Polysaccharide từ rễ sâm bố chính (Abelmoschus sagittifolius): trích ly bằng kiềm và tính chất công nghệ

TÓM TẮT:

Mục tiêu của nghiên cứu này nhằmlà đánh giá ảnh hưởng của điều kiện trích ly bằng kiềm đến quá trình thu nhận polysaccharide của bã Sâm Bố Chính. Các thông số được khảo sát gồm: nồng độ NaOH, tỷ lệ bã và NaOH. Kết quả cho thấy điều kiện công nghệ phù hợp cho quá trình thu nhận polysaccharide là nồng độ NaOH 2%; tỷ lệ bã và NaOH 1:5, lúc này, hàm lượng polysaccharide thu được là 180.55 mg/g. Bột polysaccharide thu được có khả năng giữ nước (251.96±2.76 g/100g), khả năng giữ dầu (323.68±3.04 g/100g), chỉ số hòa tan (22.00±0.56%) và độ trương nở (4.01±0.01 g/g).

Từ khóa: Sâm Bố Chính, polysaccharide, tính chất công nghệ.

1. Đặt vấn đề

Sâm Bố Chính (A. sagittifolius) chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học như coumarin, flavonoid, polysaccharide, chất nhầy,…. [1]. Hiện nay, nhiều kỹ thuật trích ly saponin triterpenoid từ A. sagittifolius được ứng dụng trong dược phẩm và thực phẩm. Từ đó, một lượng lớn phế phẩm từ bã A. sagittifolius được thải ra chưa được tận dụng một cách hợp lý dẫn đến các vấn đề về lãng phí. Chất nhầy có bản chất là polysaccharide có trọng lượng phân tử cao. Polysaccharide gồm các monosaccharide liên kết bằng liên kết glycoside. Polysaccharide thường được sử dụng làm chất làm đặc, chất kết dính, chất ổn định trong mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm [2], cũng như làm thực phẩm chức năng có vai trò điều hòa miễn dịch, hạ đường huyết, chống ung thư và chống oxy hóa [3].

Để cải thiện hiệu suất chiết polysaccharide, phương pháp trích ly bằng kiềm đã được đề xuất trong nghiên cứu này do đơn giản và hòa tan polysaccharide hiệu quả. Đây là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để thu nhận các polysaccharide nhằm cải hiện các đặc tính sinh học. Tuy vậy, cho đến nay vẫn chưa có báo cáo nào được công bố về việc chiết xuất polysaccharides từ A. sagittifolius bằng kiềm. Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện trích ly bằng kiềm đến quá trình thu nhận polysaccharide, cũng như các tính chất công nghệ của bột polysaccharide thu được.

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Vật liệu nghiên cứu

Rễ Sâm Bố Chính một 1 năm tuổi được cung cấp tại tỉnh Quảng Trị. Sâm tươi được rửa sạch, cắt lát và sấy ở nhiệt độ 50°C từ 8 giờ đến độ ẩm không quá 10%. Sâm được nghiền và sàng qua rây 0,25 mm thu bột, bảo quản trong túi zip tráng bạc, hút chân không và ở nhiệt độ 4-8°C. Sodium hydroxide (>99,8%, Trung Quốc). Các hóa chất đạt yêu cầu kỹ thuật hóa chất dùng trong phân tích.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Bột Sâm Bố Chính được phối trộn với cồn 70% theo tỷ lệ nguyên liệu:cồn là 1:40. Kế đến, hỗn hợp được xử lý vi sóng với công suất và thời gian lần lượt là 110W và 2 phút. Sau đó, hỗn hợp được trích ly bằng cồn 70% ở 50°C trong 60 phút. Phần bã rắn thu được bằng phương pháp ly tâm được hòa tan vào dung dịch kiềm, ủ ở nhiệt độ 30°C trong 1h. Tiếp theo, hỗn hợp được ly tâm để lấy phần dịch trong rồi chỉnh pH về khoảng 12 và tủa bằng cồn tuyệt đối. Sau đó, tủa được thu bằng ly tâm. Cuối cùng phần tủa được thẩm tích trong nước khử ion trong 8 giờ và sấy thăng hoa tạo bột polysaccharide và xác định tính chất chức năng.

