Tài liệu Nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu

ĐẶT VẤN ĐỀ Mặc dầu đã được sử dụng rộng rãi do tính tiện dụng, màu bền và giá rẻ nhưng phẩm màu tổng hợp hiện nay được xem là không an toàn đối với người tiêu dùng. Một số màu tổng hợp có nguy cơ gây ung thư, một số khác được cho là gây rối loạn thần kinh, rối loạn tiêu hoá hoặc ngộ độc ... Vì vậy màu tự nhiên ngày càng nhận được sự quan tâm nhiều hơn, trong đó có màu annatto chiết từ hạt điều màu. Annatto là màu tự nhiên đã được sử dụng khá rộng rãi trong dân gian bằng phương thức chao dầu hạt điều màu để tạo màu cho các món ăn. Trong công nghiệp thực phẩm, chúng được xếp hàng quan trọng thứ hai chỉ sau caramel và đã được CODEX đưa vào danh mục các loại màu tự nhiên sử dụng an toàn cho thực phẩm và dược phẩm. Màu annatto gồm hai thành phần chính đó là bixin và norbixin. Bixin chiếm khoảng 80 % tổng số chất màu, đồng phân cis–bixin có màu cam, không tan trong dầu thực vật còn trans–bixin cho màu đỏ, tan trong dầu thực vật. Norbixin tan trong nước cho màu vàng đến cam. Vì vậy chế phẩm màu annatto cũng phân làm 3 loại chính theo tính tan là tan trong dầu, tan trong nước và dạng nhũ ứng dụng cho thực phẩm chứa cả pha dầu và pha nước. Tuy nhiên, cũng giống như các màu tự nhiên khác, một khó khăn đối với việc sử dụng annatto đó là tính kém bền hơn so với phẩm màu tổng hợp hóa học. Ngoài ra bixin và norbixin còn dễ bị kết tủa ở điều kiện pH thấp, do vậy việc sử dụng chúng trở nên hạn chế đối với một số thực phẩm. Từ thập kỷ 80 của thế kỷ trước, kỹ thuật ứng dụng sóng vi sóng (microwave) để hỗ trợ trong việc tách chiết các hợp chất từ thực vật bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng và đã mang lại hiệu quả đáng ghi nhận. Vì vậy việc nghiên cứu quy trình mới ứng dụng lợi thế của vi sóng để hỗ trợ tách chiết chất màu annatto từ hạt điều màu là hướng nghiên cứu triển vọng. Ở Việt Nam, cây điều màu được trồng nhiều ở Nam Bộ, Tây Nguyên và một số tỉnh miền Trung để thu hoạch hạt phục vụ cho nhu cầu trong nước. Sản phẩm thương mại từ cây điều màu chủ yếu là hạt khô và phối chúng với các thành phần 1 khác thành bột dùng cho món cà ri. Đến nay đã có một số tác giả nghiên cứu về các chất màu từ hạt điều màu nhưng vẫn chưa có một quy trình công nghệ sản xuất ổn định và hiệu quả để có thể triển khai ở quy mô công nghiệp. Nhằm góp phần xây dựng quy trình sản xuất phẩm màu annatto đơn giản, hiệu quả và tạo ra chế phẩm tiện dụng cho nhiều đối tượng thực phẩm, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu (Bixa orellana L.) tạo chế phẩm siêu nhũ annatto” với các mục tiêu sau: 1. khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly màu annatto bằng dung môi có hỗ trợ bởi vi sóng, 2. thử nghiệm tạo chế phẩm nhũ annatto ổn định ở pH thấp. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài – Ý nghĩa khoa học: kết quả của đề tài sẽ cung cấp thông tin về: + tính chất hòa tan của các hợp chất màu có trong hạt điều màu, + cơ chế hình thành nhũ, và + cơ chế ổn định màu annatto. – Ý nghĩa thực tiễn: kết quả của đề tài là cơ sở để xây dựng quy trình công nghệ chế biến hạt điều màu đạt hiệu quả cao. Chế phẩm sản xuất ra có tính tiện dụng vì có khả năng phân tán và hòa tan tốt trong nước và trong dầu, không bị kết tủa ở pH thấp giúp gia tăng giá trị cho một loại cây công nghiệp chưa được quan tâm nhiều ở Việt Nam. 2 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về hạt điều màu 1.1.1. Cây điều màu 1.1.1.1. Tên gọi và vị trí phân loại Tên thường gọi: cây điều màu, cây điều nhuộm, cây màu cà ri. Những tên gọi khác: annatto, anatto,arnatto,achiote, aploppas,lipstick tree, (tiếng Anh),atole, roucou, roucouyer, annato, orelana (tiếng Pháp), kam tai (tiếng Thái), kesumba (tiếng Indonesia),urucum, acafroa–do–brasil hoặc anato (tiếng Bồ Đào Nha), Jarak belanda (tiếng Malaysia), Anotto (tiếng Ý). Tên khoa học: Bixa orellana L. Vị trí trong hệ thống phân loại (Chengaiah et al., 2010): Giới (Regnum): Thực vật (Plantae) Ngành (Division): Thực vật có hoa (Angiospermae) Lớp (Class): Hai lá mầm (Eudicots) Bộ (Ordo): Cẩm quỳ (Malvales) Họ (Familia): Điều màu (Bixaceae) Chi (Genus): Điều màu (Bixa) Loài (Species): Bixa orellana Linn 1.1.1.2. Nguồn gốc, phân bố và sản lượng Điều màu có nguồn gốc từ khu vực nhiệt đới của châu Mỹ, được trồng nhiều ở Bolivia, Brazil, Colombia, Ecuador, Jamaica, Mexico, Peru, Puerto Rico và Dominica. Cây điều màu du nhập vào Ấn Độ và khu vực Đông Nam Á do người 3 Tây Ban Nha đưa tới vào thế kỷ 17 để làm chất nhuộm màu thực phẩm. Sau đó được du nhập vào Hoa Kỳ, Ấn Độ và Châu Phi. Một số nước Châu Âu như Anh, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy cũng đã thuần hóa loài cây này nhưng chúng phát triển kém hơn so với vùng nhiệt đới. Cây này cũng được trồng ở Hawaii và các đảo ở khu vực Thái Bình Dương. Ở Việt Nam cây điều màu được nhập nội để trồng vào thời kỳ Pháp thuộc, hiện nay loài cây nàymọc hoang dại hoặc được trồng rải rác ở vùng đồng bằng Nam Bộ, Tây Nguyên và miền Trung để thu hoạch hạt, làm cảnh hoặc làm thuốc (Võ Văn Chi, 1969). Loại cây này có thể trồng vào bất kỳ thời điểm nào trong năm, sau hai năm cho thu hoạch hạt nếu được chăm sóc đúng cách. Cây điều màu ra hoa vào đầu mùa mưa (khoảng tháng 4, tháng 5), cho thu hoạch vào khoảng tháng 10 và tháng 11. Cây từ 4 năm tuổi có thể cho thu hoạch 270 kg hạt / ha. Các nước đóng góp sản lượng nhiều nhất là Brazil, Peru, Kenya, và Dominican; các nước sản xuất ít hơn là Jamaica, Ấn Độ, Sri Lanka, Philippine,Thổ Nhĩ Kỳ, Angola, Colombia, Ecuador và Bolivia (ITC, 1993). Hiện nay sản lượng hạt điều màu trên toàn thế giới hàng năm khoảng 14 500 tấn hạt khô (số liệu năm 2010). 1.1.1.3. Đặc điểm sinh học Điều màu là cây nhiệt đới, xanh quanh năm, có thể sống tới 50 năm. Thân dạng gỗ nhỏ, nhiều cành, cao khoảng 4 – 5 m, có cây cao đến 10 m. Lá đơn mềm, nhẵn, hình ba cạnh, đầu nhọn, hình tim ở gốc, nhọn ở chóp, dài khoảng 12 cm, rộng 7 cm hoặc hơn; cuống phình ở đỉnh, dài 3 – 4 cm. Hoa tương đối lớn, có màu tía hoặc trắng, mọc thành chùy ngắn ở đầu ngọn. Quả nang hình tim, bao bọc bởi gai cứng, mọc thành chùm, màu đỏ tím, mở bằng hai van, mỗi mảnh nang chứa nhiều hạt, khi chín có màu đỏ tươi đến nâu. Trong mỗi quả có khoảng 50 hạt, hạt có dạng gần lập phương tập trung trên một cuống ngắn, cuống hạt nở ra thành một cái áo hạt ngắn màu đỏ, xung quanh hạt có lớp màu đỏ. Vỏ quả non màu xanh thẫm, mềm, hạt ở trong có màu đỏ tươi, ướt, mềm và trơn. Khi già vỏ quả có màu xanh hơi vàng, hạt phía trong cứng, khô, khó bóp, hạt khô và có màu đỏ thẫm. Khi quả chín mà 4 không thu hoạch kịp thời thì quả bị khô và nứt ra làm khô các hạt ở trong và hạt tự rơi xuống đất, rất dễ phát tán để phát triển thành cá thể khác (Đỗ Tất Lợi, 1999). Hình 1.1. Cây, hoa và trái điều màu (Bixa orellana L.) Hình 1.2. Quả và hạt điều màu lúc mới thu hoạch 1.1.2. Thành phần hóa học của hạt điều màu Kết quả phân tích cho thấy hạt annattochứa 40 % đến 45 % cellulose, 3,5 % đến 5,5 % sucrose, 0,3 % đến 0,9 % tinh dầu, 3 % dầu không bay hơi, và 13 % đến 16 % protein (The Raintree Group, 1997). Nhìn chung, hàm lượng sắc số annatto trong hạt điều màu khoảng 5 % đối với loài có quả hình bán cầu, 3 % – 3,58 % đối với quả hình nón, còn quả hình oval chỉ có 1,5 % – 2 % (ITC, 1993; Mantovani et 5 al., 2013). Sắc tố annatto gồm cis–bixin (ester monomethyl của acid dicarboxylic norbixin), một phần trans–bixin và cis–norbixin, chúng có bản chất là carotenoid; trong đó bixin chiếm khoảng 70 – 82 % màu tổng số (McKeown và Mark, 1962; Aparnathi và Sharma, 1991). Ngoài bixin và norbixin, hạt điều màu còn chứa alpha–và beta–carotencùng một số thành phần khác như tannin, ethereal oil, saponin, hợp chất tương tự dầu mustard, mono– và sesquiterpene bixaghanene, bixein, bixol, crocetin, ellagic acid, ishwarane, isobixin, phenylalanine, salicylic