Tài liệu Nghiên cứu trích ly và chuyển đổi màu hạt điều màu (bixa orellana l.) thành norbixin tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước

ĐẶT VẤN ĐỀ Thế kỷ XX đã chứng kiến thời kỳ hoàng kim của phẩm màu tổng hợp dùng để tạo màu cho thực phẩm. Ưu điểm chính của màu tổng hợp là tiện dụng, bền màu và giá rẻ nhưng thời gian gần đây xuất hiện ngày càng nhiều báo cáo về tác hại của chúng đối với sức khỏe người tiêu dùng. Một số màu tổng hợp gây ngộ độc, rối loạn tiêu hoá, thậm chí là ung thư, một số khác được cho là gây rối loạn thần kinh, ... Vì vậy màu tự nhiên ngày càng nhận được sự quan tâm nhiều hơn đặc biệt là trong hai thập kỷ gần đây, trong đó có màu annatto chiết từ hạt điều màu (Bixa orellane L.). Annatto là màu tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi từ lâu trong các món ăn truyền thống của nhiều dân tộc trên thế giới. Trong công nghiệp thực phẩm, annatto là màu tự nhiên quan trọng thứ hai đứng sau caramel và được CODEX công nhận là màu thực phẩm và màu dược phẩm an toàn. Annatto gồm hai hợp chất tạo màu chính là bixin và norbixin. Bixin chiếm khoảng 80 % chất màu tổng số, tồn tại tự nhiên trong hạt điều màu ở dạng đồng phân 9’–cis–bixin, đồng phân này cho màu cam và không tan trong dầu thực vật. Còn đồng phân trans–bixin cho màu đỏ, tan trong dầu thực vật và thường thấy trong các loại chế phẩm màu annatto. Riêng norbixin tan một phần trong nước ở pH cao cho màu vàng đến cam. Như vậy, tuy chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số sắc tố tồn tại tự nhiên trong hạt điều màu nhưng cả bixin và norbixin đều khó tan trong nước nên màu annatto nguyên thủy không tiện dụng. Mặt khác do cấu trúc hóa học của bixin có nhóm ester nên có thể chuyển đổi bixin và norbixin trong hạt điều màu thành muối natri hoặc kali của norbixin để tăng khả năng hòa tan trong nước, từ đó tăng tính tiện dụng của chế phẩm màu annatto. Ở Việt Nam, cây điều màu được canh tác hoặc mọc hoang dại ở Nam Bộ, Tây Nguyên và một số tỉnh miền Trung, chủ yếu để thu hoạch hạt dùng tạo màu cho thực phẩm. Sản phẩm thương mại liên quan đến cây điều màu phần lớn là hạt khô hoặc là thành phần trong bột cà ri (chiếm khoảng 50 % khối lượng). Hiện đã có một số tác giả trong nước điều tra, nghiên cứu về thành phần hóa học và quy trình trích 1 ly để sản xuất chế phẩm màu từ hạt điều màu nhưng vẫn chưa có một quy trình công nghệ sản xuất nào có thể triển khai ở quy mô công nghiệp. Nhằm góp phần xây dựng quy trình sản xuất đơn giản, hiệu quả và dễ triển khai thực tế cho ra chế phẩm bột norbixin tan trong nước, tiện sử dụng cho nhiều sản phẩm thực phẩm, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu trích ly và chuyển đổi màu hạt điều màu (Bixa orellana L.) thành norbixin tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước” với các mục tiêu sau: 1. khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu hạt điều màu thành norbixin, và 2. thử nghiệm tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước để phối màu cho thực phẩm. 