Các thông số khảo sát cho quá trình trích ly bằng kiềm được tiến hành bằng thí nghiệm đơn yếu tố, với việc thay đổi lần lượt các yếu tố với các mức cụ thể như sau: nồng độ NaOH (0.4; 0.8; 1.2; 1.6; 2.0; 2.4%) và tỷ lệ bã và dung dịch NaOH (1:1; 1:2; 1:3; 1:4; 1:5; 1:6).

2.3. Phương pháp phân tích

2.3.1. Phương pháp xác định hàm lượng polysaccharide

Hàm lượng polysaccharide được xác định bằng phương pháp phenol-sulfuric tại bước sóng 490 nm [4]. Hút 1,0mL mẫu, 1,0 mL phenol 5% với 5,0 mL acid sulfuric đậm đặc, đồng nhất bằng vortex trong 30 giây. Đun cách thủy 2 phút và để ở nhiệt độ phòng trong 30 phút.

2.3.2. Phương pháp xác định hàm lượng đường khử

Hàm lượng đường khử được xác định bằng acid 3,5-dinitrosalicylic (DNS) tại bước sóng 540 nm [5]. Hút 3,0 mL mẫu với 1,0 mL dung dịch DNS, đồng nhất bằng vortex. Đun cách thủy đến khi chuyển màu thành đỏ cam và làm nguội.

2.3.3. Đánh giá đặc tính công nghệ của bột polysaccharide

Khả năng giữ nước (WHC) và giữ dầu (OHC) của bột chất nhầy được xác định bằng phương pháp của Johnson [7]. 1g bột chất nhầy vào 10mL nước cất, khuấy trong 2 phút và ly tâm. Khả năng giữ dầu thực hiện tương tự với việc thay nước bằng dầu đậu nành tinh luyện.

Khả năng trương nở và chỉ số hòa tan được đo theo phương pháp của Kong và một số sửa đổi [8]. Cân 0.2g mẫu trộn đều với 20mL nước cất, đun cách thủy ở trong 30 phút. Mẫu được làm nguội trước khi ly tâm. Phần nổi được sấy ở nhiệt độ 105℃ tới khi khối lượng không đổi và phần chìm cũng được cân.

2.4. Phương pháp xử lý số liệu

Trong nghiên cứu này, mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần, kết quả được trình bày ở dạng giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn. Phân tích phương sai một nhân tố để đánh giá sự khác biệt giữa các nghiệm thức với mức ý nghĩa 5% được tiến hành với sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19.

3. Kết quả và bàn luận

3.1. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố hỗ trợ quá trình thu nhận polysaccharide

3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH

Hình 1: Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hàm lượng polysaccharide

và đường khử

Kết quả xử lý thống kê cho thấy sự ảnh hưởng có ý nghĩa của nồng độ NaOH đến hàm lượng polysaccharide được thể hiện trong Hình 1 (p_value<0.05). Hàm lượng polysaccharide cao nhất đạt 182.81 mg/g tại nồng độ NaOH 2%. Trong bã chủ yếu là polysaccharide khó hòa tan do liên kết cộng hóa trị với thành tế bào. Dung dịch NaOH tấn công và cắt đứt các liên kết của polysaccharide với hợp chất khác trong bã giúp hòa tan polysaccharide vào dung dịch [9]. Khi tăng nồng độ NaOH từ 2% lên 2.4%, hàm lượng polysaccharide giảm xuống do nồng độ NaOH cao sinh nhiệt cao, biến đổi cấu trúc polysaccharide kém bền nhiệt dẫn đến hàm lượng polysaccharide giảm mạnh, sinh ra đường khử [10]. Kết quả nghiên cứu này khác với báo cáo của Liu và cộng sự về thu hồi polysaccharide từ Chlorella sp do khác về nguyên liệu ban đầu và phương pháp chiết [11].