acid, threonine, tomentosic acid và tryptophan (The Raintree Group, 1997). Màu annatto chỉ nằm ở lớp áo hạt – aril of seed nên khi trích ly không cần thiết phải nghiền hạt (Smiths và Wallin, 2006; Amaral et al., 2009). Thực tế Nobre et al. (2006) và đã so sánh và thấy rằng hàm lượng annatto trích nguyên hạt và hạt nghiền nhỏ cho kết quả như nhau. Lê Thị Hoa (2012) dùng dung môi KOH để so sánh hiệu suất trích ly màu của hạt điều màu nguyên hạt và bột hạt điều màu, kết quả cho thấy dạng nguyên hạt có hiệu suất trích ly màu cao hơn dạng bột. 1.1.3. Màu annatto 1.1.3.1. Cấu tạo phân tử Hình 1.3. Cấu trúc phân tử của norbixin (A) và bixin (B) (Magestea et al., 2012) 6 Màu annatto có bản chất là carotenoid, gồm 2 thành phần tạo màu chính là bixin và norbixin, công thức cấu tạo của bixin là C25H30O4 và norbixin là C24H28O4. Mạch carbon của bixin và norbixin có 9 nối đôi liên hợp xen kẽ đều đặn giữa các nối đơn. Norbixin là một hợp chất dicarboxylic có hai gốc carboxyl tự do còn bixin là methyl ester của acid norbixin, nên bixin chỉ còn có một nhóm carboxyl tự do. 1.1.3.2. Tính chất lý hóa Bixin có màu đỏ đến cam, phân tử phân cực yếu nên không tan trong nước, có thể tan trong dầu, dung môi hữu cơ như chloroform, ethyl acetate, acetone, ... (Marco et al., 2013). Norbixin cho màu cam pha vàng, phân tử phân cực mạnh hơn, không tan trong nước pH thấp, tan tốt trong kiềm, tan không nhiều trong dung môi hữu cơ (Scotter, 2009). Do có nhiều nối đôi trong mạch carbon nên cả bixin và norbixin đều dễ bị biến đổi khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng cường độ cao trong thời gian dài. Norbixin bị kết tủa trong môi trường pH thấp (thường là dưới 5,5), khi norbixin kết tủa thường tạo phức bền với protein, tinh bột và một số thành phần khác và tạo ra sự đồng đều màu sắc trong sản phẩm, đồng thời ngăn cản được hiện tượng bị trôi màu. Annatto rất bền trong môi trường kiềm (Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000). Sự có mặt của nhiều nối đôi trong phân tử cũng khiến annatto dễ bị oxy hóa, đây là lý do annatto được coi là chất tạo màu, vừa là chất chống oxy hóa. Nhiều tác giả như Kiokias và Gordon (2003), Cardarelli et al. (2008), Vasu et al. (2010), Santos et al. (2011) và Garcia et al. (2012) đã công bố nghiên cứu về hoạt tính chống oxy hóa của annatto. Trong nhóm carotenoid, annatto là nhóm màu gần như duy nhất vẫn giữ màu khi thay đổi các dạng cấu trúc hóa học. Ở điều kiện nhiệt độ và pH nhất định, bixin bị thủy phân thành norbixin hoặc xà phòng hóa thành muối K+ hoặc Na+ của norbixin (Hình 1.4). Ở nhiệt độ thấp hơn 50 0C, bixin và norbixin khá ổn định, nhưng từ 50 0C trở lên, cis–bixin dễ bị phân hủy thành một số sản phẩm, trong đó có chất màu vàng C17 có tên là sắc tố McKeown và metaxilen (Preston và Rickard, 1980; Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000) (Hình 1.5). 7 cis-bixin nhiệt trans-bixin Thủy phân (xà phòng hóa) Muối Na+ hoặc K+ của cis-norbixin Hợp chất phân hủy Thủy phân (xà phòng hóa) Muối Na+ hoặc K+ của trans-norbixin Acid hóa (hoặc trung hòa) cis-norbixin nhiệt Acid hóa (hoặc trung hòa) trans-norbixin Hình 1.4. Chuyển đổi qua lại giữa các dạng annatto (Smiths và Wallin, 2006) Hình 1.5. Phản ứng sinh sắc tố McKeown và metaxilen (Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000) 1.1.3.3. Chế phẩm từ annatto dùng làm phụ gia thực phẩm Hình 1.6. Chế phẩm bột annatto và huyền phù trong dầu (Walmart, 2013) 8 Trên thị trường, chế phẩm annatto được cung cấp dưới nhiều dạng tùy theo mục đích sử dụng như: lỏng, bột, bột vi tinh thể, sệt, nhũ, huyền phù trong dầu (Bảng 1.1). Chế phẩm annatto dạng sệt (oleoresin) bảo quản được lâu hơn so với dạng bột (Balaswamy et al., 2006). Phẩm màu annatto chiếm tới 70 % tổng sản lượng màu tự nhiên toàn cầu và riêng tại Brazil là 90 % (Veríssimo, 2003). Bảng 1.1. Các loại chế phẩm annatto chủ yếu (Smith và Wallin, 2006) Tên chế Mô tả chế phẩm