Ứng dụng các kỹ thuật lên men, xử lý nhiệt và nano trong chế biến và nâng cao giá trị các chất có hoạt tính sinh học trong tỏi tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chun ngành: Cơng nghệ Thực phẩm Mã ngành: 62540101 NGUYỄN ÁI THẠCH ỨNG DỤNG CÁC KỸ THUẬT LÊN MEN, XỬ LÝ NHIỆT VÀ NANO TRONG CHẾ BIẾN VÀ NÂNG CAO GIÁ TRỊ CÁC CHẤT CĨ HOẠT TÍNH SINH HỌC TRONG TỎI Cần Thơ, 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Người hướng dẫn chính: PGS.TS Nguyễn Minh Thủy Người hướng dẫn phụ: TS Hà Phương Thư Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp sở Họp tại: ………………………………., Trường Đại học Cần Thơ Vào lúc … … ngày … tháng … năm … Phản biện 1: Phản biện 2: Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Trung tâm Học liệu, Trường Đại học Cần Thơ Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Ái Thạch, Nguyễn Minh Thủy, Nguyễn Thị Mỹ Tuyền Võ Thị Diệu 2016 Thay đổi đặc tính lý hóa củ tỏi q trình thục tồn trữ Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ 45b: 16-24 ISSN 1859-2333 Nguyễn Ái Thạch, Lê Thái Anh Thư Nguyễn Minh Thủy 2016 Ảnh hưởng trình chần, mật độ Lactobacillus platarum nồng độ muối đến hoạt chất sinh học sản phẩm tỏi lên men muối chua Tạp chí Nơng nghiệp phát triển nơng thơn Chun đề: Nông nghiệp xanh: 161-166 ISSN 1859–4581 Nguyễn Ái Thạch, Nguyễn Minh Thủy 2017 Ảnh hưởng nhiệt độ lão hóa đến đặc tính lý hóa sản phẩm tỏi đen Tạp chí Hóa học 55(4E23): 130-134 ISSN: 0866-7144 Nguyễn Ái Thạch, Nguyễn Minh Thủy 2017 Ảnh hưởng nhiệt độ lão hóa đến hàm lượng hợp chất sinh học tỏi đen Tạp chí Hóa học 55(4E23): 135-139 ISSN: 08667144 Nguyen Ai Thach and Nguyen Minh Thuy 2017 Effect of extraction conditions on polyphenols, flavonoids, S-Allyl cysteine content and antioxidant activity of black garlic extract Vietnam Journal of Science and Technology, 55(5A), 18-25 ISSN: 0866-708X Nguyễn Ái Thạch Nguyễn Minh Thủy 2018 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian sấy đến hợp chất có hoạt tính sinh học khả chống oxy hóa sản phẩm tỏi đen Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam, 1(86): 59-63 ISSN: 1859-1558 Nguyen Ai Thach and Nguyen Minh Thuy 2019 Study of synthesis and characteristics of total polyphenols, total flavonoids and S-allyl cysteine-loaded alginate nanoparticles with various black garlic extracts and alginate ratios International Journal of Engineering Sciences and Reasearch Technology, 8(6): 261-272 ISSN: 2277-9655 Nguyen Ai Thach, Ha Phuong Thu and Nguyen Minh Thuy 2019 In-vitro evaluation of cytotoxicity, antimicrobial, and enzyme inhibition activity of black garlic and its nanoparticles International Journal of Engineering Sciences and Reasearch Technology, 8(10): 59-63 ISSN: 2277-9655 Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết luận án Ở Việt Nam, tỏi trồng nhiều vùng Hải Dương, Hà Nội, Bắc Giang, Phan Rang, Lý Sơn, Đà Lạt,… Tỏi Phan Rang có đặc điểm củ nhỏ, vỏ lụa trắng, tinh dầu thơm Nhiều nông hộ áp dụng quy trình VIETGAP vào sản xuất, cung cấp cho người tiêu dùng sản phẩm tỏi bảo đảm chất lượng an toàn Bảo quản tỏi quan trọng để cung cấp sản phẩm cho thị trường rau củ tươi cho q trình chế biến Tỏi lưu trữ khoảng 1-2 tháng điều kiện tốt nhiệt độ môi trường xung quanh với RH thấp (< 75%) Tuy nhiên, điều kiện này, củ tỏi trở nên mềm, xốp nhăn nheo nước Khảo sát độ thục phương pháp tồn trữ giúp trì ổn định nguồn nguyên liệu cho trình chế biến mua bán Việc tiêu thụ tỏi tươi chưa qua chế biến bị hạn chế có mùi hăng, vị cay đặc trưng có xu hướng gây khó chịu cho dày Trong năm gần đây, phương pháp chế biến khác xử lý nhiệt, lão hóa (aging) lên men sử dụng để loại bỏ mùi khó chịu cải thiện vị tỏi (Bae et al., 2014) Tỏi đen có vị dịu độc đáo, cấu trúc mềm dẻo trái sấy, không gây mùi vị khó chịu tỏi tươi (Wang et al., 2010) Hơn nữa, q trình chế biến tỏi đen cịn liên quan đến hình thành hợp chất phenolic, S-allyl-L-cysteine (SAC) hợp chất hồ tan nước có tác dụng chống oxy hoá mạnh (CorzoMartinez et al., 2007; Imai et al., 1994) Vì thực phẩm lý tưởng phòng ngừa điều trị bệnh tim, Alzheimer, viêm khớp bệnh mãn tính bệnh tiểu đường, đặc biệt bệnh ung thư Ngoài ra, trình lên men, ngồi việc phương pháp để bảo quản nguyên liệu tươi thời gian ngắn trước tiếp tục chế biến, mang lại vài thuận lợi (cải thiện mùi, làm giàu chất chuyển hóa mong muốn tạo vi sinh vật tăng độ an toàn) báo cáo sản phẩm len men thực vật khác (Buckenhuskes et al., 1990) Hiện nay, nghiên cứu chuyên sâu quy trình chế biến biến đổi chất lượng sản phẩm tỏi đen tỏi lên men lactic bắt đầu quan tâm Việt Nam Tuy nhiên, nghiên cứu dừng lại việc tạo sản phẩm (tỏi đen), chưa quan tâm nhiều đến hoạt chất sinh học sản phẩm Do đó, việc nghiên cứu, thiết lập kiểm sốt thơng số kỹ thuật chế biến điều cần thiết cấp bách nhằm tạo sản phẩm có giá trị sinh học khả phòng ngừa bệnh cao Việt Nam Khả hấp thu dược chất quý tỏi vào thể đến cơng bố cịn hạn chế, nhiên khẳng định nano hóa hoạt chất khả hấp thu tăng lên gấp hàng chục lần (Shaikh et al., 2009) Quy trình chế tạo hạt nano tỏi đen phức tạp chúng hình thành đáp ứng tiêu chí tính chất vật lý hóa học đặc trưng Hạt nano tỏi đen chưa chế tạo công bố nghiên cứu nước quốc tế Vì vậy, nghiên cứu chế biến sản phẩm từ tỏi với hàm lượng cao hoạt chất sinh học, đồng thời với việc trích ly hiệu hoạt chất ứng dụng công nghệ nano để tăng cường hoạt tính chúng cấp thiết 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Nâng cao cải thiện sinh khả dụng chất có hoạt tính sinh học tỏi thơng qua quy trình chế biến sản phẩm tỏi (tỏi đen tỏi len men lactic) công nghệ nano 1.