Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thu nhận và ứng dụng chất màu anthocyanin của khoai lang tím trong chế biến thực phẩm

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

145
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm xây dựng quy trình công nghệ thu nhận chất màu anthocyanin từ KLT và xây dựng tiêu chuẩn cho chất màu thu được. Ứng dụng chất màu anthocyanin từ KLT trong chế biến một số sản phẩm thực phẩm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thu nhận và ứng dụng chất màu anthocyanin của khoai lang tím trong chế biến thực phẩm

i MỤC LỤC Lời cam đoan .................................................................................................. iv Danh mục chữ và ký hiệu viết tắt .................................................................. v Danh mục các bảng ....................................................................................... vii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ........................................................................ ix MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................ 5 1.1. Tổng quan về hợp chất màu anthocyanin.............................................. 5 1.1.1. Cấu trúc của anthocyanin ........................................................................ 5 1.1.2. Sự phân bố anthocyanin trong tự nhiên .................................................. 6 1.1.3. Đặc tính quang phổ của anthocyanin ...................................................... 8 1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của anthocyanin ........................ 9 1.1.5. Hoạt tính sinh học của anthocyanin ...................................................... 13 1.1.6. Ứng dụng của anthocyanin trong chế biến thực phẩm ......................... 16 1.2. Tổng quan về khoai lang tím ................................................................. 18 1.3. Chiết tách anthocyanin .......................................................................... 20 1.3.1. Dung môi chiết anthocyanin ................................................................. 20 1.3.2. Phương pháp chiết tách anthocyanin .................................................... 21 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu anthocyanin từ KLT ...................... 25 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 25 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 31 CHƢƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .... 34 2.1. Nguyên liệu.............................................................................................. 34 2.2. Hoá chất và thiết bị nghiên cứu ............................................................ 35 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................... 35 2.3.1. Phương pháp hóa lý............................................................................... 35 2.3.2. Phương pháp sinh học ........................................................................... 39 2.3.3. Phương pháp toán học ........................................................................... 40 2.3.4. Phương pháp lấy mẫu nghiên cứu ......................................................... 41 2.3.5. Phương pháp đánh giá cảm quan .......................................................... 41
ii 2.4. sơ đồ và nội dung nghiên cứu ................................................................ 42 2.5. phƣơng pháp thực nghiệm .................................................................... 44 2.5.1. Nghiên cứu lựa chọn, xử lý nguyên liệu KLT ...................................... 44 2.5.2. Nghiên cứu chiết tách anthocyanin từ KLT .......................................... 46 2.5.3. Nghiên cứu đặc tính, thành phần anthocyanin của KLT ...................... 48 2.5.4. Nghiên cứu tạo chế phẩm màu anthocyanin dạng bột từ KLT ............. 49 2.5.5. Nghiên cứu ứng dụng phẩm màu anthocyanin trong chế biến thực phẩm ......................................................................................................................... 49 2.5.6. Nghiên cứu tận dụng bã KLT sau khi chiết anthocyanin...................... 51 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 53 3.1. Lựa chọn, xử lý nguyên liệu KLT . ....................................................... 53 3.1.1. Lựa chọn vùng nguyên liệu KLT cho hàm lượng anthocyanin cao ..... 