2. Nội dung nghiên cứu x
1.1.4. Tình hình phát triển của cà phê trong nước và trên thế giới
1.1.4.1. Tình hình phát triển của cà phê trong nước
Arabica và Robusta là hai loại cà phê chính được trồng ở Việt Nam. Trong thị trường toàn cầu, Việt Nam được biết đến là nước xuất khẩu cà phê lớn thứ hai và chỉ sau Brazil. Trong giai đoạn 2016-2017, tổng xuất khẩu cà phê từ Việt Nam sang 80 thị trường là 26.05 triệu bao (60kg/bao) bao gồm rang, xay, cà phê hòa tan và cà phê nhân. Trong khi thị trường nội địa tiêu thụ khoảng 2.5 triệu bao (USDA, 2017).
Năm 2014, diện tích trồng cà phê là 653 ngàn ha tăng 2.7% so với năm 2013. Sản lượng mùa vụ 2013 gần 30.000 ngàn bao (mỗi bao 60 kg), tương đương 1.7 triệu tấn. Các tỉnh trồng nhiều cà phê là Đắk Lắk, Lâm Đồng và Đắk Nông (USDA, 2018).
Sản lượng cà phê Arabica chiếm khoảng 4% tổng sản lượng cà phê của Việt Nam và khoảng 6% tổng diện tích trồng cà phê. Cà phê Arabica phát triển tốt ở những vùng có độ cao ít nhất 1.000 mét so với mực nước biển. Hầu hết các trang trại cà phê Việt Nam được tìm thấy dưới mức này; do đó, rất ít tỉnh trồng cà phê Arabica. Lâm Đồng là tỉnh sản xuất cà phê lớn thứ hai, có diện tích sản xuất Arabica lớn nhất tại Việt Nam. Tuy nhiên, trong năm 2017, khu vực sản xuất đã bị thu hẹp từ khoảng 18.000 ha xuống còn 16.000 ha, do nông dân đã loại bỏ những cây nằm dưới độ cao thích hợp hoặc ở những khu vực bị thiếu nước kinh niên. Mặt khác, Điện Biên - Sơn La, một tỉnh thuộc vùng cao nguyên phía Bắc, đã tăng diện tích sản xuất từ 16.000 ha lên khoảng 18.000 ha (Francic M., 2018).
9
Hình 1.4. Các khu vực sản xuất cà phê Robusta năm 2017
Ngành cà phê ngày càng có sự đóng góp quan trọng vào sự phát triển ngành nông nghiệp nói riêng cũng như nền kinh tế Việt Nam nói chung. Từ chỗ không có tên trong bản đồ cà phê thế giới, thì trong những năm qua, cà phê Việt Nam đã có sự phát triển vượt bậc.
1.1.4.2. Tình hình phát triển cà phê trên thế giới
Theo Tổ chức Cà phê Quốc tế, cà phê là sản phẩm xuất khẩu chính và được trồng ở nhiều quốc gia. Sản lượng cà phê toàn cầu ước tính là 143.25 triệu bao (60kg/bao) trong năm 2014-2015. Sản xuất thương mại cà phê thế giới phụ thuộc nhiều vào hai loài, Coffea arabica L. và Coffea canephora Pierre, còn được gọi là Arabica và Robusta. C. arabica đã trở thành loài quan trọng nhất bằng cách chiếm 65% sản lượng cà phê thế giới (Lashermes P. và cộng sự, 2008).
Trên toàn thế giới, ước tính 125 triệu người phụ thuộc vào cà phê để kiếm sống (Osorio,
N, 2002), với hơn 50 quốc gia sản xuất và xuất khẩu cà phê, hầu hết ở các nước đang phát
triển (Lewin và cộng sự, 2004; NCA, 2017). Mười nước sản xuất cà phê hàng đầu chiếm khoảng 88% tổng sản lượng và xuất khẩu cà phê toàn cầu. Trong số mười nước xuất hàng đầu, Brazil, Việt Nam và Colombia cùng sản xuất và xuất khẩu gần 60% tổng sản lượng toàn cầu (Bảng 1.8)
Bảng 1.8. Mười nhà sản xuất cà phê hàng đầu thế giới trong năm 2015
Nước Sản xuất (1.000 bao 60 kg) Phần trăm sản phẩm của thế giới Xuất khẩu (1.000 bao 60 kg) Phần trăm xuất khẩu của
thế giới Brazil 43,235 30.17 28,478 30.53 Vietnam 27,500 19.19 19,125 20.50 0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000 180,000 200,000
10 Colombia 13,500 9.42 10,031 10.75 Indonesia 13,500 8.60 4,847 5.20 Ethiopia 6,700 4.68 2,514 2.70 India 5,833 4.07 5,006 5.37 Honduras 5,750 4.01 4,746 5.09 Uganda 4,755 3.32 2,817 3.02 Guatemala 3,400 2.37 2,432 2.61 Peru 3,300 2.30 2,280 2.44 Tổng sản lượng và
xuất khẩu thế giới 143,306 88.17 93,275 88.21
Chỉ 17% dân số thế giới đã có thể tiêu thụ 65% sản lượng cà phê (Lewin et al., 2004). Điều này mang lại cơ hội to lớn cho việc mở rộng thị trường thông qua việc thúc đẩy tiêu thụ lượng cà phê trên toàn thế giới (Sarada K, 2017).
