Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thu nhận pectin từ một số nguồn thực vật và sản xuất màng pectin sinh học ứng dụng trong bảo quản trái cây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


NGÔ THỊ MINH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THU NHẬN PECTIN TỪ MỘT SỐ
NGUỒN THỰC VẬT VÀ SẢN XUẤT MÀNG PECTIN
SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN TRÁI CÂY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


NGÔ THỊ MINH PHƯƠNG


NGHIÊN CỨU THU NHẬN PECTIN TỪ MỘT SỐ NGUỒN THỰC
VẬT VÀ SẢN XUẤT MÀNG PECTIN SINH HỌC ỨNG DỤNG
TRONG BẢO QUẢN TRÁI CÂY

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
Mã số: 62.54.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS TRẦN THỊ XÔ
2. PGS.TS TRƯƠNG THỊ MINH HẠNH

ĐÀ NẴNG 2019


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ iv
DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................... ix
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................................. 5
1.1. Tổng quan về pectin ........................................................................................................ 5
1.1.1. Giới thiệu chung về pectin ............................................................................................ 5
1.1.2. Kĩ thuật thu nhận pectin ............................................................................................... 8
1.1.3. Tổng quan về nguồn nguyên liệu chiết tách pectin ...................................................... 10
1.1.4. Một số ứng dụng của pectin........................................................................................ 12
1.2. Tổng quan về màng pectin sinh học .............................................................................. 13
1.2.1. Tổng quan về màng pectin ......................................................................................... 13
1.2.2. Khả năng đồng tạo màng giữa các polysaccharide ..................................................... 14
1.2.3. Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu tạo màng pectin sinh học ................................ 15
1.2.4. Các phương pháp tạo màng phim và màng phủ........................................................... 19
1.3. Một số phương pháp bảo quản trái cây .......................................................................... 20
1.3.1. Bảo quản ở nhiệt độ thấp ............................................................................................ 20
1.3.2. Bảo quản bằng điều chỉnh thành phần khí quyển ........................................................ 22
1.3.3. Bảo quản trái cây bằng phương pháp phủ màng .......................................................... 23
1.3.4. Các phương pháp xử lý khác ...................................................................................... 24
1.4. Giới thiệu về xoài và bơ ................................................................................................ 24
1.4.1. Giới thiệu về xoài ....................................................................................................... 24
1.4.2. Giới thiệu về bơ ......................................................................................................... 25
1.5. Tình hình nghiên cứu chiết tách pectin và tạo màng pectin ứng dụng trong bảo quản thực
phẩm ................................................................................................................................... 27
1.5.1. Ngoài nước ................................................................................................................ 27
1.5.2. Trong nước ................................................................................................................ 35
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................... 39
2.1. Vật liệu nghiên cứu ....................................................................................................... 39
2.1.1. Nguyên liệu ................................................................................................................ 39


ii
2.1.2. Hóa chất ..................................................................................................................... 41
2.1.3. Chủng VSV chỉ thị ..................................................................................................... 41
2.1.4. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm ....................................................................................... 41
2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 41
2.2.1. Phương pháp xác định thành phần hóa học của nguyên liệu ........................................ 41
2.2.2. Quy trình chiết tách pectin.......................................................................................... 42
2.2.3. Phương pháp xác định cấu trúc bằng phổ hồng ngoại FTIR ........................................ 44
2.2.4. Phương pháp đo độ màu ............................................................................................. 45
2.2.5. Phương pháp xác định tính chất của pectin ................................................................. 45
2.2.6. Phương pháp tạo màng ............................................................................................... 47
2.2.7. Phương pháp xác định tính chất của màng .................................................................. 48
2.2.8. Phương pháp phủ màng bảo quản xoài, bơ ................................................................ 52
2.2.9. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu của quả trong thời gian bảo quản ........................ 53
2.2.10. Phương pháp đánh giá chất lượng vi sinh ................................................................. 54
2.2.11. Phương pháp toán học ............................................................................................. 54
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................... 56
3.1. Xác định một số thành phần hóa học của nguyên liệu ................................................... 56
3.2. Nghiên cứu chiết tách pectin ........................................................................................ 57
3.2.1. Khảo sát chọn dung môi chiết..................................................................................... 57
3.2.2. Khảo sát các điều kiện chiết tách pectin bằng phương pháp ngâm chiết ..................... 57
3.2.3. Khảo sát các điều kiện chiết tách pectin bằng siêu âm ................................................ 69
3.2.4. So sánh kết quả thu nhận pectin bằng phương pháp siêu âm và ngâm chiết thông thường73
3.3. Khảo sát khả năng tạo màng pectin phối hợp (màng pectin sinh học hoặc màng pectin
composite) ........................................................................................................................... 76
3.3.1. Khảo sát độ bền cơ học của màng tạo thành bởi pectin vỏ bưởi (HMP) và pectin lá
sương sâm (LMP) với các polymer đồng tạo màng............................................................... 76
3.3.2. Khảo sát độ hòa tan của màng tạo thành bởi pectin bưởi và pectin lá sương sâm với các
polymer đồng tạo màng........................................................................................................ 78
3.3.3. Khảo sát độ truyền hơi nước của màng tạo thành bởi pectin bưởi và pectin lá sương sâm
với các polymer đồng tạo màng............................................................................................ 79
3.3.4. Độ truyền khí oxy của màng tạo thành bởi pectin lá sương sâm và pectin vỏ bưởi với
các polymer đồng tạo màng.................................................................................................. 80
3.4. Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) phối hợp với các polymer đồng tạo
màng (màng pectin composite)............................................................................................. 81


