Tài liệu Nghiên cứu chiết suất hoạt chất từ cây gai xanh (boehmeria nivea l.gaud) và ứng dụng trong sản xuất thực phẩm bảo vệ sức khỏe

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN THỊ HỒNG NGỌC NGHIÊN CỨU CHIẾT SUẤT HOẠT CHẤT TỪ CÂY GAI XANH (Boehmeria nivea L.Gaud) VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM BẢO VỆ SỨC KHỎE LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Thái Nguyên – 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN THỊ HỒNG NGỌC NGHIÊN CỨU CHIẾT SUẤT HOẠT CHẤT TỪ CÂY GAI XANH (Boehmeria nivea L.Gaud) VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM BẢO VỆ SỨC KHỎE Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số ngành: 84 20 201 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Văn Chí Thái Nguyên - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em đã nhận được sự giúp đỡ về nhiều mặt của các cấp lãnh đạo, các tập thể và các cá nhân. Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS.Trần Văn Chí đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn đến ThS. Lưu Hồng Sơn cùng các cán bộ, các bạn sinh viên Khoa Công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Sinh Huỳnh, chủ nhiệm đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế biến một số sản phẩm từ cây gai xanh tại tỉnh Cao Bằng”, của sở Khoa học và công nghệ tỉnh Cao Bằng năm 2018, giám đốc công ty cổ phẩn giống và chăn nuôi Cao Bằng đã giúp đỡ em trong quá trình thực tập và nghiên cứu, cũng như hỗ trợ kinh phí để thực hiện luận văn. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 10 năm 2019 Học Viên Nguyễn Thị Hồng Ngọc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i MỤC LỤC ...................................................................................................................ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... v DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................vii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết........................................................................................................... 1 1.1. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................. 2 1.1.1. Mục tiêu chung .................................................................................................. 2 1.1.2. Mục tiêu cụ thể .................................................................................................. 2 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.............................................................................. 2 1.2.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................. 2 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................... 2 Chương 1 .................................................................................................................... 3 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU .................. 3 1.1. Cơ sở khoa học ..................................................................................................... 3 1.1.1. Tổng quan về cây gai xanh ........................................................................ 3 1.1.2. Các hoạt chất sinh học trong cây gai xanh và tính chất của chúng ................. 5 1.1.3. Tổng quan về gốc tự do và các chất chống oxi hóa .......................................... 6 1.1.4. Định nghĩa thực phẩm chức năng ................................................................ 7 1.1.5. Đặc điểm và tác dụng của thực phẩm chức năng .......................................... 8 1.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng cây gai xanh ..................................... 8 1.2.1. Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng cây gai xanh tại Việt Nam ........... 8 1.2.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng cây gai xanh trên thế giới ............ 9 Chương 2 .................................................................................................................. 12 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 12 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 12 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 12 2.1.2.1. Phạm vi nội dung .................................................................................. 12 2.1.2.2. Phạm vi không gian nghiên cứu: ............................................................ 