53 3.1.2. Ảnh hưởng của độ lớn nguyên liệu KLT đến hàm lượng anthocyanin 53 3.1.3. Một số thành phần hóa học của nguyên liệu KLT ................................ 54 3.1.4. Sự tổn thất của KLT sau thu hoạch ....................................................... 55 3.1.5. Xử lý nguyên liệu KLT để chiết tách anthocyanin ............................... 58 3.2. Chiết tách anthocyanin từ KLT ........................................................... 64 3.2.1. Chiết tách anthocyanin từ paste KLT ................................................... 65 3.2.2. Chiết tách anthocyanin từ bột KLT....................................................... 75 3.2.3. So sánh quá trình chiết anthocyanin từ paste KLT và bột KLT ........... 76 3.2.4. Xác định hàm lượng anthocyanin trong KLT ....................................... 77 3.2.5. Trung hòa dịch chiết giàu anthocyanin từ KLT .................................... 79 3.2.6. Tinh sạch dịch chiết giàu anthocyanin từ KLT ..................................... 79 3.3. Đặc tính, thành phần anthocyanin của KLT ....................................... 81 3.3.1. Đặc tính quang phổ của chất màu anthocyanin từ KLT ....................... 81 3.3.2. Xác định thành phần anthocyanin của KLT ......................................... 82 3.3.3. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến độ bền màu của anthocyanin từ KLT ................................................................................................................. 90 3.3.4. Hoạt tính sinh học anthocyanin từ KLT................................................ 94 3.4. Tạo chế phẩm màu và xây dựng tiêu chuẩn cho chế phẩm màu anthocyanin từ KLT ................................................................................... 100
iii 3.4.1. Tạo chế phẩm màu anthocyanin từ dịch chiết KLT ............................ 100 3.4.2. Đề xuất quy trình thu nhận chế phẩm màu anthocyanin từ KLT ....... 103 3.4.3. Xác định một số chỉ tiêu chất lượng của phẩm màu anthocyanin từ KLT ....................................................................................................................... 105 3.4.4. Xây dựng tiêu chuẩn cho phẩm màu anthocyanin từ KLT ................. 106 3.5. Ứng dụng phẩm màu giàu anthocyanin từ KLT trong chế biến thực phẩm ............................................................................................................. 113 3.5.1. Ứng dụng phẩm màu giàu anthocyanin từ KLT làm phụ gia tạo màu trong sản xuất kẹo dẻo................................................................................... 113 3.5.2. Nghiên cứu sản xuất bột uống hòa tan giàu anthocyanin từ KLT như một dạng thực phẩm chức năng .................................................................... 116 3.6. Tận dụng bã KLT sau khi chiết anthocyanin.................................... 123 3.6.1. Xác định một số chỉ tiêu của bã KLT ................................................. 123 3.6.2. Điều kiện thủy phân tinh bột KLT ...................................................... 124 3.6.3. Thời gian lên men ethanol bã KLT ..................................................... 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 127 A. Kết luận ................................................................................................... 128 B. Những đóng góp mới của luận án ......................................................... 128 C. Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo ............................................ 129 Các công trình khoa học đã công bố ......................................................... 130 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 131
iv LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Người cam đoan Tạ Thị Tố Quyên
v DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Abs Absorbance Độ hấp thụ AAS Atomic Absorption Spectrometer Quang phổ hấp thụ nguyên tử A. niger Aspergillus niger Aspergillus niger Antho Anthocyanin Anthocyanin Ara Arabinoside Arabinoside BHT Butylated hydroxytoluene Butylated hydroxytoluene CT Crude anthocyanin extract Dịch chiết anthocyanin thô Cy Cyanidin Cyanidin DAD Diode array detector Đầu dò iot Del Delphinidin Delphinidin Dp Delphinidin Delphinidin DPPH -diphenil--picryl-hydrazyl -diphenil--picryl-hydrazyl E. coli Escherichia coli Escherichia coli ESI Electrospray ionization Ion hoá bằng điện Gal Galactoside Galactoside Glc Glucoside Glucoside Glc-rut Glucosyl-rutinoside Glucosyl-rutinoside HPLC High performance liquid Sắc ký lỏng cao áp chromatography ISO International Organization for Tổ chức Tiêu chuẩn hoá Quốc Standardization tế KLT Purple sweet potato Khoai lang tím KPH Not detected Không phát hiện LC Liquid chromatography Sắc ký lỏng LĐ Liquid anthocyanin pigment Chế phẩm màu anthocyanin dạng lỏng LS Pure anthocyanin extract Dịch chiết anthocyanin sạch Mal Malvidin Malvidin MIC Minimum Inhibitory Concentration Nồng độ ức chế tối thiểu