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Khảo sát thay đổi đặc tính lý học hợp chất có hoạt tính sinh học củ tỏi (Allium sativum L.) trình thục tồn trữ Nội dung 2: Nâng cao chất có hoạt tính sinh học củ tỏi thơng qua quy trình chế biến sản phẩm tỏi đen tỏi lên men lactic Nội dung 3: Ứng dụng công nghệ nano nhằm cải thiện sinh khả dụng hợp chất sinh học từ sản phẩm tỏi đen 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nguyên liệu tỏi tươi cổ mềm, giống địa phương thu hoạch chọn lựa vào thời điểm mùa vụ năm 2014, 2015, 2016 2017 phường Văn Hải, thành phố Phan Rang - Tháp Chàm, tỉnh Ninh Thuận Sản phẩm tỏi đen tỏi lên men lactic chế biến nghiên cứu Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp, Trường Đại học Cần Thơ Hạt nano tỏi đen chế tạo cách sử dụng polymer alginate mạch ngắn thử nghiệm hoạt tính kháng sinh, gây độc tế bào ung thư, ức chế enzyme -glucosidase AChE, khả hạ đường huyết chuột nhắt trắng bị tiểu đường Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 1.5 Ý nghĩa luận án 1.5.1 Ý nghĩa khoa học Luận án cung cấp nhiều kết nghiên cứu độ thục, thời gian thu hoạch điều kiện bảo quản tỏi tươi Ngồi ra, chế hình thành tỏi đen tỏi lên men lactic suốt trình chế biến làm rõ Các mơ hình đề xuất thiết lập liên quan đến giá trị tham số động học đánh giá nhằm có hiểu hiết xác thay đổi hợp chất có hoạt tính sinh học sản phẩm thực phẩm trình chế biến Hạt nano tỏi đen chế tạo thử nghiệm thành công kỹ thuật in-vitro in-vivo góp phần làm đa dạng sở liệu thuốc phục vụ hỗ trợ điều trị bệnh 1.5.2 Ý nghĩa thực tế Thông qua quy trình chế biến tỏi đen tỏi lên men lactic làm tăng lượng tiêu thụ tỏi cho người nông dân Nghiên cứu đồng thời quy trình sản xuất hai dạng sản phẩm nhằm tạo nguồn thực phẩm có giá trị sinh học cao cơng việc có ý nghĩa khoa học thực tiễn Tỏi đen tỏi lên men lactic trải qua trình chế biến có hàm lượng chất có hoạt tính sinh học (S-allyl cysteine, polyphenol, flavonoid,…) hoạt động chống oxy hóa cao so với tỏi tươi Đặc biệt, hợp chất có khả ứng dụng cao việc bảo vệ sức khỏe liệu pháp phòng ngừa bệnh ung thư cho người tiêu thụ chúng Tỏi đen tỏi lên men lactic góp phần làm đa dạng sản phẩm từ tỏi thị trường cung cấp nguồn thực phẩm giàu “giá trị dược liệu” bữa ăn hàng ngày Công nghệ nano áp dụng đồng thời tăng giá trị sinh học sản phẩm mở hướng cho việc sử dụng sản phẩm tỏi Việt Nam mức độ cao hiệu Ngoài ra, đời hệ nano tỏi đen niềm hy vọng cho bệnh nhân ung thư, tiểu đường số loại bệnh khác 1.6 Những điểm luận án Luận án cung cấp thông tin thời điểm thục điều kiện bảo quản tỏi tươi liên quan đến đặc tính