phẩm Annatto Bixin dạng sệt được A trích bằng dung môi rồi loại bỏ dung môi. Annatto Bixin dạng tinh thể B được trích bằng dung môi. Hàm lượng màu 20 % bixin. Annatto Bixin tinh thể được C chiết, xà phòng hóa, thủy phân, kết tủa bằng acid, rửa rồi sấy khô. Annatto Dịch huyền phù bixin D thu được sau khi xử lý bằng dầu (không dùng dung môi). Annatto Tách bixin bằng dung E dịch kiềm nguội, sấy khô rồi nghiền thành dạng bột. Annatto Dùng kiềm để thu rồi F acid hóa để tủa norbixin, cuối cùng sấy khô thành dạng bột. Tối thiểu 70 % norbixin, mong muốn ≈ 80 %. Annatto Thu norbixin bằng G kiềm loãng, sấy khô (không qua công đoạn acid hóa). Tối thiểu 15 % norbixin, mong muốn ≈ 20 %. Tối thiểu: 80 %, mong muốn: ≈ 90 % bixin. Tối thiểu 10 % bixin, muốn ≈15%. Tối thiểu 25 % bixin, mong muốn ≈ 30 %. Tối thiểu 35 % norbixin, mong muốn ≈ 40 %. Mô tả quy trình Không có tài liệu mô tả. Ngâm hạt với dung môi để hòa tan sắc tố. Lọc dịch chiết để loại thành phần không tan. Các công đoạn tiếp theo là loại chất béo và sáp, loại dung môi, kết tinh và sấy khô. (Dung môi sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp: hexane, acetone, ethanol, (alkaline) methanol, IPA, ethyl acetate). Dư lượng dung môi: ≤ 50 ppm. Bột mịn với kích thước hạt nhỏ hơn 250 micron. Hạt được xử lý như quy trình sản xuất Annatto B. Thêm kiềm loãng vào bột thu được, kế đến đun nóng để thủy phân sắc tố rồi làm nguội. Lọc dịch rồi acid hóa để tủa norbixin. Lọc tủa, rửa, sấy rồi nghiền, cuối cùng thu được bột norbixin. Cọ xát hạt điều màu trong dầu thực vật nóng để tách sắc tố từ bề mặt của hạt. Rây sơ bộ để loại bỏ hạt. Cọ xát hạt điều màu trong dung dịch kiềm nguội (KOH hoặc NaOH) để tách sắc tố. Acid hóa huyền phù thu được (H2SO4) để tủa bixin. Lọc, rửa, sấy khô rồi nghiền tủa thành dạng bột. Cọ xát hạt điều màu trong dung dịch kiềm nguội (KOH hoặc NaOH) để tách sắc tố. Thêm kiềm vào huyền phù thu được rồi đun nóng để hòa tan sắc tố, sau đó làm nguội, loại chất béo và sáp. Lọc dịch, acid hóa để kết tủa norbixin. Lọc, rửa tủa, sấy khô rồi nghiền thành bột. Cọ xát hạt điều màu trong dung dịch kiềm nguội (KOH hoặc NaOH) để tách sắc tố. Thêm kiềm vào huyền phù thu được, sau đó đun nóng để hòa tan sắc tố rồi làm nguội, loại chất béo và sáp. Lọc dịch, sau đó sấy phun hoặc sấy khay. Có thể thêm K2CO3. 9 1.1.3.4. Ứng dụng của phẩm màu annatto trong ngành thực phẩm Hình 1.7. Màu annatto trong đồ uống có pH thấp (American Color Research Center, Inc., 2009) Ở Bắc Mỹ và châu Âu, người ta dùng màu annatto để nhuộm màu bơ, phomat (màu cam của phomat cứng, màu đỏ của phomat Edam Hà Lan,…). Chúng được dùng để tạomàu cho nước xốt, thịt lợn quay ở Trung Quốc. Còn ở Việt Nam, màu này được dùng trong món cà ri, bột bánh, gà quay mật ong và các loại mì, bún nước, ... Ở Mexico, annatto được trộn với một số gia vị khác tạo thành một loại gia vị màu đỏ gạch gọi là achiote paste và adobo, rất được người dân Mexico ưa chuộng. Họ thường dùng achiote chung với giấm để ướp thịt hoặc phối chế nước xốt. Do có nguồn gốc thực vật nên annatto thích hợp để chế biến các món ăn chay. Phẩm màu annatto được ký hiệu quốc tế là E160b và được dùng để tạo màu thức ăn và đồ uống thành màu đỏ hoặc vàng tới vàng cam đậm (Hình 1.7). Các nhóm sản phẩm thực phẩm công nghiệp thường sử dụng annatto làmargarine, snack, dầu salad, đồ uống, kẹo thạch, kẹo cứng và ngũ cốc nảy mầm... Tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, E160b chia làm hai loại dựa trên tính tan: loại tan trong dầu và loại hòa tan trong nước. Chế phẩm annatto tan trong dầu thường được dùng để tạo màu cho thực phẩm nhiều dầu như phô mai, margarine/shortening và bánh ngọt, bánh quy, bỏng ngô và snack, nước xốt, và đồ tráng miệng dạng kem. Annatto dạng nhũ có ưu điểm hơn khi sử dụngcho phô mai, kem, món soup, kẹo và sản phẩm từ 10 sữa. Màu annatto tan trong pH acid có thể dùng cho nước ép, rượi mùi, thạch trong suốt và món tráng