1.1.5. Ứng dụng của cà phê
Cà phê giúp chúng ta tỉnh táo, tập trung, vui vẻ và tràn đầy năng lượng cho dù ta đang trong tình trạng thiếu ngủ (Williams E. và cộng sự, 2005); (Smith A., 2002). Trong vài năm qua, một loạt các nghiên cứu dịch tễ học và lâm sàng liên quan về việc tiêu thụ cà phê khử caffeine với các lợi ích sức khỏe như giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường loại 2 (Agardh và
cộng sự, 2004); (Salazar-Martinez và cộng sự, 2004); (Rosengreen và cộng sự, 2004);
(Soriguer và cộng sự, 2004); (Van Dam và cộng sự, 2006); (Bravi và cộng sự, 2007), bệnh
Parkinson và Alzheimer (Lindsay et al., 2002) và ung thư gan (Ranheim và Halvorsen,
2005); (Larsson và Wolk, 2007). Trên thực tế, các nghiên cứu được thực hiện ở Đan Mạch
và Hoa Kỳ, cho thấy, do hàm lượng hợp chất phenolic cao, cà phê là chất đóng góp quan trọng nhất cho các hợp chất chống oxy hóa trong chế độ ăn uống hằng ngày (Svilaas et al.,
2004; Vinson, 2005).
Khi cho chuột uống chiết xuất cà phê xanh để giảm mỡ nội tạng và trọng lượng cơ thể. Đặc tính này là do sự kích hoạt chuyển hóa chất béo trong gan và do ức chế sự hấp thụ chất béo được chi phối bởi các thành phần chiết xuất hạt cà phê xanh (Shimoda H. và cộng sự,
2006). Rất lâu trước khi các nghiên cứu dịch tễ học liên quan đến tiêu thụ cà phê, tính chất
kháng khuẩn của chlorogen acid và các chất chuyển hóa của chúng đã được chứng minh bằng một loạt các nghiên cứu (Wattenberg và cộng sự, 1980); (Wood và cộng sự, 1982);
(Stich và cộng sự, 1982); (Wattenberg, 1983); (Mori và cộng sự, 1986); (Namiki, 1990). Các
11
dụ, hoạt tính chống virus như chống lại adeno virus và herpes virus (Chiang và cộng sự,
2002); hoạt động bảo vệ gan trong mô hình thí nghiệm (Basnet và cộng sự, 1996); hoạt động
kích thích miễn dịch (Tatefugi và cộng sự, 1996). Các dẫn xuất dicaffeoylquinic acid tổng hợp cũng ức chế sự sao chép của HIV-1 trong các tế bào (Robinson và cộng sự, 1996a, b);
(McDougall và cộng sự, 1998); (Kyng et al., 1999).
Thành phần cà phê như caffeine, caffeic acid, chlorogen acid và ferulic acid có thể đóng vai trò làm giảm nguy cơ trầm cảm (Hall S. và cộng sự, 2015). Cà phê xanh cũng thể hiện đặc tính chống ung thư do đặc tính chống oxy hóa của hàm lượng chlorogen acid (Glei