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, và + cơ chế chuyển đổi qua lại giữa các dẫn xuất 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 hiệu quả cao. Chế phẩm sản xuất ra có tính tiện dụng vì có khả năng hòa tan tốt trong nước, giúp gia tăng giá trị và tạo cơ hội biến điều màu thành cây công nghiệp có giá trị hơn ở Việt Nam. 2 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Cây điều màu (Bixa orellana L.) 1.1.1. Phân loại thực vật Tên tiếng Việt: cây điều màu, cây điều nhuộm, cây màu cà ri, cây siêm phụng. Tên nước ngoài: 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. Hệ thống phân loại thực vật (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 1.1.2. Đặc điểm thực vật học Cây điều màu mọc nhiều ở vùng nhiệt đới, lá xanh quanh năm, có thể sống tới 50 năm. Thân cây dạng cây bụi hoặc gỗ nhỏ, có nhiều cành, chiều cao 3 – 10 m (Srivastava et al., 1999). Lá đơn, mềm, nhẵn, hình ba cạnh, đầu nhọn, hình tim ở 3 gốc, nhọn ở chóp, dài khoảng 12 cm, rộng 7 cm hoặc hơn; cuống phình ở đỉnh, dài 3 – 4 cm. Hoa khá lớn, màu tía hoặc trắng, mọc thành chùy ngắn ở đầu ngọn. Quả dạng nang, hình tim, bao bọc bởi gai cứng, quả mọc thành chùm, màu đỏ tím, mở bằng hai van, mỗi mảnh nang chứa nhiều hạt, khi chín có màu đỏ tươi đến nâu. Số lượng hạt trong mỗi quả có thể tới 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 áo hạt dạng sáp màu đỏ. Quả non có vỏ màu xanh thẫm, mềm, hạt ở trong màu đỏ tươi, ướt, mềm và trơn. Khi già vỏ quả chuyển màu xanh hơi vàng, hạt phía trong cứng, khó bóp, màu đỏ thẫm. Khi chín vỏ quả sẽ khô và nứt ra làm các hạt ở trong khô theo và rơi tự do xuống đất, do đó rất dễ phát tán để phát triển thành cá thể mới (Đỗ Tất Lợi, 2006). Hình 1.1. Cây, hoa, trái, hạt và bột điều màu (Bixa orellana L.) (Venugopalan et al., 2011) Cây điều màu cho nhiều hạt khi nhận được đầy đủ ánh nắng mặt trời với nhiệt độ thích hợp trong khoảng 28 0C đến 44 0C và lượng mưa hàng năm yêu cầu 4 800 – 1 500 mm. Thời gian cây cho thu hoạch kéo dài từ 20 đến 25 năm (Venugopalan et al., 2011). 1.1.3. Nguồn gốc, phân bố và sản lượng canh tác Cây điều màu có nguồn gốc ở Trung và Nam Mỹ, hiện được trồng nhiều ở các nước nhiệt đới. Các nước đóng góp sản lượng lớn gồm có Peru, Brazil, Bolivia, Colombia, Ecuador, Jamaica, Mexico, Puerto Rico và Dominica. Cây điều màu du nhập vào Ấn Độ và khu vực Đông Nam Á từ thế kỷ 17 bởi người Tây Ban Nha đưa tới để làm chất nhuộm màu thực phẩm. Sau đó được du nhập vào Hoa Kỳ và Châu Phi. Một số nước Châu Âu như Anh, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy cũng đã thuần hóa thành công loài cây này nhưng chúng phát triển kém hơn so với vùng nhiệt đới. Loại cây này cũng được trồng ở Hawaii và một số đảo thuộc khu vực biển Thái Bình Dương. Ở Việt Nam cây điều màu được nhập nội để trồng vào thời kỳ Pháp thuộc, hiện nay loài cây này mọc 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 và thường ra hoa vào năm thứ 3, vào đầu mùa mưa (khoảng tháng 4, tháng 5), cho thu hoạch hạt vào khoảng tháng 10, tháng 11. Năm 1983, sản lượng annatto toàn cầu chỉ đạt 3 000 tấn hạt khô nhưng đến nay đạt khoảng 14 500 tấn với giá trung bình 1 100 USD/tấn. Theo nhiều báo cáo khác nhau, sản lượng hạt dao động trong khoảng 300 – 600 kg/ha tuỳ tuổi cây, điều kiện khí hậu và chế độ canh tác. Châu lục đóng góp sản lượng annatto nhiều nhất là châu Mỹ, khu vực Nam Mỹ có Brazil là nước sản xuất nhiều nhất tới 5 000 tấn; Peru xuất khẩu 4 000 tấn với khách hàng lớn nhất là Nhật Bản; nước có sản lượng ít hơn là Ecuador. Khu vực Trung Mỹ có các nước Dominicana, Honduras, Colombia, Bolivia, Guatemala