Luận án Thu nhận dịch chiết giàu hợp chất có hoạt tính sinh học từ cây xáo tam phân nhằm ứng dụng trong thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGUYÊN THẢO THU NHẬN DỊCH CHIẾT GIÀU HỢP CHẤT CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ CÂY XÁO TAM PHÂN NHẰM ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 9.54.01.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Thành phố Hồ Chí Minh – 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH -------------------- NGUYỄN THỊ NGUYÊN THẢO THU NHẬN DỊCH CHIẾT GIÀU HỢP CHẤT CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ CÂY XÁO TAM PHÂN NHẰM ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 9.54.01.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Minh Xuân Hồng PGS.TS. Phan Phước Hiền Thành phố Hồ Chí Minh - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài “Thu nhận dịch chiết giàu hợp chất có hoạt tính sinh học từ cây xáo tam phân nhằm ứng dụng trong thực phẩm” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác cho tới thời điểm này. Tác giả luận án Nguyễn Thị Nguyên Thảo ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Thu nhận dịch chiết giàu hợp chất có hoạt tính sinh học từ cây xáo tam phân nhằm ứng dụng trong thực phẩm”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và tạo điều kiện của tập thể lãnh đạo, cán bộ, giảng viên, chuyên viên và các em học viên cao học, sinh viên Khoa Công nghệ Hoá học và Thực phẩm – Trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM; Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau Đại học, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM; Ban giám hiệu và Khoa Khoa học Tự nhiên – Trường Đại học Phú Yên; Các thầy cô Bộ môn Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM; Các nhà khoa học và Trung tâm chuyển giao công nghệ thuộc Viện Hoá học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại Tp.HCM; Các cơ quan, đơn vị tư nhân đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện thí nghiệm. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ trên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến TS. Nguyễn Minh Xuân Hồng và PGS.TS. Phan Phước Hiền đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình và bạn bè luôn động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Nguyên Thảo iii TÓM TẮT LUẬN ÁN Tên luận án: Thu nhận dịch chiết giàu hợp chất có hoạt tính sinh học từ cây xáo tam phân nhằm ứng dụng trong thực phẩm. Tác giả: NCS. Nguyễn Thị Nguyên Thảo Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm. Mã số: 9.54.01.01 Luận án tập trung vào việc nghiên cứu chiết xuất các hợp chất sinh học từ cây xáo tam phân (Paramignya trimera (Oliv.) Guillaum) và ứng dụng chúng trong thực phẩm. Mục tiêu của nghiên cứu là (i) xác định thành phần hoá học của cây qua các độ tuổi để chọn ra thời điểm thu hoạch tối ưu; (ii) khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly phenolic và saponin, và tối ưu hóa phương pháp trích ly; (iii) đánh giá hiệu quả cô đặc dịch chiết bằng phương pháp cô đặc lạnh đông; (iv) chọn được hệ màng bao thích hợp bao gói dịch chiết; (v) ứng dụng chế phẩm trích ly từ xáo tam phân trong chế biến bánh quy nhằm đem lại giá trị dinh dưỡng cao. Đầu tiên, nghiên cứu xác định được lá cây XTP 4 tuổi chứa hàm lượng cao các hợp chất phenolic và saponin, đồng thời là nguồn nguyên liệu có tính bền vững và kinh tế cao hơn so với các bộ phận khác của cây. Nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa quá trình trích ly bằng cách sử dụng enzyme (pectinase và cellulase) và siêu âm, giúp tăng hiệu suất trích ly các hợp chất sinh học. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp kết hợp siêu âm và enzyme (U-EAE) mang lại hiệu quả cao nhất, với hàm lượng phenolic và saponin tăng lần lượt là 95% và 129% so với mẫu không xử lý. Dịch chiết sau đó được làm giàu bằng kỹ thuật cô đặc lạnh đông khối và đánh giá hiệu quả của quy trình đạt 65 – 67%. Tiếp theo, nghiên cứu đã sử dụng hệ màng bao sodium alginate-chitosan để bảo vệ dịch chiết, giúp giảm thiểu sự mất mát các hợp chất sinh học trong quá trình bảo quản và chế biến thực phẩm. Đánh giá động học giải phóng các hợp chất từ màng bao iv cho thấy hiệu quả của việc bao gói trong việc duy trì hoạt tính của các hợp chất sinh học ở các điều kiện nhiệt độ và pH khác nhau. Cuối cùng, ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu được thể hiện qua việc bổ sung dịch chiết và hạt vi bao vào bánh quy, làm tăng giá trị dinh dưỡng và thời gian bảo quản sản phẩm. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng cây xáo tam phân trong thực phẩm chức năng và dược phẩm, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu phát triển sản phẩm mới từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên giàu các hợp chất sinh học. v ABSTRACT The thesis focuses on studying the extraction of bioactive compounds from the xao tam phan (Paramignya trimera (Oliv.) Guillaum) plant and their application in food. The research objectives are (i) to identify the chemical compositions of the XTP plant at different ages to select optimal harvesting time; (ii) to investigate the factors influencing the extraction process of phenolic and saponin compounds, and optimize the extraction method; (iii) to evaluate the efficiency of the extract concentrating using cryo-concentration methods; (iv) to select a suitable encapsulation membrane for the XTP extract; (v) to apply the XTP extract in the biscuit formula for nutritional enhancement. Firstly, the study has identified that the 4-year-old XTP leaves contain high amounts of phenolics and saponins, and are also a more sustainable and economically viable source than other parts of the plant. The study has further optimized the extraction process by treatment with enzymes (pectinase and cellulase) and ultrasound, which increases the extraction efficiency of bioactive compounds. The results showed that the combined ultrasound and enzyme method (U-EAE) is the most effective, with phenolic and saponin amounts increasing by 95% and 129%, respectively, compared to the untreated sample. The extract is then enriched using a freeze concentration technique, and the efficiency of the process has been obtained at 65 - 67%. Next, the study employed the sodium alginate-chitosan encapsulation membrane to protect the extract and minimize the loss of bioactive compounds during food preservation and processing. The kinetic evaluation of the compound released from the encapsulation showed the effectiveness of encapsulation in maintaining the activity of the bioactives under different temperature and pH conditions. vi Finally, the practical application of the research has demonstrated by supplement the extract and microencapsulated beads to biscuits, enhancing the nutritional value and shelf-life of the product. These results have provided a scientific basis for the application of the XTP plant in functional foods and pharmaceuticals, and generate new directions for developing products from natural resources rich in bioactive compounds. vii MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................................i Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii Tóm tắt luận án .......................................................................................................... iii Abstract ....................................................................................................................... v Mục lục ..................................................................................................................... vii Danh mục các từ viết tắt .......................................................................................... xiii Mục lục bảng ............................................................................................................. xv Mục lục hình .......................................................................................................... xvii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 5 1.1. Tổng quan về cây xáo tam phân ........................................................................... 5 1.1.1. Đặc điểm thực vật học và sự phân bố ............................................................... 5 1.1.2. Thành phần hoá học và hoạt tính sinh học của cây xáo tam phân .................... 6 1.1.2.1. Thành phần hoá học ....................................................................................... 6 1.1.2.2. Hoạt tính sinh học của cây XTP ................................................................... 11 1.2. Phương pháp thu nhận các hợp chất sinh học từ thực vật .................................. 12 1.2.1. Phương pháp trích ly với sự hỗ trợ của enzyme (EAE) .................................. 13 1.2.1.1. Cấu tạo thành tế bào thực vật và cơ chế phân cắt đặc hiệu của các enzyme14 1.2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly enzyme .................................. 16 1.2.2. Phương pháp trích ly với sự hỗ trợ của sóng siêu âm (UAE) ......................... 17 1.2.2.1. Cơ chế tác động của sóng siêu âm trong môi trường lỏng ........................... 17 1.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly bằng siêu âm .......................... 19 1.2.3. Trích ly bằng enzyme có hỗ trợ của sóng siêu âm (UAEE) ........................... 20 1.3. Làm giàu các hợp chất sinh học của dịch chiết bằng kỹ thuật cô đặc lạnh........ 21 1.3.1. Tổng quan về kỹ thuật cô đặc chất lỏng .......................................................... 21 1.3.2. Kỹ thuật cô đặc lạnh và một vài ứng dụng trong thực phẩm .......................... 22 1.4. Công nghệ vi bao các hợp chất có hoạt tính sinh học ........................................ 