vi MS Mass spectrometry Khối phổ Mv Malvidin Malvidin NMR Nuclear Magnetic Resonance Cộng hưởng từ hạt nhân Rut Rutinoside Rutinoside PDA Detector Photodiode Array Đầu dò mạch quang điện Peo Peonidin Peonidin PE Polyethylen Polyethylen Pel Pelagorindin Pelagorindin Pet Petunidin Petunidin QCVN Vietnamese standards Quy chuẩn Việt Nam QĐ-BYT Decision of the Ministry of Health Quyết định của Bộ Y tế RT Retention time Retention time Sam Sambubioside Sambubioside S. aureus Staphylococcus aureus Staphylococcus aureus S. cerevisiae Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces cerevisiae Sop Sophoroside Sophoroside SRB Sulforhodamine B Sulforhodamine B SP Powder anthocyanin pigment Chế phẩm màu anthocyanin dạng bột TCVN Vietnamese standards Tiêu chuẩn Việt Nam TSBT NM- Total number of yeast spores - Tổng số bào tử nấm men nấm NM mold mốc TSVSV HK Total aerobic microorganisms Tổng số vi sinh vật hiếu khí UPLC Ultra-performance liquid Sắc ký lỏng siêu hiệu suất chromatography QTOF MS Quadrupole time of flight Mass Thời gian bay tứ cực quang Spectrometer phổ kế Xyl Xyloside Xyloside UV-vis Ultraviolet-visible Cực tím - Nhìn thấy v/v Volume/Volume Thể tích/thể tích max Maximum absorption wavelength Bước sóng hấp thụ cực đại
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1.1. Cấu trúc của một số anthocyanidin phổ biến trong rau quả 6 Bảng 1.2. Hàm lượng anthocyanin trong một số nguyên liệu 7 Bảng 1.3. Các anthocyanin trong một số nguyên liệu 8 Bảng 1.4. Một số điều kiện chiết anthocyanin ở áp suất thường 22 Bảng 1.5. Hàm lượng anthocyanin của một số giống KLT 27 Bảng 2.1. Thực đơn sản xuất kẹo dẻo 51 Bảng 3.1. Một số thành phần hoá học của KLT 53 Bảng 3.2. Một số chỉ tiêu chất lượng của paste KLT 60 Bảng 3.3. Một số chỉ tiêu chất lượng của bột KLT 62 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của loại acid và hàm lượng acid đến hàm lượng 65 anthocyanin Bảng 3.5. Cảm quan dịch chiết anthocyanin từ KLT 66 Bảng 3.6. Điều kiện thí nghiệm để thực hiện phương pháp quy hoạch 70 thực nghiệm quay cấp II Bảng 3.7. Ma trận phương án quay cấp II và kết quả thực nghiệm 71 Bảng 3.8. Tóm tắt điều kiện chiết anthocyanin từ paste KLT và bột 75 KLT Bảng 3.9. Nồng độ ức chế một nửa (IC 50) của 2 mẫu dịch chiết 76 Bảng 3.10. Một số chỉ tiêu của dịch chiết CT và LS 79 Bảng 3.11. Thời gian lưu và diện tích các peak 82 Bảng 3.12. Thành phần chất màu anthocyanin của KLT 88 Bảng 3.13. Giá trị IC50 của chất màu CT, LS và vitamin C 94 Bảng 3.14. Đường kính vòng vô khuẩn và MIC của dịch chiết 96 anthocyanin từ KLT Bảng 3.15. Hoạt tính gây độc tế bào ung thư của dịch chiết CT 97 Bảng 3.16. Ảnh hưởng của hàm lượng maltodextrin đến quá trình sấy 100 phun Bảng 3.17. Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến quá trình sấy phun 101
viii Bảng 3.18. Ảnh hưởng của tốc độ bơm nhập liệu đến quá trình sấy phun 102 Bảng 3.19. Một số chỉ tiêu lý hóa của phẩm màu giàu anthocyanin từ 110 KLT Bảng 3.20. Sự thay đổi một số chỉ tiêu của phẩm màu giàu anthocyanin 112 từ KLT trong quá trình bảo quản Bảng 3.21. Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử đối với phẩm màu 113 giàu anthocyanin từ KLT Bảng 3.22. Kết quả đánh giá cảm quan các mẫu kẹo dẻo 117 Bảng 3.23. Một số chỉ tiêu chất lượng của kẹo dẻo 118 Bảng 3.24. Tỷ lệ phối trộn bột uống hòa tan giàu anthocyanin 121 Bảng 3.25. Chỉ tiêu cảm quan của bột uống hòa tan giàu anthocyanin từ 122 KLT Bảng 3.26. Một số chỉ tiêu lý hóa của bột uống hòa tan giàu 122 anthocyanin Bảng 3.27. Chỉ tiêu vi sinh vật của thức uống hòa tan giàu anthocyanin 123 Bảng 3.28. Sự thay đổi một số chỉ tiêu chất lượng của của bột uống hòa 125 tan giàu anthocyanin từ KLT theo thời gian bảo quản Bảng 3.29. Đề xuất các chỉ tiêu chất lượng cho sản phẩm bột uống hòa 126 tan giàu anthocyanin từ KLT Bảng 3.30. Một số chỉ tiêu chất lượng của bã KLT 104 Bảng 3.31. Ảnh hưởng của tỷ lệ bã KLT/nước đến quá trình dịch hóa, 105 đường hóa tinh bột KLT
