Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hoạt tính chế phẩm Hemicellulase và khả năng ứng dụng trong quy trình thu nhận dịch quả sơri

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

ẢNH HƯỞNG CỦA SĨNG SIÊU ÂM ĐẾN HOẠT
TÍNH CHẾ PHẨM HEMICELLULASE VÀ KHẢ
NĂNG ỨNG DỤNG TRONG QUY TRÌNH THU
NHẬN DỊCH QUẢ SƠ RI




ABSTRACT

In this study, the effects of different sonication conditions on hemicellulase
preparation (Viscozyme L) activity were investigated.
- Hemicellulase preparation with protein concentration of 0.22 mg/mL was
treated with ultrasonic power of 5.625 W/mL for 90s; under these conditions, the
hemicellulase preparation activity increased 22% in comparation with that of the
control sample.
- Then acerola mash was simultaneously treated with ultrasound and
hemicellulase preparation for juice processing. The optimal concentration of
hemicellulase preparation and the hydrolytic time were 0.4% v/w and 52 min
respectively. Under these conditions, the level of extraction yield, reducing sugars
content, total acid content, vitamin C content, phenolics content and the antioxidant
activity respectively increased 37.6%, 36.7%, 30%, 16% , 30.6% and 34.1% (DPPH),
35.7% (ABTS) compared with those of the the control sample without ultrasonic and
enzymatic treatment.

- ii -


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này chúng tơi tiến hành đánh giá ảnh hưởng của sóng siêu âm
đến hoạt tính của chế phẩm hemicellulase (Viscozyme L) để làm cơ sở cho việc kết
hợp cả sóng siêu âm và chế phẩm enzyme này trong xử lý nguyên liệu sơ ri, đồng thời
so sánh hiệu quả của các phương án xử lý nguyên liệu đến hiệu suất trích ly và chất
lượng dịch trích thu được.
 Xử lý siêu âm chế phẩm hemicellulase (Viscozyme L) ở chế độ thích hợp sẽ
làm tăng hoạt tính của hemicellulase: với nồng độ protein hịa tan ban đầu trong chế
phẩm hemicellulase là 0.22 mg/mL, công suất siêu âm là 5.625 W/mL và thời gian
siêu âm 90s thì hoạt tính riêng của chế phẩm Viscozyme L tăng 22% so với mẫu
không qua xử lý siêu âm.
 Khi xử lý sơ ri nguyên liệu đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm
hemicellulase: nồng độ chế phẩm và thời gian thủy phân tối ưu lần lượt là 0.6%, v/w
và 52 phút. Ở điều kiện này, mức độ tăng của hiệu suất thu hồi chất chiết, hàm lượng
đường khử, hàm lượng acid tổng, hàm lượng vitamin C, hàm lượng các hợp chất
phenolics và hoạt tính chống oxy hóa lần lượt là 37.6%, 36.7%, 30%, 16% , 30.6% và
34.1% (DPPH), 35.7% (ABTS) khi so sánh so với mẫu đối chứng không qua xử lý.
 Phương pháp xử lý sơ ri nguyên liệu lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme và
phương pháp xử lý sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme cho hiệu quả trích ly
cao nhất và khác biệt có nghĩa (P<0.05) so với các phương pháp khác. Hai phương
pháp này cũng cải thiện đáng kể các thành phần dinh dưỡng trong dịch quả sơ ri thu
được.

- iii -

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
ABTRACT ..................................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................xii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xiv
GIỚI THIỆU................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 3
1.1. Tổng quan về sơ ri ............................................................................................. 3
1.1.1. Nguồn gốc .................................................................................................. 3
1.1.2. Thành phần dinh dưỡng của trái sơ ri .......................................................... 3
1.1.3. Qui trình thu nhận sản phẩm nước sơ ri ....................................................... 6
1.2. Tổng quan về hemicellulase .............................................................................. 9
1.2.1. Thành tế bào thực vật và cơ chất hemicellulose........................................... 9
1.2.1.1. Cấu trúc của thành tế bào thực vật............................................................ 9
1.2.1.2. Polysaccharide ở thành tế bào thực vật ..................................................... 9
1.2.1.3. Cơ chất hemicellulose ............................................................................ 10
1.2.2. Hoạt động của hệ enzyme hemicellulase ................................................... 13
1.2.3. Hệ enzyme hemicellulase.......................................................................... 14
1.2.4. Ứng dụng chế phẩm hemicellulase trong chế biến nước quả ..................... 15
1.3. Tổng quan về sóng siêu âm ............................................................................. 17
- iv -


1.3.1. Một số khái niệm và tính chất của sóng siêu âm ........................................ 17
1.3.1.1. Khái niệm .............................................................................................. 17
1.3.1.2. Các hiệu ứng khi sóng siêu âm truyền qua hệ chất lỏng.......................... 17