iii
3.4.1. Kết quả tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) – chitosan (CS) ................................... 81
3.4.2. Kết quả tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) – alginate (AG) ................................... 88
3.4.3. Kết quả tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) - cacboxymethylcellulose (CMC) ....... 93
3.4.4. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của các loại màng ......................................... 98
3.5. Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) phối hợp với vật liệu nano ................ 99
3.5.1. Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm - alginate có cố định nano ZnO (LMP/AG2ZnO-NPs) .......................................................................................................................... 100
3.5.2. Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm với nanochitosan (LMP/NaCS) ............... 109
3.6. Nghiên cứu ứng dụng màng pectin sinh học để bảo quản xoài và bơ ........................... 119
3.6.1. Nghiên cứu lựa chọn loại màng pectin sinh học để bảo quản xoài và bơ ................... 119
3.6.2. Nghiên cứu bảo quản xoài bằng màng P/NaCS ......................................................... 123
3.6.3. Nghiên cứu bảo quản bơ bằng màng pectin/alginate/ZnO-NPs ................................ 135

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 147
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............................................. 149
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 151
PHỤ LỤC


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu
tham khảo đúng quy định.

Người cam đoan


v

DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Kí hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AC

Acid Citric

Acid citric

AG

Alginate

Alginat

A.niger

Aspergillus niger

Aspergillus niger

ASTM

American Society for Testing Tiêu chuẩn của Hoa Kỳ về kiểm tra
and Materials

ATR-FTIR

vật liệu

Attenuated total reflectance- Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier Fourier transform infrared