12 2.1.2.3. Vật liệu, hoá chất và thiết bị sử dụng ...................................................... 12 2.2. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 13 2.3. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 13 2.3.1. Phân tích, thử nghiệm hoạt tính sinh học của một số hợp chất trong cây gai xanh .................................................................................................................. 13 2.3.1.1. Xác định hàm lượng flavonoid tổng số bằng phương pháp cân ................ 13 2.3.1.2. Phương pháp xác định hoạt động chống oxy hóa tế bào ........................... 14 2.3.2. Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình chiết suất cao củ gai ........................ 15 2.3.3. Phương pháp thử khả năng kháng khuẩn ................................................... 19 2.3.4. Nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất trà túi lọc và cao củ gai .............. 19 2.3.4.1. Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ sản xuất trà túi lọc từ lá Gai .. 19 2.3.4.2. Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ sản xuất cao từ rễ (củ) Gai: ... 26 2.3.4.3. Phương pháp phân tích chỉ tiêu chất lượng các sản phẩm thu được .......... 27 2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................ 28 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................. 29 3.1. Kết quả nghiên cứu một số hoạt chất sinh học trong dịch chiết lá và củ gai ..... 29 3.1.1. Kết quả phân tích hoạt chất sinh học trong một số bộ phận cây gai xanh ...... 29 3.1.2. Kết quả thử hoạt tính chống oxy hóa của dịch chiết lá gai ........................... 30 3.2. Kết quả tối ưu hóa quá trình chiết suất cao củ gai ............................................. 32 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung môi chiết suất. ............................................ 33 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian chiết suất. .......................................................... 33 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết suất ............................................................ 34 3.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/ dung môi .............................................. 35 3.2.5. Kết quả tối ưu các điều kiện chiết suất dịch củ gai. .................................... 36 3.2.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ cô đặc đến chất lượng sản phẩm. .......................... 39 3.2.7. Kết quả phân tích hàm lượng flavonoid trong cao củ gai ........................... 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv 3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của một số hoạt chất sinh học của cây gai xanh; ............................................................................................................. 40 3.4. Kết quả nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất trà túi lọc và cao củ gai ...... 42 3.4.1. Kết quả nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất trà túi lọc ......................... 42 3.4.1.1.Kết quả xác định thành phần hóa học của nguyên liệu .............................. 42 3.4.1.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố trong quá trình sản xuất 43 3.4.1.3 Quy trình sản xuất .................................................................................. 46 3.4.1.4. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho sản phẩm trà túi lọc từ lá gai ................... 47 3.4.2. Kết quả nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất cao củ gai ........................ 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 50 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. .............................................................. 51 I. Tài liệu tiếng Việt: ................................................................................................. 51 II. Tài liệu tiếng Anh: ................................................................................................ 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CT : Công thức IFIC : Hiệp hội thông tin thực phẩm quốc tế DPPH : 1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl HPLC : High Performance Liquid Chromatography - Sắc ký lỏng hiệu năng cao LB : Luria Bertani ROS : Reactive oxygen species - Gốc tự do oxy hóa SSR : Simple sequence repeat - Chuỗi lặp lại đơn giản Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1. Bảng mã hóa các điều kiện tối ưu ............................................................. 