Bài viết này sử dụng phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng để đánh giá ảnh hưởng đồng thời của tỉ lệ dung môi: nguyên liệu, thời gian áp dụng vi sóng và pH lên quá trình trích ly betacyanin từ vỏ quả thanh long.
Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 129, Số 1A, 11–20, 2020 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH TÁCH CHIẾT BETACYANIN TỪ VỎ QUẢ THANH LONG (Hylocereus undatus) BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG Đào Thị Mỹ Linh*, Nguyễn Thị Quỳnh Mai, Phạm Thị Phương Thùy Khoa CNSH, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh, 140 Lê Trọng Tấn, P Tây Thạnh Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam * Tác giả liên hệ Đào Thị Mỹ Linh (Ngày nhận bài: 29-8-2019; Ngày chấp nhận đăng: 13-12-2019) Tóm tắt Betacyanin ứng dụng làm chất màu thực phẩm mỹ phẩm thay chất tạo màu hóa học Nghiên cứu sử dụng phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng để đánh giá ảnh hưởng đồng thời tỉ lệ dung môi:nguyên liệu, thời gian áp dụng vi sóng pH lên q trình trích ly betacyanin từ vỏ long Hàm lượng acid ascorbic bảo quản, phenol tổng số khả khử DPPH dịch chiết betacyanin thu nhận điều kiện tối ưu đánh giá Tại điều kiện tối ưu: tỉ lệ dung môi: nguyên liệu = 53 (v/w); thời gian chiết = 91 (giây) pH = 5,3, hàm lượng betacyanin thu 72,13 (mg/100 g) Dịch chiết bổ sung acid ascorbic nồng độ 0,5% (w/v) có thời gian bảo quản dài Khả khử gốc tự DPPH dịch chiết có giá trị IC50 48,02% (v/v); hàm lượng phenol tổng số 41,41 mg GAE/ 100 mL Từ khóa: betacyanin, bề mặt đáp ứng, DPPH, phenol, vi sóng Optimization of microwave-assisted extraction of betacyanin from red dragon fruit peels Dao Thi My Linh*, Nguyen Thi Quynh Mai, Pham Thi Phuong Thuy Departement of Biotechnology, Ho Chi Minh City University of Food Industry, 140 Le Trong Tan St.,Tay Thanh Tan Phu Ward, Ho Chi Minh City, Vietnam * Correspondence to Dao Thi My Linh (Received: 29 August 2019; Accepted: 13 December 2019) Abstract Betacyanin has been widely used as natural coloring agents and dyes in food and textile industries to replace conventional toxic chemical pigments In this study, the extraction of betacyanin from red dragon fruit peels was optimized using response surface methodology Betacyanin was determined as the response to three independent variables, namely the ratio of extraction solvent to peels, microwave-assisted treatment time, and pH The effect of acid ascorbic concentration during the storage of betacyanin extract, the total phenolic content, and DPPH radical scavenging activity were also investigated The optimum extraction parameters are as follows: the ratio of extraction solvent to peels is 53% (v/w); extraction time is 91 s; pH is 5.3, with the betacyanin content being 72.13 mg/100 g peels The betacyanin extract supplemented with 0.5% (w/v) ascorbic acid has the longest storage duration Total phenolic concentration and DPPH radical scavenging activity (IC50) are 41.41 mg GAE/100 mL and 48.02 % (v/v), respectively DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5400 