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của gốc aglycon của anthocyanin 5 Hình 1.2. Một số nguyên liệu giàu anthocyanin 7 Hình 1.3. Ảnh hưởng của pH đến cấu trúc của anthocyanin 10 Hình 1.4. Sơ đồ phân giải anthocyanin tại pH cao 10 Hình 1.5. Củ khoai lang tím 18 Hình 1.6. Một số giống KLT ở các nước 19 Hình 1.7. Giống KLT được trồng ở Việt Nam 20 Hình 1.8. Quy trình thu nhận anthocyanin 25 Hình 1.9. Cấu trúc chung anthocyanin của KLT 28 Hình 2.1. Mặt cắt KLT giống HL491 sử dụng trong nghiên cứu 34 Hình 2.2. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát của đề tài 43 Hình 2.3. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất kẹo dẻo 51 Hình 3.1. Ảnh hưởng của vùng nguyên liệu KLT đến hàm lượng 52 anthocyanin Hình 3.2. Phân loại nguyên liệu KLT theo khối lượng 52 Hình 3.3. Ảnh hưởng của khối lượng nguyên liệu đến hàm lượng 52 anthocyanin Hình 3.4. KLT của lô L1 mọc mầm sau 6 tuần tồn trữ 55 Hình 3.5. KLT của lô L1 bị thối hỏng, khô héo sau 6 tuần tồn trữ 55 Hình 3.6. Sự biến đổi màu của KLT sau 6 tuần tồn trữ 55 Hình 3.7. Sự tổn thất khối lượng của KLT theo thời gian tồn trữ 55 Hình 3.8. Sự tổn thất hàm lượng tinh bột của KLT theo thời gian tồn 56 trữ Hình 3.9. Sự tổn thất hàm lượng anthocyanin của KLT theo thời gian 56 tồn trữ Hình 3.10. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý KLT đến hàm lượng 58 anthocyanin Hình 3.11. Ảnh hưởng của quá trình gọt vỏ đến hàm lượng anthocyanin 59
x Hình 3.12. Paste KLT 60 Hình 3.13. Ảnh hưởng của phương pháp làm khô đến hàm lượng 60 anthocyanin Hình 3.14. Sự thay đổi độ ẩm khi sấy KLT ở các nhiệt độ khác nhau 61 Hình 3.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hàm lượng anthocyanin 61 Hình 3.16. Bột KLT 62 Hình 3.17. Sự biến đổi hàm lượng anthocyanin và tinh bột của bột KLT 63 khi bảo quản Hình 3.18. Ảnh hưởng của dung môi chiết đến hàm lượng anthocyanin 64 Hình 3.19. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol/nước đến hàm lượng 66 anthocyanin Hình 3.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết đến hàm lượng anthocyanin 67 Hình 3.21. Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng anthocyanin 68 của paste KLT Hình 3.22. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến hàm lượng 68 anthocyanin của paste KLT Hình 3.23. Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng anthocyanin 74 của bột KLT Hình 3.24. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến hàm lượng 75 anthocyanin của bột KLT Hình 3.25. Ảnh hưởng của số lần chiết đến tổng lượng anthocyanin của 77 paste KLT Hình 3.26. Ảnh hưởng của số lần chiết đến tổng lượng anthocyanin của 77 bột KLT Hình 3.27. Phổ đồ của anthocyanin trong dung dịch đệm pH 1 và 4,5 80 Hình 3.28. Sắc ký đồ HPLC của anthocyanin từ KLT 82 Hình 3.29. Phổ khối lượng MS của peak 2 83 Hình 3.30. Sơ đồ phân mảnh của ion [M+H]+ có m/z = 787,23 84 Hình 3.31. Phổ khối lượng MS của peak 4 85 Hình 3.32. Sơ đồ phân mảnh của ion phân tử [M+H]+ có m/z = 907,25 86 Hình 3.33. Màu sắc của dịch chiết CT theo pH 89
xi Hình 3.34. Phổ hấp thụ của dịch chiết CT theo pH 90 Hình 3.35. Phổ hấp thụ của dịch chiết LS theo pH 90 Hình 3.36. Ảnh hưởng của pH đến bước sóng hấp phụ cực đại 91 Hình 3.37. Ảnh hưởng của pH đến độ bền màu 91 Hình 3.38. Độ bền màu anthocyanin theo thời gian ở nhiệt độ 30°C 91 Hình 3.39. Độ bền màu của anthocyanin theo thời gian ở nhiệt độ 90°C 91 Hình 3.40. Màu sắc của dịch chiết CT sau khi pha loãng 93 Hình 3.41. Sự đổi màu DPPH của mẫu CT theo nồng độ anthocyanin 93 Hình 3.42. Khả năng bắt gốc tự do DPPH của 2 mẫu dịch chiết CT, LS 93 và vitamin C theo nồng độ anthocyanin Hình 3.43. Hoạt tính kháng vi sinh vật của anthocyanin từ KLT đối với 95 E. coli Hình 3.44. Hoạt tính kháng vi sinh vật của anthocyanin từ KLT đối với 95 S. aureus Hình 3.45. Hoạt tính kháng vi sinh vật của anthocyanin từ KLT đối với 95 A. niger Hình 3.46. Hoạt tính kháng vi sinh vật của anthocyanin từ KLT đối với 95 S. cerevisiae Hình 3.47. Quy trình thu nhận chế phẩm màu giàu anthocyanin từ KLT 103 Hình 3.48. Chế phẩm màu giàu anthocyanin từ KLT 109 Hình 3.49. Mẫu kẹo dẻo sử dụng chất màu từ KLT 118 Hình 3.50. Sắc ký đồ của anthocyanin trong mẫu kẹo dẻo 119 Hình 3.51. Độ bền màu của anthocyanin trong mẫu kẹo dẻo theo thời 119 gian bảo quản Hình 3.52. Sơ đồ quy trình sản xuất bột uống hòa tan giàu anthocyanin 121 từ chất màu SP Hình 3.53. Sắc ký đồ của anthocyanin trong mẫu kẹo dẻo 124 Hình 3.54. Sự biến đổi của Bx và hàm lượng đường khử theo thời gian 106 đường hóa Hình 3.55. Sự biến đổi Bx và hàm lượng ethanol theo thời gian lên men 107