24 viii 1.4.1. Kỹ thuật vi bao ................................................................................................ 24 1.4.2. Kỹ thuật vi bao đông tụ (coacervation) ........................................................... 25 1.4.3. Vật liệu màng bao ........................................................................................... 26 1.4.3.1. Sodium alginate (SA) ................................................................................... 26 1.4.3.2. Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) .................................................... 27 1.4.3.3. Chitosan ........................................................................................................ 27 1.4.3.4. Pectin ............................................................................................................ 27 1.4.4. Động học giải phóng các hợp chất sinh học bên trong hạt vi bao .................. 28 1.4.5. Ứng dụng hạt vi bao trong thực phẩm ............................................................ 29 1.4.5.1. Tổng quan về ứng dụng hạt vi bao trong thực phẩm ................................... 29 1.4.5.2. Ứng dụng hạt vi bao vào bánh quy .............................................................. 30 1.4.6. Đánh giá một số tính chất sinh học của thực phẩm bằng phương pháp tiêu hoá trong ống nghiệm (In vitro digestion) ............................................................ 35 1.4.6.1. Phương pháp tiêu hoá trong ống nghiệm (In vitro) ...................................... 35 1.4.6.2. Khả năng tiếp cận sinh học (bioaccessibility) .............................................. 35 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 37 2.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ...................................................................... 37 2.2. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................ 37 2.2.1. Xáo tam phân .................................................................................................. 37 2.2.2. Các chế phẩm enzyme ..................................................................................... 38 2.2.3. Vật liệu vi bao và hoá chất phân tích .............................................................. 38 2.2.4. Nguyên liệu làm bánh ..................................................................................... 39 2.2.5. Thiết bị ............................................................................................................ 39 2.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 39 2.3.1. Phân tích nguyên liệu ...................................................................................... 39 2.3.1.1. Khảo sát TPC và TSC ở các bộ phận cây và độ tuổi khác nhau .................. 39 2.3.1.2. Khảo sát thành phần hoá học của các bộ phận cây xáo tam phân ............... 41 2.3.2. Khảo sát các thông số kỹ thuật của quá trình trích ly các hoạt chất sinh học của xáo tam phân với sự hỗ trợ của enzyme ......................................................... 41 ix 2.3.2.1. Thí nghiệm sơ bộ .......................................................................................... 41 2.3.2.2. Thí nghiệm sàng lọc các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình xử lý enzyme pectinase và cellulase ........................................................................ 43 2.3.2.3. Thí nghiệm tối ưu hóa các thông số trích ly phenolic và saponin từ lá cây xáo tam phân sử dụng hỗn hợp enzyme pectinase và cellulase ............................ 44 2.3.3. Khảo sát các thông số kỹ thuật của quá trình trích ly TPC, TSC từ lá xáo tam phân với sự hỗ trợ của sóng siêu âm .............................................................. 45 2.3.3.1. Thí nghiệm sơ bộ .......................................................................................... 45 2.3.3.2. Tối ưu hóa các thông số trích ly phenolic và saponin từ cây XTP với sự hỗ trợ của siêu âm ............................................................................................... 45 2.3.4. So sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý ................................................. 46 2.3.5. Khảo sát các thông số kỹ thuật của quá trình cô đặc lạnh .............................. 46 2.3.6. Khảo sát các thông số kỹ thuật của quá trình vi bao dịch trích bằng phương pháp giọt tụ ..................................................................................................... 48 2.3.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của loại màng bao đến hiệu quả vi bao ....................... 48 2.3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ vật liệu màng bao đến hiệu quả vi bao .......... 48 2.3.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dịch trích và màng bao đến hiệu quả vi bao .. 48 2.3.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự ổn định của hạt vi bao ......................... 