18 Bảng 2.2. Ma trận thực nghiệm Box- Behnken ba yếu tố và hàm lượng hoạt chất sinh học của cao củ gai.............................................................................................. 18 Bảng 3.1. Bảng kết quả phân tích các hoạt chất sinh học trong một số bộ phận của cây gai xanh ............................................................................................................... 29 Bảng 3.2. Hoạt tính chống oxy hóa của dịch chiết được thể hiện qua giá trị IC50 .... 32 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến hàm lượng flavonoid ..................... 33 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng flavonoid tổng số ........... 34 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết đến hàm lượng flavonoid tổng số ............ 34 Bảng 3.6. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/ dung môi đến hàm lượng flavonoid tổng số ............................................................................................ 35 Bảng 3.7: Ma trận thực nghiệm Box-Behken ba yếu tố chiết củ Gai ....................... 36 Bảng 3.8: Phân tích phương sai ANOVA của mô hình chiết suất từ củ Gai ............ 37 Bảng 3.9. Kết quả của ảnh hưởng của nhiệt độ cô đặc đến chất lượng sản phẩm ................................................................................................................ 39 Bảng 3.10. Kết quả phân tích hàm lượng flavonoid trong cao củ gai ...................... 40 Bảng 3.11. Đường kính vòng vô khuẩn của cao chiết lá gai kháng E. coli, B. subtilis và S. aureus ............................................................................................................... 41 Bảng 3.12. Bảng kết quả phân tích một số chỉ tiêu từ lá và rễ của cây gai xanh ...... 42 Bảng 3.13. Kết quả đánh giá cảm quan nhiệt độ đến quá trình sấy .......................... 43 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của thời gian sấy .................................................................. 44 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu.................................................. 45 Bảng 3.16. Tỷ lệ nguyên liệu phụ bổ sung vào trong sản phẩm ............................... 45 Bảng 3.17. Kết quả đánh giá chất lượng sản phẩm ................................................... 47 Bảng 3.18. Kết quả đánh giá chỉ tiêu vi sinh vật ...................................................... 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Cây gai xanh và củ của cây gai xanh .......................................................... 3 Hình 2.1. Phản ứng khử gốc DPPH .......................................................................... 14 Hình 3.1. Hoạt tính chống oxy hóa của dịch chiết lá gai .......................................... 31 Hình 3.2. Hoạt tính chống oxy hóa của Acid ascorbic ............................................. 31 Hình 3.3. Bề mặt đáp ứng hàm lượng flavonoid ....................................................... 38 Hình 3.4. Hàm kỳ vọng và điều kiện tối ưu hàm lượng flavonoid trong dịch chiết . 38 Hình 3.5. Kết quả khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của lá gai với vi khuẩn lần lượt A: Escherichia coli, B: Bacillus subtilis, C: Staphylococcus. aureus và D: Đối chứng dương Ampicillin, đối chứng âm nước cất. ................................................... 40 Hình 3.6. Khả năng kháng khuẩn của cao củ gai đối với Bacillus subtilis và Escherichia coli ......................................................................................................... 42 Hình 3.7. Sơ đồ quy trình sản xuất trà túi lọc lá gai ................................................. 46 Hình 3.8. Quy trình sản xuất cao củ gai .................................................................... 