Phản xạ toàn phần

BHI

Brain heart Infusion

Dịch truyền tim não

CFU

Colony Forming Unit

Số khuẩn lạc

CMC

Carboxymethyl Cellulose

Carboxymethyl Cellulose

C. gloeosporioides

Colletotrichum

Colletotrichum gloeosporioides

gloeosporioides
CS

Chitosan

Chitosan

DE

Degree of Esterification

Mức độ ester hóa

ĐC

Đối chứng

E.coli

Escherichia coli

Escherichia coli

FTIR

Fourier transform infrared

Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier

HMP

High methoxyl pectin

Pectin methoxyl hóa cao

LMP

Low methoxyl pectin

Pectin methoxyl hóa thấp

MAA

Methacrylic acid

Acid methacrylic

MC

Molecular weight

Khối lượng phân tử trung bình của
pectin từ vỏ chuối

MB

Molecular weight

Khối lượng phân tử trung bình của
pectin từ vỏ bưởi

MD

Molecular weight

Khối lượng phân tử trung bình của
pectin từ vỏ dưa hấu

ML

Molecular weight

Khối lượng phân tử trung bình của
pectin từ lá sương sâm


vi

NaCS

Nanochitosan

Nano chitosan

P

Pectin

Pectin

S.cerevisiae

Saccharomyces cerevisiase

Saccharomyces cerevisiase

SEM

Scanning

Electron Kính hiển vi điện tử quét

Microscopy
ZnO-NPs

ZnO - Nanoparticles

Nano kẽm oxide


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

bảng

Trang

1.1

Thành phần hóa học của vỏ dưa hấu tươi và khô

11

1.2

Thành phần hóa học của vỏ chuối

11

1.3

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ hô hấp của một số

21

loại quả
1.4

Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản đến thời hạn chín

22

và tổn thương lạnh của bơ
1.5

Kết quả bảo quản một số loại trái cây bằng màng phủ

23

1.6

Một số thành phần hóa học của xoài

25

1.7

Một số thành phần hóa học của bơ

26

2.1

Thành phần của các loại màng P/CMC

47

2.2

Thành phần của các loại màng P/CS

47

2.3

Thành phần của các loại màng P/AG

48

2.4

Thành phần các loại màng P/AG/ZnO-NPs

48

3.1

Một số thành phần hóa học của nguyên liệu

56

3.2

Hàm lượng pectin khi chiết bằng các loại dung môi

57

3.3

Kết quả khảo sát đơn biến về các điều kiện chiết tách

58

pectin
3.4

Kết quả tối ưu hóa các điều kiện chiết tách pectin

63

3.5

Số sóng hấp thụ đặc trưng và chỉ số DE của các mẫu

65

pectin
3.6

Phương trình đường chuẩn và hệ số tương quan giữa

66

nồng độ và độ nhớt động học của các loại pectin
3.7

Độ nhớt riêng và khối lượng phân tử trung bình

69

của bốn loại pectin nghiên cứu
3.8

Ảnh hưởng của phương pháp chiết tách đến hiệu quả

75

và tính chất của pectin thu nhận
3.9

Độ dày và độ bền cơ học của các màng pectin - chitosan

81


viii

Số hiệu

Tên bảng

bảng

Trang

3.10

Các chỉ số màu của các màng pectin - chitosan

83

3.11

Góc tiếp xúc nước của các màng LMP - chitosan

83

3.12

Độ truyền khí oxy của các màng từ P và CS

88

3.13

Độ dày và độ bền cơ học của các màng LMP-alginate

88

3.14

Độ màu của các màng LMP - alginate

89

3.15

Góc tiếp xúc nước của các màng LMP - alginate

90

3.16

Độ dày và độ bền cơ học của các màng pectin - CMC

93

3.17

Độ màu của các màng LMP - CMC

94

3.18

Góc tiếp xúc nước của các màng LMP - CMC

95

3.19

Bảng tổng hợp các tính chất cơ bản của các màng pectin

99

composite
3.20

Độ dày và tính chất cơ học của các màng LMP/AG2-

100

ZnO-NPs
3.21

Tính chất hydrate hóa của màng LMP/AG2- ZnO-NPs

101

3.22

Độ màu và độ trong của màng LMP/AG2 và LMP/AG2-

104

ZnO-NPs
3.23

Độ truyền oxy của màng LMP/AG2- ZnO-NPs

105

3.24

Độ dày và tính chất cơ học của màng LMP/NaCS

110

3.25

Tính chất hydrate hóa của các màng LMP/NaCS

111

3.26

Độ màu của các màng LMP/NaCS

113

3.27

Độ truyền oxy của các màng LMP/NaCS

117

3.28

Hao hụt khối lượng và mức độ thoát nước, nhu cầu oxy

121

của xoài và bơ bảo quản ở nhiệt độ 25oC và độ ẩm 50%
khi không phủ màng
3.29

Độ truyền hơi nước và độ truyền khí oxy của các màng

122

bảo quản
3.30

Độ sáng (chỉ số L*) của xoài phủ màng và không phủ
màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau

131


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1

Cấu tạo thành tế bào thực vật

5

1.2

Một đoạn của phân tử pectin có nhóm chức năng

6

1.3

Sơ đồ tạo gel của HMP

7

1.4

Sơ đồ tạo gel của LMP

7

1.5

Quy trình sản xuất pectin thương mại

10

1.6

Cấu trúc của CMC

15

1.7

Cấu trúc của chitosan

16

1.8

Cấu trúc của alginate

17

1.9
1.10

Quy trình điều chế nanochitosan sử dụng methacrylic
acid
Quá trình tạo màng trên khuôn ở quy mô phòng thí
nghiệm

18
20

2.1

Ảnh SEM của NaCS

40

2.2

Ảnh SEM, TEM và mẫu bột nano ZnO tổng hợp được

40

2.3

Quy trình chiết pectin ở quy mô phòng thí nghiệm

43

2.4

Thiết bị siêu âm

43

3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6

Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến
hàm lượng pectin thu nhận từ vỏ bưởi
Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến
hàm lượng pectin thu nhận từ lá sương sâm
Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến
hàm lượng pectin thu nhận từ vỏ chuối
Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến
hàm lượng pectin thu nhận từ vỏ dưa hấu
Phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu pectin chiết tách
Đồ thị biểu diễn tương quan độ nhớt động học của
pectin với nồng độ

59
60
62
63
64
66


x

Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

3.7

Ảnh hưởng của biên độ đến hàm lượng pectin

70

3.8

Ảnh hưởng của chu kì đến hàm lượng pectin

71

3.9

Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng pectin

72

3.10

Hình ảnh pectin sau khi kết tủa

73

3.11

Phổ FTIR của pectin

74

3.12

Kết quả xác định diện tích peak

75

3.13
3.14
3.15
3.16
3.17

Độ bền kéo đứt của các màng được tạo thành từ pectin
vỏ bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP)
Độ giãn dài của các màng được tạo thành từ pectin vỏ
bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP)
Độ hòa tan của các màng được tạo thành từ
pectin vỏ bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP)
Độ truyền hơi nước của các màng được tạo thành từ
pectin vỏ bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP)
Độ truyền khí oxy của các màng được tạo thành từ
pectin vỏ bưởi và pectin lá sương sâm

77
77
79
79
80

3.18

Độ hòa tan của các màng LMP – chitosan

85

3.19

Độ thấm hơi nước của các màng LMP – chitosan

85

3.20
3.21
3.22
3.23

Hình ảnh kháng các chủng vi sinh vật của màng LMP
– chitosan
Khả năng kháng các chủng vi sinh vật của các màng
LMP - chitosan
Biểu đồ biểu diễn độ hòa tan của các màng LMP alginate
Biểu đồ biểu diễn độ thấm hơi nước của các màng
LMP - alginate

86
87
91
92

3.24

Hình ảnh kháng vi sinh vật của màng pectin – alginate

93

3.25

Biểu đồ biểu diễn độ hòa tan của các màng LMP -

96


xi

Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

CMC
3.26

Độ thấm hơi nước của các màng LMP – CMC

97

3.27

Hình ảnh kháng vi sinh vật của màng LMP – CMC

98

3.28

Đường hấp thụ đẳng nhiệt ẩm của các màng
LMP/AG2, LMP/CS2 và LMP/CMC3

98

Đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của màng LMP/AG
3.29

không có và có bổ sung nano ZnO với các hàm lượng

103

khác nhau ở 25± 0,5oC
3.30
3.31

Độ truyền ánh sáng của các màng P/AG có bổ sung
nano ZnO
Hình ảnh minh họa khả năng kháng E.coli

