Động học giải phóng các hợp chất sinh học bên trong hạt vi bao
Quá trình giải phóng các hợp chất chứa trong polymer đi vào pha lỏng là một quá
trình phức tạp liên quan đến các cơ chế truyền khối khác nhau. Sự giải phóng các
hoạt chất từ hạt polymer bao gồm ba cơ chế khác nhau: (i) giải phóng do xói mòn
polymer, (ii) khuếch tán qua nền trương nở và (iii) giải phóng khỏi bề mặt hạt
(Unagolla & Jayasuriya, 2018). Ngoài ba cơ chế này, quá trình giải phóng hoạt chất
có kiểm soát về mặt hóa học cũng có thể xảy ra trong hệ thống polymer hydrogel.
Trong trường hợp này, sự giải phóng hoạt chất được xác định bởi các phản ứng hóa
học xảy ra giữa mạng lưới polymer và chất được giải phóng (Unagolla & Jayasuriya,
2018). Do vậy, kiến thức về động học giải phóng cần thiết để sử dụng hiệu quả hệ
thống phân phối các hoạt chất. Cơ chế giải phóng này phụ thuộc vào tính chất vật lý
và hóa học của cả hoạt chất và chất mang, như độ xốp, độ nhám bề mặt, thành phần
hóa học, trọng lượng phân tử, tốc độ phân hủy, kích thước hạt, lượng hợp chất, tương
tác giữa chất nền với các thành phần (Unagolla & Jayasuriya, 2018).
Mô hình động học được sử dụng phổ biến nhất trong nghiên cứu giải phóng các
chất từ các hệ thống hạt polymer là mô hình Ritger-Peppas (Ritger & Peppas, 1987).
Mô hình này đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng thành công để mô tả quá trình
giải phóng hoạt chất thông qua cơ chế khuếch tán Fickian (Unagolla & Jayasuriya,
2018). Ngoài ra, còn có mô hình Higuchi (Higuchi, 1961), đây là mô hình mô tả tỷ lệ
thuận trực tiếp giữa lượng chất tích lũy được giải phóng theo thời gian dựa trên cách
tiếp cận trạng thái giả ổn định, và thường được sử dụng để mô tả cơ chế vận chuyển
các chất của màng hydrogel mỏng, hệ thống hydrogel hình cầu. Bên cạnh hai mô hình
phổ biến trên, cơ chế giải phóng hoạt chất còn được tính toán dựa trên các mô hình
bậc 0, bậc nhất và mô hình Peppas-Sahlin (Unagolla & Jayasuriya, 2018).
Mô hình giải phóng hoạt chất thường được áp dụng trong các hệ thống phân phối
hydrogel như chitosan-alginate (Li và cộng sự, 2015), HPMC-alginate (Hu và cộng
sự, 2018), cyclodextrin-alginate (Nguyen C. H. và cộng sự, 2022). Việc sử dụng các
mô hình thực nghiệm này để mô phỏng đặc tính giải phóng hoạt chất là một hàm số
theo thời gian liên quan đến lượng hoạt chất được giải phóng. Các giá trị định lượng
từ đường cong giải phóng được giải thích bằng các phương trình toán học. Từ mô
hình toán học và phân tích thống kê có thể hiểu được cơ chế hòa tan của các hoạt chất
(Jose và cộng sự, 2013). Để nghiên cứu cơ chế giải phóng và dự đoán khả năng phóng
thích hợp chất TPC, TSC trong hạt vi bao từ môi trường nước, trong nghiên cứu này,
một số mô hình động học được áp dụng để dự đoán tốc độ giải phóng TPC và TSC.
171 trang |
Chia sẻ: Tuệ An 21 | Ngày: 08/11/2024 | Lượt xem: 78 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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