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Cây gai xanh - Boehmeria nivea (L.) Gaud đã được sử dụng từ 5.000 - 3.300 trước công nguyên trong các loại vải xác ướp ở Ai Cập. Nó được trồng như một loại cây lấy sợi ở nhiều quốc gia bao gồm Trung Quốc, Nhật Bản, Thái Lan, Philippines, Ấn Độ và Hàn Quốc. Phần vỏ ngoài của thân cây gai xanh chứa hàm lượng chất xơ cao, khi thu hoạch chủ yếu đã và đang được sử đụng để sản suất vải sợi. Ngoài ra trong thành phần chất xơ này có hoạt chất với khả năng chống vi khuẩn, côn trùng tấn công và nấm mốc [12]. Ở Hàn Quốc đã có rất nhiều nghiên cứu về việc sử dụng cây gai xanh trong thực phẩm, chẳng hạn như nhiều loại bánh gạo truyền thống của Hàn Quốc [12]. Đặc biệt, phần lá của cây gai xanh rất giàu các yếu tố dinh dưỡng như khoáng chất, protein, vitamin, và nhiều chất hoạt tính sinh học khác nhau [18]. Trong thuốc thảo dược truyền thống của Trung Quốc đã sử dụng rễ của cây gai xanh để điều trị cảm lạnh thông thường, phù nề, sốt, nhiễm trùng đường tiết niệu, viêm thận và an thai rất tốt [12]. Những nghiên cứu trước đây đã tìm thấy các hợp chất quý có trong cây gai xanh như alkaloids, lignans, flavon, terpenoids và glycosides và axit behenic, axit ursolic, β- sitosterol, cholesterol, kiwiionoside, rutin, uracil, quercetin, α-amyrin, nonacosanol, emodin, emodin-8-O-β-glucoside, physcion, polydatin, catechin, epicatechin và epicatechin gallate [12]. Theo dược lý hiện đại, lá gai có chlorogenic acid, flavonoid rhoifolin, apogenin. Trong đó chlorogenic acid có tác dụng diệt nấm, vi khuẩn và chống oxy hóa mạnh gấp 10 lần vitamin E. Nó phong tỏa nhóm “tự do”, ngăn chặn sự oxy hóa lipoprotein LDL, là khởi điểm của xơ động mạch để dẫn tới cao huyết áp và nhồi máu cơ tim. Các báo cáo đã chỉ ra rằng các chất chiết xuất từ rễ cây gai xanh đã biểu hiện các hoạt động bảo vệ gan chống lại các tổn thương gan do CCl4 gây ra và các tác dụng chống oxy hóa trên FeCl2-ascorbate gây ra lipid peroxid hóa trong gan homogenate [12]. Trong nghiên cứu Xiaoning Wang và cs đã chỉ ra rằng chiết xuất 2 Boehmeria nivea (L.) Gaud có thể ngăn ngừa thoái hóa thần kinh dẫn đến bệnh Alzheimer [23]. Mặc dù cây gai xanh có rất nhiều công dụng đối với sức khỏe con người đặc biệt là từ phần lá và củ của cây, nhưng hiện nay vẫn chưa có một quy trình cụ thể trong sản xuất các sản phẩm thực phẩm chức năng từ lá gai và củ gai. Do đó, tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu chiết suất hoạt chất từ cây gai xanh (Boehmeria nivea L. Gaud) và ứng dụng trong sản xuất thực phẩm bảo vệ sức khỏe”. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu chung Nghiên cứu chiết suất hoạt chất từ cây gai xanh (Boehmeria nivea L. Gaud) và ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu thành phần hoạt chất sinh học có trong nguyên liệu lá và củ gai; - Tối ưu hóa quy trình chiết suất một số hoạt chất có hoạt tính sinh học cao từ lá và củ gai; - Đánh giá khả năng kháng khuẩn của lá và củ cây gai xanh; - Quy trình nghiên cứu sản xuất sản phẩm trà túi lọc lá gai, cao củ gai và đánh giá chất lượng sản phẩm. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học - Cung cấp thêm các thông tin khoa học về cây gai xanh; quy trình hoàn thiện sản phẩm thực phẩm chức năng từ củ gai và lá gai. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ chiết suất được hợp chất sinh học, từ đó xây dựng hoàn thiện quy trình sản xuất thực phẩm chức năng từ lá gai và cao củ gai tạo sản phẩm có tác dụng tốt đối với sức khỏe của người sử dụng. 3 Chương 1 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1. Cơ sở khoa học 1.1.1. Tổng quan về cây gai xanh [1],[2],[7],[11] Hình 1.1. Cây gai xanh và củ của cây gai xanh[2] Mô tả thực vật Tên khoa học: Boehmeria nivea (L.) Gaud Tên đồng nghĩa : Urtica nivea L. Tên khác: Gai tuyết, gai làm bánh (Kinh), trữ ma, bâu pán (Tày), co pán (Thái), chiểu đủ (Dao) Tên nước ngoài: Ramie grass, China grass, chinese silk – plant (Anh); ramie, ramie blanche, ramie de Chine, ortle de Chine argentee, ortie à feuilles blanches (Pháp) Họ : Gai (Urticaceae) Cây nhỏ, cao 1 – 2m. Thân cứng hóa gỗ ở gốc. Cành màu đỏ nhạt, phủ nhiều lông sát. Lá mọc so le, hình trái xoan hoặc hình trứng, gốc tròn hay hình tim, đầu thuôn nhọn, dài 7 – 15 cm, rộng 4 – 8 cm, lúc non phủ nhiều lông mềm ở cả hai 4 mặt, lúc già thì mặt trên nhẵn màu lục sẫm, mặt dưới lông trở thành trắng bạc, mép có răng hình tam giác, gân gốc 3, cuống lá mảnh, màu đỏ, có lông mềm, lá kèm hình dải nhọn, dễ rụng. Cụm hoa cùng gốc hay khác gốc, ngắn hơn lá, mọc ở kẽ lá, xếp thành chùy đơn ở hoa cái hay hợp lại với nhau ở hoa cái và hoa đực, có khi tạo thành những túm dày đặc; cụm hoa đực nhiều hoa, nụ hình cầu có lông lởm chởm, lá dài 4, nhị 4, nhụy lép