miệng dạng sệt. Trước kia chế phẩm annatto tan trong nước chỉ được ứng dụng sản xuất phô mai nhưng nay đã mở rộng ra nhiều sản phẩm khác. Do annatto tan trong nước dạng truyền thống không chịu được pH acid, nên không thể dùng cho thực phẩm dạng lỏng trong suốt có tính acid như đồ uống không có thịt quả, nhưng lại rất thích hợp cho thực phẩm dạng rắn và bán rắn (matrix): vỏ xúc xích, xúc xích, pudding, tương cà, tương ớt, ngũ cốc ăn sáng, món tráng miệng bơ sữa, độn chocolate, cá xông khói và thức ăn cho vật nuôi. Bột annatto tan trong nước còn được mở rộng ứng dụng đối với thực phẩm dạng bột như món tráng miệng ăn liền, bột thực phẩm chức năng hay viên sủi. Những thực phẩm sau khi hoàn nguyên có màu vàng hoặc vàng cam (Smiths và Wallin, 2006). Hầu hết các nhà sản xuất đều lưu ý rằng khi sửdụng annatto cần phải quan tâm đến độ bền của nó. Annatto thích hợp để chế biến thực phẩm có sử dụng nhiệt nhưng ở nhiệt độ quá cao trong thời gian dài sẽ làm phân hủy chất màu do đó nên bổ sung annatto vào cuối quy trình sản xuất. Khả năng hòa tan và độ pH cũng ảnh hưởng đến sắc màu của annatto. Trong thực phẩm nhiều dầu như đồ ăn nhẹ hoặc phomat, annatto cho màu vàng hơn so với thực phẩm nhiều nước. Nếu annatto kết tủa trong thực phẩm, độ hòa tan giảm hoặc pH giảm thì màu sắc sẽ đỏ hơn. Ngoài lĩnh vực thực phẩm, annatto còn được sử dụng làm chất nhuộm dược phẩm, nhuộm quần áo, làm thuốc chữa bệnh và công nghiệp sơn, ... 1.1.3.5. Độc tính và liều lượng khuyên dùng Theo cơ quan quản lý thuốc và thực phẩm Mỹ (U.S. Food and Drug Administration – FDA), hồ sơ độc tính của hạt annatto và dịch chiết đã được khảo sát đầy đủ để sử dụng làm phụ gia thực phẩm. Annatto được ghi rõ trong hệ thống Food Chemical Codex (No. 73.30, 73.1030 & 73.2030) và được xác định làan toàn (Generally Recognized as Safe – GRAS) đối với người khi sử dụng qua nguồn thực phẩm có chứa annatto. Chế phẩm màu annatto được Cộng đồng Châu Âu cũng như hệ thống INS (International Numbering System for Food Additives) đánh số trong hệ thống E number là E160b (Scotter, 2009). 11 Theo khuyến cáo của JECFA (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives) năm 2006, lượng annatto sử dụng hàng ngày (Acceptable Daily Intake) như sau: 0 – 12 mg/kg thể trọng đối với bixin; 0 – 0,6 mg/kg thể trọng đối với norbixin và muối K+ hoặc Na+ của nó. Theo Lê Thị Anh Đào và ctv (2002), lượng sử dụng màu annatto trong thực phẩm chỉ khoảng 1 – 10 ppm; còn theo tác giả Emerton và Choi (2008), hàm lượng 10 – 50 ppm là phổ biến đối với bơ, phô mai, cá xông khói, snack và đồ tráng miệng. Cơ quan quản lý tiêu chuẩn và an toàn thực phẩm Ấn Độ cho phép giới hạn hàm lượng annatto tối đa trong sản phẩm thực phẩm là 200 ppm (Balaswamy et al., 2012). 1.1.3.6. Tiêu chuẩn quy định về chế phẩm phụ gia annatto Ngày 20 tháng 5 năm 2010, Bộ Y tế ra thông tư số 27/2010/TT–BYT về việc ban hành QCVN 4–10: 2010/BYTcó tên đầy đủ là Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phụ gia thực phẩm – phẩm màu. Trong quy chuẩn này, Phụ lục 24 trình bày cụ thể về Quy định kỹ thuật và phương pháp thử đối với cao annatto. Quy chuẩn quy định về hàm lượng màu tổng số tối thiểu trong chế phẩm là 35% khối lượng. Về độ tinh khiết, quy chuẩn ghi rõ hàm lượng kim loại nặng cho phép như trong Bảng 1.2. Bảng 1.2. Yêu cầu về độ tinh khiết đối với chế phẩm phụ gia annatto Giới hạn tối đa Tên kim loại Arsen 3 mg/kg Chì 2 mg/kg Thủy ngân 1 mg/kg Theo Ito et al. (2012), quy định của JECFA về dư lượng ethanol cho phép trong chế phẩm annatto là dưới 50 ppm. Còn ammonia là thành phần tự nhiên hiện diện trong nhiều thực phẩm. Lượng nhỏ hợp chất ammonia (< 0,01 – 2 %) cũng được thêm vào thực phẩm với vai trò chất chỉnh độ acid, bột nở, chất ổn định, tạo mùi hoặc chất hỗ trợ lên men (WHO, 1986). 