105
106

Khả năng kháng các chủng vi sinh vật của màng
3.32

LMP/AG2 bổ sung nano ZnO với các hàm lượng khác

106

nhau
3.33
3.34
3.35
3.36
3.37
3.38
3.39
3.40

Phổ FTIR của

màng LMP/AG2 có bổ sung 0,1%

nano ZnO và không có nano ZnO
SEM của bề mặt màng (ảnh trên) và mặt cắt ngang của
màng
Đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của các màng pectin –
nanochitosan
Phổ hồng ngoại (FT-IR) của màng LMP, NaCS và
LMP/NaCS
Hình ảnh đánh giá khả năng kháng vi sinh vật
Khả năng kháng các chủng vi sinh vật của các màng
LMP/NaCS
Hình ảnh SEM của bề mặt màng LMP, NaCS,
LMP/NaCS2
Một số hình ảnh xoài và bơ đem bảo quản

107
109
112
114
115
116
118
120


xii

Số hiệu

Tên hình

hình
3.41
3.42
3.43

(a) Mẫu đối chứng; (b) Mẫu phủ màng P/AG/nano
ZnO; (c) Mẫu phủ màng P/NaCS
Hình ảnh bơ được phủ màng P/AG/nano ZnO (trái) và
P/NaCS (phải)
Hao hụt khối lượng (a) và độ cứng (b) của xoài trong
thời gian bảo quản

Trang
123
123
124

3.44

Cách gọt vỏ chuẩn bị mẫu để đo độ cứng của xoài

125

3.45

Hình ảnh xoài trong quá trình bảo quản

126

3.46
3.47
3.48

Độ màu (giá trị L) của vỏ xoài (a), ruột xoài (b) trong
thời gian bảo quản
Hao hụt khối lượng của xoài phủ màng và không phủ
màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau
Độ cứng của xoài phủ màng và không phủ màng bảo
quản ở các nhiệt độ khác nhau

126
128
128

Tổng chất rắn hòa tan, đường khử, tổng acid và
3.49

vitamin C của xoài phủ màng và không phủ màng bảo

132

quản ở các nhiệt độ khác nhau
Số lượng tế bào nấm men và nấm mốc từ xoài phủ
3.50

màng và không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ

134

khác nhau
3.51

Tổng tế bào vi sinh vật hiếu khí từ xoài phủ màng và
không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau

134

3.52

Hình ảnh bơ sau thời gian bảo quản 10 ngày

135

3.53

Cách chuẩn bị mẫu đo độ cứng của bơ

136

3.54
3.55

Hao hụt khối lượng của bơ phủ màng và không phủ
màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau
Độ cứng của bơ phủ màng và không phủ màng bảo
quản ở các nhiệt độ khác nhau

137
138


xiii

Số hiệu
hình
3.56
3.57
3.58
3.59
3.60
3.61

Tên hình
Độ màu của vỏ bơ phủ màng và không phủ màng bảo
quản ở các nhiệt độ khác nhau
Tổng chất rắn hòa tan của bơ phủ màng và không phủ
màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau
pH của phần ruột bơ phủ màng và không phủ màng
bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau
Hàm lượng lipid và chỉ số iodine của bơ phủ màng và
không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau
Số lượng tế bào nấm men, nấm mốc từ bơ phủ màng
và không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau
Tổng tế bào vi sinh vật hiếu khí từ bơ phủ màng và
không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau

Trang
140
141
142
144
145
145


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Pectin được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm không chỉ là phụ gia an toàn với
vai trò chất ổn định, chất nhũ hóa, chất làm đặc mà còn có tác dụng làm giảm chất béo,
đường, cholesterol trong máu. Nhu cầu sử dụng pectin thế giới ngày càng cao, hàng
năm trung bình khoảng 45.000 tấn. Tuy nhiên, việc sản xuất pectin đáp ứng cho nhu
cầu tiêu dùng của thế giới vẫn còn hạn chế, chỉ có một số công ty đảm nhận vai trò
cung cấp điển hình như Cargill và CP Kelco [106]. Do đó việc nghiên cứu nhằm nâng
cao sản lượng cũng như chất lượng của pectin là vấn đề cần thiết.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất pectin thương mại phổ biến nhất hiện nay vẫn là
bã táo và vỏ cam quýt [108]. Điều này cũng là nguyên nhân làm hạn chế về số lượng
pectin sản xuất được. Trên thế giới cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về chiết
tách pectin từ các nguồn nguyên liệu khác như vỏ thanh long, vỏ chuối, vỏ dưa hấu,…
Tuy nhiên, hàm lượng và tính chất của pectin tùy thuộc vào vùng miền, loài, giai đoạn
sinh trưởng, bộ phận, thổ nhưỡng, chế độ canh tác… của nguồn nguyên liệu, đặc biệt
chưa có nghiên cứu nào đánh giá toàn diện hàm lượng và tính chất của sản phẩm
pectin thu được. Đối với nước ta, việc sản xuất pectin ở quy mô công nghiệp vẫn chưa
được thực hiện, chủ yếu vẫn phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao. Trong
khi đó, Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên nguồn nguyên liệu thực vật
rất phong phú như chuối, bưởi, dưa hấu,.. Đặc biệt, lá sương sâm là một nguồn nguyên
liệu phong phú, chứa hàm lượng pectin cao nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào về
chiết tách pectin từ nguồn nguyên liệu này. Vì vậy, việc nghiên cứu chiết tách pectin
từ một số nguồn thực vật có sẵn trong nước có ý nghĩa lớn trong việc mở ra khả năng
tự sản xuất pectin để cung cấp cho thị trường trong nước ở các lĩnh vực công nghệ
thực phẩm và y học, hạn chế nhập khẩu với giá cao. Ngoài ra, còn giúp các doanh
nghiệp chủ động trong việc sản xuất các sản phẩm có ứng dụng pectin, nâng cao giá trị
sử dụng các sản phẩm nông nghiệp, đồng thời có thể giải quyết phế phẩm cho ngành
chế biến rau quả, hạn chế ô nhiễm môi trường. Qua tham khảo một số tài liệu [13],
[29], [40], [108], nghiên cứu này chọn vỏ bưởi, vỏ dưa hấu, vỏ chuối và lá sương sâm
làm nguồn nguyên liệu chiết tách pectin vì các nguồn nguyên liệu này có hàm lượng
pectin cao và đây là nguồn nguyên liệu có nhiều tại Việt Nam.