49 2.3.6.5. Khảo sát động học phóng thích TPC, TSC trong môi trường nước............. 49 2.3.7. Ứng dụng dịch trích và hạt vi bao trong sản phẩm bánh quy ......................... 49 2.3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ hạt vi bao đến chỉ tiêu chất lượng bánh quy ........ 49 2.3.7.2. Đánh giá ảnh hưởng của dịch chiết và hạt vi bao đến chất lượng của bánh quy theo thời gian và nhiệt độ bảo quản ............................................................... 50 2.3.7.3. Sự giải phóng TPC, TSC và hoạt tính chống oxy hoá của bánh quy bổ sung dịch trích XTP trong quá trình tiêu hoá in vitro ............................................. 50 2.4. Các phương pháp phân tích và xử lý số liệu ...................................................... 52 2.4.1. Xác định hàm lượng ẩm .................................................................................. 52 2.4.2. Xác định hàm lượng TPC, TSC ...................................................................... 52 2.4.3. Phân tích sắc ký khối phổ LC-QTOF .............................................................. 52 x 2.4.4. Hàm lượng chất khô tổng ................................................................................ 52 2.4.5. Xác định hoạt tính chống oxy hoá .................................................................. 52 2.4.6. Xác định thành phần hoá học của nguyên liệu................................................ 52 2.4.7. Hiệu quả cô đặc lạnh ....................................................................................... 53 2.4.8. Xác định hiệu quả vi bao (MEE: microencapsulation efficiency) .................. 53 2.4.9. Xác định mô hình giải phóng TPC, TSC từ hạt vi bao ................................... 53 2.4.10. Phân tích hình thái học .................................................................................. 54 2.4.11. Phương pháp xác định màu sắc ..................................................................... 54 2.4.12. Phương pháp đo độ cứng bánh ...................................................................... 54 2.4.13. Phương pháp cảm quan ................................................................................. 54 2.4.14. Phương pháp xác định hoạt độ nước (Aw) .................................................... 55 2.4.15. Tính toán động học phân huỷ TPC, TSC trong điều kiện bảo quản ............. 55 2.4.16. Chỉ số peroxide (PV) ..................................................................................... 56 2.4.17. Chỉ số khả năng tiếp cận sinh học (BI) ......................................................... 56 2.4.18. Phương pháp xử lý thống kê ......................................................................... 56 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 57 3.1. Thành phần hoá học của cây xáo tam phân ....................................................... 57 3.1.1. Hàm lượng TPC và TSC của các bộ phận cây ở những độ tuổi khác nhau .... 57 3.1.2. Thành phần hóa học của xáo tam phân ........................................................... 58 3.2. Trích ly các hoạt chất sinh học từ lá cây XTP với sự hỗ trợ của enzyme .......... 60 3.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện trích ly enzyme đến hàm lượng TPC và TSC trong dịch chiết ........................................................................................................ 60 3.2.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/nguyên liệu ........................................................ 60 3.2.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến TPC, TSC ......................................... 61 3.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian thuỷ phân đến TPC, TSC .................................... 63 3.2.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ thuỷ phân đến TPC, TSC...................................... 64 3.2.1.5. Ảnh hưởng của pH dịch chiết đến TPC, TSC .............................................. 65 3.2.2. Tối ưu hóa các thông số trích ly phenolic và saponin từ lá cây xáo tam phân sử dụng hỗn hợp enzyme pectinase và cellulase ................................................. 66 xi 3.2.2.1. Sàng lọc các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trích ly bằng enzyme ......... 66 3.2.2.2. Tối ưu hóa điều kiện trích ly phenolic và saponin từ lá cây xáo tam phân sử dụng hỗn hợp enzyme pectinase và cellulase ................................................. 68 3.3. Trích ly các hoạt chất sinh học từ lá XTP với sự hỗ trợ của sóng siêu âm ........ 74 3.3.1. Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đến TPC và TSC ................................... 75 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý siêu âm đến hiệu quả trích ly TPC, TSC ...... 76 3.3.3. Tối ưu hoá các thông số trích ly phenolic v