12 1.2. Vi sóng và thiết bị liên quan 1.2.1. Bản chất của vi sóng Vi sóng (microwave) là một dạng bức xạ điện từ, đó là sóng của năng lượng điện và năng lượng từchuyển động cùng nhau qua không gian. Bức xạ điện từ bao quát từ tia gamma, tia X năng lượng cao cho đếnsóng radio năng lượng thấp dùng trong công nghệ phát thanh truyền hình. Vi sóng có tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz, nằm giữa tia X và tia hồng ngoại. Khi chiếu vi sóng lên đối tượng mô động – thực vật, một phần năng lượng điện từ được chuyển hóa thành nhiệt năng. Không giống như phương pháp truyền nhiệt truyền thống vốn dựa trên hiện tượng dẫn truyền và đối lưu gây thất thoát nhiều nhiệt năng ra môi trường xung quanh. Vi sóng truyền nhiệt có chọn lọc và đúng mục tiêu cần làm nóng nên năng lượng thất thoát thực tế bằng 0 đối với hệ thống kín. Nguyên lý làm nóng vật liệu bằng vi sóng dựa trên tác động trực tiếp của sóng lên vật liệu phân cực hoặc dung môi, cụ thể là hai hiện tượng: dẫn truyền ion và quay phân tử phân cực. Tần số sử dụng trong các thiết bị vi sóng dân dụng và thí nghiệm thường là 2450 MHz, còn thiết bị công nghiệp là 915 MHz. Bởi vì chỉ ở những tần số này hiệu ứng sinh nhiệt trong vật liệu mới xảy ra. Do đó chỉ có vật liệu có tính điện môi hoặc dung môi phân cực ổn định mới bị gia nhiệt dưới tác động của vi sóng (Mandal et al., 2007). Hình 1.8. Phân tử phân cực sắp xếp lại vị trí trong trường điện từ (Al–Harahsheh, 2004) Vi sóng có ba đặc tính khiến chúng có nhiều ứng dụng trong ngành thực phẩm và dược phẩm: phản xạ bởi kim loại; xuyên qua thủy tinh, giấy, nhựa và vật liệu tương tự; và bị hấp thu bởi thực phẩm (mô động – thực vật) (FDA, 2011). 13 1.2.2. Cơ chế hỗ trợ trích ly của vi sóng Theo Mandal et al. (2007) cho dù đa số vật liệu thực vật dùng để trích ly đều ở dạng khô nhưng vẫn còn lượng nước nhỏ trong tế bào, đó là đối tượng hướng tới khi vi sóng tác dụng vào. Khi lượng nước ít ỏi đó nóng lên do vi sóng, chúng sẽ bay hơi và sinh ra áp suất lớn lên vách tế bào, khiến tế bào bị phồng lên, cuối cùng sẽ vỡ ra giúp giải phóng các thành phần bên trong tế bào ra dung môi xung quanh. Hiện tượng này còn có thể được tăng cường nhờ sử dụng dung môi có hiệu suất hấp thu nhiệt cao (giá trị tan δ lớn). Nhiệt do vi sóng tác động còn có thể thủy phân cellulose là thành phần chính cấu tạo nên vách tế bào, biến cellulose thành những tiểu phần nhỏ có thể hòa tan chỉ trong vòng 1 – 2 phút. Nhiệt do vi sóng gây nên còn giúp loại nước liên kết với cellulose, giảm sức bền cơ học của chúng, tạo điều kiện cho dung môi xâm nhập dễ dàng hơn vào trong tế bào. Ảnh hưởng của vi sóng phụ thuộc nhiều vào độ nhạy điện môi của cả dung môi và thành phần vật liệu cần trích ly. Dung môi sử dụng có thể riêng lẻ hoặc phối hợp nhiều dung môi khác nhau theo tỷ lệ nào đó. Đối với những thành phần nhạy cảm với nhiệt độ, phương án hợp lý là sử dụng dung môi không hấp thu vi sóng (hexane, chloroform), khi đó một số thành phần trong vật liệu sẽ nóng lên rồi giải phóng hợp chất mong muốn vào dung môi mà không bị tổn hao do nhiệt quá cao. Hình 1.9. Cơ chế vi sóng tác động lên mô động – thực vật (Huma, 2010) 14 Năm 2005, Rao et al. đã khảo sát ảnh hưởng của vi sóng đối với sự ổn định của bixin, kết quả cho thấy vi sóng gần như không ảnh hưởng đến hàm lượng bixin trong mẫu chế phẩm cũng như mẫu thực phẩm chứa bixin. Vasu et al. (2010) cũng sử dụng vi sóng để hỗ trợ trích ly bixin bằng hỗn hợp dung môi ethyl acetate + nước (7,5/1). Tác giả kết luận vi sóng không ảnh hưởng đến bản chất hóa học và hoạt tính sinh học của bixin trích ly được. 1.2.3. Thiết bị vi sóng Hình 1.10. Cấu tạo lò vi sóng dân dụng Hình 1.11. Thiết bị MASE dạng mẻ và liên tục quy mô công nghiệp (Huma, 2010) 15 Thiết bị vi sóng dân dụng, chuyên dùng nghiên cứu cũng như quy mô công nghiệp nhìn chung gồm 4 thành phần cơ bản (Hình 1.10): (a) Magnetron: bộ phận phát vi sóng (microwave generator), (b) Lối dẫn sóng (wave guide): có nhiệm vụ truyền dẫn vi sóng từ nguồn phát magnetron tới khoang làm việc (khoang nấu), (c) Khoang làm việc (the applicator): là nơi đặt mẫu, (d) Cánh khuấy (circulator): hướng và phân tán sóng chỉ tiến về phía trước, không quay ngược trở lại nguồn phát. 1.3. Một số phương pháp nghiên cứu dùng trong trích ly các hợp chất tự nhiên 1.3.1. Phương pháp trích ly bằng dung môi hữu cơ Do đặc điểm cấu trúc của màu annatto là có tính phân cực trung bình nên các loại dung môi phù hợp cho trích ly màu annatto cũng có độ phân cực trung bình. Trích ly hạt điều màu bằng dung môi hữu cơ rồi sau đó loại dung môi sẽ thu được tinh thể bixin, sau đó có thể chế biến tiếp để thu được chế phẩm theo mục đích sử dụng. Đã có nhiều đăng ký bản quyền và công trình nghiên cứu liên quan đến các loại dung môi hữu cơ thích hợp đối với annatto như hydrocarbon chlorine hóa, hỗn hợp ethanol và chloroform, acetone, ethanol, ethyl acetate, hexane, methanol và alcoholic sodium hydroxide. Chloroform hiện được biết là dung môi hiệu quả nhất để trích ly annatto (Smiths và Wallin, 2006; Leonardo, 2007). 1.3.2. Phương pháp trích ly bằng dung môi có sự hỗ trợ của vi sóng (MASE) Phương pháp trích ly bằng dung môi có hỗ trợ của vi sóng (microwave– assisted solvent extraction – MASE) được mô tả lần đầu giữa những năm 1980. Phương pháp này có ưu điểm là dễ tự động hóa, tiết kiệm thời gian trích ly, giảm lượng dung môi hữu cơ cần sử dụng do đó góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí chuẩn bị mẫu. MASE vượt trội so với phương pháp trích ly siêu tới hạn do dễ vận hành và ít chi phí. Lợi thế hơn so với phương pháp trích ly hỗ trợ bởi siêu âm và Soxhlet là tiết kiệm thời gian. MASE thường dùng để trích mùi thơm, chất chống 16 oxy hóa, chất màu, phenol sinh học cùng một số hợp chất sơ cấp và thứ cấp khác từ nguyên liệu thực vật (Afoakwah et al., 2012). Bảng 1.3. Vài dung môi sử dụng cùng phương pháp MASE (Mandal et al., 2007) Dung môi Hằng số điện môi Tổn thất điện môi (tanδ) × 10–4 Acetone 20,7 Acetonitrile 37,5 Ethanol 24,3 Hexane 1,89 Methanol 32,6 6 400 2–propanol 19,9 6 700 Nước 78,3 1 570 2 500 Bảng 1.3 liệt kê một số dung môi phổ biến được dùng kết hợp hoặc hỗ trợ bởi vi sóng. Qua đó có thể thấy hai dung môi ethanol và methanol hấp thu năng lượng vi sóng ít hơn so với nước do chúng có hằng số điện môi thấp hơn nhưng hiệu suất tăng nhiệt tổng quát của cả hai dung môi lại cao hơn nước, thể hiện ở giá trị tanδ trội hơn. Mặt khác đối với dung môi không phân cực như hexane hay phân cực yếu như chloroform không bị ảnh hưởng bởi vi sóng nên không tăng nhiệt dưới tác động của vi sóng (Mandal et al., 2007). Quy trình thực hiện khá đơn giản, trước tiên nguyên liệu được ngâm trong dung môi thích hợp, sau đó xử lý trực tiếp vi sóng lên hỗn hợp nguyên liệu + dung môi với công suất và thời gian phù hợp. Năng lượng vi sóng sẽ phá vỡ tế bào thực vật giúp giải phóng hợp chất mong muốn nhanh hơn các phương pháp trích ly truyền thống như phương pháp Soxhlet (Ganzler et al., 1986). Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn về hỗ trợ vi sóng để trích ly, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất dược phẩm và thực phẩm (Bảng 1.4). 17 Bảng 1.4. Nghiên cứu sử dụng lò vi sóng dân dụng (Mandal et al., 2007) Nguyên liệu Chất phân tích Dung môi Cuminum cyminum và Zanthoxylum bungeanum tinh dầu Nguyên cây Nothapodytes foetida Thân và lá tươi cây Lippia alba camptothecin không dùng dung môi 90 % methanol Trái khô cây Macleaya cordata Rễ khô cây Salvia miltiorrhiza Vỏ khô cây Eucommia ulmodies Lá cây thuốc lá sanguinarine và chelerythrine diterpenes như tanshinone acid geniposidic và acid chlorogenic solanesol Rễ Licorice acid glycyrrhizic pectin Bã khô táo ép Quả khô cây Embelia ribes Curcuma rhizomes Lá trà xanh Artemisia annua L. tinh dầu không dùng dung môi HCl 0,1 M pha trong nước 95 % ethanol Thời gian trích 30 phút Quốc gia Trung Quốc 7 phút Ấn Độ 30 phút Colombia 5 phút Trung Quốc 2 phút Trung Quốc hỗn hợp 40 giây methanol+nước hexane : 40 phút ethanol (1:3) 50 – 60 % ethanol + 4 – 5 1 – 2 % ammonia phút Trung Quốc Trung Quốc dung dịch HCl 20,8 phút Trung Quốc Trung Quốc embelin acetone 80 giây Ấn Độ curcumol, curdione và germacrone polyphenol và caffeine artemisnin nước 4 phút Trung Quốc hỗn hợp 50 % ethanol + nước dầu trích ly #6 4 phút Trung Quốc 12 phút Trung Quốc 1.3.3. Phương quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis Bixin và đồng phân iso của nó có độ hấp thụ cực đại tại bước sóng khoảng 500 nm và 470 nm trong chloroform, trong khi đó sắc tố thoái hóa màu vàng lại hấp thụ cực đại tại 404 nm, 428 nm trong chloroform, và không hấp thụ ở bước sóng 500 nm (McKeown và Mark, 1962). Phương pháp phân tích dựa trên độ hấp thụ tại 500 nm và 404 nm thu được hai kết quả là hàm lượng màu annatto tổng số và hàm lượng bixin (McKeown và Mark, 1962; Parimalan et al., 2011). 18 Hình 1.12. Phổ hấp thụ của bixin và norbixin trong chloroform (Silva, 2007) Phương pháp quang phổ đủ để xác định hàm lượng annatto tổng số và có độ tương đồng cao với các phương pháp khác như HPLC. Hơn nữa các chất màu khác và các chất nhũ hóa không ảnh hưởng đến kết quả phép đo quang (Scotter et al., 1998; Bareth et al., 2002; Silva, 2007). Một chú ý quan trọng và thú vị liên quan đến phép đo độ hấp thụ của bixin trong dung môi chloroform đó là bixin thoái hóa nhanh chóng khi đựng trong cuvet thạch anh (Levy và Rivadeneira, 2000). Hơn nữa bước sóng cần đo đối với annatto lớn hơn 300 nm cho nên trong quá trình thí nghiệm chúng tôi chỉ sử dụng cuvet thủy tinh (Hellma 6030 OG). Phương pháp định lượng tổng số annatto của McKeown và Mark (1962) đến nay đã được nhiều tác giả sử dụng trong công trình của mình như Scotter et al. (1998), Parimalan et al. (2011) và Mahendranath et al. (2011). 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.4.1. Nghiên cứu trong nước Tác giả nghiên cứu về hạt điều màu nhiều nhất là Đào Hùng Cường và cộng sự. Năm 2008, tác giả chủ trì đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thành phần và phản 19 ứng chuyển hóa hợp chất hóa học của hạt điều nhuộm miền Trung, Tây Nguyên”. Kết quả mà nhóm tác giả đạt được như sau: – Thời điểm thu hoạch hạt điều để tách chất màu norbixin trong hạt lớn nhất 2,4 % là vào đầu tháng thứ 3 kể từ khi cây ra quả (tháng 11 hàng năm). Tỷ lệ hạt điều màu / nước trích ly tốt nhất là 5/80; thời gian ngâm cho hiệu quả tối ưu là 24 giờ ở 100 0C. – Thời điểm thu hoạch hạt điều để tách chất bixin trong hạt lớn nhất là vào đầu tháng thứ 6 kể từ khi cây ra quả (tháng 2 hàng năm). Chiết tách bixin tốt nhất 19,8 % từ hạt điều nhuộm bằng ethyl acetate ở nhiệt độ 80 0C; tỷ lệ hạt điều / dung môi là 1/18 và trong thời gian 10 giờ. Các công bố của nhóm tác giả có một số đặc điểm chung như sau: – Hiệu suất trích ly dựa trên tổng khối lượng chất khô trích ly được chứ không phải hàm lượng màu nguyên chất. – Dùng độ hấp thụ cực đại để so sánh hiệu suất trích ly trực tiếp, không tính ra hiệu suất cuối cùng. – Sử dụng nồng độ dung môi kiềm cao (1 M). – Phương pháp trích ly kinh điển (Soxhlet, chưng ninh, ngâm chiết, ...) tốn nhiều thời gian và năng lượng. – Thường không xử lý số liệu. Tác giả Lê Thị Anh Đào và ctv (2000) đã đạt được kết quả về thông số trích ly bằng dung môi ethanol (dung môi cồn thực phẩm 960, nhiệt độ trích 30 0C, tỷ lệ dung môi / hạt là 5/1 (v/w), chia làm 4 lần trích, mỗi lần 30 phút). Còn đối với dung môi kiềm, nồng độ tối ưu là KOH 0,1 M với tỷ lệ dung môi / hạt là 12/1 (v/w). Ngoài ra năm 2005, Lưu Đàm Cư cùng cộng sự có đề cập đến hạt điều màu trong đề tài “Nghiên cứu chiết tách chất nhuộm màu thực phẩm từ kinh nghiệm sử dụng thực vật của đồng bào dân tộc thiểu số”. Tuy nhiên do phạm vi đề tài quá rộng và mang tính điều tra là chính nên chưa có nhiều kết quả sâu về annatto. Tác giả Ngô Thị Thuận và cộng sự (1995) hoàn thành đề tài cấp nhà nước “Xây dựng quy trình công nghệ tách chiết, tổng hợp các chất màu thực phẩm”. 20