và Costa Rica. Vùng Carribean gồm có Jamaica, Tobago và Trinidad. Còn khu vực Bắc Mỹ chỉ có đại diện là Mexico. Châu Phi đóng góp nhiều nhất là Kenya, hàng năm nước này xuất khẩu 1 500 tấn hạt khô và chế phẩm, ngoài ra phải kể đến Nam Phi, Zimbabwe và Ivory Coast. Các nước có sản lượng ít hơn là 5 Ấn Độ, Sri Lanka, Philippine, Thổ Nhĩ Kỳ và Angola. Mỹ là nước nhập khẩu annatto nhiều nhất (3 000 tấn/năm), kế sau là châu Âu (2 500 tấn/năm) trong đó Anh chiếm tỷ lệ nhiều nhất và Đan Mạch là nước chế biến màu annatto hàng đầu châu Âu, đứng thứ ba về nhập khẩu annatto là Nhật Bản (1 500 tấn/năm) (ITC, 1993; Venugopalan et al., 2011). 1.1.4. Thành phần hóa học trong hạt điều màu Kết quả phân tích cho thấy hạt điều màu chứa 40 – 45 % cellulose; 3,5 – 5,5 % sucrose; 0,3 – 0,9 % tinh dầu; 3 % dầu không bay hơi; và 13 – 16 % protein (The Raintree Group, 1997). Nhìn chung, hàm lượng các 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 al., 2013). Màu annatto là hỗn hợp của 8 sắc tố thuộc nhóm carotenoid, trong đó quan trọng nhất là cis–bixin (ester monomethyl của acid dicarboxylic norbixin), một phần trans–bixin và cis–norbixin. Bixin chiếm khoảng 80 % tổng số chất màu trong annatto (McKeown và Mark, 1962; Aparnathi và Sharma, 1991; Venugopalan et al., 2011). Ngoài bixin và norbixin, các sắc tố còn lại với tỷ lệ nhỏ đã được xác định từ dịch trích ly annatto gồm 5 apocarotenoid (C30 và C32), 8 diapocarotenoid (C19, C22, C24, và C25) và một dẫn xuất carotenoid (C14) (Mercadante et al., 1999). Ngoài các sắc tố vừa nêu, hạt điều màu còn chứa alpha– và beta–carotene, methyl 9'z–apo–6'– lycopenoate cùng một số thành phần khác như cryptoxanthin, lutein, zeaxanthin, cryptoxanthin, methylbixin, tannin, saponin, dầu ethereal, 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 (Hallagan et al., 1995; Mercadante et al., 1995; The Raintree Group, 1997; Smiths và Wallin, 2006; Venugopalan et al., 2011). Giá cả của hạt và chế phẩm annatto dựa trên hàm lượng chất màu (bixin, norbixin hoặc cả hai). Hạt xuất xứ từ Jamaica chứa khoảng 3 % bixin nên có giá gấp đôi một số loại hạt của Ấn Độ hàm lượng dưới 2 %. Hạt từ vùng Caribbean có màu đỏ trội hơn màu vàng nên giá thị trường cũng cao hơn (Venugopalan et al., 2011). 6 Theo Amaral et al. (2009), màu annatto chỉ nằm ở lớp áo hạt (Hình 1.2) nên khi trích ly không cần thiết phải nghiền hạt. Năm 2006, Nobre et al. đã so sánh và thấy rằng hàm lượng annatto trích nguyên hạt và hạt nghiền mịn cho kết quả không khác biệt. Trích ly nguyên hạt còn có ưu điểm hơn đó là hạn chế tạp chất lẫn với chất màu, gây khó khăn và tốn kém cho công đoạn tinh sạch tiếp theo. Theo khảo sát của Bùi Thị Mỹ Lệ (2012), hàm lượng màu trong hạt điều màu tăng dần trong quá trình sinh trưởng và phát triển của hạt. Do đó, hạt điều màu chín có hàm lượng màu cao nhất. Hình 1.2. Hạt điều màu khô nguyên hạt (trái) và bổ đôi (phải) 1.2. Phẩm màu annatto 1.2.1. Danh pháp, cấu tạo của bixin và norbixin Màu annatto có bản chất là carotenoid, gồm hai thành phần tạo màu chính là bixin và norbixin, công thức cấu tạo của bixin là C25H30O4 (Mw = 394,5) và norbixin là C24H28O4 (Mw = 380,5). Ở trong hạt điều màu, chất màu bixin tồn tại ở dạng đồng phân cis với tên đầy đủ là methyl (9–cis)–hydrogen–6,6'–diapo–Ψ,Ψ– carotenedioate. Còn cis–norbixin tên đầy đủ là 6,6'–diapo–Ψ,Ψ–carotenedioic acid (Haque, 2011). Mạch carbon của bixin và norbixin có các nối đôi xen kẽ đều đặn giữa các nối đơn. Như vậy, norbixin là một hợp chất dicarboxylic có hai gốc carboxyl tự do còn bixin là methyl ester của acid norbixin, nên bixin chỉ còn một nhóm carboxyl tự do (Hình 1.3). 