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong công nghệ chế biến thực phẩm, việc tạo màu cho sản phẩm có vai trò hết sức quan trọng bởi người tiêu dùng không chỉ mong muốn sản phẩm thơm ngon mà còn có màu sắc đẹp và đảm bảo an toàn thực phẩm. Chất màu làm tăng tính hấp dẫn cho sản phẩm thực phẩm, tăng tính cảm vị và khả năng tiêu hóa cho con người. Tuy nhiên, hiện nay phần lớn các chất màu sử dụng trong thực phẩm đều là chất màu tổng hợp, gây lo ngại về sức khỏe cho người tiêu dùng. Vì vậy, việc khai thác chất màu tự nhiên để ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm ngày càng được các nhà khoa học quan tâm, điều này không chỉ đem lại giá trị cảm quan, sự gần gũi thiên nhiên mà nó còn có ý nghĩa về mặt an toàn thực phẩm. Khoai lang tím (KLT) có tên khoa học Ipomoea batatas L, là loại nông sản có năng suất cao, vụ mùa tương đối ngắn, chứa nhiều chất dinh dưỡng, đặc biệt là hàm lượng anthocyanin cao [78]. Trong các chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên thì anthocyanin là nhóm các chất màu tự nhiên tan trong nước lớn nhất trong thế giới thực vật. Ngoài việc tạo màu sắc đẹp và an toàn cho thực phẩm, anthocyanin còn là hợp chất có nhiều hoạt tính sinh học như: khả năng kháng oxy hóa, kháng khuẩn, chống viêm, ngăn ngừa và hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư, chống các tia phóng xạ, hạn chế bệnh tim mạch, v.v... [63], [76], [93]. Đây là những hoạt tính sinh học quý mà không phải hợp chất thiên nhiên nào cũng có được. Trên thế giới, có nhiều giống KLT khác nhau và được trồng rộng rãi ở nhiều nước. Đã và đang có nhiều nghiên cứu về anthocyanin từ nhiều giống KLT khác nhau, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào xác định hàm lượng, điều kiện chiết tách, thành phần anthocyanin và hoạt tính sinh học của anthocyanin từ các giống KLT này. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có nghiên cứu nào được công bố về quy trình thu nhận chất màu anthocyanin từ KLT nhằm ứng dụng trong chế biến thực phẩm. Ở Việt Nam, KLT được trồng ở nhiều nơi, đặc biệt là các tỉnh Đồng bằng sông
2 Cửu Long. Giống KLT đang được trồng phổ biến ở Việt Nam là HL491, giống này do Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc lai tạo và giới thiệu từ tổ hợp Murasakimasari polycross nguồn gốc Nhật Bản [123]. Nguồn nguyên liệu KLT giống HL491 ở Việt Nam dồi dào, giá rẻ và việc tiêu thụ khó khăn chủ yếu phụ thuộc vào thương lái Trung Quốc nên thường rơi vào cảnh được mùa mất giá. Đồng thời, các nghiên cứu về hàm lượng, thành phần và hoạt tính sinh học của anthocyanin từ KLT giống HL491 còn rất hạn chế. Ngoài thành phần anthocyanin, KLT còn chứa hàm lượng tinh bột lớn. Tinh bột của khoai lang nói chung và khoai lang tím nói riêng là một nguồn nguyên liệu lý tưởng cho việc sản xuất ethanol [34], [126]. Do đó, vấn đề cần đặt ra là khi nghiên cứu chiết tách anthocyanin từ KLT không làm mất đi giá trị của nguồn tinh bột dồi dào này. Xuất phát từ những lý do trên, hướng nghiên cứu của đề tài được lựa chọn là nghiên cứu xác định thành phần các anthocyanin, độ bền màu và hoạt tính sinh học của anthocyanin từ KLT giống HL491. Đồng thời, nghiên cứu xây dựng quy trình thu nhận chất màu và xây dựng tiêu chuẩn cho chất màu anthocyanin từ KLT. Và cuối cùng nghiên cứu ứng dụng chất màu anthocyanin thu được trong chế biến một số sản phẩm thực phẩm. Điều này không chỉ nâng cao giá trị sử dụng của KLT giống HL491 ở Việt Nam, mà còn tạo ra được chế phẩm màu tự nhiên nhằm thay thế chất màu nhân tạo luôn tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn thực phẩm. Đồng thời, các sản phẩm thực phẩm có ứng dụng chất màu tự nhiên anthocyanin không chỉ có màu sắc đẹp mà còn có nhiều hoạt tính sinh học. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng quy trình công nghệ thu nhận chất màu anthocyanin từ KLT và xây dựng tiêu chuẩn cho chất màu thu được. - Ứng dụng chất màu anthocyanin từ KLT trong chế biến một số sản phẩm thực phẩm. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu lựa chọn, xử lý nguyên liệu KLT để thu nhận chất màu
