Ảnh hưởng của điều kiện trích ly lên hàm lượng Betalain của dịch trích từ củ dền

TÓM TẮT:

Củ dền là một nguyên liệu tiềm năng để sản xuất phụ gia tạo màu ứng dụng trong thực phẩm do khả năng tạo màu tốt cũng như có hoạt tính sinh học cao. Hợp chất đóng vai trò tạo màu chính trong củ dền là betalain. Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm xác định ảnh hưởng của một số thông số của điều kiện trích ly như loại dung môi trích ly, nhiệt độ, thời gian trích ly và tỷ lệ nguyên liệu/dung môi lên hàm lượng betalain trong dịch trích thu được. Kết quả cho thấy hàm lượng betalain được trích ly sử dụng dung môi ethanol 20^o cao hơn trường hợp sử dụng nước và ethanol ở những nồng độ khác. Điều kiện trích ly tốt nhất là ở 40^oC trong thời gian 20 phút với tỷ lệ củ dền so với dung môi là 1:20 g/mL. Dịch trích betalin thô thu được có hàm lượng betalain đạt 12.89 g/L với hiệu suất trích ly đạt 93.42%.

Từ khóa: Betalain, củ dền, điều kiện trích ly.

1. Đặt vấn đề

Màu sắc là một trong những chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lượng sản phẩm thực phẩm. Tuy không có giá trị về mặt dinh dưỡng nhưng màu sắc góp phần tăng cảm giác ngon miệng. Trong những năm gần đây, các chất màu nhân tạo đã ngày càng khiến người tiêu dùng e ngại. Xu thế sử dụng các chất màu tự nhiên dần trở nên phổ biến trong quá trình sản xuất thực phẩm. Hơn nữa, các thành phần chất màu tự nhiên còn là những thành phần có hoạt tính sinh học có lợi cho sức khỏe.

Trong số các hợp chất màu tự nhiên, betalain có thể được sử dụng như là chất tạo màu thực phẩm do khả năng tạo màu tốt và có lợi cho sức khỏe. Betalain là dẫn xuất immonium của acid betalamic. Betalain được phân loại dựa trên đặc điểm cấu trúc của nó và được chia thành hai nhóm betacyanin màu đỏ-tím và betaxanthin màu vàng. Betalain được tìm thấy trong các cơ quan thực vật khác nhau, và chúng được tích lũy trong các không bào tế bào, chủ yếu ở mô biểu bì và mô dưới biểu bì. Tuy nhiên, đôi khi chúng được tích lũy trong thân cây của thực vật chẳng hạn như trong củ cải đỏ. Mười họ thực vật có chứa betalain đã được xác định là Aizoacea, Amaranthaceae, Basellaceae, Cactaceae, Chenopodiaceae, Didieraceae, Holophytaceae, Nyctaginaceae, Phytolaccaceae, và Portulacaceae [1]. Nhiều loài thực vật tích lũy betalain nhưng chỉ có hai loài thuộc họ Dền là Beta vulgaris và quả lê gai Opuntia ficus-indica được chấp nhận sử dụng trong thực phẩm [2]. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện trích ly lên hàm lượng betalain trong dịch trích từ củ dền được thực hiện nhằm thu được dịch trích có hàm lượng chất màu cao nhất ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm.

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Nguyên liệu được sử dụng trong nghiên cứu này là củ dền đỏ, một trong những loại nông sản được trồng phổ biến nhất ở Đà Lạt, giống củ cải ngọt thuộc họ Dền. Nguyên liệu củ dền khi thu mua phải tươi, màu không sẫm, không bị hư dập và không được để quá lâu.

2.2. Trích ly betalain từ củ dền

2.3. Sơ đồ nghiên cứu

Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình trích ly lên hàm lượng betalain của dịch trích từ củ dền

2.4. Phương pháp phân tích

Hàm lượng betalain được phân tích sử dụng phương pháp so màu được mô tả bởi Herbach el al. (2006) [3]. Hàm lượng betalain được định lượng ở pH 6.5 trong dung dịch đệm Mcllvaine thông qua phân tích hai thành phần betacyanin và betaxanthin. Độ hấp thu của betacyanin và betaxanthin được đo lần lượt tại bước sóng 480 và 540 nm.

