ Cladodes, hoa, quả

ức chế carrageenan gây viêm trên bàn chân của động vật gặm nhấm Các chất chiết xuất được đông khô hoặc bay hơi đến khô thu được tủa Liều tiêm nằm trong khoảng

200 mg/kg trọng lượng cơ thể (Hartmut, 2008) Một số báo cáo cũng cho thấy rằng các

chất chiết xuất từ O dillenii có thể làm giảm đau, chống sưng tấy gây ra bởi nhiệt độ,

acid và dòng điện trên các loài gặm nhấm Theo các nghiên cứu sự phụ thuộc liều lượng đã chứng minh dịch chiết xuất từ quả có hiệu lực cao nhất

Trong y học dân gian O dillenii có hiệu quả trong việc trị bệnh đái tháo đường

(Zhao và cộng sự, 2002) Các thí nghiệm đã được thực hiện với thỏ bị tiểu đường bởi

normoglycemic và alloxan Người ta cho rằng một số hợp chất trong O dillenii làm

giảm sự hấp thu glucose ở ruột có tính chất tương tự như insulin Trong một thử nghiệm, 46 thỏ mắc bệnh tiểu đường loại 2 được điều trị bằng thuốc viên bao gồm

thuốc O dillenii thô (2,5 g) hoặc tinh bột (0,5 g) trong bốn tuần Đơn thuốc bao gồm

bốn viên, mỗi viên được đưa vào trước 30 phút trước hoặc sau ba bữa ăn hàng ngày Kết quả cho thấy rằng 33,33% nhóm thỏ bệnh này được chữa khỏi và tình trạng bệnh cũng chuyển biến tích cực hơn (Hartmut, 2008)

1.1.3.4 Một số ứng dụng khác

Trong lịch sử Seringapatam (Ấn Độ) và Hisn az Zahir (Bắc Yemen) ghi lại sự

phong phú của rừng O dillenii Ở Mysore, Tippu Sultan (1750-1799), họ đã gia cố các

pháo đài xung quanh nơi cư trú của mình với những cây xương rồng bởi sự nguy hiểm

của các gai nhọn và dài Ngày nay Opuntia dillenii vẫn trồng rất nhiều để làm hàng rào

trong các trang trại, các vùng đất, đồng cỏ để bảo vệ và các cồn cát với mục đích để ngăn chặn bão cát Nước ép từ quả của chúng và cùi thịt lá ngày nay được sử dụng làm chất tạo màu trong nhiều loại thực phẩm, ví dụ như kem và đồ uống

1.2 Pectin và các tính chất của pectin

1.2.1.Nguồn gốc, cấu tạo và thành phần hóa học của pectin

1.2.1.1 Nguồn gốc của pectin

Pectin là hợp chất phức tạp của polysaccharide, chiếm khoảng 1/3 thành tế bào thực vật bậc cao Một tỉ lệ nhỏ pectin được tìm thấy trong thành tế bào của cây cỏ (Kertesz, 1951)

Pectin có nhiều ở quả, củ hoặc thân cây Trong thực vật, pectin tồn tại dưới hai dạng: dạng protopectin không tan tồn tại chủ yếu ở thành tế bào, dạng hòa tan của pectin tồn tại chủ yếu ở dịch tế bào

Pectin như một loại keo gắn chặt các tế bào thực vật với nhau, vì thế người ta gọi chúng là ciment trong cấu trúc tế bào thực vật Khi quả còn xanh, ciment là protopectin, protopectin chiếm tỉ lệ khá cao, protopectin không hòa tan giúp cho quả cứng Khi quả chín dần, dưới tác dụng enzyme protopectinase, protopectin sẽ chuyển sang pectin hòa tan (pectin) và araban, làm giảm sự liên kết giữa các tế bào,quả trở nên mềm hơn Quá trình này xảy ra dưới tác dụng của acid và nhiệt độ trong quá trình chần

ở 60 - 85˚C (Lê Ngọc Tú, 2002)

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của Cellulose Pectin có trong các lớp giữa hai tế bào

được liên kết với nhau bởi Ca 2+

(Thakur và cộng sự, 1997)

Nguồn nguyên liệu chứa pectin

Trong thực vật các pectin thường liên kết với cellulose ở vách tế bào Pectin tồn tại với hàm lượng khác nhau trong quả, củ, thân của một số loài thực vật: bưởi, táo, mận, cam, chanh, cà rốt… Bảng 1.2 sau đây sẽ thể hiện một số loại nguyên liệu chứa pectin (Đensikov, 1997)

Bảng 1.2 Hàm lượng pectin trong các nguyên liệu khác nhau

sự thay đổi các thông số này Hiện nay, pectin thương mại hầu như chỉ được sản xuất

từ vỏ cam quýt hoặc bã táo nhão (Pornsak, 2003)

1.2.1.2 Cấu tạo và thành phần hóa học của pectin

Mặc dù pectin được phát hiện cách đây 200 năm nhưng thành phần và cấu trúc của pectin vẫn chưa hoàn toàn được xác định rõ ràng Cấu trúc của pectin khó xác định

vì cấu trúc phân tử pectin có thể thay đổi tùy theo nguyên liệu chiết, điều kiện quá

trình tách chiết và điều kiện bảo quản (Novosel‟skaya và cộng sự, 2000)