7 Hình 1.3. Cấu trúc phân tử của cis–norbixin (a) và cis–bixin (b) (Magestea et al., 2012) 1.2.2. Tính chất hóa lý Bixin cho màu đỏ đến cam, phân tử kém phân cực nên không tan trong nước, có thể tan trong dầu và dung môi hữu cơ như chloroform, ethyl acetate, acetone, ... Norbixin cho màu cam pha vàng, phân tử phân cực mạnh hơn, không tan trong nước ở pH thấp, tan tốt trong kiềm, tan ít 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 (Emerton và Choi, 2008). Najar et al. (1988) đã chứng minh ánh sáng là nhân tố gây thoái hóa annatto mạnh nhất. Norbixin bị kết tủa trong môi trường pH thấp (khoảng 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 chặn hiện tượng trôi màu (Scotter, 2009). Annatto rất bền trong môi trường kiềm (Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000). Tương tự như các hợp chất carotenoid khác, do có nhiều nối đôi trong phân tử nên annatto dễ bị oxy hóa, nhất là khi ở dạng bột do bề mặt tiếp xúc lớn hoặc khi đã phối chế vào thực phẩm mặc dù một số thực phẩm có tác dụng bảo vệ annatto (Scotter, 1999). Khi norbixin được vi gói bởi gum acacia, 8 gum cashew, gum arabic và maltodextrin (hoặc hỗn hợp của chúng) thì ít bị oxy hóa hơn (Barbosa et al., 2005). Hoạt tính chống oxy hóa của annatto trong một số trường hợp còn mạnh hơn BHA và BHT (Scotter, 1999). Nhiều tác giả đã công bố nghiên cứu về hoạt tính chống oxy hóa của annatto như Kiokias và Gordon (2003), Cardarelli et al. (2008), Vasu et al. (2010), Santos et al. (2011) và Garcia et al. (2012). Trong nhóm carotenoid, annatto là nhóm màu gần như duy nhất vẫn giữ màu khi thay đổi các dạng cấu trúc hóa học (Hình 1.4). Ở điều kiện nhiệt độ và pH nhất định, bixin bị thủy phân thành norbixin hoặc xà phòng hóa thành muối kali hoặc natri của norbixin. Ở nhiệt độ thấp hơn 50 0C, bixin và norbixin khá ổn định, nhưng từ 50 0C trở lên, đồng phân cis–bixin dễ biến thành trans–bixin ổn định hơn (Scotter, 2009), rồi từ đó có thể phân hủy tạo một số sản phẩm, trong đó có chất màu vàng C17 với tên đầy đủ là polyene 4,8–dimethyltetradecahexaenedioc acid monomethyl ester (sắc tố McKeown) và metaxilen (Preston và Rickard, 1980; Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000) (Hình 1.5). 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) 9 Hình 1.5. Phản ứng sinh sắc tố McKeown và metaxilen (Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000) 1.2.3. Độc tính, liều thu nạp ADI và lượng sử dụng trong thực phẩm Theo Cơ quan quản lý thuốc và thực phẩm Mỹ (FDA), hồ sơ độc tính của hạt annatto và dịch trích ly của nó đã được khảo sát đầy đủ để sử dụng làm phụ gia thực phẩm. Annatto được ghi rõ trong hệ thống Food Chemical Codex (mã số 73.30, 73.1030 và 73.2030) và được xác định là an 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). Theo khuyến cáo của FAO JECFA (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives) năm 2006, lượng norbixin sử dụng hàng ngày (ADI) là 0 – 0,6 mg/kg thể trọng đối với norbixin và muối kali hoặc natri của nó. Hiện chỉ số ADI của E160b đang trong tiến trình đánh giá lại dưới sự bảo trợ của các công ty phẩm màu trên quy mô toàn cầu. Lý do là chỉ số ADI hiện tại dựa trên đánh giá ban đầu ở nồng độ annatto khá thấp (Downham và Collins, 2000). 