2

Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lại phát triển chủ yếu về nông nghiệp,
theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tại Hội nghị trực tuyến tổng
kết công tác ngành nông nghiệp năm 2018 và triển khai kế hoạch năm 2019 “Năm
2018, thị trường tiêu thụ nông sản của Việt Nam được mở rộng, xuất khẩu đạt kỷ lục
mới với con số 40,02 tỷ USD”. Vì vậy việc bảo quản nông sản sau thu hoạch là một
yêu cầu cấp bách nhằm tránh tình trạng “được mùa mất giá”. Tuy nhiên vấn đề bảo
quản trái cây là một công việc khó khăn vì sau khi thu hoạch, trái cây vẫn tiếp tục quá
trình sống, vẫn tiếp diễn các thay đổi về thành phần hóa học, tính chất vật lí và những
quá trình hóa sinh. Việc sử dụng các màng là một lựa chọn tốt cho việc bảo quản rau
quả vì màng sẽ tạo ra một rào cản bán thấm về khí và hơi nước, duy trì được chất
lượng của sản phẩm. Trong những năm gần đây, đã có một số công trình nghiên cứu
màng sinh học bảo quản thực phẩm để thay thế cho bao bì plastic, do chúng có khả
năng phân hủy sinh học dễ dàng, hạn chế ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, màng sinh
học được làm từ nguồn nguyên liệu tự nhiên đảm bảo an toàn thực phẩm, không ảnh
hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng. Nghiên cứu gần đây đã tập trung vào các loại
màng làm từ polysaccharide như chitosan, hemicelluloses, tinh bột và cũng đã có một
số bài báo trình bày và đánh giá về sự phát triển và ứng dụng của màng ăn được [106].
Tuy vậy mỗi loại màng đều có những ưu nhược điểm khác nhau và phù hợp để bảo
quản một hoặc một nhóm thực phẩm nhất định. Pectin là một polysaccharide có khả
năng tạo màng làm rào cản khí oxy rất tốt nhưng ngược lại có độ hòa tan trong nước
cao [70]. Chính vì thế cần phải kết hợp với các polysaccharide khác và vật liệu nano
để cải thiện một số tính chất của màng. Việc nghiên cứu màng pectin sử dụng trong
bảo quản thực phẩm cũng là một xu hướng đang được quan tâm nhưng trên thế giới
chưa có nhiều nghiên cứu về màng pectin đặc biệt chưa có nghiên cứu nào được thực
hiện tại Việt Nam.
Nghiên cứu này hướng đến việc tạo màng pectin sinh học nhằm bảo quản xoài
và bơ vì đây là hai loại trái cây có giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cao, có nhiều ở
Việt Nam và các nước nhiệt đới, là loại trái cây được mọi người trên thế giới ưa
chuộng. Tuy nhiên xoài và bơ đều là những loại quả có cường độ hô hấp mạnh nên
thời gian bảo quản ngắn gây khó khăn cho việc xuất khẩu. Để hướng tới mục tiêu kéo
dài thời gian bảo quản nhằm tiêu thụ rộng rãi và xuất khẩu, những công trình nghiên


3

cứu về bảo quản xoài và bơ là rất cần thiết, góp phần nâng cao giá trị thương phẩm cho
rau quả trên thị trường trong và ngoài nước.
Xuất phát từ những lí do trên, việc nghiên cứu thu nhận pectin từ một số nguồn
thực vật và sản xuất màng pectin sinh học ứng dụng trong bảo quản xoài và bơ là một
hướng nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực góp phần thúc đẩy ngành công nghệ sau thu
hoạch nói chung và công nghệ thực phẩm nói riêng của nước ta ngày càng phát triển.
2. Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu chiết tách pectin từ các nguồn thực vật được trồng phổ biến ở Việt
Nam (vỏ bưởi, vỏ dưa hấu, vỏ chuối và lá sương sâm). Xác định tính chất của các loại
pectin chiết tách, từ đó lựa chọn nguồn pectin và polymer đồng tạo màng (CMC,
chitosan, alginate) phù hợp để tạo màng pectin sinh học, ứng dụng trong bảo quản trái
cây.
3. Nội dung của luận án
Với những mục tiêu nêu ra, nhiệm vụ của đề tài là sẽ giải quyết các nội dung
sau đây:
- Nghiên cứu chiết tách pectin bằng phương pháp ngâm chiết và siêu âm từ 4
nguồn nguyên liệu lựa chọn: lá sương sâm, vỏ chuối, vỏ dưa hấu và vỏ bưởi.
- Xác định tính chất của các loại pectin thu nhận như độ nhớt, khối lượng phân
tử, chỉ số DE, từ đó lựa chọn loại pectin phù hợp để tạo màng.
- Nghiên cứu tạo màng pectin sinh học (còn gọi là màng pectin composite) từ
pectin với polymer đồng tạo màng là CMC, chitosan và alginate, từ đó lựa chọn
phương án tạo màng thích hợp, đồng thời nghiên cứu phối hợp với vật liệu nano để
nâng cao chất lượng của màng ứng dụng trong bảo quản trái cây.
- Nghiên cứu ứng dụng màng pectin sinh học để bảo quản trái cây (xoài và bơ).
Khảo sát ảnh hưởng của việc phủ màng và nhiệt độ đến thời gian bảo quản.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Nội dung nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:
- Ý nghĩa khoa học:
+ Cung cấp thông tin khoa học về quy trình công nghệ sản xuất pectin, các điều
kiện tốt nhất để chiết tách pectin từ các nguồn nguyên liệu thực vật nghiên cứu, đồng
thời xác định một số tính chất cơ bản của sản phẩm pectin.


