Luận án Trích ly và vi bao gaba và các hợp chất tự nhiên từ hạt đậu xanh nảy mầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH VŨ THUỲ ANH TRÍCH LY VÀ VI BAO GABA VÀ CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TỪ HẠT ĐẬU XANH NẢY MẦM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 9.54.01.01 Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Phan Tại Huân LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TP. HCM, năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả của luận án: “Trích ly và vi bao GABA và các hợp chất tự nhiên từ hạt đậu xanh nảy mầm" 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, ngoại trừ các bài báo của tôi đã đăng trên các tạp chí trong và ngoài nước. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 05 năm 2024 Tác giả luận án Vũ Thuỳ Anh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Công Nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ và tạo mọi điều điện để tôi hoàn thành Luận án tốt nghiệp. Chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành Luận án này. Em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Phan Tại Huân, cảm ơn thầy đã luôn động viên, hỗ trợ, chỉ dẫn trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, người thân và bạn bè và các em sinh viên đã hỗ trợ hoàn thành luận án này. Chân thành cảm ơn! iii TÓM TẮT Tên luận án: "Trích ly và vi bao GABA và các hợp chất tự nhiên từ hạt đậu xanh nảy mầm" Tác giả: NCS Vũ Thuỳ Anh Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm. Mã số: 9.54.01.01 Nghiên cứu được thực hiện nhằm gia tăng hàm lượng một số hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học tự nhiên trong hạt đậu xanh thông qua kích thích quá trình nảy mầm, tiếp đó trích ly và vi bao các hợp chất có giá trị như gamma-aminobutyric acid (GABA) và polyphenol thu được. Mục tiêu cụ thể bao gồm: i) Xác định các thông số của quá trình nảy mầm nhằm thu được mầm hạt đậu xanh giàu các hợp chất có hoạt tính sinh học tự nhiên; ii) Xác định điều kiện trích ly tối ưu nhằm thu được dịch trích có hàm lượng GABA và polyphenol cao; iii) Xác định các công thức vi bao tối ưu sao cho bột vi bao có hiệu quả vi bao các hợp chất tự nhiên tốt nhất bằng phương pháp sấy thăng hoa; iv) Xác định được mô hình và cơ chế giải phóng các hợp chất GABA và polyphenol từ bột vi bao ở các môi trường khác nhau và đồng thời xác định được thông số động học thất thoát hợp chất GABA và polyphenol trong quá trình bảo quản. Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình ngâm và ủ để hạt nảy mầm cần kiểm soát tốt các thông số về nhiệt độ, thời gian ngâm và ủ hạt, độ ẩm không khí trong quá trình ủ hạt và điều kiện chiếu sáng đèn LED thì hàm lượng GABA và polyphenol sẽ tăng đáng kể sau quá trình nảy mầm. Trong quá trình nảy mầm hạt đậu xanh ngâm 30oC/8h và ủ 35oC với độ ẩm không khí 90% và điều kiện chiếu sáng có đèn LED có hiệu quả thúc đẩy nhanh quá trình nảy mầm và tổng hợp GABA và polyphenol sau 12 giờ ủ. Hàm lượng GABA tăng 12 lần và polyphenol tăng 2 lần so với hạt đậu xanh nguyên liệu. Mầm hạt đậu xanh sau khi xay phối với nước theo tỉ lệ 1:20 (w/w), nồng độ enzyme alcalase 2,2 % (w/w) so với nguyên liệu, trích ly ở 53oC/62 phút thì hàm lượng GABA iv đạt 57,01 mg/g vck và hàm lượng polyphenol đạt 6,52 mg GAE/g, vck, hàm lượng đạt tốt nhất trong số các phương pháp trích ly thử nghiệm. Quá trình trích ly dịch mầm hạt đậu xanh có hỗ trợ của enzyme alcalase là phương pháp công nghệ xanh, thân thiện với môi trường và sức khỏe của người sản xuất và người tiêu dùng. Sau quá trình trích ly, dịch trích từ mầm hạt đậu xanh được phối với hỗn hợp vỏ bao gum Arabic: whey protein với tỉ lệ 50:50 (v/v), tỉ lệ dịch trích với vỏ bao 32: 100 (v/v) và nồng độ vỏ bao 20% đã được tối ưu thành công bằng phương pháp bề mặt đáp ứng. Mô hình đa thức bậc hai được xây dựng đã được kiểm chứng phù hợp để mô tả và dự đoán các hiệu quả vi bao và hiệu suất vi bao GABA và TPC với hệ số R2 cao. Ở công thức vi bao tối ưu, hiệu quả vi bao GABA và TPC lần lượt đạt được là 97,83% và 76,06%; hiệu suất vi bao tính theo GABA và TPC lần lượt là 86,14% và 82,60%. Kết quả nghiên cứu động học thất thoát các hợp chất có hoạt tính sinh học tự nhiên ở các nhiệt độ khác nhau (30, 40 và 50oC) và độ ẩm tương đối đã xác định được ẩm cân bằng của bột vi bao tính theo mô hình BET là 4,70% (R2 = 0,94). Ngoài ra, kết quả nghiên cứu động học tốc độ giải phóng của hạt vi bao ở các điều kiện khác nhau (nhiệt độ, pH, môi trường và thời gian) đã xác định được mô hình Korsemyer-Peppas và mô hình Higuchi cho kết quả phù hợp nhất có thể được sử dụng để dự đoán tốc độ giải phóng GABA và polyphenol do có hệ số R2 cao. Từ khoá: Đậu xanh; GABA; nảy mầm; polyphenol; stress; trích ly; vi bao. v ABSTRACT PhD's title: "Extraction and encapsulation of GABA and natural compounds from germinated mung beans" Author: NCS Vũ Thuỳ Anh Major: Food Technology. Code: 9.54.01.01 The research aimed to enhance the levels of specific natural bioactive compounds in mung beans through a systematic process involving germination, subsequent extraction, and encapsulation of valuable compounds such as GABA (Gamma-aminobutyric acid) and polyphenol. The specific objectives included: i) Determining the parameters of the germination process to obtain germinated mung beans rich in natural bioactive compounds; ii) Identifying the optimal extraction conditions to obtain extracts with high GABA and polyphenol content; iii) Establishing the optimal encapsulation formula to achieve the highest encapsulation efficiency and encapsulation yield of natural compounds using the freeze-drying method; and iv) Investigating the model and mechanism of release of GABA and polyphenol from microencapsulated powder in different environments, and determining the kinetic parameters of loss of GABA and polyphenol during storage. The results indicate that the germination and soaking process for mung beans necessitate precise control of parameters, including temperature, soaking and germination time, air humidity during germination, and LED lighting conditions, to significantly enhance the GABA and polyphenol contents following the germination process. Specifically, germinating mung beans at 30°C for 8 hours and germinating at 35°C with 90% air humidity, along with effective LED lighting, accelerated the germination process and the synthesis of GABA and polyphenol. This led to a remarkable 12-fold increase in GABA and a twofold increase in polyphenol compared to the original mung beans. vi After blending germinated mung beans with water at a ratio of 1:20 (w/w) and using a 2.2% (w/w) concentration of alcalase enzyme, extraction at 53°C for 62 minutes resulted in a GABA content of 57.01 mg/g DW and a polyphenol content of 6.52 mg GAE/g DW. This method achieved the highest content of GABA and polyphenol among the tested extraction methods. The extraction process of germinated mung bean extract with the assistance of alcalase enzyme is an environmentally friendly and technologically advanced approach, beneficial for both the health of producers and consumers, as well as being eco-friendly. Following the extraction process, the extract from mung beans was mixed with a mixture of wall materials consisting of gum arabic and whey protein in a 50:50 (v/v) ratio with a concentration of wall materials of 20% (w/v), and a ratio of the extract to wall materials of 32:100 (v/v), which was successfully optimized using the response surface methodology. A quadratic polynomial model was developed and found suitable for describing and predicting the encapsulation efficiency and extraction yield of GABA and TPC, with high R2 values. In the optimal encapsulation formula, the encapsulation efficiencies and encapsulation yields for GABA and TPC were achieved and confirmed to be 97.83%, 76.06%, 86.14%, and 82.60%, respectively. The results of the study on the kinetics of the release of natural bioactive compounds at different temperatures (30, 40, and 50°C) and relative humidity have determined the equilibrium moisture content of the encapsulated powder using the BET model as 4.70% (R2 = 0.94). Furthermore, the kinetics of the release rate of the encapsulated particles under various conditions (temperature, pH, environment, and time) have been described using the Korsmeyer-Peppas model and the Higuchi model. These models provide the most suitable predictions for the release rates of GABA and polyphenol, characterized by high R2 values. Keywords: Mung bean; GABA; germination, polyphenol; stress; extraction; encapsulation. vii DANH MỤC CÁC XUẤT BẢN TỪ LUẬN ÁN 1. Bài báo khoa học Anh Thuy Vu, Tuyen Chan Kha, Huan Tai Phan (2024). Encapsulation of bioactive compounds from germinated mung bean by freeze drying and release kinetics. Foods Journal, 13(1), 100. The Special Issue Application of Bioactive Compounds and Their Micro/Nano Encapsulation in Food. Q1. https://doi.org/10.3390/foods13010100. Anh Thuy Vu, Tuyen Chan Kha, Huan Tai Phan (2024). Optimization of enzyme- assisted extraction conditions for gamma-aminobutyric acid and polyphenols in germinated mung beans (Vigna radiata L.). Journal of Applied Biology & Biotechnology, 12(1), 273-282. Q3. Anh T. Vu, Tuyen C. Kha, and Huan T. Phan (2023). The changes in Gamma- aminobutyric acid and polyphenols in mung beans (Vigna radiata L.) during germination. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1155(1), 012024. DOI: 10.1088/1755-1315/1155/1/012024. SCOPUS. Vu, A. T., Kha, T. C., & Phan, H. T. (2019). Ảnh hưởng của điều kiện ngâm và ủ đến hàm lượng gamma - aminobutyric acid và polyphenol trong hạt đậu xanh nẩy mầm. Tạp Chí Nông nghiệp Và Phát triển, 18(2), 112-118. DOI: 10.52997/jad.14.02.2019 2. Chương sách Anh Thuy Vu & Tuyen Chan Kha (2023). Microencapsulation. In: Felipe López- Saucedo, Synthesis of Nanomaterials, Frontiers in Nanomedicine 3, 222-258. Bentham Science Publishers. https://doi.org/10.2174/9789815136920123030012 3. Báo cáo hội thảo quốc tế Anh Thuy Vu, Tuyen Chan Kha, Huan Tai Phan (2022). The changes in Gamma- aminobutyric acid and polyphenols in mung beans during the germination. The 4th International Conference on Sustainable Agriculture and Environment, November 18, 2022. Nong Lam University. Oral presentation. Anh Thuy Vu, Tuyen Chan Kha (2020). Effects of soaking and germination conditions on the content of GABA (γ-aminobutyric acid) and polyphenol in mung bean sprout. The International Symposium on Low-Temperature Processing of Foods. Chuzhou University, China. Online presentation. viii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii TÓM TẮT ..................................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC XUẤT BẢN TỪ LUẬN ÁN ....................................................... vii MỤC LỤC ................................................................................................................... viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... xiii MỤC LỤC BẢNG ....................................................................................................... xiv MỤC LỤC HÌNH ..................................................................................................... xvi3 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Đặt vấn đề .................................................................................................................................... 1 Mục tiêu ....................................................................................................................................... 4 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................................... 4 Ý nghĩa của luận án ..................................................................................................................... 5 Điểm mới của luận án .................................................................................................................. 6 Bố cục của luận án ....................................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 7 1.1 Tổng quan về đậu xanh .......................................................................................................... 7 1.1.1 Thành phần hoá học của đậu xanh ................................................................................. 7 1.1.2 Lợi ích sức khỏe của hạt đậu xanh ............................................................................... 11 1.2 Quá trình nảy mầm hạt đậu xanh ......................................................................................... 13 1.2.1 Quá trình nảy mầm ...................................................................................................... 13 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình nảy mầm ................................................................... 14 ix 1.2.2.2 Oxy ...................................................................................................................... 15 1.2.2.3 Nhiệt độ............................................................................................................... 15 1.2.2.4 Ánh sáng ............................................................................................................. 15 1.2.3 Các biến đổi của hạt đậu xanh trong quá trình nảy mầm ............................................. 16 1.3 Trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học với sự hỗ trợ của enzyme ............................... 21 1.3.1 So sánh các phương pháp trích ly ................................................................................ 21 1.3.2 Cơ chế và điều kiện trích ly của enzyme ..................................................................... 24 1.4 Công nghệ vi bao ................................................................................................................. 28 1.4.1 Khái niệm ..................................................................................................................... 28 1.4.2 Vỏ bao .......................................................................................................................... 29 1.4.3 Sự kết hợp của các vật liệu tạo vỏ bao ......................................................................... 