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). 10 1.2.4. Ứng dụng của phẩm màu annatto trong ngành thực phẩm Ở Bắc Mỹ và châu Âu, người ta dùng màu annatto để nhuộm màu bơ, phô mai (màu cam của phô mai cứng, màu đỏ của phô mai Edam Hà Lan, …). Chúng được dùng để tạo màu 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. Hình 1.6. Phô mai và snack sử dụng màu norbixin (Biocon del Peru, 2013) Phẩm màu E160b thường được dùng để tạo màu thức ăn và đồ uống thành màu đỏ hoặc vàng tới vàng cam đậm. Các loại thực phẩm thường được ứng dụng phẩm màu này là margarine, 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 tan trong nước. Chế phẩm annatto tan trong dầu thường được dùng để tạo màu cho thực phẩm nhiều dầu như bơ, margarine / shortening, phô mai, bánh ngọt, bánh quy, bỏng ngô và snack, nước xốt, hay đồ tráng miệng dạng kem. Annatto dạng nhũ có lợi thế hơn khi sử dụng cho phô mai, kem, món soup, kẹo và sản phẩm từ 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 để sản xuất phô mai nhưng nay đã mở rộng ra nhiều dòng sản phẩm khác. Do chế phẩm annatto tan trong nước dạng 11 truyền thống không tan trong pH thấp nên không thể dùng cho thực phẩm dạng lỏng trong suốt có tính acid như đồ uống không có thịt quả (Prabhakara Rao et al., 2002), nhưng lại rất thích hợp cho thực phẩm dạng rắn và bán rắn như vỏ xúc xích, xúc xích, pudding, tương cà, tương ớt, ngũ cốc ăn sáng, món tráng miệng chứa bơ sữa, độn chocolate, cá xông khói và thức ăn cho vật nuôi (Smiths và Wallin, 2006). Hầu hết các nhà sản xuất đều lưu ý rằng khi sử dụng 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 phô mai, 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 sắc đỏ sẽ mạnh hơn. 1.2.5. Chế phẩm norbixin dùng làm phụ gia thực phẩm Hình 1.7. Chế phẩm norbixin dạng bột, lỏng và sệt (Oriental super–mart, 2013; Orchard Valley, 2013) Phẩm màu annatto chiếm tới 70 % tổng sản lượng màu tự nhiên toàn cầu và riêng tại Brazil là 90 % (Veríssimo, 2003) nhưng nước xuất khẩu chế phẩm annatto nhiều nhất lại là Mỹ bởi vì Brazil chỉ sản xuất để phục vụ nhu cầu nội địa, đôi khi còn nhập thêm để đáp ứng đủ nhu cầu. Có tới 70 % lượng chế phẩm nhập vào các nước được dùng để nhuộm màu phô mai (Venugopalan et al., 2011). Trên thị 12 trường, norbixin được cung cấp dưới dạng lỏng, nhũ, bột hoặc cao sệt. Để đạt mục đích tăng cường độ bền màu cho thực phẩm cần thời gian bảo quản dài hoặc phải phơi sáng, người ta thường trộn chung annatto với màu tự nhiên khác như màu củ nghệ tumeric hoặc màu ớt paprika. Chế phẩm annatto dạng cao sệt (oleoresin) bảo quản được lâu hơn so với dạng bột (Balaswamy et al., 2006). Bảng 1.1 mô tả phương pháp sản xuất ba loại chế phẩm norbixin dạng bột theo phân loại của FAO JECFA. Bảng 1.1. Các loại chế phẩm bột norbixin chủ yếu (Smith và Wallin, 2006) Chế Phương pháp phẩm Annatto Bixin tinh thể C được chiết, xà phòng hóa, thủy phân, kết tủa bằng acid, rửa rồi sấy khô. Hàm lượng màu Tối thiểu 70 % norbixin, mong muốn ≈ 80 %. Annatto Dùng kiềm để F thu rồi acid hóa để