3 anthocyanin; - Nghiên cứu thành phần các anthocyanin, độ bền màu và hoạt tính sinh học của anthocyanin từ KLT giống HL491; - Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ thu nhận chất màu anthocyanin và xây dựng tiêu chuẩn cho chất màu thu được. - Nghiên cứu ứng dụng chất màu anthocyanin từ KLT trong chế biến một số sản phẩm thực phẩm. - Nghiên cứu tận dụng bã KLT sau khi chiết chất màu anthocyanin. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài như: - Các phương pháp hóa lý: phương pháp xác định độ ẩm, hàm lượng kim loại nặng, hàm lượng đường khử, tinh bột, hàm lượng protein, hàm lượng cellulose, acid tổng số, hàm lượng ethanol, hàm lượng phenol tổng số, hàm lượng anthocyanin; phương pháp đo cường độ màu sắc, xác định độ màu, % màu polyme, độ bền màu của anthocyanin, xác định hoạt tính kháng oxy hoá. - Các phương pháp sinh học: xác định hoạt tính kháng vi sinh vật, hoạt tính gây độc tế bào ung thư, xác định số lượng vi sinh vật. - Các phương pháp toán học: phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phương pháp tối ưu hoá hàm đa mục tiêu, phương pháp giải bài toán tìm cực đại hàm mục tiêu, phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm. - Phương pháp đánh giá cảm quan sản phẩm: phương pháp đánh giá cảm quan thị hiếu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học - Xác định điều kiện chiết tách anthocyanin từ KLT cho hàm lượng và độ màu của anthocyanin thu được lớn. - Xác định độ bền màu, thành phần của các anthocyanin và hoạt tính sinh học của anthocyanin từ KLT giống HL491. - Thiết lập quy trình thu nhận chất màu anthocyanin từ KLT tạo thành chế
4 phẩm màu tự nhiên nhằm ứng dụng trong công nhệ thực phẩm. - Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho chất màu anthocyanin từ KLT với vai trò phụ gia tạo màu trong công nghệ thực phẩm. * Ý nghĩa thực tiễn - Nâng cao được giá trị của KLT giống HL491 được trồng nhiều ở Việt Nam, góp phần tăng thu nhập cho người nông dân. - Thu nhận chất màu tự nhiên anthocyanin từ KLT nhằm ứng dụng trong công nghệ thực phẩm nhằm thay thế chất màu nhân tạo luôn tiềm ẩn nguy cơ gây hại cho sức khỏe người tiêu dùng. - Tạo ra chế phẩm màu tự nhiên từ nguồn nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền; chất màu này khi ứng dụng vào thực phẩm không chỉ mang lại màu sắc mà còn giúp cho thực phẩm có hoạt tính sinh học. - Tạo ra một số sản phẩm thực phẩm giàu hợp chất màu anthocyanin như một dạng thực phẩm chức năng có tác dụng chống oxy hóa, tăng cường sức khỏe, ngăn ngừa ung thư, v.v... 6. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 143 trang, trong đó có 37 bảng và 67 hình. Phần mở đầu 04 trang, kết luận và kiến nghị 03 trang, các công trình khoa học đã công bố 01 trang, tài liệu tham khảo 13 trang. Nội dung chính của luận án gồm 122 trang, chia làm 03 chương: Chương 1: Tổng quan (29 trang); Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu (19 trang); Chương 3: Kết quả và thảo luận (74 trang).
5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT MÀU ANTHOCYANIN 1.1.1. Cấu trúc của anthocyanin Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, trong đó anthocyanin là sự kết hợp giữa Anthos - nghĩa là hoa và Kyanos - nghĩa là màu xanh. Tuy nhiên, không chỉ có màu xanh, anthocyanin còn mang đến cho thực vật nhiều màu sắc rực rỡ khác như hồng, đỏ, cam và các gam màu trung gian. Anthocyanin thuộc nhóm các hợp chất flavonoid, là những hợp chất glycoside của anthocyanidin (hay còn gọi là aglycon). Nói cách khác anthocyanin là hợp chất của anthocyanidin với đường (có thể liên kết với các acid hữu cơ trong trường hợp anthocyanin bị acyl hóa). Gốc aglycon có cấu trúc cơ bản ở Hình 1.1. Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của gốc aglycon của anthocyanin [29] Khung carbon của anthocyanin gồm hai vòng benzen A, B, và vòng pyran C trong đó vòng A kết hợp với vòng C tạo thành vòng chromane. Trong cấu trúc vòng pyran có chứa oxy mang điện tích dương tự do. Nhờ có điện tích dương tự do mà các anthocyanin trong dung dịch acid mang đặc tính như những cation và tạo muối được với các acid. Ngược lại trong dung dịch kiềm chúng có vai trò như anion và tạo muối với base [29]. Do có sự thay thế gốc R ở nhân A, B, C bởi các nhóm hydroxyl hay methoxy khác nhau nên tạo ra nhiều loại anthocyanidin khác nhau. Cho đến nay, người ta đã xác định được 18 loại anthocyanidin khác nhau, trong đó 6 loại phổ biến nhất là: pelargonidin, malvidin, delphinidin, peonidin, petunidin, cyanidin (Bảng 1.1) [36].