11 Đào Thị Mỹ Linh CS Keywords: betacyanin, DPPH, microwave, phenolic, response surface methodology Mở đầu Trong năm gần đây, sản lượng long Việt Nam tăng lên đáng kể Các giống long canh tác gồm long ruột trắng, ruột đỏ ruột vàng Thanh Long ruột trắng thường trồng phổ biến tỉnh nam Trung Bộ Nam Bộ, thương hiệu nhiều lĩnh vực góp phần sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, đồng thời giải phụ phẩm từ trình chế biến long Vật liệu phương pháp 2.1 Đối tượng tiếng Bình Thuận – địa phương có diện Nghiên cứu thực tích long lớn nước Theo thống kê long ruột trắng (Hylocereus undatus), thu mua xã đến năm 2015, diện tích long Bình Thuận Phú Ngãi Trị, huyện Châu Thành, tỉnh Long An 26.026 ha, tập trung huyện Hàm Thuận Quả chọn khơng có sâu bệnh, độ chín Nam, Hàm Thuận Bắc, Bắc Bình… với sản lượng sinh lý Màu vỏ xác định bằng phương hàng năm khoảng 500.000 Phần lớn long pháp so màu vật rắn Vỏ có giá trị độ màu (h°) Bình Thuận tập trung cho xuất (80–85%); từ 4°11 đến 7°28, độ bão hòa màu (C) từ 28,02 đến đó, xuất ngạch khoảng 2–3%, cịn 30,41; độ sáng (L) từ 31,73 đến 33,98 chọn để lại xuất tiểu ngạch qua Trung Quốc Châu Á lấy vỏ thị trường chủ yếu với khối lượng xuất 6.050 2.2 tấn, đạt kim ngạch 4,14 triệu USD; Châu Âu 249 tấn, kim ngạch 554.100 USD; thị trường chủ yếu Hà Lan (248 tấn); thị trường Tây Ban Nha Đức không đáng kể Thị trường Châu Mỹ chủ yếu Canada với 134 tấn, đạt kim ngạch 235.200 USD Thị trường nội địa tiêu thụ 15–20% sản lượng Hóa chất dùng q trình chiết xuất thu nhận bột betacyanin: nước cất lần, acid ascorbic, acid citric, sodium bicarbonate (Trung Quốc), 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH có nguồn gốc từ Sigma-Aldrich) Q trình xử lý vi sóng thực với Như vậy, nhận thấy tiềm nguyên liệu long nước dồi Bên cạnh thịt long giàu dinh dưỡng quan tâm sử dụng làm đồ uống lên men, vỏ cũng quan tâm nghiên cứu ứng dụng chứa betacyanin Betacyanin dạng màu tự nhiên, thay anthocyanin thương mại từ củ cải đỏ; đồng thời, betacyanin cũng có giá trị dược liệu [1] có tiềm tạo phụ gia màu cho thực phẩm ngành hóa mỹ phẩm [2] Betacyanin thường thu nhận từ loại củ, có màu đỏ củ dền, long đỏ, củ cải Vật liệu thiết bị Electrolux EMM2021GW Máy ly tâm Hermle Z216M sử dụng để ly tâm loại bỏ bã, thu dịch chiết chứa betacyanin thiết bị cô quay chân không EYELA N1110 sử dụng để cô đặc dung dịch chứa betacyanin Máy đo quang phổ Optima SP3000 Nano sử dụng để đo độ màu xác định hàm lượng betacyanin, phenol tổng số pH đo thiết bị pH InoLab pH 7110 2.3 Phương pháp Tối ưu hóa điều kiện tách chiết betacyanin phương pháp quy hoạch thực nghiệm đỏ… Việc tận dụng vỏ long để chiết Quá trình xử lý khảo sát yếu tố ảnh betacyanin ứng dụng làm thuốc nhuộm hưởng tới trích ly dịch betacyanin từ vỏ 12 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 129, Số 1A, 11–20, 2020 long công bố nghiên cứu trước [3] Tiếp b2, b3 hệ số bậc 1; b11, b22, b33 hệ số bậc 2; theo, q trình tối ưu hóa thực bằng b12, b23, b13 hệ số tương tác cặp yếu phương pháp bề mặt đáp ứng nhằm đánh giá ảnh tố X1X2, X1X 3, X2X 3; b0 hệ số tự do; sai số ngẫu