2.5. Phương pháp xử lý số liệu

Dữ liệu thực nghiệm được phân tích bằng phần mềm SPSS 15 (SPSS Inc. Chicago, U.S.A) sử dụng những kỹ thuật thống kê cơ bản. Phân tích phương sai một nhân tố (one-way ANOVA) được áp dụng để xác định sự khác nhau giữa các chế độ xử lý mẫu và Tukeys Multiple Range test được áp dụng để xác định sự khác biệt có ý nghĩa giữa các giá trị trung bình ở mức ý nghĩa 5%. Tất cả thí nghiệm và những chỉ tiêu phân tích được lặp lại 3 lần.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của loại dung môi

Loại dung môi là một trong những yếu tố quan trọng cần phải được xem xét khi tiến hành quá trình trích ly. Thông thường, có nhiều loại dung môi có thể được sử dụng để trích ly các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, với mục tiêu ứng dụng chất màu betalain từ củ dền vào thực phẩm, hai loại dung môi được chọn là nước và ethanool với các nồng độ khác nhau.

Betalain gồm hai thành phần chủ yếu là betacyanin và betaxanthin. Dựa trên hàm lượng betacyanin và betaxanthin, ảnh hưởng của loại dung môi trích ly lên hàm lượng betalain tổng được trình bày trong Hình 2.

Hình 2: Ảnh hưởng của loại dung môi lên hàm lượng betalain trong dịch trích từ củ dền

Tác giả Delgado-Vargas et al. (2000) đề nghị sử dụng dung môi ethanol có nồng độ từ 20^o đến 50^o để khai thác hoàn toàn các betalain trong củ dền [4]. Trong thí nghiệm, cồn 20^o cho thấy khả năng khai thác betalain tốt nhất. Betalain thể hiện tính ổn định cao khi hoạt tính nước thấp. Trong thực tế, phản ứng phân hủy của betalain có sự tham gia của nước. Hiện tượng này đã được chứng minh bằng cách sử dụng hệ dung môi nước-alcohol để giảm đi sự phân hủy do giảm hoạt tính nước được thực hiện bằng cách giảm tính linh hoạt của chất phản ứng hoặc giới hạn độ hòa tan của oxy. Tuy nhiên, nồng độ ethanol quá cao làm ảnh hưởng tới cấu trúc và tính ổn định của betalain [5].

Trong quá trình trích ly betalain dưới tác dụng của nhiệt độ, betalain có thể bị phân hủy bởi các phản ứng đồng phân hóa, decarboxyl hóa, hydro hóa và thủy phân dưới ảnh hưởng nhiệt và acid. Sự thủy phân betalain làm phân cắt các gốc monosaccharide trong phân tử betalain tạo thành acid betalamic có màu vàng sáng và cyclo-dopa 5-O-β-glucoside không màu trong khi phản ứng decarboxyl tạo thành 17-decarboxybetanin có màu đỏ-cam.

Hình 3: Hợp chất trung gian hình thành từ phản ứng ái nhân giữa ethanol và betalain

Khi sử dụng ethanol làm dung môi trích ly betalain từ củ dền, phản ứng thủy phân diễn ra làm phân hủy chất màu betalain. Giai đoạn đầu tiên của phản ứng này là phản ứng ái nhân xảy ra trên nguyên tử carbon trong liên kết N+= C. Do có mật độ electron cao nên ethanol là tác nhân ái nhân hiệu quả. Sự có mặt của ethanol trong môi trường có hoạt tính nước cao làm tăng tốc độ phản ứng phân hủy betalain. Nếu betalain phản ứng với ethanol nguyên chất, sự hình thành hợp chất trung gian xảy ra nhanh làm phân hủy đáng kể lượng betalain. Dung môi ethanol với nồng độ ethanol và hoạt tính nước phù hợp làm giảm thiểu phản ứng phân hủy betalain [5].

3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ổn định betalain. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly được trình bày trong.

Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly lên hàm lượng betalain trong dịch trích từ củ dền

Roy et al. (2004) đã chỉ ra rằng sự khai thác betalain từ củ cải đỏ là tối ưu ở 40^oC [6]. Thí nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ trích ly từ 30^oC đến 40^oC hàm lượng betalain tăng dần và kết quả cao nhất ở 40^oC (8.85 g/L). Ngoài ra, tính ổn định của betalain bị giảm đáng kể khi tăng nhiệt độ lên trên 50^oC.

Khi tăng nhiệt độ trích ly từ 30^oC lên 40^oC, hàm lượng betalain có xu hướng tăng đáng kể. Điều này có thể được giải thích do nhiệt độ cao có thể làm mềm mô thực vật, giải phóng các hợp chất sinh học trong nguyên liệu hiệu quả hơn. Ngoài ra, nhiệt độ cao còn làm tăng tính thấm của màng tế bào. Trong chừng mực nhất định, tăng nhiệt độ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trích ly nhờ cải thiện khả năng hòa tan của các chất màu cũng như tăng hệ số khuếch tán.

3.3. Ảnh hưởng của thời gian trích ly

Saguy et al. (1978) đã khẳng định betalain thường mất ổn định ở nhiệt độ cao khi tốc độ phân hủy tăng nhanh cùng với gia tăng nhiệt độ và thời gian gia nhiệt [7]. Do đó, việc lựa chọn thời gian trích ly thích hợp cũng là một vấn đề rất quan trọng nhằm thu được dịch trích chứa hàm lượng betalain cao.

Hình 5: Ảnh hưởng của thời gian trích ly lên hàm lượng betalain trong dịch trích từ củ dền

Hàm lượng betalain và màu sắc của dịch trích tăng đáng kể theo thời gian trích ly. Dựa vào biểu đồ, khi trích ly ở thời gian từ 10 phút đến 20 phút, hàm lượng betalain tăng từ 9.67 g/L lên 10.13 g/L. Tiếp tục tăng thời gian trích ly dẫn đến kết quả hàm lượng betalain giảm dần từ 10.10 g/L xuống còn 5.70 g/L.

Theo Elbe et al. (1974), betalain thường được biết đến như các chất màu không ổn định nhiệt, tốc độ phân hủy tăng nhanh cùng với sự gia tăng nhiệt độ và thời gian gia nhiệt [8]. Do đó, hàm lượng betalain bị giảm mạnh khi trích ly ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Ngoài ra, khi thời gian trích ly quá dài, cân bằng giữa chất tan trong nguyên liệu và trong dịch trích thô thu được làm hạn chế quá trình khuếch tán của betalain vào dung dịch.

3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi

Khi tăng tỷ lệ nguyên liệu/dung môi thì hiệu suất trích ly càng tăng; tuy nhiên, dung dịch trích ly có nồng độ betalain càng thấp. Do dó, nồng độ cũng là một yếu tố quan trọng để lựa chọn tỷ lệ nguyên liệu/dung môi.

Hình 6: Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi lên hiệu suất trích ly betalain trong dịch trích từ củ dền

Với tỉ lệ nguyên liệu/dung môi là 1:20 thì hiệu suất trích ly đạt cao nhất. Các kết quả này phù hợp với nguyên tắc truyền khối mà động lực truyền khối là gradient nồng độ giữa chất rắn và dung môi. Ngoài ra, khả năng các thành phần hoạt tính sinh học tiếp xúc với dung môi trích ly được tăng cường dẫn đến tăng hiệu suất trích ly [9]. Lúc này, mô và các tế bào nguyên liệu nhanh chóng trương nở tạo điều kiện thuận lợi cho dung môi xâm nhập vào sâu trong tế bào giúp betalain thấm qua màng tế bào và khuếch tán vào trong dung dịch. Tuy nhiên, hiệu suất thu nhận các thành phần hoạt tính sinh học sẽ không tiếp tục tăng khi đã đạt được sự cân bằng. Ngoài ra, khi tăng tỷ lệ nguyên liệu/dung môi lên 1:25 g/mL, hiệu suất trích ly giảm còn 80.91%. Điều này có thể được giải thích do ảnh hưởng của hoạt tính nước cao lên tính ổn định của betalain [5].

Hình 7: Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi lên hàm lượng betalain trong dịch trích từ củ dền

Tương tự hiệu suất trích ly, hàm lượng betalain trong dịch trích cũng tăng đáng kể khi tăng tỷ lệ nguyên liệu/dung môi và đạt cực đại tại tỷ lệ 1:20 g/mL. Theo kết quả thực nghiệm của Maran & Manikandan (2012), hàm lượng betalain cao nhất ở tỷ lệ 1.5 g/50 mL [10]. Dịch trích thô từ củ dền thu được chứa sắc tố betalain với hàm lượng 12.89 g/mL và quá trình trích ly thu hồi 93.42% lượng betalain trong nguyên liệu củ dền ban đầu.