có dạng quả lê; cụm hoa cái hình cầu, mang nhiều hoa, bao hoa màu lục nhạt, hình trứng có lông, bầu giẹp, hình trái xoan, hơi có cánh. Quả bế, hình quả lê, có nhiều lông, hạt có dấu. Mùa hoa quả: tháng 11 – 1. Phân bố khắp cả nước, tuy nhiên phát hiện nhiều tại các vùng đồng bằng, miền núi của miền Bắc Việt Nam như: Cao Bằng, Lào Cai, Quảng Ninh, Thái Nguyên, Lạng Sơn, Hà Tây, Hà Nội. Chi Boehmeria Jacq gồm 75 loài, phân bố rải rác khắp các vùng miền nhiệt đới và cận nhiệt đới bắc bán cầu. Ở châu Á có 15 loài, trong đó Việt Nam có khoảng 10 loài. Gai là cây trồng tương đối phổ biến trong nhân dân để lấy lá làm bánh và rễ củ làm thuốc. Gai còn phân bố ở nhiều nước khác như Ấn Độ, Thái Lan, Lào, Trung Quốc, Campuchia và Nhật Bản. Gai thuộc loại cây ưa ẩm và có thể hơi chịu bóng, sinh trưởng phát triển nhanh trong mùa mưa ẩm, đến mùa đông có hiện tượng rụng lá, hơi tàn lụi. Cây ra hoa hàng năm. Chưa quan sát được cây con mọc từ hạt. Song, gai lại có khả năng tái sinh vô tính khỏe bằng cách tái sinh cây chồi sau khi chặt và từ các đoạn thân, cành đem giâm xuống đất. Bộ phận dùng Rễ củ gai thường gọi là trử ma căn. Rễ thu hái quanh năm, tốt nhất là vào mùa hạ hay mùa thu. Đào rễ rửa sạch đất cát, cắt bỏ rễ con, để nguyên hay thái phiến, dùng tươi hay phơi, sấy khô, Rễ hình trụ, thường cong queo dài 5 – 10 cm, đường kính 0,5 – 1,5 cm, mặt ngoài nâu sẫm, có những nếp nhăn dọc và sẹo của dễ con, dễ nẻ, vết bẻ màu vàng có xơ, không mùi, vị nhạt. 5 Lá gai dùng làm bánh hoặc nấu nước uống thanh nhiệt, giải cảm, ngoài ra hàm lượng protein trong lá rất cao được ứng dụng trực tiếp làm thức ăn gia súc để cung cấp hàm lượng đạm thực vật cho vật nuôi… Thân gai: Hàng năm, các nhà máy dệt của Việt Nam phải nhập khẩu hàng vạn tấn sợi gai để sản xuất vải. Ngoài ứng dụng thân cây gai xanh để sản xuất vải may mặc, nó còn được ứng dụng tạo sợi đan lưới đánh cá và là cơ chất lý tưởng để nuôi trồng và sản xuất nấm ăn. Năng suất thân gai tươi thường 40 - 60 tấn/ha, cho 1.000 - 1.600 kg sợi khô và 500 - 1.200 kg sợi đã loại chất keo. Ở Philippin thu được 2.000 kg sợi khô/ha trong năm đầu và 3.500 kg sợi khô trong các năm tiếp theo. Các diện tích gai ở nhiều nước thường sau 7 - 20 năm mới phải phá đi để trồng lại. Gai trồng để làm thức ăn gia súc, năng suất lá có thể đến 300 tấn tươi hay 42 tấn khô với 14 lần cắt trong 1 năm. Năng suất phụ thuộc nhiều vào tính chất thổ nhưỡng, cách chăm sóc và trồng giống. 1.1.2. Các hoạt chất sinh học trong cây gai xanh và tính chất của chúng Lá cây gai xanh cũng thường được sử dụng trong các biện pháp dân gian như một thuốc lợi tiểu và chống sốt, và đã được cho là có tính chất hepatoprotective, chống oxy hóa, và chống viêm [12]. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng lá gai chứa kiwiionoside, rutin, uracil, axit 3-hydroxy-4-methoxy-benzoic, cholesterol, αamyrin, nonacosanol, emodin, emodin-8-O-β-glucoside, physcion, polydatin, catechin , kali nitrat, β-sitosterol, epicatechin và epicatechin gallate. Hơn nữa, lá của B. nivea chứa một lượng lớn các hợp chất phenolic, có khả năng ức chế men chuyển đổi angiotensin I. Trong rễ của loài B. tricuspis có một số epicatechin dimers như (-) - epiafzelechin - (-) - epicatechin-4,8 (hoặc 6) -dimer, và (-) - epicatechin - (-) epicatechin- 4,8- (hoặc 6) –dimer, trong số đó epicatechin, epicatechin gallate, và rutin là các hợp chất polyphenolic được gọi là flavonoid, được biết đến với đặc tính chống oxy hóa, chống viêm, chống khối u, chống vi khuẩn, chống virus và chống dị ứng [12]. Rễ gai chứa acid chlorogenic, acid protocatechuic, acid cafeic, acid quinic, rhoifolin 0,7%, apigenin, rhoifolin khi thủy phân cho apigenin, glucose, rhamnose. Ngoài ra, còn chứa β- sitosterol, daucosterol và acid 19α hydroxyl ursolic (CA, 126, 1997, 291739). Các polysaccharide thành phần chủ yếu gồm D- galctose , L – 6 rhamnose, D –arabinose, D – mannose, và D – galacturonic Me – ester. Bên cạnh polysaccharid, còn có một số oligosaccharid và monosaccharide. Các monosaccharide trong rễ cây là erythrose, heptose và một lượng nhỏ D – galactose, L – arabinose, acid D- galacturonic, melibiose, glucose và fructose, các polysaccharide, một số oligo saccharid và monosaccharide. Các pectin với thành phẩn chủ yếu là acid D – galacuronic và dẫn chất mentyl ester của chúng, cùng với đường L – rhamnose, D – galactose, L – arabinose, L – fructose, D – glucose, D – manose và D – Xylose, các hemicelluloses với thành phần chính là glucomannan [11]. 