hưởng đồng thời yếu tố tác động lên q nhiên mơ hình hồi quy Xử lý kết thực trình trích ly betacyanin từ vỏ long Các nghiệm bằng phần mềm Modde 5.0 để xác định yếu tố lựa chọn khảo sát tỉ lệ dung mơi: phương trình hồi quy, độ tin cậy mơ hình hồi ngun liệu (X1), thời gian xử lý vi sóng (X2) pH quy, đồng thời tìm điều kiện tối ưu để trình (X3) mức (Bảng 1) dựa kết thực trích ly betacyanin đạt giá trị cao nghiệm yếu tố đơn, xác định giá trị biên yếu tố chiết [3] Ma trận thực nghiệm để tối ưu Khảo sát ảnh hưởng acid ascorbic đến ổn định chất màu betacyanin theo thời gian thiết kế theo mơ hình Box-Behnken [4] Mơ hình bao gồm 15 thí nghiệm, có thí Dịch chiết betacyanin sau q trình ly tâm nghiệm lặp lại tâm (Bảng 2) Thí nghiệm lặp lại mang cô quay chân không đến độ Brix lần nghiệm thức Hàm mục tiêu (Y) bằng Chuẩn bị lọ thủy tinh nâu; hút 20 mL dịch hàm lượng betacyanin sau tách chiết (mg/100 màu betacyanin sau cô quay cho vào lọ g) Phương trình hồi quy thể sau: Lần lượt bổ sung acid ascorbic nồng độ 0; Y = b0 +b1X1 + b2X2 + b3X3 + b12X1X2 + b13X1X3 + b23X2X3 0,25; 0,5; 0,75; 1% (w/v) khuấy đến tan + b11X12+ b22X22 + b33X32 + Trong X1, X2, X3 lần hoàn toàn Theo dõi hàm lượng betacyanin theo lượt yếu tố tỉ lệ dung môi nguyên liệu, thời gian 0, 1, 2, 3, tuần thời gian xử lý vi sóng, pH dung mơi chiết; b1, Bảng Giá trị mã hóa mức ma trận tối ưu Giá trị khảo sát Yếu tố khảo sát Ký hiệu –1 Tỉ lệ dung môi:nguyên liệu (v/w) X1 40 50 60 Thời gian xử lý vi sóng (giây) X2 80 90 100 pH dung môi chiết X3 4,5 5,0 5,5 Bảng Một số tiêu vỏ tươi bột vỏ long Chỉ tiêu Màu sắc Độ ẩm (%) Vỏ long tươi Bột vỏ long h° 4°11–7°28 18°33–19°33 C 28,02–30,41 17,78–19,92 L 31,73–33,98 47,42–51,25 91,83–92,78 4,31–4,64 DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5400 13 Đào Thị Mỹ Linh CS Khả khử gốc tự DPPH Xác định hàm lượng betacyanin Dựa theo phương pháp Sharma cộng Hàm lượng betacyanin xác định bằng [5], đồng thời điều chỉnh số điểm quy phương pháp quang phổ Độ hấp thụ dịch trình (khơng làm thay đổi chất phương pháp): chiết betacyanin đo 538 nm xác định Hút mL dịch chiết betacyanin nồng độ 100, hàm lượng betacyanin bằng định luật Lambert- 80, 60, 40, 20, 0% (v/v) vào ống nghiệm Bổ sung Beer Hàm lượng betacyanin (BC) tính theo mg/100 mL dung dịch DPPH nồng độ 80 μg/mL vào g chất khô [6] ống nghiệm Ủ 30 phút điều kiện khơng có ánh sáng Tiến hành đo mật độ quang (OD) Phương pháp so màu vật rắn bước sóng 517 nm Một thí nghiệm song song thực với đối chứng methanol Tỉ lệ phần trăm hoạt tính kháng oxy hóa xác định theo cơng thức sau: Tỉ lệ khử gốc tự DPPH (%) = 𝑶𝑫𝐂 − 𝑶𝑫𝐦 𝑶𝑫𝐂 × 𝟏𝟎𝟎 Màu sắc bột betacyanin đo bằng máy so màu vật rắn CR-400/CR-410 Konica Minolta Xác định giá trị L, h° C ℎ° = [𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛−1 (𝑏/𝑎)] ; 𝐶 = √𝒂𝟐 + 𝒃𝟐 h° (heu) góc độ để xác định tơng màu (0° 360° tông màu đỏ; 90° tông màu vàng; ODm giá trị mật độ quang mẫu dịch 180° tông màu xanh lá; 270° tông màu xanh chiết; ODC giá trị mật độ quang mẫu đối lam); C (Chroma) độ bão hòa màu (đậm chứng nhạt); L (Lightness) độ sáng hay tối màu; a Từ tỉ lệ % hoạt tính khử gốc tự DPPH, xây dựng phương trình tương quan tuyến tính, từ xác định giá trị IC50 (là nồng độ mà bắt 50% trị số tơng màu đỏ; b trị số tông màu vàng 2.4 Xử lý số liệu gốc tự DPPH) để làm sở so sánh khả Tất thí nghiệm lặp lại lần, kháng oxy hóa mẫu Mẫu có giá trị số liệu ghi nhận xử lý bằng phần mềm IC50 thấp hoạt tính kháng oxy hóa Microsoft Excel 2016 Đánh giá khác biệt có ý cao nghĩa mẫu thí nghiệm thực bằng phương pháp thống kê ANOVA kiểm Hàm lượng phenol tổng Phân tích trung tâm Cơng nghệ Việt Đức Trường ĐH Công nghiệp thực phẩm thành phố Hồ định LSD với độ tin cậy 95% bằng phần mềm thống kê Statgraphic XVI, vẽ đồ thị bằng phần mềm Origin 8.5.1 Chí Minh dựa theo tiêu chuẩn TCVN 9745–1:2013 Phenol từ phần mẫu thử bột betacyanin chiết bằng metanol 70% 70 °C Hàm lượng phenol dịch chiết xác định bằng đo màu với thuốc thử Folin-Ciocalteu Thuốc thử chứa chất oxi hóa axit phospho-vonframic Trong q trình khử, nhóm hydroxy phenol dễ bị oxi hóa Chất oxi hóa sinh màu xanh có độ hấp thụ cực đại bước sóng 765 nm Mật độ quang đo máy đo quang phổ UV-Vis SP 3000 Nano 14 Kết thảo luận Thanh long tươi rửa Phần thịt tách riêng sử dụng cho nghiên cứu khác; phần vỏ loại tai xanh, cắt nhỏ × cm có độ ẩm 91,83%; sau sấy khô 70 °C 16 giờ, độ ẩm đạt 5% Vỏ khô xay bằng máy xay bột khơ rây qua kích thước lỗ 0,4 mm Bột thu có giá trị độ màu (h° từ 18°33 đến 19°33, C từ 17,78 đến 19,92; L từ 47,42 đến pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 129, Số 1A, 11–20, 2020 51,25) bảo quản túi nhơm °C quy có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 95 % [4] thời gian 1–3 ngày trước sử dụng Ngoài ra, phần đánh giá Lack of fit, giá trị p 3.1 0,138 (>0,05), cho thấy mơ hình hồn tồn phù Tối ưu hóa yếu tố ảnh hưởng tới trình tách chiết betacyanin hợp với kết quan sát [14] Các hệ số Điều kiện tách chiết kết tách chiết betacyanin từ vỏ long trắng trình bày Bảng phương trình hồi quy cho thấy nhân tố khảo sát có ảnh hưởng mạnh đến q trình tách chiết betacyanin Trong X1, X3 có nhiều ảnh hưởng phức tạp nhân tố có tương tác với Để xây dựng mơ tả tốn học dạng vừa ảnh hưởng tích cực (+) tiêu cực (–) đến phương trình hồi quy, cần phải tiến hành xác định hàm mục tiêu X2 ảnh hưởng nhân tố cịn hệ số phương trình Bảng trình bày kết lại khơng có tương tác hệ số b2 thấp phân tích phương sai ANOVA ảnh hưởng (+1,60625) Điều chứng tỏ thời gian xử lý vi nhân tố chiết đến hàm mục tiêu Dựa kết sóng dài hiệu thu nhận betacyanin từ xử lý số liệu, hệ số b khơng có ý nghĩa (p tăng Tuy nhiên, phân tích vai trị X1 > 0,05) loại bỏ phương trình hồi quy (với X3 phương trình hồi quy, tỷ lệ dung X1, X2, X3 biến mã) thực nghiệm đạt mơi:ngun liệu pH tăng hiệu thu nhận sau: betacyanin tăng, nhân tố đạt đến Y = 70,57 + 2,793 × X1 + 1,606 × X2 + 3,596 × X3 – 5,998 giới hạn định hiệu thu nhận × X12 – 4,615 × X32 + 3,523 × X1 × X3 betacyanin có xu hướng giảm Phân tích Kết kiểm tra tính tương thích phương trình hồi quy với thực nghiệm (Bảng 4) cho thấy: hệ số xác định hàm mục tiêu R2 = 0,969, chứng tỏ mơ hình tối ưu đáng tin cậy [4] Giá trị p mô hình 0,003 (