lý học hợp chất có hoạt tính sinh học suốt trình tồn trữ Xây dựng quy trình chế biến tỏi đen tỏi lên men lactic nhằm tạo sản phẩm tỏi có chất lượng cao vượt trội so với tỏi tươi (tăng cường hàm lượng hoạt chất sinh học khả chống oxy hóa tỏi đen) Xây dựng quy trình trích ly hợp chất sinh học từ tỏi đen ứng dụng công nghệ nano chế tạo thành công hạt nano tỏi đen mang chất có hoạt tính sinh học với kích thước 100 nm, hình dạng gần với hình cầu độ ổn định cao Hiệu thu nhận từ thử nghiệm hoạt tính hệ nano tỏi đen kỹ thuật in-vitro in-vivo xác định 1.7 Kết cấu luận án Luận án gồm chương: Chương 1-Giới thiệu (trang 1-5); Chương 2-Tổng quan tài liệu (trang 6-30); Chương 3Phương tiện phương pháp (trang 31-47); Chương 4-Kết thảo luận (trang 48-135); Chương 5-Kết luận đề nghị (trang 136-137) Trong nội dung có 36 bảng 84 hình Trong viết sử dụng 282 tài liệu tham khảo (263 tài liệu tiếng Anh 19 tài liệu tiếng Việt) Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quát tỏi Tỏi (Allium sativum L.), loại thực vật lâu đời sử dụng y học, trở thành phần quan trọng sống người qua nhiều kỷ Tỏi sử dụng gia vị thực phẩm, tăng cường sức khỏe cho người lính chiến tranh, chữa cảm lạnh, nhiễm trùng điều trị nhiều loại bệnh khác nhau, từ bệnh tim mạch đến ung thư chí bệnh dịch hạch (Amagase, 2006) Thành phần tỏi phức tạp, với 200 hợp chất khác góp phần vào hiệu có lợi tỏi Những tính quan trọng độc đáo tỏi hàm lượng hợp chất lưu huỳnh hữu cao Tỏi có chứa nhiều lưu huỳnh (ít gấp lần) so với nhiều loại rau chứa lưu huỳnh cao khác: hành tây, cải xanh súp lơ Tỏi chứa nhiều carbohydrate chứa fructose, protein, xơ, saponin, phospho, kali, kẽm, lượng selen vừa phải vitamin C, steroid glycoside, lectin, prostaglandin, tinh dầu, adenosine, vitamins B1, B2, B6, E, biotin, acid nicotinic, acid béo, glycolipid, phospholipid, anthocyanin, flavonoid, phenol, acid amin thiết yếu (Borek, 2001; Imai et al., 1994; Amagase et al., 2001; Ide et al., 1999; Borek, 2006; Rahman, 2003) 2.2 Các nghiên cứu liên quan đến điều kiện thu hoạch tồn trữ củ tỏi sau thu hoạch Tại Thổ Nhĩ Kỳ, tỏi bảo quản 0-5oC, 60-70% RH 3-4 tuần kho Đến năm 2012, chưa có phương pháp xử lý thực trước sau thu hoạch tỏi bảo quản Thổ Nhĩ Kỳ Bảo quản tỏi điều kiện kiểm soát khí điều chỉnh khí sử dụng phổ biến với phương pháp chiếu xạ, hóa chất gia nhiệt khác nước (Selen and Nilgün, 2012) Geraldine et al (2008) đánh giá tính chất vật lý agar-agar (1%) dựa lớp màng phủ kết hợp với 0,2% chitosan 0,2% acid acetic, ảnh hưởng chúng đến lớp màng phủ tỏi chế biến Tổn thất ẩm trung bình tỏi phủ màng thấp lần so với mẫu đối chứng (khơng phủ màng) Có gia tăng đáng kể khác biệt màu sắc (DE*) mẫu đối chứng so với cách xử lý khác Tỏi bao màng có cường