M. và cộng sự, 2006).
1.1.6. Tổng quan về quá trình rang cà phê
Công đoạn rang cà phê là quan trọng nhất và mang tính chất quyết định đến chất lượng của cà phê thành phẩm, dưới tác dụng của nhiệt độ các phản ứng hóa học diễn ra và tạo thành hương vị, màu sắc đặc trưng; do đó bước này là có lẽ là bước quan trọng nhất trong chế biến cà phê. Trong quá trình này, cà phê xanh trải qua một loạt các phản ứng dẫn đến những thay đổi mong muốn về tính chất vật lý và thành phần hóa học (Illy & Viani, 2005); (Pittia và
cộng sự, 2001). Trong quá trình rang, hạt cà phê giảm khối lượng (Hernández và cộng sự,
2007); (Jokanovic và cộng sự, 2012) do mất nước và mất một số chất dễ bay hơi, do đó, cấu
trúc xốp của hạt cà phê rang được hình thành (Pittia và cộng sự, 2001). Ngoài ra, hạt cà phê còn trải qua những thay đổi lớn khác về màu sắc, trạng thái, pH, hương vị và mùi thơm.
Quá trình rang cà phê là phần quan trọng nhất trong chế biến cà phê vì điều quan trọng là phải tạo và kiểm soát nhiệt độ chính xác vào đúng thời điểm, sau đó dừng quá trình khi hương thơm đã phát triển đầy đủ và màu sắc đồng nhất trong toàn bộ hạt cà phê. Quá trình này được kiểm soát theo kinh nghiệm và kiến thức của người rang là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Tuy nhiên, quá trình rang cà phê thường chia thành ba giai đoạn (Noor
Aliah, A. M., 2015):
- Giai đoạn đầu tiên (giai đoạn sấy khô) là giai đoạn nhiệt nội của quá trình rang, được đặc trưng bởi quá trình sấy khô của hạt cà phê xanh do quá trình hóa hơi (Gloess và cộng sự,
2014). Khi hạt cà phê xanh được đưa vào máy rang, nhiệt độ của trống rang giảm xuống và
đạt đến nhiệt độ thấp nhất đạt được trong quá trình rang. Sự khác biệt giữa nhiệt độ của hạt đậu được đưa vào trong máy rang và nhiệt độ cao hơn của chính máy rang gây ra sự sụt giảm
(Noor Aliah, A. M., 2015).
- Giai đoạn thứ hai là giai đoạn nhiệt phân, khi các loại phản ứng khác xảy ra (Gloess
và cộng sự, 2014). Trong giai đoạn này, có một sự sản xuất chính của các hợp chất hữu cơ
dễ bay hơi (VOC) và bán dễ bay hơi do các phản ứng nhiệt phân này. Áp suất tăng bên trong hạt cà phê, vì sự giải phóng khí có thể xảy ra nhưng chỉ khi khí có thể thấm qua thành hạt.
12
Khi áp suất tăng này vượt qua sức cản cơ học của thành hạt, chúng bị nứt và hạt phát ra âm thanh bật lên được gọi là pop hoặc vết nứt đầu tiên (Yeretzian và cộng sự, 2002); (Wilson, 2014).
- Giai đoạn thứ ba là giai đoạn làm lạnh nhanh cuối cùng để dừng phần tỏa nhiệt của quá trình rang, sử dụng không khí hoặc nước làm chất làm mát (Noor Aliah, A. M., 2015).
1.2. Tổng quan về acrylamide1.2.2. Giới thiệu về acrylamide 1.2.2. Giới thiệu về acrylamide
Acrylamide là hợp chất hóa học có công thức phân tử C3H5NO (Erkekoglu, P., &
Baydar, T., 2014). Acrylamide (acrylic amide, IUPAC có tên là 2-propenamide) là một hợp
chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp (71.08g) bao gồm các nguyên tử carbon (50.69%), hydro (7.09%), nitơ (19.71%), oxy (22.51%) (Kopanska, M. và cộng sự, 2018).
Hình 1.5. Công thức cấu tạo của acrylamide
Ở trạng thái ban đầu, nó được tìm thấy là một chất màu trắng, không mùi và tinh thể, với điểm nóng chảy là 84.5oC và tỷ trọng 1.122g/cm3 ở 30oC. Nhiệt độ sôi của nó bằng 192.6oC dưới áp suất 1 atm (101.3 kPa) (Ericsson S. 2005). Acrylamide, là một hợp chất hữu cơ, dễ phản ứng, có liên kết amide trong cấu trúc liên hợp của nó. Acrylamide có thể bị thủy phân đứt liên kết CO-NH2. Nhóm vinyl có thể phản ứng với amoniac, ure, formaldehyde, amin bậc 2, protein, phosphine (Zyzelewicz D, Nebesny E, Oracz J. 2010). Vì vậy, tính chất của nhóm amide - bị thủy phân trong môi trường kiềm đặc hoặc acid đặc cắt đứt liên kết CO-NH2.