Pectin là một polysaccharide có cấu trúc dị thể mạch thẳng với mạch chính được cấu tạo từ đơn phân tử acid D-galacturonic (C6H10O7), và chúng liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glucoside (Đặng Xuân Cường, Đặng Thị Tuyết, 2014; Pornsak, 2003) Chiều dài của mỗi chuỗi acid polygalacturonic (còn gọi là chuỗi homogalacturonan) có thể biến đổi từ vài trăm đến hàng ngàn đơn vị acid galacturonic (Ku và cộng sự, 2001)

Hình 1.4 Liên kết α – 1,4-glycozide giữa hai đơn phân acid D-galacturonic

(Yam, 2006) Trong đó một số gốc acid có chứa nhóm thế methoxyl (-OCH3) Còn có nhóm acid uronic liên kết với nhóm carboxyl, một trong số đó xuất hiện các nhóm este methyl tự nhiên và một số khác được xử lý thương mại với amoniac để tạo ra các nhóm cacboxamit (Hình 1.5)

Hình 1.5 Thành phần và cấu trúc của pectin Phân tử pectin và các nhóm chức: (b) nhóm carboxyl; (c) nhóm ester;

(d) nhóm amide trong chuỗi pectin (Pornsak, 2003)

Một chuỗi pectin bao gồm vài trăm đến khoảng 1.000 đơn vị saccharide, khối lượng phân tử phụ thuộc nguồn thu, trung bình từ 50 – 150 kDa (Pornsak, 2003) Ngoài những phân đoạn galacturonan như hình 1.6 còn có sự xuất hiện của đường trung hòa Trong đó rhamnose (Rha) là thành phần đường cơ bản tạo thành trục pectin (Hình 1.6) và một vài đường trung tính khác như arabinose, galactose và xylose gắn vào mạch bên (Oakenfull, 1991; Pornsak, 2003) Trong một vài nghiên cứu cho thấy

sự xuất hiện của phân tử Homogalacturonan (HG) – polymer mạch thẳng được hình thành bởi axit D-glacturonic Một chuỗi có hàng trăm đơn vị α - (1-4) – GalA với DE thay đổi là một đoạn pectin điển hình (Hình 1.6)

Những acid galacturonic có chứa nhóm carboxyl, một số trong đó xuất hiện tự nhiên như là este methyl và những chất khác sẽ được xử lý với amoniac để sản xuất hợp chất carboxamide

Có 3 polysaccharide chính trong phân tử của pectin là:

Homogalacturonan (HG): HG là polymer mạch thẳng được hình thành bởi acid

D-galacturonic HG có thể bị acetyl hóa hoặc Methyl este hóa Chúng được gọi là vùng mịn của pectin Các phân tử phân loại theo mức độ este của chúng: pectin có ít nhất 75% của nhóm cacboxyl methyl hóa, acid pectinic có ít hơn 75% của nhóm cacboxyl methyl hóa, acid pectic hay acid polygalacturonic không cónhóm cacboxyl methyl hóa (Jayani và cộng sự, 2005)

Hình 1.6 Sơ đồ cho thấy rhamnose (Rha) chèn gây nút gấp trong chuỗi acid

galacturonic (GalA); S là đường trung tính (Pornsak, 2003)

Rhamnogalacturonan-І (RG-I): RG-I được tạo ra bởi sự lặp đi lặp lại

disaccharide rhamnose galacturonic acid Dư lượng galacturonic có thể được acetyl hóa và vừa có thể mang các chuỗi bên của đường galactose, arabinose và xylose (Willats và cộng sự, 2006)

Rhamnogalacturonan-II (RG-II): RGII là chuỗi homogalacturonic với chuỗi bên

phức tạp gắn liền với các dư lượng galacturonic (Willats và cộng sự, 2006) Vinken và cộng sự (2003) đã đề xuất một phân tử pectin mô hình cấu trúc trong đó HG và RGII

là chuỗi bên dài của xương sống RG I Cả hai chuỗi RG còn được gọi là vùng lông của phân tử pectin

1.2.2 Phân loại pectin

Dựa theo chỉ số methoxy và este hóa, trong thương mại chia pectin thành hai loại, pectin có chỉ số methoxyl cao (High Methoxyl Pectin - HMP) và pectin có chỉ số methoxyl thấp (Low Methoxyl Pectin - LMP)

 HMP: nhóm có chỉ số methoxyl cao MeO > 7%, trong phân tử pectin có trên 50% các nhóm acid bị ester hóa (DE >50%) Chất này có thể làm tăng độ nhớt cho sản phẩm Muốn tạo đông cần phải có điều kiện pH 3,1 – pH 3,4 và nồng độ đường trên 60%

 LMP: nhóm có chỉ số methoxyl thấp MeO < 7%, khoảng từ 3-5%, trong phân

tử pectin có dưới 50% các nhóm acid bị ester hóa (DE < 50%) Pectin methoxyl thấp (LM pectin) có thể tạo gel trong môi trường không đường

Pectin cũng được chia thành 2 loại theo khả năng hòa tan trong nước là pectin hòa tan và pectin không hòa tan

 Pectin hòa tan (methoxyl polygalacturonic): pectin hòa tan là polysaccharide cấu tạo bởi các gốc acid galacturonic trong đó một số gốc acid có chứa nhóm thế methoxyl