tủa norbixin, cuối cùng sấy khô thành dạng bột. Tối thiểu 35 % norbixin, mong muốn ≈ 40 %. Annatto Thu norbixin G bằng kiềm loãng, sấy khô (không qua công đoạn acid hóa). Tối thiểu 15 % norbixin, mong muốn ≈ 20 %. Mô tả quy trình Bixin được trích bằng dung môi hữu cơ, loại dung môi rồi kết tinh thành dạng bột. Thêm kiềm loãng vào bột thu được, đun nóng để thủy phân sắc tố rồi làm nguội. Lọc dịch, sau đó acid hóa để tủa norbixin. Lọc tủa, rửa, sấy và nghiền, cuối cùng thu được bột norbixin. Cọ xát hạt điều màu trong dung dịch kiềm nguội (KOH hoặc NaOH) để tách sắc tố. Thêm kiềm vào huyền phù thu được, đun nóng để hòa tan sắc tố rồi 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, 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. 1.2.6. Quy định về chế phẩm phụ gia norbixin Phụ lục 24 trong Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phụ gia thực phẩm – phẩm màu (QCVN 4–10:2010/BYT) quy định cụ thể về quy chuẩn kỹ thuật và phương pháp thử đối với cao annatto (thực tế là chế phẩm norbixin). Quy chuẩn quy định 13 hàm lượng màu tổng số tối thiểu trong chế phẩm là 35 % khối lượng tính theo norbixin. Còn 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 1.3. Phương pháp thu nhận chế phẩm bột norbixin 1.3.1. Sấy khay Satyanarayana et al. (2010) đã dùng bột norbixin phối chế cùng bột kali carbonate tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước với hàm lượng màu norbixin là 14 g/100 g. Tummala et al., (2012) sử dụng phương pháp sấy khay để làm khô muối kali norbixinate, rồi trộn chung với đường sucrose và kali carbonate, sản phẩm thu được là hai chế phẩm norbixin tan trong nước với hàm lượng norbixin lần lượt là 10,6 % và 11,24 %. Tương tự năm 2013, Mala et al. cũng sử dụng phương pháp sấy khay để làm khô kali norbixinate, sau đó phối trộn với bột kali carbonate bằng máy nghiền bột khô để thu được chế phẩm bột norbixin tan trong nước chứa 11,24 % norbixin. 1.3.2. Sấy phun Sấy phun là phương pháp được rất nhiều tác giả nghiên cứu với nhiều chế độ sấy và chất mang khác nhau, một số công trình tiêu biểu được liệt kê sau đây. Barbosa et al. (2005) sử dụng chất mang gum arabic và maltodextrin, tác giả còn phối thêm Tween 80 vào hỗn hợp trước khi sấy. Tween 80 giúp tăng hiệu quả vi gói, tăng độ đồng đều và độ bền của bột thu được so với chế phẩm vi gói bởi một mình maltodextrin hoặc chế phẩm bột hỗn hợp bixin – sucrose. Chế phẩm sử dụng gum arabic bền sáng gấp 3 – 4 lần so với dùng maltodextrin. Quan trọng hơn, chế 14 phẩm được vi gói bền màu gấp 10 lần so với chế phẩm truyền thống bixin – sucrose trong điều kiện không ánh sáng. Satyanarayana et al. (2006) sử dụng kỹ thuật sấy phun để tạo ra hai chế phẩm bột norbixin, chế phẩm tan trong nước và chế phẩm ổn định trong dung dịch acid. Tác giả dùng hai loại chế phẩm phối màu cho một số thực phẩm chế biến từ rau và trái cây. Trong luận văn thạc sĩ của mình, Silva (2007) cũng ứng dụng phương pháp sấy phun với chất mang maltodextrin để sấy khô dịch trích ly hạt điều màu bằng dung môi KOH 0,1 N và NH4OH 0,5 N. Ngoài ra Silva còn trích dẫn một số nghiên cứu của các tác giả khác như Batista (1994) và Pimentel (1995) cũng dùng maltodextrin làm chất độn để sấy phun muối kali hoặc natri norbixinate. Kết luận cuối cùng tác giả đưa ra là trước khi áp dụng sấy phun nên dùng maltodextrin để cô đặc dịch trích norbixin. 