1.2.1. Nguồn gốc và cơ chế hình thành acrylamide
Tháng 4 năm 2002, Cơ quan Quản lý thực phẩm Thuỵ Điển cùng với nhóm nghiên cứu của trường Đại học Stockholm đã tìm ra acrylamide, một độc chất có thể gây ung thư, trong một số thực phẩm được chế biến ở nhiệt độ cao (Tareke, E và cộng sự, 2002) giàu carbohydrate như các sản phẩm chiên và bánh nướng (Studer A, B. I., 2004). Nghiên cứu này đã mở màn cho hàng loạt những nghiên cứu tiếp theo về acrylamide trong thực phẩm vì acrylamide có khả năng gây ung thư con người bởi IARC (Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế) (Gökmen, V., và cộng sự, 2008). Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã cung cấp các phương pháp phân tích, mức độ cho phép tiêu thụ acrylamide an toàn để không gây ảnh hưởng lên hệ thần kinh (FAO/WHO, 2002). Các sản phẩm cà phê trên thế giới, trong đó có Việt Nam, sau khi được rang ở nhiệt độ cao từ 230-240°C trong thời gian từ 5-15 phút đều
13
sinh ra một lượng acrylamide đáng kể (Bagdonaite, K. và cộng sự, 2008; Belitz, H. D. và
cộng sự, 2009). Hàm lượng của acrylamide trong một số thực phẩm và đồ uống được tóm
tắt trong bảng 1.9. (Kopanska, M. và cộng sự, 2018).
Bảng 1.9. Thành phần acrylamide trong một số sản phẩm
Loại thực phẩm Thành phần acrylamide (µg/kg)
Khoai tây chiên 170 – 2287
Các sản phẩm bánh (bánh mì, bánh ngọt) 70 – 430 Ngũ cốc 30 – 1400 Ca cao 170 – 351 Bistcuits/Crackers 30 – 3200 Thịt 30 – 64 Bia 30 – 70 Cà phê 12 – 4300 Nguồn: (Kopanska, M. và cộng sự, 2018). Acrylamide được tạo thành từ phản ứng hoá học giữa acid amin asparagine và đường khử ở nhiệt độ cao trên 120oC (Jagerstad M, Skog K., 2005). Asparagine về nguyên tắc có đủ khả năng chuyển thành acrylamide bằng cách khử trực tiếp nhóm carboxyl và nhóm amin, nhưng phản ứng này chỉ có thể tạo ra được hàm lượng acrylamide thấp (Granvogl và
Schieberle, 2006). Tuy nhiên, asparagine với sự có mặt của đường khử hoặc dicarbonyl có
khả năng tạo ra acrylamide với hàm lượng rất lớn (Stadler và cộng sự, 2004). Cơ chế hình thành acrylamide trong thực phẩm được biểu diễn theo sơ đồ dưới đây:
Hình 1.6. Cơ chế hình thành Acrylamide trong thực phẩm được gia nhiệt (Totani, N., và
14
1.2.3. Tác hại của acrylamide
Acrylamide là một chất có khả năng tiềm ẩn gây ra một số bệnh như
Gây độc thần kinh: Nghiên cứu thực nghiệm về việc rối loạn hệ thần kinh do acrylamide trên chuột (Spencer & Schaumburg, 1974a; LoPachin, 2004).Báo cáo kết luận rằng lượng đưa vào không vượt quá 0.5 – 50 mg acrylamide/kg/ngày là mức an toàn cho hệ thần kinh của con người (Miller & Spencer, 1985). Độc tính thần kinh gây ra từ sự acrylamide có thể dẫn đến nhiều triệu chứng, gồm cảm giác tê cứng chân tay (Exon, J. H., 2006).
Ảnh hưởng đến khả năng sinh sản: Độc tố sinh sản được thí nghiệm ở trên chuột, khi sử dụng ở nồng độ 1.25 – 24mg/kg/ngày trong 4 tuần làm giảm tỉ lệ sinh sản, giảm số lượng tinh trùng ở con đực (Sakamoto & Hashimoto, 1986). Nghiên cứu ở nồng độ cao hơn khoảng 35.5 mg/kg hai lần mỗi tuần cho thấy biểu hiện teo tinh hoàn, giảm trọng lượng tinh hoàn và sự thoái hóa của các tế bào biểu mô của ống tủy (Hashimoto & Tanii, 1985). Sự suy giảm khả năng sinh sản có thể ảnh hưởng số lượng và tốc độ di chuyển của tinh trùng (Burek và
cộng sự, 1980).