1.1.3. Tổng quan về gốc tự do và các chất chống oxi hóa 1.1.3.1. Giới thiệu về gốc tự do Gốc tự do là những nguyên tử hay phân tử mất đi một điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng. Do thiếu một điện tử nên các phân tử hay nguyên tử này trở nên không ổn định và dễ dàng phản ứng với các phân tử/nguyên tử lân cận khác để trở nên bền vững, kết quả tạo ra một loạt gốc tự do mới [15]. Phân loại: gốc tự do được tạo ra từ nguyên tử oxy (reactive oxygen species – ROS) như superoxide (O2-•) hydroxyl (OH•), peroxyl (ROO•), lipid peroxyl (LOO•); và từ nguyên tử nitơ (Reactive nitrogen species) như nitric oxide (NO•) và nitrogen dioxide (NO2•). Ngoài ra các phân tử không phải là gốc tự do như hydroperoxide (H2O2), ozon (O3), oxy phân tử (O2), axit hypochoric (HOCl), axit nitric (HNO2), chúng được gọi những chất oxi hóa do dễ dàng tạo ra các phản ứng sinh gốc tự do trong tế bào [15]. Gốc tự do nội sinh được tạo ra từ các phản ứng enzyme trong tế bào liên quan đến hoạt động hô hấp, thực bào, tổng hợp prostaglandin và hoạt động chuyển hóa của hệ enzyme cytochrome P450. Các trường hợp sinh ra gốc tự do nội sinh như hoạt động của tế bào miễn dịch, viêm, căng thẳng, tập thể dục quá sức, thiếu máu cục bộ, nhiễm trùng, ung thư và lão hóa. Ngược lại gốc tự do sinh ra không liên quan đến hoạt động của các enzyme mà do phản ứng của oxy với các hợp chất hữu cơ hoặc do các phản ứng phophoryl hóa xảy ra ở ty thể gọi là gốc tự do ngoại sinh. Nguồn gốc của các gốc tự do ngoại sinh từ không khí, nước bị ô nhiễm, khói thuốc, rượu, kim loại nặng (Cd, Hg, Pb, Fe, As), thuốc kháng sinh (gentamycin, 7 bleomycine), thuốc ức chế miễn dịch (cyclosporine, tacrolimus), thịt hun khói, dầu mỡ cháy, phóng xạ [15]. Vai trò của gốc tự do: Ở mức thấp và vừa, gốc tự do là nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể, tạo ra các chất màu melamine cần cho thị giác, góp phần sản xuất axit béo không bão hòa có tác dụng ngăn ngừa nhiễm trùng, tăng cường miễn dịch. Tuy nhiên ở nồng độ cao nó sẽ gây ra sự phá hủy cấu trúc tế bào và là nguyên nhân của các bệnh mạn tính và thoái hóa như ung thư, hen, lão hóa, rối loạn miễn dịch, tim mạch và thoái hóa tế bào thần kinh (Alzheimer, Parkinson), trầm cảm, thoái hóa khớp [15]. 1.1.3.2. Các chất chống oxi hóa Khi gốc tự do bị dư thừa cơ thể có cơ chế bảo vệ bằng cách sản sinh ra các chất để trung hòa các gốc tự do gọi là các chất chống oxi hóa. Chất chống oxi hóa gồm enzyme chống oxi hóa tương ứng với các gốc tự do như superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), glutathione peroxidase (GPx) và glutathione reductase (GRx); các chất chống oxi hóa không có hoạt tính enzyme gồm chất chống oxi hóa chuyển hóa (còn được gọi là chất chống oxi hóa nội sinh được sinh ra bởi quá trình chuyển hóa trong cơ thể như axit lipoid, glutathione, L-ariginine, coenzyme Q10, melatonin, acid uric, bilirubin, …) và chất chống oxi hóa dinh dưỡng (là chất chống oxi hóa ngoại sinh không được sản xuất trong cơ thể phải cung cấp từ thực phẩm hay bổ sung như vitamin E, vitamin C, carotenoids, flavonoid, omega-3, omega-6, các nguyên tố: manganm kẽm, selen) [16]. 1.1.4. Định nghĩa thực phẩm chức năng  Tại Mỹ: Thực phẩm chức năng (thực phẩm bảo vệ sức khỏe): là thực phẩm mang đến nhiều lợi ích cho sức khỏe, là bất cứ thực phẩm nào được thay đổi thành phần qua chế biến hoặc có các thành phần của thực phẩm có lợi cho sức khỏe ngoài thành phần dinh dưỡng truyền thống của nó.  Hiệp hội thông tin thực phẩm quốc tế (IFIC): Thực phẩm chức năng là thực phẩm mang đến những lợi ích cho sức khỏe vượt xa hơn cơ bản.  Tại Úc: Thực phẩm chức năng là thực phẩm: - Có tác dụng đối với sức khỏe hơn là các chất dinh dưỡng thông thường. 8 - Gần giống như các TP truyền thống nhưng nó được chế biến để cho mục đích ăn kiêng hoặc tăng cường các chất dinh dưỡng để nâng cao vai trò sinh lí của chúng khi bị giảm dự trữ. - Được chế biến, sản xuất theo công thức chứ không phải các thực phẩm có sẵn trong tự nhiên.  Bộ Y tế Việt Nam: thông tư số 08/TT-BYT ngày 23/08/2004 về việc “Hướng dẫn việc quản lí các sản phẩm thực phẩm chức năng” đã đưa ra định nghĩa: Thực phẩm chức năng là thực phẩm dùng để hỗ trợ chức năng của các bộ phận trong cơ thể người, có tác dụng dinh dưỡng, tạo cho cơ thể sự thoải mái, tăng sức đề kháng và giảm nguy cơ gây bệnh [8]. 