4

+ Đánh giá khả năng tạo màng phối hợp giữa pectin có chỉ số methoxyl cao
(HMP) và pectin có chỉ số methoxyl thấp (LMP) với các polysaccharide đồng tạo
màng là chitosan (CS), alginate (AG), carboxyl methyl cellulose (CMC). Cung cấp
thông tin về các chỉ tiêu cơ, lý, hóa, sinh học của các loại màng pectin composite.
+ Chứng minh khả năng tạo màng phối hợp giữa pectin với vật liệu nano
(nanochitosan và nano ZnO).
+ Xác định khả năng sử dụng màng pectin sinh học để kéo dài thời gian bảo
quản xoài và bơ. Chứng minh tính ưu việt của việc sử dụng màng pectin sinh học trong
bảo quản bảo quản trái cây.
- Ý nghĩa thực tiễn:
+ Là cơ sở để xây dựng công nghệ sản xuất pectin từ các nguồn nguyên liệu sẵn
có tại Việt Nam, đặc biệt là từ các nguồn phế phụ phẩm của chế biến rau quả góp phần
giảm thiểu lượng pectin ngoại nhập, đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường.
+ Là cơ sở để xây dựng qui trình sản xuất các loại màng pectin sinh học nhằm
mục đích ứng dụng trong bảo quản thực phẩm.
+ Là cơ sở để ứng dụng màng phủ trong bảo quản bơ, xoài nhằm kéo dài thời
gian bảo quản.
5. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 148 trang (không kể phần phụ lục), kết cấu bao gồm:
Phần mở đầu có 4 trang trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, ý nghĩa
khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án.
Nội dung chính gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan tài liệu gồm 34 trang;
Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu, gồm có 17 trang;
Chương 3: Kết quả nghiên cứu gồm có 91 trang;
Phần kết luận và kiến nghị gồm 2 trang.
Ngoài ra phần các công trình công bố và tài liệu tham khảo gồm 13 trang.
Trong luận án có 148 tài liệu tham khảo tiếng Việt, tiếng Anh và trang web.


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về pectin
1.1.1. Giới thiệu chung về pectin
Thành tế bào thực vật được cấu tạo từ nhiều loại polysacccaride như cellulose,
pectin, xyloglucan và cả protein. Các thành phần này gắn kết với nhau và tạo thành
một mạng lưới không gian chặt chẽ. Pectin chiếm một lượng khá lớn trong thành tế
bào và chủ yếu nằm ở phiến giữa trong mô tế bào thực vật bậc cao [148].

Thành
tế bào
Pectin

Màng
tế bào

Cellulose
Hemicellulose
Hình 1.1. Cấu tạo thành tế bào thực vật [148]

1.1.1.1. Cấu trúc và thành phần hoá học của pectin
Giống như hầu hết các polysaccharide thực vật khác, thành phần hóa học của
pectin thay đổi tùy theo nguồn nguyên liệu và điều kiện chiết tách. Mặc dù pectin được
phát hiện cách đây 200 năm nhưng thành phần và cấu trúc của pectin vẫn chưa được
xác định rõ. Cấu trúc của pectin rất khó xác định vì pectin có thể thay đổi trong quá
trình chiết tách, quá trình bảo quản, chế biến nguyên liệu thực vật [97]. Hiện nay,
pectin chủ yếu là do các acid D-galacturonic tham gia tạo thành chuỗi polymer bằng
liên kết α (1-4) glycosidic, trong đó có một số có nhóm carboxyl bị este hóa với
methyl đối với pectin tự nhiên và trong một số loại pectin thương mại còn chứa
cacboxamide (Hình 1.2) [93].
Tỉ lệ giữa lượng acid galacturonic este hóa với methyl so với tổng số đơn vị
acid glacturonic hiện diện trong pectin được gọi là mức độ este hóa. Dựa vào chỉ số
DE có thể phân loại pectin thành hai nhóm: pectin có DE> 50% gọi là HMP, pectin có


6

DE< 50% gọi là LMP. Amidated pectin là pectin chiết tách bằng dung dịch amoniac,
kết quả tạo ra sản phẩm có chứa các nhóm chức este với nhóm amide [101]. Tùy thuộc
nguồn thực vật và phương pháp chiết tách mà mức độ methyl hóa trong pectin có thể
khác nhau [18].