 Pectin không hòa tan (protopectin): là dạng kết hợp của pectin với araban (polysaccharide ở thành tế bào)

1.2.3 Tính chất của pectin

Bột pectin có màu trắng hoặc hơi vàng, hơi xám, hơi nâu Pectin thuộc nhóm chất đông tụ, tan trong nước, không tan trong ethanol và là một chất keo hút nước, có khả năng tạo gel bền Khi tan trong nước tạo dung dịch có độ nhớt cao Pectin có đặc tính quan trọng là khi có mặt acid và đường sẽ tạo thành chất keo (Lê Ngọc Tú, 2002; Nguyễn Đức Lượng, 2004)

Dung dịch pectin có độ nhớt cao gây bất lợi cho quá trình thu nhận, người ta phải dùng enzyme pectinase để thủy phân pectin làm giảm độ nhớt Đối với pectin tan thì dưới tác dụng của pectinase sẽ biến thành acid pectinic (thường dưới dạng muối Ca và Mg) và các chất đơn giản khác như rượu methylic, acid acetic, arabinose, galactose

Cơ chế quá trình thủy phân pectin rất phức tạp, chúng chia làm hai giai đoạn Quá trình chuyển hóa pectin có thể xảy ra trong điều kiện yếm khí, cả hai quá trình đều xảy

ra rất mạnh trong điều kiện tự nhiên (Lê Ngọc Tú, 2002; Nguyễn Đức Lượng, 2004)

Pectin hòa tan khi bị tác dụng của chất kiềm loãng hoặc enzyme pectinase sẽ giải phóng nhóm methyl dưới dạng rượu methylic, polysaccharide còn lại khi đó gọi là acid pectin tự do, nghĩa là chứa acid polygalacturonic Acid pectin có thể tạo nên dạng muối canxi pectat, chất này chuyển thành dạng kết tủa dễ dàng, do đó được dùng để định lượng các chất pectin Pectin tự do mất khả năng tạo đông khi có đường Vì vậy, để duy trì khả năng tạo gel của pectin hòa tan cần chú ý tránh môi trường kiềm hoặc tác dụng thủy phân của enzyme pectinase (Lê Ngọc Tú, 2002; Nguyễn Đức Lượng, 2004).

1.2.3.1.Các chỉ số đặc trưng

Pectin đặc trưng bởi hai chỉ số là chỉ số methoxyl (MeO) và chỉ số ester hóa (DE): Chỉ số methoxyl (MeO): biểu hiện tỷ lệ methyl hóa, là phần trăm khối lượng nhóm methoxyl [-OCH3] trên tổng khối lượng phân tử (Mesbahi và cộng sự, 2005) Sự methyl hóa hoàn toàn tương ứng với chỉ số methoxyl bằng 16,3% còn các pectin tách

ra từ thực vật thường có chỉ số methoxyl từ 10% đến 12%

Chỉ số ester hóa (DE): thể hiện mức độ ester hóa của pectin, là phần trăm về số lượng của các gốc acid galacturonic được ester hóa trên tổng số lượng gốc acid galacturonic có trong phân tử (Mesbahi và cộng sự, 2005)

1.2.3.2 Khả năng tạo gel của pectin

Khả năng tạo gel của pectin là do trong phân tử của chúng có các nhóm hydroxyl OH) nên có khả năng hydrat hóa cao và pectin mang điện tích âm nên chúng có khả năng đẩy lẫn nhau, do đó làm giãn mạch và làm tăng độ nhớt của dung dịch (Pornsak, 2003) Khả năng tạo gel của pectin phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: chiều dài của chuỗi pectin và mức độ methoxyl hoá khác nhau mà cơ chế tạo gel cũng khác nhau

(-Chiều dài của phân tử quyết định độ cứng của gel

Nếu phân tử pectin quá ngắn thì nó không tạo gel được mặc dù sử dụng với liều lượng cao Nếu phân tử pectin quá dài thì gel tạo thành rất cứng

Mức độ methoxyl hóa quyết định cơ chế tạo gel

Có 2 mức độ methoxyl hóa là HMP và LMP Ở mỗi mức độ sẽ có cơ chế tạo gel riêng:

 HMP : Tạo gel bằng liên kết hydro

Nguyên tắc: Pectin là polysacharide tan được trong nước Khi phân tán trong nước,

mỗi phân tử pectin sẽ liên kết với các phân tử bên cạnh tạo thành một cấu trúc không gian ba chiều giữ các phân tử nước bên trong tạo thành khối gel (Pornsak, 2003)

Hình 1.7 Cấu trúc các điểm liên kết gel HMP khi nghiên cứu nhiễu xạ tia X

(Okenfull, 1991)

Điều kiện tạo gel: [Đường] > 50%, pH = 3 † 3,5; [Pectin] = 0,5 † 1%

Đường có khả năng hút ẩm, nên chúng làm giảm mức độ hydrat hóa của phân tử pectin trong dung dịch