độ hô hấp (30 mg CO2/kg.giờ) giảm nửa so với tỏi đối chứng Hiện nay, Việt Nam, củ tỏi sau thu hoạch từ ruộng tỏi nông dân xử lý, phơi nắng nhiều ngày lưu kho Quy trình đơn giản làm tỏi dễ bị thối hỏng, nước dẫn đến giảm giá trị kinh tế Ngoài ra, nghiên cứu sau thu hoạch củ tỏi chưa công bố nhiều nước ta 2.3 Các nghiên cứu nâng cao hoạt chất sinh học tỏi liên quan đến chế biến tỏi đen tỏi lên men lactic Ở Việt Nam trước đó, tỏi đen nghiên cứu Học viện Quân y quy mô cấp Nhà nước mã số KC10.TN05/11-15 Theo chủ nhiệm đề tài “Nghiên cứu lên men tỏi đen từ tỏi Lý Sơn đánh giá tác động sinh học lớp vỏ bên Từ sau 10 ngày tồn trữ, hao hụt khối lượng thể rõ củ tỏi thu hoạch giai đoạn 120 - 125 giai đoạn 130 đến 140 ngày Kết thúc trình tồn trữ 30 ngày, củ tỏi thu hoạch giai đoạn 130-140 ngày thể hao hụt khối lượng thấp c Thành phần hóa học Kết nghiên cứu cho thấy pH củ tỏi Phan Rang thu hoạch giai đoạn 120–140 ngày có giá trị pH khoảng 6,30 đến 6,53 Kết thu gần giống với nhiều nghiên cứu khác, tỏi tươi có giá trị pH khoảng 6,336,42 (Choi et al., 2014; Bae et al., 2014; Fante and Noreña, 2015) Khi thu hoạch thời gian 120 125 ngày, tổng hàm lượng chất khơ hịa tan tỏi mức thấp đạt cao ngày 130 (39,0%) 135 (37,4%) Theo Nuevo and Bautista (2001), hàm lượng chất khơ hịa tan mùi hăng cay củ tỏi chưa thục thấp Tuy nhiên, tổng chất khơ hịa tan (oBrix) củ tỏi Phan Rang giai đoạn thu hoạch giai đoạn120–140 ngày cao so với số nghiên cứu khác Hàm lượng chất khơ hịa tan tỏi tươi khoảng 29-37 °Brix (Vázquez-Barrios et al., 2006; Põldma et al., 2011; Fante and Noreña, 2015) Độ ẩm củ tỏi có khác biệt ý nghĩa ngày thu hoạch 120–125 130–140 Độ ẩm đạt đến 63,7% ngày 125 tăng lên 65,94% thời điểm 130 ngày q trình trương cấu trúc tế bào, sau có khuynh hướng giảm nhẹ đến ngày 140 Bên cạnh đó, hàm lượng ẩm tỏi tươi công bố vào khoảng 64 đến 66% (Bae et al., 2014; Fante and Nora, 2015) Nhìn chung, hàm lượng polyphenol tổng số (2,32-2,7 mg GAE/g d.w), thiosulfinate (7,6-7,96 mol/g d.w) củ tỏi Phan Rang khơng có khác biệt ý nghĩa ngày thu hoạch từ 120–140 Kết thu cho thấy hàm lượng 23 chất tỏi Phan Rang mức độ trung bình so với nhiều giống tỏi nghiên cứu trước Chẳng hạn, hàm lượng polyphenol tổng số tỏi tươi 511-722 mg GAE/100 g trọng lượng tươi (Põldma et al., 2011) Hoạt tính chống oxy hóa tỏi Phan Rang dao động khoảng 7,7-8,7% Trong nghiên cứu Somman and Napa (2015), hoạt tính loại bỏ gốc tự DPPH củ tỏi cao, đạt 25,53% Tuy nhiên, hoạt tính chống oxy hóa tỏi tươi Hàn Quốc cơng bố với giá trị thấp 6,21% (Bae et al., 2014) 4,65% (Choi et al., 2014) Như vậy, thành phần hóa học hoạt tính chống oxy hóa tỏi phụ thuộc lớn vào giống, điều kiện trồng trọt khí hậu (Põldma et al., 2011) 4.