1.1.5. Đặc điểm và tác dụng của thực phẩm chức năng  Đặc điểm: - Là thực phẩm - không phải thuốc - Là thực phẩm không giàu calo - Đầy đủ, cân đối các chất dinh dưỡng (được thiết kế theo nhu cầu dinh dưỡng của cơ thể). - Là dinh dưỡng tế bào (có khả năng cung cấp dinh dưỡng trực tiếp cho tế bào và giúp tế bào giải độc, kháng gốc tự do, hỗ trợ chu trình chuyển hóa tế bào) 1.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng cây gai xanh 1.2.1. Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng cây gai xanh tại Việt Nam Ở Việt Nam từ xưa tới nay, cây gai xanh được khai thác theo 2 hướng chủ yếu là cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp sản xuất sợi và làm dược liệu theo y học cổ truyền. Bên cạnh đó nhiều địa phương sử dụng lá Gai để làm bánh, nhiều nơi tạo thành thương hiệu của vùng, miền mang lại giá trị kinh tế cao cho người dân như Hải Dương, Hàm Yên (Tuyên Quang), Cao Bằng. Các công trình nghiên cứu liên quan đến cây gai xanh phải kể đến: Năm 2008, tác giả Tạ Kim Chính và cộng sự thuộc trung tâm nghiên cứu sản xuất các chế phẩm sinh học đã có đề tài nghiên cứu phát triển cây gai xanh (Boehmeria nivea L.Gaud) trên đất dốc rừng đầu nguồn sông Đà, góp phần bảo vệ môi trường và xoá đói giảm nghèo cho vùng di dân lòng hồ ở Sơn La đã đem đến những ý nghĩa lớn trong phát triển kinh tế [9]. 9 Năm 2016, ThS. Trần Đức Hảo, Viện nghiên cứu bông và phát triển nông nghiệp Nha Hố đã chủ trì thực hiện nhiệm vụ quỹ gen “Khai thác và phát triển nguồn gen các giống gai xanh (Boehmeria nivea L. Gaudich) Phú Yên và Thanh Hóa”, nhằm phát triển 2 giống gai xanh có nguồn gốc từ những nơi này, chất lượng tốt, cùng với các quy trình kỹ thuật trồng và chăm sóc để phục vụ sản xuất [10]. Tuy nhiên các nghiên cứu chuyên sâu về tác dụng dược lý của cây gai xanh chủ yếu được công bố bởi các báo cáo khoa học nước ngoài. Trong nước, cây gai xanh chủ yếu được ghi chép trong các bản ghi chép của y học cổ truyền và sử dụng theo kinh nghiệm dân gian. Cây được khai thác lấy lá và củ, có vị ngọt, tính hàn, không độc, có tác dụng tả nhiệt, tán ứ, chữa đơn độc, thông tiểu, chữa sang lở. Trong tác phẩm “Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam” của Giáo sư Đỗ Tất Lợi do Nhà xuất bản Y học phát hành, được Hội đồng chứng chỉ (khoa học) tối cao Liên Xô công nhận, cây gai xanh được giới thiệu như một vị thuốc an thai, lợi tiểu. Thực tế, từ xa xưa nhân dân ta đã biết sử dụng và truyền bá kinh nghiệm trong dân gian việc dùng cây gai xanh để làm thuốc an thai và chữa sa dạ con. Vị thuốc cây gai xanh hiện được bán nhiều nơi tại các hiệu thuốc đông y trên toàn quốc ở dạng phơi khô, có thể đã sơ chế hoặc ở dạng thô [2]. Trên thị trường cũng xuất hiện những sản phẩm đóng gói nhỏ, lẻ có chứa thành phần là lá hoặc củ gai kết hợp với nhiều loại dược liệu khác, dễ dàng trong quá trình sử dụng, bảo quản và vận chuyển. Giá thành lá Gai khô hiện nay khoảng 20.000 VNĐ/Kg, thay đổi tùy địa phương và thị trường. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng cây gai xanh trên thế giới Cây gai xanh – Boehmeria nivea (L.) Gaud là loại thực vật tự nhiên rất phổ biến tại nhiều nước Châu Á. Người Trung Quốc, Nhật Bản đã biết sử dụng cây gai xanh làm sợi từ rất lâu đời. Từ khoảng 3000-5000 năm trước Công nguyên tại Ai Cập, cây gai xanh đã được biết tới như một mặt hàng xuất khẩu và các nước như Guatemala, Brazil và Nam Mỹ đã nghiên cứu khả năng tận dụng nguồn lá gai giàu protein làm thức ăn chăn nuôi. Việc sử dụng lá gai cho chăn nuôi trâu bò, cừu, lợn là hoàn toàn khả thi cho dù là hình thức lá tươi hay dạng bột. Việc sử dụng các sản phẩm phụ của ngành công nghiệp dệt may có nguồn gốc từ lá gai làm thức ăn cho gia súc đã gợi ý cho nhiều nhóm nghiên cứu tìm cách khai thác và tăng số lượng sinh khối của cây gai xanh. Các bộ phận cây như lá, hạt, 10 ngọn, thân cây sau khi chiết suất để tạo sợi, đều được sử dụng làm thức ăn cho động vật với mức độ dinh dưỡng có thể chấp nhận được. Phụ phẩm từ lá cho thấy lượng protein hay vật chất khô lên tới 20%. Năm 2010, G. Contò và cộng sự đã đánh giá về mức độ dinh dưỡng và thành phần hóa học của lá và ngọn cây lá Gai, là những phần không được sử dụng cho quá trình sản xuất sợi, phát hiện trong khối lượng khô của mẫu lá Gai có chứa