Ion H+ được thêm vào hoặc đôi khi chính nhờ độ acid của quá trình chế biến trung hòa bớt các gốc COO-, làm giảm độ tích điện của các phân tử Vì vậy, các phân

tử có thể tiến lại gần nhau để tạo thành liên kết nội phân tử và tạo gel

Trong trường hợp này liên kết giữa các phân tử pectin với nhau chủ yếu nhờ các cầu nối hydro giữa các nhóm hydroxyl có thể hydroxyl – hydroxyl, carboxyl – carboxyl, hoặc hydroxyl – carboxyl Kiểu liên kết này không bền, do đó các gel tạo thành sẽ mềm dẻo bởi tính linh động của các phân tử trong khối gel, loại gel này khác biệt với gel thạch hoặc gelatin

Cấu trúc của gel phụ thuộc vào hàm lượng đường, acid, pectin, loại pectin và nhiệt độ 30 † 50% đường thêm vào pectin là saccharose Do đó, cần duy trì pH acid

để khi đun nấu sẽ gây ra quá trình nghịch đảo đường saccharose, ngăn cản sự kết tinh của đường saccharose Tuy nhiên cũng không nên dùng quá nhiều acid, vì pH quá thấp

sẽ gây ra nghịch đảo một lượng lớn saccharose gây kết tinh glucose và hóa gel nhanh tạo nên các vón cục

Khi dùng lượng pectin vượt quá lượng thích hợp sẽ gây ra gel quá cứng, do đó khi dùng một nguyên liệu có chứa nhiều pectin cần tiến hành phân giải bớt chúng bằng cách đun lâu hơn

Khi sử dụng một lượng cố định bất cứ một loại pectin nào pH, nhiệt độ càng giảm và hàm lượng đường càng cao thì gel tạo thành càng nhanh

Ứng dụng: mứt quả nghiền, nước quả đông…

Nguyên tắc: Gốc acid của phân tử pectin liên kết với ion Ca2+ tạo nên khối gel (Pornsak, 2003)

Điều kiện tạo gel: khi có mặt Ca2+

, ngay cả ở nồng độ < 0,1% miễn là chiều dài phân tử pectin phải đạt mức độ nhất định Khi đó gel được tạo thành ngay cả khi không thêm đường và acid

Ở LMP khi chỉ số methoxyl của pectin thấp, cũng có nghĩa là tỷ lệ các nhóm – COO- cao, do đó các liên kết giữa những phân tử pectin sẽ được tạo thành qua cầu nối

là các ion hóa trị (II), đặc biệt là Ca2+

Hình 1.8 Cơ chế tạo gel của pectin bằng liên kết với ion Ca 2+

(Axelos & Thibault, 1991) Cấu trúc của gel phụ thuộc vào nồng độ Ca2+ và chỉ số methoxyl Gel pectin có chỉ số methoxyl thấp thường có tính chất đàn hồi giống như gel agar-agar

Ứng dụng: cho phép chế tạo được thịt đông có độ cứng bền ngay cả ở khí hậu nhiệt đới

1.2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo gel

Mạch phân tử pectin là cơ cấu chính của hiện tượng tạo gel Vì thế, lượng pectin

có trong dịch đường phải đạt một hàm lượng tối thiểu nào đó mới tạo được sự keo tụ Nồng độ pectin trong dung dịch càng lớn thì sự liên kết giữa các phân tử xảy ra càng nhanh, hệ keo đông tụ càng bền Thường hàm lượng pectin sử dụng trong khoảng từ 0,5 – 1% Khi dùng lượng pectin vượt qua lượng thích hợp sẽ thu được gel quá cứng (Nguyễn Thị Thu Sang, 2009)

Chất lượng của gel pectin phụ thuộc vào:

 Chiều dài phân tử pectin: nếu phân tử quá ngắn thì chúng sẽ không tạo được gel mặc dù sử dụng với liều lượng cao

 Mức độ methoxyl: mức độ methoxyl hóa quy định cơ chế tạo gel, khả năng methoxyl hóa của pectin phụ thuộc tương đối vào mức độ hiện diện của các nhóm methoxyl Tùy thuộc vào chỉ số methoxyl cao (>7%) hoặc thấp (3 – 5%) ở phân tử pectin mà các kiểu kết hợp giữa chúng sẽ khác nhau trong việc tạo gel

Bảng 1.3 Tác dụng của DE lên sự tạo gel (Nguyễn Thị Thu Sang, 2009)

DE (%)

Điều kiện tạo gel

pH Đường (%) Ion hóa trị II Tốc độ tạo gel

điện tích của các gốc COO- trên phân tử pectin, tạo gốc – COOH Vì thế, sợi pectin không còn đẩy nhau mà tiến lại gần nhau để tạo mạng

Lượng đường thường phải lớn hơn 50% thì mới có khả năng tạo gel Thông thường, người ta tạo hỗn hợp có 65% đường để tiến hành keo đông Nếu hàm lượng đường sử dụng cao hơn, sự kết tinh đường có thể xảy ra trên bề mặt hạt keo hoặc ngay trong hệ keo

 Acid

Nồng độ acid ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng tạo gel, vì trong môi trường có

H+, các phân tử pectin tích điện âm sẽ bị trung hòa và trở thành dạng trung hòa điện dễ tạo đông tụ

Acid sử dụng để tạo đông cần có mức độ phân ly cao hơn acid pectic để acid này

có thể ngăn cản sự phân ly của acid pectic, và giữ cho chúng ở dạng trung hòa điện tích