(a)
amide

(b)
Hình 1.2. Một đoạn của phân tử pectin có nhóm chức năng:
a) carboxyl và este; b) amide

1.1.1.2. Tính chất của pectin
Trong dung dịch, pectin xoay tròn và cong chiếm một khoảng không gian lớn,
chúng thường xuyên va chạm với nhau, tạo ra ma sát, tiêu thụ năng lượng và do đó tạo
ra độ nhớt. Khi có mặt của calcium, độ nhớt của dung dịch pectin tăng hơn 80 lần so
với độ nhớt của dung dịch không có canxi vì canxi có thể tương tác với pectin để tạo
gel [21], [139].
Tính chất độc đáo nhất của pectin là khả năng tạo gel với sự có mặt của đường
và acid hoặc các ion Ca2+. Tính chất tạo gel này làm cho nó có một vai trò quan trọng
trong nhiều sản phẩm thực phẩm. Cơ chế tạo gel của pectin được điều chỉnh chủ yếu
bởi mức độ este hóa.
HMP tạo gel khi có mặt của đường và acid bằng cách giảm hiện tượng hydrate
hoá. Khi thêm acid vào, các nhóm tích điện có khả năng ngậm nước cao chuyển thành


7

nhóm acid carboxylic ít ngậm nước và không tích điện. Việc giảm số lượng điện tích
âm này không chỉ làm giảm lực hút giữa các phân tử pectin và nước mà còn làm giảm
lực đẩy giữa các phân tử pectin. Đường tiếp tục làm giảm khả năng hydrate hóa của
pectin bằng cách cạnh tranh lấy nước. Những điều kiện này làm giảm khả năng phân
tán của pectin [18], [21. Quá trình tạo gel của HMP và LMP được thể hiện như sơ đồ
hình 1.3 và hình 1.4. Giá trị pK của pectin rất khác nhau tuỳ theo chỉ số DE của pectin,
pectin có DE 65% thì pK 3,55 trong khi acid pectic có DE 0% thì pK 4,1 [101].

Khu vực mối nối
Chuỗi mạch pectin
Hình 1.3. Sơ đồ tạo gel của HMP [50]

Sự tạo thành liên kết giữa 2 chuỗi
theo mô hình “Hình hộp trứng”

Sự tạo thành liên kết của
nhiều chuỗi theo mô hình
“Hình hộp trứng”

Hình 1.4. Sơ đồ tạo gel của LMP [46]
LMP tạo gel cần phải có cation hóa trị hai, thường là canxi. Ở LMP, tỉ lệ các
nhóm COO- cao do đó các liên kết giữa những phân tử pectin sẽ được tạo thành qua
cầu nối là Ca2+. Cơ chế tạo gel của LMP được dựa trên mô hình “hộp trứng” như mô
hình tạo gel ở hình 1.4. Cấu trúc của gel phụ thuộc vào nồng độ Ca2+ và gel này có tính
đàn hồi [18], [21], [109].
Pectin có khả năng kết hợp với các polysaccharide khác và tạo thành gel, đặc
biệt là với alginate [109]. Sự tương tác hiệu quả giữa các pectin và protein được cho là


8

trung tâm để phát triển kết cấu thực phẩm đạt yêu cầu. Những hệ gel này mạnh và đàn
hồi hơn khi thêm cầu nối liên kết như ion canxi [99]. Gần đây người ta nghiên cứu đến
sự tương tác giữa pectin và một số loại keo khác như quá trình tạo gel của LMP với
guar, tinh bột oxy hóa, maltodextrin từ khoai tây và gum arabic. Khả năng tương tác
giữa các chất này tốt khi các chất có khả năng tương thích không gian cao [99].

1.1.2. Kĩ thuật thu nhận pectin
Quá trình thu nhận pectin gồm 3 công đoạn chính như sau: [Nguyên liệu]
Chiết tách

[Pectin hòa tan]

Kết tủa

[Pectin kết tủa]

Hoàn thiện

[Sản

phẩm pectin].

1.1.2.1. Công đoạn chiết tách pectin
Pectin trong nguyên liệu bao gồm pectin hòa tan và protopectin không tan.
Protopectin nằm dưới dạng liên kết với các thành phần khác của thành tế bào thực vật,
vì vậy công đoạn đầu tiên trong qui trình thu nhận pectin là làm đứt các liên kết để
chuyển protopectin từ thành tế bào ra bên ngoài dưới dạng pectin hòa tan. Một số
phương pháp chiết tách pectin đã được sử dụng như:

1) Chiết bằng phương pháp ngâm chiết
- Chiết tách trong nước
Bằng cách gia nhiệt nguyên liệu trong nước có thể chiết tách pectin. Phương
pháp này không được sử dụng trong công nghiệp vì phải thực hiện trong thời gian dài
và nhiệt độ cao. Hai yếu tố này sẽ dẫn đến sự thủy phân pectin trong quá trình chiết
tách và rất tốn kém vì nhu cầu năng lượng cao.