Gây bệnh ung thư:Báo cáo của FAO/WHO, 2002 về các nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe liên quan đến hấp thụ acrylamide từ thức ăn, đã làm tăng mối lo ngại các nguy cơ khi hàm lượng acrylamide tăng gây ung thư trên con người (WHO, 2002). Bên cạnh đó, Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế của Liên Hợp Quốc năm 1994, acrylamide được phân loại là chất có thể gây ung thư ở người (IARC, 1994). Trên động vật gặm nhấm, hàm lượng acrylamide cao đã cho thấy làm tăng nguy cơ gây các khối u ở hệ thần kinh, tuyến vú, tử cung, khoang miệng, màng bụng và tuyến giáp (Johnson et al., 1986).
1.2.4. Ứng dụng của Acrylamide
Acrylamide trong công nghiệp chủ yếu được tạo thành từ quá trình thủy phân của acrylonitrile. Khác với trong thực phẩm, chúng ta có thể tìm thấy chất này trong khói thuốc lá và một số sản phẩm gia dụng, làm đẹp, công nghiệp và dệt may (Mohammad, R. S, 2012;
Exon, J. H., 2006). Acrylamide có công dụng trong một số ngành công nghiệp sau
(Myagchenkov, V. A., & Kurenkov, V. F. 1991) như làm giấy, xây dựng, khoan dầu, sản
xuất dệt may, sản xuất mỹ phẩm, chế biến thức ăn, sản xuất thuốc nhuộc và chất dính, nhựa, khai thác mỏ, nông nghiệp, bao bì thực phẩm, xử lý nước uống và nước thải…
1.2.5. Các phương pháp làm giảm Acrylamide
Giảm mức độ acrylamide trong các sản phẩm thực phẩm tại nhà và trong các bộ phận công nghiệp không chỉ làm giảm các rủi ro sức khỏe liên quan đến hợp chất này, mà còn đem đến cho con người sự hiểu biết về an toàn thực phẩm. Hạn chế sự hình thành tối đa của acrylamide trong các sản phẩm chiên, các sản phẩm gia nhiệt ở nhiệt độ cao. Các phương
15
pháp như chọn giống, bảo quản ở nhiệt độ môi trường (8°C), chiên trong chân không hoặc ở nhiệt độ dưới 120°C, lên men lactic và ngâm trong acetic acid, citric acid, glycine, muối của hydrocoloid, asparaginase enzyme, vitamin và chất chống oxy hóa có thể giảm thiểu sự hình thành acrylamide trong sản phẩm thực phẩm(May NJ và cộng sự, 2006; Zeng X và
cộng sự, 2009; Belgin Erdoǧdu S và cộng sự; 2007). Sau đây là một số chiến lược để ngăn
chặn sự hình thành acrylamide trong thực phẩm (Khezerolou và cộng sự, 2018).
1.2.5.1. Giảm acrylamide trong nguyên liệu
Do cơ chế hình thành acrylamide, tốt nhất là ngăn chặn sự hình thành acrylamide thông qua việc kiểm soát các nguyên liệu có chứa các tiền chất sinh ra phản ứng này. Do đó, lựa chọn các giống có mức đường khử và asparagine thấp thì có thể là biện pháp hiệu quả nhất. Hơn nữa, điều kiện khí hậu, thời gian thu hoạch, điều kiện bảo quản và loại giống có thể ảnh hưởng đến mức độ của asparagine và đường khử (Friedman M, Levin CE, 2008).
Theo một số tài liệu, nếu đất có mức lưu huỳnh thấp, lượng asparagine được hình thành thấp hơn vì thế lượng acrylamide hình thành sẽ thấp hơn trong giai đoạn sản xuất. Ngoài ra, nếu đất chứa nhiều nitơ, lượng acid amin tự do và protein tăng lên dẫn đến hàm acrylamide được tạo ra trong quá trình chế biến (Park Y và cộng sự, 2005).
Trong quá trình bảo quản, để đảm bảo rằng nhiệt độ bảo quản không dẫn đến sự hình thành đường khử, trong trường hợp như vậy việc lưu trữ ở nhiệt độ phòng để giảm mức độ đường khử. Về mặt này, các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng nhiệt độ cực cao trong