3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ bã: NaOH

Hình 2: Ảnh hưởng của tỷ lệ bã: NaOH đến hàm lượng polysaccharide

và đường khử

Kết quả xử lý thống kê cho thấy sự ảnh hưởng có ý nghĩa của tỷ lệ bã:NaOH đến hàm lượng polysaccharide được trình bày trong Hhình 2 (p_value<0.05). Hàm lượng polysaccharide tăng khi tỷ lệ tăng và cao nhất tại tỉ lệ 1:5 đạt 180.55 mg/g. Nguyên nhân là do NaOH là dung môi phân cực và làm tăng tính linh động của H trong các nhóm -OH của các phân tử đường nên tăng hòa tan [9]. Khi tăng lượng NaOH quá mức dẫn đến biến đổi về mặt cấu trúc của polysaccharide kém bền trong kiềm làm giảm lượng polysaccharide thu được, sinh ra đường khử. Kết quả nghiên cứu này khác với báo cáo của N. Wang và cộng sự [12], tỷ lệ bã:NaOH là 1:35 (g/mL) để trích ly polysaccharide từ Chinese jujube. Do bã sâm gồm nhiều tạp chất dẫn đến lượng ẩm lớn và bã trương nở nên một lượng NaOH vừa đủ để đạt hiệu quả cao, không ảnh hưởng đến cấu trúc tạo chất nhầy.

3.2. Đánh giá tính chất của polysaccharide thu nhận từ bã Sâm Bố Chính

3.2.1. Khả năng giữ nước và giữ dầu

Kết quả cho thấy khả năng giữ nước của bột polysaccharide tương đối cao đạt 251.96 g/100g bột, cao hơn so với báo cáo của Govardhana Rao Dubasi và cộng sự về khả năng giữ nước của Gum karaya (Sterculia urens L.) (111g/100g). Bằng cách hydrat hóa các hạt nhỏ nhanh hơn so với các hạt lớn, do đó chiếm một lượng nước lớn hơn, nghĩa là kích thước hạt giảm cho phép sự kết hợp tốt phân tử nước vào cấu trúc polysaccharide [13]. Bên cạnh đó, kết quả cũng cho thấy khả năng giữ dầu của bột chất nhầy là 323.68 ± 3.04g/100g bột cao hơn so với khả năng giữ nước của bột.

3.2.2. Chỉ số hòa tan và khả năng trương nở của bột chất nhầy

Chỉ số hòa tan của bột polysaccharide là 22.00 ± 0.56 %, thấp hơn so với báo cáo của Desta và công sự về chỉ số hòa tan của Acacia etbaica gum khoảng 56 ± 0.04%. Điều này là do sự hiện diện của tạp chất trong cấu trúc hóa học của bột chất nhầy và các chất không hòa tan. Ngoài ra, chỉ số hòa tan thấp của bột có thể do quá trình trương nở, nếu các hạt gum không được tách ra, mỗi hạt sẽ hấp thụ nước, dẫn đến quá trình trương nở [14]. Khả năng trương nở của bột chất nhầy đạt mức 4.01±0.01(g/g). Điều này có thể là do nhiều yếu tố khác nhau như sự hiện diện của tạp chất, vị trí hydrat hóa, quá trình chiết và điều kiện môi trường.

4. Kết luận

Lần đầu tiên, quá trình thu nhận polysaccharide từ Sâm Bố Chính bằng kiềm đã được nghiên cứu. Kết quả thu được hàm lượng polysaccharide cao nhất tương ứng 18% khối lượng bột sâm ban đầu. Khả năng giữ dầu vượt trội hơn trong bột polysaccharide so với khả năng giữ nước. Như vậy, bột polysaccharide từ Sâm Bố Chính là một nguồn nguyên liệu tiềm năng, giúp mở ra một hướng đi mới để ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm. Tuy vậy, cần có các nghiên cứu để làm sáng tỏ mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học, hoạt tính sinh học và các tính chất công nghệ của polysaccharide.

Lời cảm ơn:

Nghiên cứu này do Trường Đại học Công Thương Thành phố Hồ Chí Minh về sự bảo trợ và cấp kinh phí theo Hợp đồng số 234/HĐ-DCT ngày 15 tháng 11 năm 2022.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Đ. T. Vui (2023). Nghiên cứu thành phần hóaoá học và tác động dược lý theo hướng điều trị loét dạ dày của rễ củ cây sâm báo (Abelmoschus sagittifolius (Kurz) Merr. họ Bông (Malvaceae). Luận án Tiến sĩ Dược học, Viện Dược liệu, Hà Nội
Y. Sun et al. (2018). Impact of acidic, water and alkaline extraction on structural features, antioxidant activities of Laminaria japonica polysaccharides. International Journal of Biological Macromolecules, 112, 985–995, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.02.066.
K. Desta, E. Tadese, and F. Kassa (2021). Physicochemical Characterization and Evaluation of the Binding Effect of Acacia etbaica Schweinf Gum in Granule and Tablet Formulations. BioMed Research International, vol. 2021, 1–13, doi: 10.1155/2021/5571507.
S. S. Nielsen (2010). Phenol-Sulfuric Acid Method for Total Carbohydrates,” in Food Analysis Laboratory Manual, S. S. Nielsen, Ed., in Food Science Texts Series. , Boston, MA: Springer US, 2010, pp. 47–53. doi: 10.1007/978-1-4419-1463-7_6.
A. Jain, R. Jain, and S. Jain (2020). Quantitative Analysis of Reducing Sugars by 3, 5-Dinitrosalicylic Acid (DNSA Method). in Basic Techniques in Biochemistry, Microbiology and Molecular Biology, in Springer Protocols Handbooks. New York, NY: Springer US, 181-183.
C. Zhang, Z. Li, C.-Y. Zhang, M. Li, Y. Lee, and G.-G. Zhang (2019). Extract methods, molecular characteristics, and bioactivities of polysaccharide from alfalfa (Medicago sativa L.). Nutrients, 11(5), p. 1181.
N. R. Galla and G. R. Dubasi (2010). Chemical and functional characterization of Gum karaya (Sterculia urens L.) seed meal. Food Hydrocolloids, 24(5), 479-485.
X. Kong, J. Bao, and H. Corke (2009). Physical properties of Amaranthus starch. Food Chemistry, 113(2), 371–376, doi: 10.1016/j.foodchem.2008.06.028.
P. Somboonpanyakul, Q. Wang, W. Cui, S. Barbut, and P. Jantawat (2006). Malva nut gum.(Part I): Extraction and physicochemical characterization. Carbohydrate polymers, 64(2), 247-253.
P. Yang, M. Zhou, C. Zhou, Q. Wang, F. Zhang, and J. Chen (2015). Separation and purification of both tea seed polysaccharide and saponin from camellia cake extract using macroporous resin. Journal of Separation Science, 38(4), 656-662, Feb., doi: 10.1002/jssc.201401123.
F. Liu et al. (2023). Effect and characterization of polysaccharides extracted from Chlorella sp. By hot-water and alkali extraction methods. Algal Research, 70, 102970.
N. Wang, Q. Li, M. Liu, M. Liu, and Z. Zhao (2023). Structural characterization of alkali-extracted jujube polysaccharides and their effects on the fecal microbiota in vitro. LWT, 184, p.115087, doi: 10.1016/j.lwt.2023.115087.
B. T. Amid and H. Mirhosseini (2012). Optimisation of aqueous extraction of gum from durian (Durio zibethinus) seed: A potential, low cost source of hydrocolloid. Food Chemistry, 132(3), 1258-1268, doi: 10.1016/j.foodchem.2011.11.099.
G. López, G. Ros, F. Rincón, M. J. Periago, M. C. Martínez, and J. Ortuño (1996). Relationship between Physical and Hydration Properties of Soluble and Insoluble Fiber of Artichoke. Journal of Agricultural and Food Chemistry, vol. 44, no. 9, pp. 2773-2778, doi: 10.1021/jf9507699.

Polysaccharide from Abelmoschus sagittifolius root: Extraction

by alkaline solvent and technological properties

Vu Thi Thu Hien¹

Le Ngoc Hien¹

PhD. Phan Van Man²

Master. Tran Chi Hai³

PhD. Huynh Thi Le Dung³

¹Student, Ho Chi Minh City University of Industry and Trade

2 Lecturer, Ba Ria - Vung Tau College of Technology

³Lecturer, Ho Chi Minh City University of Industry and Trade

ABSTRACT:

This study evaluated the effects of alkaline polysaccharide extraction from Abelmoschus sagittifolius. The investigated parameters included the concentration of NaOH and the residue-to-NaOH ratio. The results showed that the suitable technological conditions for alkaline polysaccharide extraction are 2% NaOH and a 1:5 residue-to-NaOH ratio. Under these conditions, the obtained polysaccharide content is 180.55 mg/g. The obtained polysaccharide powder has a water retention of 251.96 ± 2.76 g/100g, an oil retention of 323.68 ± 3.04 g/100g, a solubility index of 22.00 ± 0.56%, and a flexibility of 4.01 ± 0.01 g/g.

Keywords: Abelmoschus sagittifolius, polysaccharide, technological properties.