- Chiết tách trong dung dịch acid
Hiện nay sản xuất pectin công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp ngâm chiết
trong dung dịch acid. Protopectin trong nguyên liệu sẽ chuyển thành pectin hòa tan
dưới tác dụng của acid [74]. Pectin có chỉ số este hóa cao được chiết tách hiệu quả
bằng dung dịch acid yếu vì các liên kết hóa học của protopectin yếu. Để thúc đẩy quá
trình thủy phân của protopectin và tách pectin, người ta thường dùng dung dịch acid
vô cơ (HC1, H2SO3, H2SO4, HNO3) và một số acid hữu cơ có khối lượng phân tử thấp
(acetic; oxalic, citric, tartaric,…) [133]. Trong môi trường acid mạnh liên kết
glycosidic của pectin bị thủy phân nhiều.

2) Chiết tách bằng enzyme
Chiết bằng enzyme sẽ tạo được sản phẩm xanh và sạch nhưng giá thành cao.


9

Hơn nữa, chiết bằng phương pháp này kéo dài thời gian xử lí nguyên liệu (khoảng 20
giờ) và pectin thu được có khả năng tạo gel
thấp [125]. Kết quả nghiên cứu của tiến sĩ của Oni Yuliarti năm 2011 cho thấy pectin
thu nhận bằng hỗn hợp chế phẩm enzyme thương mại (Cellulast 1,5L, Cellullyve TR
400 và Cytolase CL) có khối lượng phân tử thấp hơn so với pectin thu nhận bằng
phương pháp acid và nước [101].

3) Chiết tách bằng dung dịch muối và kiềm
Việc sử dụng muối làm tác nhân chiết tách chủ yếu để thay thế các ion kim loại
hóa trị 2 hoặc 3 của pectin hòa tan hoặc muối của pectin. Các tác nhân được sử dụng là
muối của kim loại hóa trị 2 hoặc 3 của acid nitric, sulfuric, acid phosphoric, cả
polyphosphat và oxalat. Trên quy mô công nghiệp, việc chiết tách pectin này không
còn thực hiện vì phải sử dụng một lượng muối rất lớn. Hơn nữa dịch chiết pectin có
chứa nồng độ muối lớn do đó rất khó để làm sạch và xử lí chất thải về sau.
Chiết pectin bởi dung dịch kiềm diễn ra hiệu quả ở độ pH 7-12. Tác nhân chiết
tách thường sử dụng nhất là các dung dịch của NH4OH. Trong dung dịch kiềm,
protopectin bị thủy phân, quá trình de-este hóa của pectin diễn ra, mạch pectin bị cắt
đứt rất mạnh do đó khả năng tạo gel không cao.

4) Chiết tách pectin bằng phương pháp siêu âm
Các phương pháp truyền thống để chiết tách pectin là gia nhiệt trực tiếp khoảng
60-100oC trong khoảng thời gian 20-360 phút và pH 1-3. Quá trình chiết này có nhược
điểm là thời gian dài [47]. Việc chiết có hỗ trợ siêu âm được thực hiện dựa vào cơ chế
là do tác động cơ học, xâm thực khí và những hiệu ứng nhiệt dẫn đến sự tác động đến
thành tế bào thực vật, làm phá vỡ thành tế bào, giảm kích thước của các chất và tăng
sự chuyển động của các chất qua màng tế bào. Một vài nghiên cứu cho thấy siêu âm
làm tăng năng suất hoặc hiệu suất chiết cũng như giảm thời gian chiết tách pectin [55].

1.1.2.2. Công đoạn kết tủa pectin
Để kết tủa pectin có thể sử dụng các loại rượu như isopropanol, methanol,
ethanol. Ngoài ra có thể dùng các tác nhân kết tủa khác như nhôm clorua, nhôm
hydroxide và sunfate. Theo Steven Nagy, các pectin mang điện tích âm sẽ liên kết với
keo mang tích điện dương tạo kết tủa, sau đó tạo thành các mạng liên kết hình giống
cái lược nổi lên trên bề mặt [114]. Trong thực tế, người ta thường sử dụng rượu vì


10

pectin có chỉ số DE cao (>70%) không kết tủa tốt với các muối và hơn nữa khi kết tủa
bằng muối, phải có
công đoạn rửa và loại bỏ muối ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi pectin [87].

1.1.2.3. Quy trình sản xuất pectin thương mại
Hiện nay, trên thế giới người ta đã sản xuất pectin ở quy mô công nghiệp và
nguyên liệu sử dụng chủ yếu là bã táo và vỏ cam quýt. Quy trình sản xuất pectin
thương mại được thể hiện ở hình 1.5.
Vỏ cam quýt hoặc bã táo
Chiết tách
Lọc
Kết tủa bằng rượu etylic

Acid hoặc base
(Amonia)
Làm khô

De-este hóa

Rượu bay hơi

Làm khô

Nghiền nhỏ

Nghiền nhỏ

Phối trộn

Phối trộn

Pectin có chỉ số este hóa cao

Pectin có chỉ số este hóa thấp

Rượu bay hơi

Hình 1.5. Quy trình sản xuất pectin thương mại [119]

1.1.3. Tổng quan về nguồn nguyên liệu chiết tách pectin
Nguyên liệu chính sử dụng trong sản xuất pectin thương mại là vỏ cam quýt và
bã táo. Trong nghiên cứu này, bốn loại nguyên liệu sau đã được sử dụng để nghiên
cứu:

1.1.3.1. Vỏ dưa hấu
Dưa hấu có tên khoa học là Citrullus lanatus được trồng trên khắp nước ta. Dưa


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×