protein thô với hàm lượng 17,00 ± 1,52% ở lá, 15,25 ± 0,77% ở ngọn và 11,79 ± 3,32% tính trên toàn bộ cây. Phát hiện này góp phần mở ra những hướng phát triển mới, tránh lãng phí những sản phẩm truyền thống của cây gai xanh [13]. Năm 2011, Xiao YingTian và cộng sự sử dụng dịch chiết lá Gai xanh và thử nghiệm trên 05 nhóm chuột mang thai qua đường uống với nồng độ thay đổi từ 2g32g/kg/ngày, nhóm đối chứng âm sử dụng nước cất và đối chứng dương sử dụng vitamin A, đồng thời cho tiếp xúc với 2 dòng tế bào là dòng tế bào phôi và dòng tế bào 3T3 (nguyên bào sợi). Kết quả cho thấy các tiêu chí về khối lượng cơ thể bào thai, mức tăng trọng lượng cơ thể chuột mẹ, khối lượng tim, gan, thận, kiểm tra mô học trong các nhóm thí nghiệm không có sự khác biệt. Giá trị IC50 (ức chế 50%) giữa dòng tế bào phôi và dòng tế bào 3T3 là tương đương, tuy nhiên khả năng sống sót của phôi sẽ có thể bị ảnh hưởng khi nồng độ dịch chiết Gai xanh tăng cao. Phát hiện này bổ sung những thông tin thực nghiệm khoa học cho quá trình đánh giá độ an toàn của cây gai xanh khi sử dụng cho cơ thể động vật bậc cao, đặc biệt trong những trường hợp sử dụng để điều trị xảy thai [21]. Tại Hàn Quốc, lá hoặc rễ cây gai xanh được sử dụng kết hợp với những thành phần dược liệu khác làm đồ uống cho người và tạo thành sản phẩm được lưu thông trên thị trường. Tuy rằng công thức phối trộn không được công bố do vấn đề thương hiệu và bản quyền nhưng trong thành phần phối trộn có chứa lá Gai hoặc dịch chiết lá Gai và có thể được bổ sung nhiều canxi. Những sản phẩm này được biết là có ích trong quá trình trao đổi lipid và kiểm soát chức năng tiêu hóa. Năm 2012, Heejeong Lee và cộng sự đã nghiên cứu tối ưu hóa công thức bánh mỳ có sử dụng bột lá Gai và thời gian bảo quản của bánh mỳ với sự phơi nhiễm với tia gamma. Sự khác nhau về lượng bột lá Gai tạo ra sự khác biệt về mùi vị, hình thức, màu sắc, độ ẩm và chất lượng nói chung của sản phẩm bánh mỳ. Trong quá trình bảo quản, những mẫu 11 bánh mỳ có bột lá Gai sau khi chiếu tia gamma cho thấy sự phát triển của tế bào vi sinh vật thấp hơn. Những thông tin mới phát hiện về mặt thực phẩm và dược phẩm cho thấy cây gai xanh có nhiều tiềm năng hơn so với việc khai thác lấy sợi truyền thống [14],[25],[26]. Năm 2013, Touming Liu và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về marker SSR (simple sequence repeat) nhằm làm sáng tỏ thêm những hiểu biết về di truyền ở cây lá Gai. Tổng số 24 giống Gai xanh với 100 marker SSR đã được nghiên cứu. Trong đó 98 marker được khuếch đại thành công và xác định được 81 marker ở dạng đa hình, có từ 2- 6 alleles trong 24 giống Gai này. Những hiểu biết về SSR có thể được sử dụng để phát triển bản đồ di truyền và bản đồ vật lý, bản đồ các locus của tính trạng, nghiên cứu về đa dạng di truyền, lập bản đồ liên kết và xác nhận giống cây trồng, từ đó có thể nghiên cứu về các gene có liên quan tới tính trạng có ích trong quá trình tạo sợi ở cây lá Gai [21]. Năm 2016, Sana Ullah và cộng sự nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại phân bón tới sự sinh trưởng, năng suất và chất lượng sợi phục vụ cho công nghiệp sợi. Cùng thời điểm Tan XF và cộng sự đã nghiên cứu hợp chất mới MgAl-layered double hydroxides composite từ gốc của cây gai xanh, có khả năng loại bỏ các chất tinh thể tím trong dung dịch lỏng. Ngoài ra cây lá Gai còn được biết tới với khả năng kích thích Receptor Gamma trong tế bào C2C12 từ đó làm tăng khả năng hấp thụ glucose [17]. Những nghiên cứu này cho thấy cây gai xanh có tiềm năm phát triển theo nhiều hướng, là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp dệt may, công nghệ thức ăn chăn nuôi, phục vụ nghiên cứu cơ bản và phát triển dược liệu, thực phẩm và thực phẩm chức năng. Thị trường và giá các sản phẩm từ cây gai xanh trên thế giới Các sản phẩm cây gai xanh trên thị trường thế giới rất đa dạng và phong phú. Theo Alibaba một trang web thương mại điện tử, đấu giá trực tuyến uy tín trên thế giới. Thì có nhiều sản phẩm từ cây gai xanh được rao bán trên đây. Hầu hết các sản phẩm từ cây gai xanh được bán với giá trên 10 USD/ kg (220.000 đồng/ kg). Như củ rễ cây do công ty Shaanxi Fuheng Biotechnology (Trung Quốc) 12,3 – 18,8 USD/ kg (270.000 – 414.000 đồng/ kg), lá cây do Xian Sciyu Biotech (Trung quốc) giá 9 – 50 USD/ Kg. Hay công ty Xian Lucky Clover Biotech (Trung Quốc) 10 – 20 USD/ Kg [27].