Nồng độ H+ càng lớn, khả năng tạo gel của dung dịch pectin sẽ càng cao Cần duy trì độ pH thấp để khi đun nấu sẽ gây ra quá trình nghịch đảo đường saccharose để ngăn cản sự kết tinh của đường Nhưng ở pH quá thấp sẽ gây ra hiện tượng hóa gel nhanh và vón cục nên thường dùng độ pH từ 3 – 3,5

Mức độ tạo gel chỉ tăng đến một giới hạn nào đó của nồng độ acid thì ngừng lại,

vì ngưỡng nồng độ đó toàn bộ gốc COO- của phân tử pectin đã được trung hòa điện tích Nên dù tăng thêm ion H+ cũng không thể tăng thêm mức độ tạo gel Khi hàm lượng pectin tăng khoảng 0,05 – 0,1% thì pH của dung dịch có thể tăng thêm 1 đơn vị

1.2.3.4 Tác dụng dược lý

Pectin là chất xơ hoà tan trong nước Chúng không cung cấp năng lượng, nhưng

có nhiều giá trị phòng, chữa bệnh như:

Kéo dài thời gian tiêu hoá thức ăn trong ruột, có tác dụng tăng hấp thu dưỡng chất trong thức ăn Giảm béo (do tạo cảm giác no bụng kéo dài, giảm năng lượng ăn vào, do đó giúp giảm cân ở người béo phì) Giảm hấp thu lipid (Xuân Ngọc, 2000) Chống tiêu chảy, chống táo bón Pectin sẽ được phân hủy trong ruột bởi các vi khuẩn tốt, tạo thành một lớp niêm mạc bảo vệ dạ dày, giúp xoa dịu và ngăn ngừa các chất gây kích thích ruột Quá trình phân hủy này cũng làm tăng lượng prebiotic, giúp tăng số lượng vi khuẩn đường ruột “tốt” (tấn công các vi khuẩn gây tiêu chảy ngay khi chúng xuất hiện) (Xuân Ngọc, 2000)

Giảm cholesterol toàn phần trong máu Khống chế tăng đường huyết trước và sau bữa ăn ở người có bệnh tiểu đường Pectin có tác dụng bảo vệ các mô mạch chống hiện tượng chảy máu có tác dụng trong cầm máu Dung dịch pectin 5% có tác dụng như thuốc sát trùng H2O2 (Xuân Ngọc, 2000).

1.3 Hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn của pectin

1.3.1 Hoạt tính chống oxy hóa của pectin

1.3.1.1 Quá trình oxy hóa và các gốc tự do

Quá trình oxy hóa là quá trình của các phản ứng hóa học trong đó electron được chuyển sang chất oxy hóa, có khả năng tạo các gốc tự do tham gia phản ứng dây chuyền phá hủy tế bào sinh vật (Nguyễn Ý Đức, 2011)

Gốc tự do

Trong cơ thể con người thường xuyên diễn ra nhiều quá trình khác nhau như đồng hóa và dị hóa Nhiều chất có vai trò tích cực làm thúc đẩy sự phát triển của tế bào nhưng cũng có nhiều chất kìm hãm sự phát triển của tế bào Gốc tự do và oxygen là một ví dụ Những chất này có liên hệ với nhau và ảnh hưởng tới cơ thể con người rất nhiều, nhất là ở giai đoạn cuối của cuộc đời (Nguyễn Ý Đức, 2011)

Theo định nghĩa, gốc tự do của phân tử (Free radical) là phân tử đó chỉ có một điện

tử duy nhất (electron mang điện âm) hay một số lẻ điện tử (Nguyễn Ý Đức, 2011)

Trong quá trình phản ứng hóa học, một điện tử tách khỏi nhóm và phân tử đó trở thành một gốc tự do với số lẻ điện tử Do đó chúng không cân bằng về điện tích nên sẽ không bền, dễ tham gia phản ứng Chúng luôn luôn tìm cách chiếm đoạt điện tử mà chúng thiếu từ các phân tử khác và lần lượt tạo ra một chuỗi những gốc tự do mới, gây rối loạn cho hoạt động bình thường của tế bào (Nguyễn Ý Đức, 2011)

Trong cơ thể có rất nhiều loại gốc tự do mà các gốc nguy hiểm nhất là superoxide, ozone, hydrogen peroxide, lipid peroxy nhất là hydroxyl radical một gốc hoạt động rất mạnh gây ra nhiều tổn thương cho cơ thể (Nguyễn Ý Đức, 2011)

1.3.1.2 Hoạt tính chống oxy hóa của pectin

Chất chống oxy hóa là chất ức chế quá trình oxy hóa, thậm chí ở nồng độ tương đối nhỏ và có vai trò sinh lý khác nhau trong cơ thể Hoạt động chống oxy hóa của thực vật là hoạt động bắt gốc tự do, và giúp chuyển đổi các gốc tự do Sự khử gốc tự

do của chất chống oxy hóa, là các electron không ghép đôi của gốc tự do sẽ được nhận electron của chất chống oxy hóa để tạo thành các electron ghép đôi bền vững

Hình 1.9 Tóm tắt các loại và nguồn ROS, và điểm tác động của các chất chống

oxy hoá (Lu và cộng sự, 2010)

Hoạt tính chống oxy hóa của pectin

Hoạt tính chống oxy hóa của pectin được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và công

bố Năm 2006, Kang và cộng sự đã công bố kết quả pectin oligosaccharide từ cam quýt được xử lý bằng cách chiếu xạ trong ngành công nghệ thực phẩm có khả năng ức chế sự oxy hóa và sự tăng trưởng của tế bào ung thư