1.3.3. Sấy thăng hoa Mendes (2012) nghiên cứu sử dụng gum cashew làm chất mang để sấy thăng hoa và sấy phun dịch trích ly từ hạt điều màu. Kết quả cho thấy gum cashew không thích hợp để vi gói riêng lẻ, trong khi đó hỗn hợp gum cashew / gum arabic tỏ ra hiệu quả hơn nhưng vẫn chưa bằng nghiệm thức sử dụng chất mang là 100 % gum arabic. Hơn nữa, phương pháp sấy thăng hoa cũng cho ra sản phẩm vi gói annatto ít bị thoái hóa nhất trong số các nghiệm thức nghiên cứu. 1.4. Một số phương pháp trích ly norbixin 1.4.1. Phương pháp trích ly bằng dung môi vô cơ Phương pháp trích ly norbixin bằng dung môi kiềm liên quan mật thiết đến cơ chế phản ứng xà phòng hóa liên kết ester trong phân tử bixin. Phản ứng xảy ra khi có mặt hơi nước hoặc anion OH– trong dung dịch. Dưới đây là cơ chế phản ứng với xúc tác kiềm (NaOH hoặc KOH) do Campbell et al. (2009) và McMurry (2012) mô tả. 15 Trước tiên anion hydroxide (OH–) ái nhân gắn vào (hoặc “tấn công”) nguyên tử carbon ái điện tử của nhóm carbonyl trong phân tử ester. Sản phẩm trung gian có tên là orthoester. Tiếp theo alkoxide bị đẩy ra để giải phóng nhóm carboxyl. Alkoxide mang tính kiềm mạnh hơn base liên hợp với nhóm carboxyl nên quá trình chuyển proton diễn ra nhanh hơn. Sản phẩm cuối cùng thu được là acid carboxyl và alcohol. Phương trình phản ứng tổng quát như sau: Giai đoạn đầu của quá trình trích ly màu norbixin từ hạt điều màu bằng dung môi kiềm (NaOH hoặc KOH) thường kết hợp với khuấy cơ học ở nhiệt độ thường để trích ly bixin và norbixin. Sau đó bổ sung kiềm (nếu cần) rồi nâng nhiệt độ để xà phòng hóa bixin thành norbixin hoặc muối norbixinate (Hình 1.8), nhiệt độ xà phòng hóa thường không quá 70 0C (Preston và Rickard, 1980). Bước tiếp theo có thể là cô đặc dịch trích ly hoặc kết tủa norbixin bằng acid để thu được chế phẩm norbixin dạng cao hoặc bột tan trong nước ở pH lớn hơn 7 (Smiths và Wallin, 16 2006). Đã có rất nhiều tác giả nghiên cứu về phương pháp trích ly màu norbixin bằng dung môi kiềm, tiêu biểu như Dendy (1966), Silva (2007), Silva et al. (2009), và Nachtigall et al. (2009). Ngoài dung môi kiềm, một số công trình cũng dùng nước làm dung môi trích ly norbixin, có thể kể đến công trình của Tống Thị Việt Hà (2011), Parvin et al. (2011) và Sinha et al. (2013). Tuy nhiên hiệu suất không cao do phân tử norbixin kém phân cực nên khó tan trong dung môi nước, trong công bố của Parvin et al. chỉ có 8,93 % norbixin trong hỗn hợp màu trích ly được bằng dung môi nước. Hình 1.8. Phản ứng chuyển đổi qua lại giữa các dạng sắc tố annatto (Silva, 2007) 1.4.2. Phương pháp định lượng bằng quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis Đã có nhiều công bố của các tác giả khác nhau dùng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis để định lượng màu annatto. Bảng 1.3 liệt kê một số công trình tiêu biểu liên quan đến định lượng cis–norbixin. 