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tồn trữ đến thay đổi thành phần hóa lý củ tỏi a Hao hụt khối lượng Hao hụt khối lượng củ tỏi tăng suốt trình tồn trữ điều kiện nhiệt độ khác Hao hụt khối lượng thấp tồn trữ củ tỏi 0oC (6,7%) Tỏi không nhạy cảm với lạnh đông nhiệt độ 0oC điểm đóng băng tỏi (Cantwell et al., 2003) Nhiệt độ tồn trữ cao làm tốc độ bay nước nhanh Đặc biệt, nhiệt độ tồn trữ 5oC, hao hụt khối lượng tăng cao đột ngột sau 120 ngày tồn trữ hao hụt nhiều so với củ tỏi tồn trữ 20oC nhiệt độ phòng Mặc dù RH điều kiện tồn trữ thấp cấu tạo phần thịt củ tỏi bao bọc nhiều lớp vỏ lụa hạn chế tối đa q trình nước b Hàm lượng chất khơ hịa tan Khi tồn trữ củ tỏi nhiệt độ khác (0, 20 nhiệt độ phịng 28–30oC) cho thấy có ổn định hàm lượng chất khơ hịa tan sau 120 ngày tồn trữ Tuy nhiên sau 180 ngày tồn trữ, củ tỏi bảo quản 5oC thể suy giảm đáng kể hàm lượng chất khơ hịa tan (từ 38,6 xuống cịn 32,1oBrix) 24 Điều liên quan đến nảy mầm khơng có mối liên hệ rõ ràng đến số nảy mầm bên tổn thất khối lượng c Hàm lượng polyphenol tổng số Hàm lượng lượng polyphenol tổng số biến đổi phức tạp nhiệt độ tồn trữ có khuynh hướng giảm Hàm lượng polyphenol tổng số bị biến đổi nhiệt độ tồn trữ 0oC so với nhiệt độ tồn trữ lại Đặc biệt, tồn trữ củ tỏi 5oC, hàm lượng polyphenol tổng số tăng nhanh ngày 120 Điều hoạt động sinh lý nảy mầm củ tỏi diễn làm tăng hàm lượng polyphenol (Zakarova et al., 2014) Tuy nhiên, sau ngày 120 trình tồn trữ, hàm lượng lại giảm nhanh d Hoạt tính chống oxy hóa Bên cạnh giảm hàm lượng polyphenol tổng số, hoạt tính chống oxy hóa củ tỏi ổn định suốt trình tồn trữ Kết phân tích cho thấy hoạt tính chống oxy hóa củ tỏi tồn trữ nhiệt độ 0, 5, 20 28-30oC biểu thị giá trị tương ứng 7,34-8,45%, 7,37-7,55%, 7,127,67% 6,64-7,85% Ngồi polyphenol có hoạt tính chống oxy hóa, hợp chất lưu huỳnh hữu củ tỏi có chức tương tự (Gorinstein et al., 2006) e Hàm lượng thiosulfinate Nhìn chung, hàm lượng thiosulfinate củ tỏi biến đổi trình tồn trữ nhiệt độ khác Tuy nhiên, kết thúc trình tồn trữ khoảng 180 ngày, hàm lượng thiosulfinate tăng nhẹ nhiệt độ tồn trữ Điều tiền chất góp phần tạo nên thiosulfinate alliin tăng thời gian tồn trữ nhiệt độ khác (Ichikawa et al., 2006) 4.2 Nâng cao chất có hoạt tính sinh học củ tỏi thơng qua quy trình chế biến sản phẩm tỏi đen tỏi lên men lactic 25 4.2.1 Nâng cao chất có hoạt tính sinh học củ tỏi thơng qua quy trình chế biến sản phẩm tỏi đen Ảnh hưởng phương pháp lạnh đông đến chất lượng tỏi tươi Khi thực q trình lạnh đơng củ tỏi 36 giờ, hàm lượng polyphenol, flavonoid khả loại bỏ gốc tự tăng cao (gấp 1,28; 1,20 1,19 lần tương ứng so với mẫu đối chứng) Thời gian lạnh đông 36 48 cho hàm lượng polyphenol cao đáng kể so với thời gian đông lạnh 12 24 (P