6 Bảng 1.1. Cấu trúc của một số anthocyanidin phổ biến trong rau quả [36] Anthocyanidin R3′ R4′ R5′ R3 R5 R6 R7 Cyanidin −OH −OH −H −OH −OH −H −OH Delphinidin −OH −OH −OH −OH −OH −H −OH Pelargonidin −H −OH −H −OH −OH −H −OH Malvidin −OCH3 −OH −OCH3 −OH −OH −H −OH Peonidin −OCH3 −OH −H −OH −OH −H −OH Petunidin −OH −OH −OCH3 −OH −OH −H −OH Màu sắc của các anthocyanidin khác nhau tương ứng với số lượng các nhóm hydroxyl, gắn vào phân tử của chúng (đặc biệt là những nhóm thay thế trong vòng B). Với sự gia tăng của các nhóm hydroxyl, màu sắc hiển thị của chúng có sự thay đổi từ màu cam sang màu tím [29]. Sự khác nhau giữa các anthocyanin được xác định bởi sự khác nhau giữa số lượng và vị trí của nhóm hydroxyl trong phân tử; mức độ methyl hóa của nhóm hydroxyl; bản chất, vị trí của các nhóm đường gắn vào phân tử; bản chất, số nhóm acid mạch thẳng hay mạch vòng gắn vào phân tử. Anthocyanin có thể được acyl hóa bởi các acid hữu cơ phân tử lượng thấp bằng liên kết este với nhóm OH- của phần glucoside hoặc của phần aglycon. Các acid tạo gốc acyl có thể là: acid p-coumaric, acid ferulic, acid cinnamic, acid caffeic, acid malonic, acid acetic,.... Sự acyl hóa dẫn đến thay đổi màu sắc và tăng độ bền của anthocyanin [53], [98]. Anthocyanin có tính tan tốt hơn và bền hơn anthocyanidin là nhờ được gắn thêm một hoặc nhiều gốc đường, thường hay gặp là rhamnose, galactose, arabinose, xylose. Các gốc đường có thể được gắn vào vị trí 3,5,7 nhưng thường được gắn vào vị trí 3 và 5 còn gắn vào vị trí 7 rất ít. Phân tử anthocyanin có gắn đường vào vị trí 3 gọi là monoglucoside, còn gắn đường vào cả vị trí 3 và 5 gọi là diglucoside. 1.1.2. Sự phân bố anthocyanin trong tự nhiên Trong các chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên thì anthocyanin là nhóm các chất màu tự nhiên tan trong nước lớn nhất trong thế giới thực vật. Chúng xuất
7 hiện rộng rãi trong khoảng ít nhất 27 họ, 73 loài và chứa trong các không bào thực vật [109]. Một số loại rau, hoa, quả có màu từ đỏ đến tím chứa anthocyanin với hàm lượng cao như: việt quất, mâm xôi, khoai lang tím, quả nho, quả dâu, bắp cải tím, lá tía tô, hoa hibicus, đậu đen, vỏ cà tím, gạo nếp than, gạo đỏ,… Nhìn chung, hàm lượng anthocyanin trong phần lớn rau quả dao động từ 0,1 đến 1% hàm lượng chất khô [46]. Một số nguyên liệu giàu anthocyanin được thể hiện trên Hình 1.2. Quả việt quất Bắp cải tím Quả nho Quả cà tím Bắp tím Gạo đỏ Khoai lang tím Quả cherry Hình 1.2. Một số nguyên liệu giàu anthocyanin Hàm lượng anthocyanin liên quan trực tiếp với độ đậm của màu sắc quả, quả càng đậm màu thì hàm lượng anthocyanin càng cao [29]. Hàm lượng của anthocyanin trong một số loại rau quả được trình bày ở Bảng 1.2. Bảng 1.2. Hàm lượng anthocyanin trong một số nguyên liệu [34] STT Nguyên liệu Hàm lượng anthocyanin (mg/100g nguyên liệu) 1 Mận 2-25 2 Củ cải đỏ 11-60 3 Dâu tây 15-35 4 Khoai lang tím 84-174 5 Bắp cải tím 25 6 Việt quất 25-495 7 Mâm xôi 83-326 8 Nho 6-600