Năm 2003, Khasina và cộng sự đã nghiên cứu hoạt động chống oxy hóa của một

pectin ester hóa thấp từ rong biển Zostera marina Các thí nghiệm làm trên chuột bạch

đực bằng cách cảm ứng hoạt động của peoroxy hóa chất béo bằng chì axetat, tetrachloromethane, natri nitrit, hoặc SOVOL (một hỗn hợp của polychlorinated biphenyls) Sau đó, chuột được tiêm pectin ester hóa thấp phân lập từ rong biển

Zostera marina, dưới hình thức của 1% gel, ở mức 100 mg/kg trong 2 tuần Kết quả

cho thấy rằng các pectin ester hóa thấp bình thường hóa mức độ dialdehyde malonic

và hoạt động của reductase glutathione và glutathione peroxidase trong gan

Năm 2013, Mariana-Atena và cộng sự đã đánh giá ảnh hưởng của bổ sung pectin khác nhau (HMP: pectin methoxyl cao, LMP: pectin methoxyl thấp và LAMP: pectin amidated methoxyl thấp) về chất lượng màu sắc và tính chất chống oxy hóa của mứt dâu tằm Xử lý nhiệt trong quá trình chế biến dẫn đến làm giảm đáng kể tổng anthocyanins monomeric (TMA: 69-82%), tổng phenol (TP: 33-55%) và khả năng chống oxy hóa (FRAP: 18-52%) của trái cây tươi Các loại pectin và liều dùng bổ sung là những yếu tố ảnh hưởng đối với việc hạn chế sự thay đổi xảy ra trong chế biến và bảo quản Việc lưu giữ màu sắc tốt nhất và cao nhất TMA, TP và FRAP đã đạt được bằng LMAP, tiếp theo

là LMP và HMP Ngoài ra, một mức độ cao của các hợp chất hoạt tính sinh học trong mứt có thể liên quan đến hàm lượng cao của pectin bổ sung LMAP mức độ 1% thể hiện cung cấp các chất chống oxy hóa cao nhất trong mứt.

Năm 2010, Urias-Orona và cộng sự nghiên cứu về hoạt động bắt gốc tự do của

pectin chiết từ vỏ của Cicer arietinum L cho thấy, pectin thể hiện hoạt động bắt gốc tự

do phụ thuộc vào liều, được thể hiện bằng sự ức chế DPPH triệt để của nó Tại 1,0 mg/ml pectin thể hiện một tỷ lệ bắt gốc tự do trên các gốc DPPH là 29% Việc đánh giá các hoạt động chống oxy hóa cho rằng pectin có tiềm năng tốt cho hoạt động bắt gốc DPPH triệt để và cần được khám phá như một chất chống oxy hóa tiềm năng mới

1.3.2 Hoạt tính kháng khuẩn của pectin

Nhu cầu gia tăng đối với nguyên liệu sinh học sử dụng trong bao gói thực phẩm

đã khuyến khích sự phát triển của màng thực phẩm thân thiện môi trường Hoa quả nghiền có tiềm năng được kết hợp trong dung dịch tạo màng để sản xuất màng bao quản ăn được Các thành phần chính của các loại tinh dầu thực vật (ví dụ, cinnamaldehyde) mang đặc tính kháng khuẩn chống lại tác nhân gây bệnh thực phẩm

và có thể được giải phóng bởi màng thực phẩm tự nhiên để thay thế các chất bảo quản tổng hợp Trong ngành công nghiệp thực phẩm, pectin được thừa nhận là an toàn (GRAS) của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm và được sử dụng như gel, ổn định, hoặc làm đặc trong các sản phẩm thực phẩm như mứt, sữa chua, đồ uống sữa trái cây, và kem Do phân hủy sinh học của nó, và linh hoạt ở tính chất hóa học và tính chất vật lý (như đặc lại, chọn lọc thấm khí, …), pectin là một polymer thích hợp cho sản xuất màng ăn được sử dụng trong bao gói thực phẩm

Bệnh do thực phẩm là một vấn đề y tế công cộng quan trọng trên thế giới Các vi khuẩn kháng kháng sinh hiện nay sử dụng đang trở thành một vấn đề y tế công cộng;

do đó, việc phát hiện các kháng sinh mới từ các nguồn tự nhiên thu hút rất nhiều sự chú ý

Năm 2014, Caio và cộng sự đã chỉ ra hoạt tính kháng khuẩn của pectin sử dụng làm màng bao thực phẩm trên cơ sở màng pectin ester hóa cao hoặc thấp và kết quả cho thấy, cinnamaldehyde tạo từ pectin cung cấp đặc tính kháng khuẩn chống

Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria monocytogenes và Staphylococcus aureus Sự ức chế vi khuẩn được cải thiện đáng kể khi có sự phân phối cao hơn các

hợp chất hoạt tính và có diện tích bề mặt màng tăng lên

Năm 1997, Menshikov và cộng sự cho thấy rằng pectin có tác dụng diệt khuẩn trên các vi sinh vật gây bệnh và cơ hội phân phối rộng rãi Nồng độ cao của pectin (> 2%) có tác dụng bất hoạt vi khuẩn điều trị