4. Kết luận

Các thông số trong quá trình trích ly như nhiệt độ, thời gian trích ly, loại dung môi và tỷ lệ nguyên liệu/dung môi có ảnh hưởng đáng kể lên hàm lượng betalain cũng như hiệu suất trích ly betalain từ nguyên liệu củ dền. Dung môi nước và ethanol 20o có hiệu quả cao trong việc trích ly sắc tố betalain từ củ dền cũng như có tính an toàn cao khi ứng dụng trong thực phẩm. Quá trình trích ly trong thời gian dài và nhiệt độ cao cũng làm giảm đáng kể lượng betalain thu được. Ngoài ra, việc tăng tỷ lệ dung môi sử dụng cũng làm tăng hiệu suất thu hồi betalain trong một chừng mực nhất định.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. M. N. Riaz, “Soybeans as functional foods,” Cereal foods world, vol. 44, no. 2, pp. 88- 92, 1999.

2. A. D. Sarma, Y. Sreelakshmi, and R. Sharma, “Antioxidant ability of anthocyanins against ascorbic acid oxidation,” Phytochemistry, vol. 45, no. 4, pp. 671-674, 1997.

3. K. M. Herbach, F. C. Stintzing, and R. Carle, “Betalain stability and degradation— structural and chromatic aspects,” J. Food Sci., vol. 71, no. 4, pp. R41-R50, 2006.

4. F. Delgado-Vargas, A. R. Jiménez, and O. Paredes-López, “Natural pigments: Ccarotenoids, anthocyanins, and betalains - characteristics, biosynthesis, processing, and stability,” Crit. Rev. Food Sci. Nutr., vol. 40, no. 3, pp. 173-289, 2000.

5. P. S#imon, M. Drdák, and R. C. Altamirano, “Influence of water activity on the stability of betanin in various water/alcohol model systems,” Food Chem., vol. 46, no. 2, pp. 155-158, 1993.

6. K. Roy, S. Gullapalli, U. Roy Chaudhuri, and R. Chakraborty, “The use of a natural colorant based on betalain in the manufacture of sweet products in India,” Int. J. food Sci. Technol., vol. 39, no. 10, pp. 1087 - 1091, 2004.

7. I. Saguy, I. J. Kopelman, and S. Mizrahi, “Thermal kinetic degradation of betanin and betalamic acid,” J. Agric. Food Chem., vol. 26, no. 2, pp. 360–362, 1978.

8. J. H. Elbe, I. Maing, and C. H. Amundson, “Color stability of betanin,” J. Food Sci., vol. 39, no. 2, pp. 334-337, 1974.

9. J. E. Cacace and G. Mazza, “Mass transfer process during extraction of phenolic compounds from milled berries,” J. Food Eng., vol. 59, no. 4, pp. 379-389, 2003.

10. J. P. Maran and S. Manikandan, “Response surface modeling and optimization of process parameters for aqueous extraction of pigments from prickly pear (Opuntia ficus-indica) fruit,” Dye. Pigment., vol. 95, no. 3, pp. 465-472, 2012.

EFFECT OF EXTRACTION CONDITIONS ON BETALAIN CONTENT

OF RED BEETROOT EXTRACTS

● NGUYEN QUOC DUY - NGUYEN THI VAN LINH - TRUONG THI HUYNH MAI

NGUYEN THI THAO QUYEN - LY NGOC BAO

Faculty of Food, Chemical and Environmental Sciences, Nguyen Tat Thanh University

ABSTRACT:

Beetroots are is considered a potential material in production of natural food colorant due to high stability, color intensity and bioactive capacity. Betalains are is the main pigment responsible for red color of beetroot. This study aimed to investigate the effect of aqueous extraction on the content and extraction yield of betalains from beetroot. The results showed that higher levels of betalains were extracted using ethanol 20^o in comparison to water and other ethanol-based solvents at different alcohol concentrations. Effective extraction conditions were 40^oC for 20 min, with a beetroot-to-solvent ratio of 1:20 g/mL. The crude extract contained 12.89 g betalain/L with highest extraction yield of 93.43%.

Keywords: Bbeetroot, betalain, extraction conditions.

Xem tất cả ấn phẩm Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ số 10 tháng 09/2017 tại đây