8 Anthocyanin trong mỗi thực vật không phải là một chất thuần nhất mà là một hỗn hợp nhiều loại anthocyanin khác nhau. Tỷ lệ của các anthocyanin trong rau quả phụ thuộc vào loài, giống cây. Cho đến nay đã có hơn 635 loại anthocyanin trong tự nhiên được xác định [47]. Các loại anthocyanin trong một số loại thực vật được thể hiện ở Bảng 1.3. Bảng 1.3. Các anthocyanin trong một số nguyên liệu [33] STT Nguyên liệu Loại anthocyanin 1 Táo Cy-3-glc, Cy-3-ara, Cy-7-ara 2 Lê Cy-3-gal 3 Lý chua đen Cy-3-glc, Cy-3-rut, Del-3-glc 4 Đào Cy-3-glc 5 Cam Cy-3-glc, Del-3-glc, Pet-3-gly, Cy-3-gly, Del-3-glc, Del- 3-glc-glc 6 Anh đào chua Cy-3-glc, Cy-3-rut, Cy-3-glc-rut, Cy-3-sop 7 Anh đào ngọt Cy-3-glc, Cy-3-rut 8 Mâm xôi Cy-3-glc, Cy-3-rut 9 Việt quất Pet-3-gly, Cy-3-gly, Del-3-gic, Del-3-gal, Mal-3-glc 10 Sung Cy-3-gly 11 Lý chua đỏ Del-3-glc, Cy-3-xyl-rut, Cy-3-glc-rut, Cy-3-sop, Cy-3-sam 12 Dâu tây Pel-3-glc, Pel-3-gal, Cy-3-glc, 13 Nho Cy-, Del-, Peo-, Pet-, Mal-3-glc, Mal-3,5-diglc, Mal-3-p- curmaroylglc-5-glc, Mal-3-p-caffeoylglc-5-glc, Peo-3-p-curmaroylglc-5-glc 14 Mận khô Cy-3-glc, Cy-3-rut, Peo-3-glc, Peo-3-rut 15 Chuối Pet-3-gly 16 Lạc tiên Del-3-glc, Del-3-glc-glc 1.1.3. Đặc tính quang phổ của anthocyanin Anthocyanin là hợp chất có khả năng hấp thụ các tia sáng trong vùng nhìn thấy. Độ hấp thụ anthocyanin phụ thuộc vào dung môi, pH và nồng độ của anthocyanin. Thông thường, pH ở vùng acid mạnh sẽ có độ hấp thụ lớn hơn [58]. Độ hấp thụ thể hiện bản chất của mỗi loại anthocyanin do khả năng hấp thụ khác nhau của chúng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, các anthocyanin có độ hấp
9 thụ cực đại ở bước sóng 510-540nm. Độ hấp thụ liên quan mật thiết đến màu sắc của anthocyanin và tỷ lệ thuận với nồng độ của chúng. Ngoài ra, anthocyanin còn có khả năng hấp thụ tia tử ngoại do hệ thống nối đôi liên hợp tạo ra bởi 2 vòng benzene A, B và vòng pyran C [2]. Các aglycon khác nhau có bước sóng hấp thụ cực đại khác nhau, ví dụ bước sóng hấp thụ cực đại của anthocyanin trong dung dịch methanol có 0,01% HCl là: Pelgonidin có max = 520nm (cam); Cyanidin có max = 535nm (đỏ cam); Dephinidin có max = 545nm (đỏ xanh) [45]. 1.1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền màu của anthocyanin 1.1.4.1. Ảnh hưởng của cấu trúc Độ bền màu và cường độ màu của các anthocyanin phụ thuộc vào vị trí và số lượng của các nhóm hydroxyl, methoxy, đường và các đường được acyl hóa. Khi số nhóm hydroxyl trong vòng B tăng, bước sóng hấp thu cực đại ở vùng thấy được dịch chuyển về phía có bước sóng dài [45]. Khi mức độ hydroxyl hóa các aglycon tăng, tính bền của các anthocyanin sẽ tăng. Tuy nhiên khi tăng sự methoxy hóa, sẽ thu được kết quả ngược lại. Sự có mặt của nhóm OH ở vị trí 4' và 7 trong phân tử làm bền hóa đáng kể các chất màu, trong khi đó, sự methoxy hóa các nhóm hydroxyl này làm giảm độ bền [58]. Sự glycosyl hóa và acyl hóa những nhóm OH tự do làm tăng tính bền của anthocyanin. Vì vậy, các diglucoside bền hơn các monoglucoside của cùng một anthocyanin. Anthocyanin có chứa nhóm acyl bền trong môi trường trung tính hoặc acid yếu do liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl của các nhân phenolic trong anthocyanin và acyl vòng thơm [113]. 1.1.4.2. Ảnh hưởng của pH Sự thay đổi pH làm cho cấu trúc của anthocyanin thay đổi kéo theo sự đổi màu. Do trên gốc aglycon có mang điện tích dương nên các anthocyanin có khả năng nhận H+ hoặc OH-, từ đó dẫn đến sự thay đổi màu sắc của anthocyanin. Khi tăng nhóm OH- màu của anthocyanin chuyển theo hướng sắc màu xanh, khi tăng H+ sẽ đổi theo hướng tạo màu đỏ [30].