Năm 2013, Daoud và cộng sự chỉ ra pectin có tác dụng kháng khuẩn trên tất cả

16 chủng phân lập lâm sàng và 2 chủng tham khảo của Helicobacter pylori với tác

dụng kháng khuẩn cao nhất ở một độ pH thấp (5,0) so với pH cao hơn Các nồng độ ức chế tối thiểu thấp nhất được ghi nhận là của 0,016 mg/ml

Năm 2014, Wu và cộng sự đã đánh giá Oligogalacturonide từ pectin cam quýt là một chất kháng khuẩn tiềm năng chống lại tác nhân gây bệnh do thực phẩm Hoạt động kháng khuẩn của oligogalacturonide từ thương mại vi khuẩn men pectic (CPE) được điều trị pectin cam quýt, thủy phân bằng enzyme pectic thương mại thể hiện các

hoạt động chống oxy hóa và chống khối u, chống lại 4 mầm bệnh bao gồm Salmonella Typhimurium, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes và Pseudomonas aeruginosa Oligogalacturonide cam quýt thủy phân từ 24h thể hiện tác dụng diệt

khuẩn chống lại tất cả các mầm bệnh do thực phẩm được lựa chọn và hiển thị nồng độ

ức chế tối thiểu ở mức 37,5 mg/mL cho P aeruginosa, L monocytogenes và S Typhimurium và tại 150.0 mg/mL cho S aureus

1.4 Ứng dụng của pectin

1.4.1 Ứng dụng của pectin trong công nghệ thực phẩm

Ứng dụng của pectin trong công nghệ chế biến rau quả

Pectin là chất tạo đông tốt nhất được sử dụng để tạo ra cấu trúc gel cho thực phẩm, chủ yếu là những thực phẩm có nguồn gốc từ rau quả Chúng có khả năng giữ mùi vị tự nhiên trong kẹo đông hay các sản phẩm khác, không gây mùi vị lạ Khả năng tạo gel của chúng còn được sử dụng ở những thực phẩm cần sự ổn định của nhiều pha, hoặc trong sản phẩm cuối, hoặc ở một giai đoạn tức thời trong qui trình sản xuất (Hà Văn Thuyết và cộng sự, 2013) Tác dụng tạo gel của pectin được sử dụng chủ yếu ở những loại thực phẩm mà quy định không cho phép sử dụng những loại gum có giá thành rẻ hơn hay ở những loại thực phẩm cần có hình dạng thật tự nhiên

Trong mứt trái cây và mứt đông

Vai trò quan trọng của pectin là nhằm tạo ra một cấu trúc cho mứt đông và mứt trái cây, để những sản phẩm này khi vận chuyển vẫn không thay đổi cấu trúc, tạo ra mùi vị ngon cho sản phẩm, và giảm đến tối đa sự phân rã

Quá trình sản xuất mứt đông và mứt trái cây phải đảm bảo tạo ra sự phân bố đồng đều giữa các phân tử trong pha liên tục, ngay từ khi quá trình khuấy trộn ngừng lại Hàm lượng pectin sử dụng trong mứt trái cây và mứt đông thường trong khoảng từ 0,2 - 0,4% Pectin có khả năng tạo gel nhanh có giá trị đặc biệt trong sản xuất mứt, vì yêu cầu của sản phẩm phải tạo được gel, tạo đặc trước khi đóng hộp (Colin, 1990).

Sử dụng pectin trong sản xuất bánh kẹo

Pectin tăng tính hấp dẫn, tạo cấu trúc đàn hồi, tăng mùi vị trái cây tự nhiên và bề mặt bóng loáng cho sản phẩm Pectin là chất tạo gel tốt, tan nhanh, ổn định Vì vậy, pectin được ứng dụng nhiều trong công nghiệp bánh kẹo như: kẹo dẻo, bánh ngọt nhân hoa quả, lớp mặt bánh kem… (Colin, 1990)

Ứng dụng của pectin trong công nghiệp chế biến sữa

Pectin bổ sung hương vị trái cây cho các sản phẩm sữa chua Khi pectin được bổ sung vào sữa lên men với liều lượng vừa đủ, trộn đều để được dung dịch đồng nhất Trong yaourt trái cây, pectin tạo cấu trúc mịn, giúp phân bố đều các mẫu trái cây nhỏ trong sữa Chúng còn làm cho sản phẩm có bề mặt nhẵn bóng Trong các sản phẩm nhiều lớp, pectin còn có tác dụng ổn định và giữ cho trái cây không bị tách khỏi yaourt (Colin, 1990)

Pectin bảo vệ protein không bị biến tính trong quá trình tiệt trùng, ngăn chặn protein kết tủa và sự kết đông Pectin giúp sản phẩm ổn định và đạt tính chất cảm quan tốt nhất, không giảm chất lượng ngay cả khi bảo quản một thời gian dài, nhằm cải thiện cấu trúc yaourt, tạo kết tủa dạng mịn và làm tăng giá trị cảm quan thực phẩm trong sữa chua

Ngoài ra thường dùng pectin hay pectat để chế tạo màng bao ăn được: màng thu được bằng cách đem nhúng sản phẩm vào dung dịch canxiclorua Màng phủ lên phải đem sấy