17 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 và 428 nm trong chloroform, nhưng lại không hấp thụ ở bước sóng 500 nm (McKeown và Mark, 1962). Sử dụng phương pháp định lượng của McKeown và Mark (1962) dựa trên độ hấp thụ tại 500 nm và 404 nm không chỉ thu được kết quả về hàm lượng màu annatto tổng số mà còn biết được hàm lượng bixin (Parimalan et al., 2011). Phương pháp này đến nay đã được khá nhiều tác giả sử dụng trong công trình của mình như Scotter et al. (1998), Giridhar và Parimalan (2010), Parimalan et al. (2011) và Mahendranath et al. (2011ab). Bảng 1.3. Hệ số và bước sóng hấp thụ tối đa của cis–norbixin trong các dung môi khác nhau (Silva, 2007) Hợp chất Bước sóng hấp thụ tối đa (nm) 453 468 473 Dung môi KOH 0,1 N NaOH 0,1 N chloroform chloroform + 0,5 % acid acetic NaOH 0,1 N cis– norbixin A1%1cm Tác giả 2850 2818 3473 2850 2470 2503 2870 2870 Reith và Gielen (1971) Scotter et al. (1994) Levy và Rivadeneira (2000) Rodriguez–amaya (1988) Rodriguez–amaya (1988) Reith và Gielen (1971); Smith (1983) Rodriguez–amaya (1988) Reith và Gielen (1971); Smith (1983) Scotter et al. (1994) Levy và Rivadeneira (2000) Hansen (2000) 2931 Bareth et al. (2002) 2200 Rodriguez–amaya (1988) Reith và Gielen (1971); Smith (1983) 2620 2550 2550 482 488 499 503 KOH 0,1 N KOH 0,5 N methanol : acid acetic glacial (7:3) chloroform chloroform + 0,5 % acid acetic 2290 Phương pháp quang phổ đủ để xác định hàm lượng màu annatto và có độ tương đồng cao với các phương pháp khác như HPLC. Hơn nữa, các chất màu khác 18 và các chất nhũ hóa không ảnh hưởng đến kết quả phép đo quang phổ (Bareth et al., 2002; Silva, 2007; Scotter, 2009). Hình 1.9. Phổ hấp thụ của bixin và norbixin trong chloroform (Silva, 2007) FAO JECFA cũng đưa phương pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử vào Chuyên luận định lượng tổng chất màu tan trong nước bằng phương pháp quang phổ (FAO JECFA Monographs 1 – Vol. 4 – Quy trình 1). Các điều kiện cụ thể đối với norbixin như sau: – dung môi là dung dịch KOH 0,5 %; – đo độ hấp thụ quang tại λmax ~ 482 nm; và – độ hấp thụ riêng tại 482 nm: A1%1cm = 2870. 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 chỉ có cuvet thủy tinh (Hellma 6030 OG) được sử dụng. 19 1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.5.1. Nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, tác giả có nhiều công bố liên quan đến màu annatto nhất là Đào Hùng Cường và Phan Thảo Thơ. Năm 2008, nhóm tác giả chủ trì đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thành phần và phản ứng chuyển hóa hợp chất hóa học của hạt điều nhuộm miền Trung, Tây Nguyên”. Kết quả chính của đề tài đạt được là: – Thời điểm thu hoạch hạt điều màu 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 / nước trích ly tốt nhất là 5/80; thời gian ngâm cho hiệu quả tối ưu là 24 h 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 rắn / lỏng là 1/18 trong thời gian 10 giờ. 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 chuyên sâu về annatto. Năm 1995, tác giả Ngô Thị Thuận và cộng sự đã hoàn thành đề tài cấp nhà nước “Xây dựng quy trình công nghệ tách chiết, tổng hợp các chất màu thực phẩm”. Nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu chất màu trên nhiều đối tượng thực vật trong đó có hạt điều màu. Tác giả Lê Thị Anh Đào và ctv (2000) đã đạt được kết quả về thông số trích ly bằng dung môi hữu cơ (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 vô cơ, nồng độ KOH tối ưu là 0,1 M với tỷ lệ dung môi / hạt là 12/1 (v/w). 1.5.2. Nghiên cứu ngoài nước Có rất nhiều công trình được công bố ở các nước trên thế giới về phẩm màu annatto, đặc biệt là ở những nước trồng, chế biến và sử dụng nhiều màu annatto như 20