32 1.4.4 Phương pháp vi bao ..................................................................................................... 33 1.4.5 Tốc độ và cơ chế giải phóng ........................................................................................ 35 1.4.6 Tính ổn định của bột vi bao ......................................................................................... 39 1.5 Nhận định chung .................................................................................................................. 39 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ....................................................... 41 2.1 Nguyên vật liệu .................................................................................................................... 41 2.1.1 Nguyên liệu đậu xanh .................................................................................................. 41 2.1.2 Hoá chất ....................................................................................................................... 41 2.1.3 Dụng cụ, thiết bị ........................................................................................................... 43 2.2 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................... 43 2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát ......................................................................................... 43 2.2.2 Nội dung 1: Tác động của các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình nảy mầm ................ 45 Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ngâm hạt đậu xanh đến hàm lượng GABA và TPC ................................................................................................................ 46 x Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ hạt đậu xanh đến hàm lượng GABA và TPC ................................................................................................................ 46 Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của độ ẩm không khí trong quá trình nảy mầm hạt đậu xanh đến hàm lượng GABA và TPC ....................................................................................... 47 Thí nghiệm 4: Ảnh hưởng của nồng độ muối và thời gian ngâm hạt đậu xanh đến hàm lượng GABA và TPC ..................................................................................................... 47 Thí nghiệm 5: Ảnh hưởng của nồng độ muối và thời gian ủ trong quá trình nảy mầm . 48 Thí nghiệm 6: Ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng và thời gian ngâm hạt đậu xanh đến hàm lượng GABA và TPC ............................................................................................. 49 Thí nghiệm 7: Ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng và thời gian ủ hạt đậu xanh đến hàm lượng GABA và TPC ............................................................................................. 49 2.2.3 Nội dung 2: Tối ưu điều kiện trích ly các hợp chất tự nhiên trong hạt nảy mầm ........ 50 Thí nghiệm 1. Ảnh hưởng của tỉ lệ đậu xanh nảy mầm và nước .................................... 51 Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 52 Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của thời gian ......................................................................... 52 Thí nghiệm 4: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme ............................................................ 53 Thí nghiệm 5: Tối ưu điều kiện trích ly bằng phương pháp bề mặt đáp ứng ................. 53 2.2.4 Nội dung 3: Vi bao hợp chất có hoạt tính sinh học trong dịch trích hạt đậu xanh nảy mầm ...................................................................................................................................... 54 Thí nghiệm 1: Khảo sát loại vỏ bao thích hợp ................................................................ 55 Thí nghiệm 2: Khảo sát tỉ lệ giữa của các vỏ bao ........................................................... 56 Thí nghiệm 3: Khảo sát tỉ lệ giữa dịch trích và vỏ bao phù hợp .................................... 56 Thí nghiệm 4: Khảo sát nồng độ vỏ bao phù hợp ........................................................... 57 Thí nghiệm 5: Tối ưu công thức phối trộn ..................................................................... 57 2.2.5 Nội dung 4: Động học giải phóng và động học suy giảm các hợp chất trong bột vi bao .............................................................................................................................................. 58 Thí nghiệm 1: Mô hình tốc độ giải phóng ở các điều kiện khác nhau ........................... 58 Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tro