Pectin còn được sử dụng nhiều trong sản xuất thức ăn kiêng cho những người mắc bệnh tiểu đường Loại thức ăn này thường có hàm lượng đường rất thấp

Sử dụng pectin trong sản xuất đồ uống và nước sốt

Việc sử dụng pectin tự nhiên từ trái cây và rau quả trong các sản phẩm đồ uống

và nước sốt là phù hợp, vì chúng có carbonhydrate tự nhiên năng lượng thấp giúp ổn định tính đục, cấu trúc và tọa độ ngọt nhất định cho sản phẩm (Colin, 1990)

1.4.2 Ứng dụng của pectin trong công nghệ dược phẩm

Pectin được dùng để chế biến thuốc uống, thuốc tiêm để cầm máu trước và sau phẫu thuật răng hàm mặt, tai mũi họng, phụ khoa, chữa chảy máu đường tiêu hóa, tiết niệu Dung dịch pectin 5% được sử dụng như thuốc sát trùng trong phẫu thuật răng hàm mặt, tai mũi họng, thấm bông nhét vào chỗ răng để cầm máu Trên thị trường hiện

có dược phẩm Hacmophobin (Đức) và Arhemapctin (Pháp)

Ngoài ra, quá trình lên men các chất pectin được ứng dụng rộng rãi trong kỹ nghệ làm sợi đay, gai, dệt vải, làm bao tải

1.5 Các phương pháp chiết xuất pectin

1.5.1 Chiết pectin bằng phương pháp gia nhiệt truyền thống

Nguyên tắc: để tách được pectin thường sử dụng dung dịch acid nóng để phá vỡ liên kết giữa pectin và các chất khác, ngâm chiết pectin ra dung dịch Sau đó thu nhận pectin từ dung dịch Có hai phương pháp thu nhận: phương pháp thứ nhất là cô đặc đến độ khô không cần thiết và thu sản phẩm dạng dịch đặc, phương pháp thứ hai là dùng cồn đông tụ thu pectin rồi đem sấy khô, nghiền nhỏ pectin thu dạng bột Sản phẩm pectin dạng dịch đặc có hoạt tính cao hơn nhưng khó bảo quản hơn pectin dạng bột

Một số công trình nghiên cứu chiết pectin theo phương pháp gia nhiệt truyền thống:

Tạ Duy Tiên (2008) đã trích ly, tinh sạch pectin và điều chế dẫn xuất

chlorophyllin tan trong nước từ lá cây hoàng thanh Cocculus sarmentosus (Lour.)

Diels Hiệu suất pectin thu được cao nhất là 9,63% trong điều kiện trích ly là dung môi nước có pH = 3 ở 85˚C Sản phẩm thu nhận được có hàm lượng pectin khoảng 78,51%

Bùi Anh Võ và Nguyễn Đức Lượng (2010) đã nghiên cứu thu nhận pectin từ vỏ

cà phê Điều kiện tối ưu để trích ly pectin là kích thước vỏ cà phê nghiền nhỏ qua rây 0,7 × 0,7 mm, dung môi được chọn là H2SO4 với tỷ lệ dung môi/vỏ là 19/1, nhiệt độ trích ly là 100˚C, ở pH 1, thời gian trích ly là 1h Hiệu suất pectin thu được trong điều kiện tối ưu đã khảo sát là 12,22%, tương ứng với hàm lượng pectin thô là 16,25% so với nguyên liệu

Gholamreza và cộng sự (2005) đã nghiên cứu tính chất của pectin củ cải và pectin cam quýt trong thực phẩm Hàm lượng pectin thu được cao nhất là 22,4% khi thực hiện ở 90˚C, pH 1, trong 4h

Lúcia và cộng sự (2012) đã trích ly pectin và đánh giá tính chất pectin từ vỏ ca cao (Theobroma cacao L.) bằng dung môi acid citric Thực hiện trích ly trong điều kiện pH 3, nhiệt độ 95˚C, 95 phút thì thu được hàm lượng pectin thô là 10,1%

1.5.2 Chiết xuất pectin bằng phương pháp vi sóng

Giới thiệu về vi sóng

Vi sóng là một dạng năng lượng sóng điện từ, nó có tần số dao động từ 300 MHz đến 300 GHz, chiều dài bước sóng 1 mm đến 1 m Trong phổ điện từ, vi sóng nằm giữa sóng hồng ngoài và sóng vô tuyến Không giống như tia X và tia Gamma, vi sóng không có khả năng ion hóa bức xạ, không bẻ gãy các liên kết hóa học hoặc làm thay đổi cấu trúc của hợp chất bằng cách loại bỏ các electron (Jassie và cộng sự, 1997)

Hình 1.10 Phổ điện từ (Jassie và cộng sự, 1997)

Khi nguyên liệu được chiếu xạ bằng vi sóng, có thể có 3 chế độ tương tác tùy theo bề mặt của nguyên liệu như hình…(a) Vi sóng đi xuyên qua nguyên liệu (tính không phân cực), (b) Vi sóng bị phản xạ khi tiếp xúc với nguyên liệu (thủy tinh, sứ), (c) Vi sóng hấp thụ vào trong nguyên liệu (tính phân cực) Nguyên liệu phải hấp thu 1 phần năng lượng vi sóng thì quá trình gia nhiệt mới xảy ra (Jassie và cộng sự, 1997)