1.3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình siêu âm .......................................... 19
1.3.3. Sóng siêu âm và q trình trích ly ............................................................ 19
1.3.4. Sóng siêu âm và hoạt tính enzyme ............................................................ 21
1.3.4.1. Sóng siêu âm làm giảm hoạt tính enzyme .............................................. 21
1.3.4.2. Sóng siêu âm làm tăng hoạt tính enzyme................................................ 21
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 23
2.1. Nguyên liệu ..................................................................................................... 23
2.1.1. Sơ ri .......................................................................................................... 23
2.1.2. Nguồn enzyme .......................................................................................... 23
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 23
2.2.1. Ảnh hưởng của quá trình xử lý siêu âm đến hoạt tính của chế phẩm hemicellulase 25
2.2.1.1. Ảnh hưởng của cơng suất siêu âm ......................................................... 25
2.2.1.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý siêu âm đến hoạt tính enzyme hemicellulase...... 25
2.2.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ protein hòa tan của chế phẩm ........................... 26
2.2.2. Khảo sát quá trình xử lý sơ ri nguyên liệu đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme. 26
2.2.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme ............................................ 27
2.2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme........................................... 27
2.2.2.3. Tối ưu hóa bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm ........................... 27
2.2.3. So sánh hiệu quả các phương pháp xử lý nguyên liệu sơ ri........................ 28
2.3. Phương pháp phân tích .................................................................................... 28
2.3.1. Hoạt tính chế phẩm enzyme ...................................................................... 28
2.3.2. Nồng độ protein hòa tan ............................................................................ 29
- v-


2.3.3. Hiệu suất thu hồi chất chiết ....................................................................... 29
2.3.4. Hàm lượng đường khử .............................................................................. 29
2.3.5. Hàm lượng acid tổng................................................................................. 30
2.3.6. Hàm lượng các hợp chất phenolics............................................................ 30
2.3.7. Hàm lượng vitamin C................................................................................ 30

2.3.8. Hoạt tính chống oxy hóa ........................................................................... 30
2.3.8.1. Phương pháp DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) ............................. 30
2.3.8.2. ABTS (2,2’-Azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)) ........... 31
2.4. Cơng thức tính tốn ......................................................................................... 31
2.5. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................................... 32
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................ 33
3.1. Ảnh hưởng của quá trình xử lý siêu âm đến hoạt tính của chế phẩm hemicellulase
(Viscozyme L) ........................................................................................................ 33
3.1.1. Ảnh hưởng của công suất siêu âm ............................................................. 33
3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm .............................................................. 35
3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ protein hòa tan của chế phẩm enzyme trước khi
siêu âm ............................................................................................................... 39
3.2. Khảo sát quá trình xử lý sơ ri nguyên liệu đồng thời bằng sóng siêu âm và
enzyme ................................................................................................................... 40
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme ............................................... 41
3.2.1.1. Hiệu suất thu hồi chất chiết .................................................................... 41
3.2.1.2. Hàm lượng đường khử ........................................................................... 43
3.2.1.3. Hàm lượng acid tổng .............................................................................. 44
3.2.1.4. Hàm lượng vitamin C............................................................................. 44
3.2.1.5. Hàm lượng các hợp chất phenolics ......................................................... 45
3.1.6. Hoạt tính chống oxy hóa ........................................................................... 46
- vi -


3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme ............................................. 46
3.2.2.1. Hiệu suất thu hồi chất chiết .................................................................... 47
3.2.2.2. Hàm lượng đường khử ........................................................................... 48
3.2.2.3. Hàm lượng acid tổng .............................................................................. 48
3.2.2.4. Hàm lượng vitamin C............................................................................. 49
3.2.2.5. Hàm lượng các hợp chất phenolics ......................................................... 50

3.2.6. Hoạt tính chống oxy hóa ........................................................................... 50
3.2.3. Tối ưu hóa nồng độ chế phẩm enzyme hemicellulase và thời gian xử lý hỗn
hợp sơ ri xay bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm .................................... 51
3.3. So sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý nguyên liệu sơ ri ........................ 54
3.3.1. Hiệu suất thu hồi chất chiết ....................................................................... 55
3.3.2. Hàm lượng đường khử .............................................................................. 57
3.3.3. Hàm lượng acid tổng................................................................................. 57
3.3.4. Hàm lượng vitamin C................................................................................ 58
3.3.5. Hàm lượng các hợp chất phenolics tổng .................................................... 58
3.3.6. Hoạt tính chống oxy hóa ........................................................................... 59
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 60
4.1. Kết luận........................................................................................................... 60
4.2. Kiến nghị ........................................................................................................ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 61
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 70
Phụ lục A. Các phương pháp phân tích ...................................................................... 70
Phụ lục B. Thí nghiệm tối ưu hóa .................................................................................. 79
Phụ lục C. Kết quả q trình xử lý siêu âm đến hoạt tính chế phẩm hemicellulase .............. 80

- vii -


Phụ lục D. Kết quả xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm
hemicellulase............................................................................................................... 81

- viii -


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Qui trình sản xuất nước sơ ri ........................................................................ 7
Hình 1.2. Mơ hình các lớp cơ bản ở thành tế bào thực vật ............................................ 9
Hình 1.3. Mơ hình phân bố của các sợi cellulose, hemicellulose và pectin trong cấu
trúc thành tế bào thực vật ........................................................................................... 10
Hình 1.4. Mơ hình cấu tạo phân tử xylan ................................................................... 11
Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo phân tử xyloglucan ............................................................... 12
Hình 1.6. Sơ đồ mơ hình cấu tạo của galactomannan ................................................. 13
Hình 1.7. Sơ đồ mơ hình cấu tạo của hai loại galacto(gluco)mannan.......................... 13
Hình 1.8. Liên kết β-1,3-1,4 trong phân tử barley beta glucan .................................... 15
Hình 1.9. Mơ hình các liên kết β-1→3 và β-1→4 trong chuỗi mạch chính của phân tử
beta glucan và vị trí cắt của một số enzyme endo-betaglucanse.................................. 15
Hình 1.10. Các dãy tần số của sóng............................................................................ 17
Hình 1.11. Q trình sủi bóng và vỡ bóng khi siêu âm truyền qua mơi trường lỏng............. 18
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ............................................................................... 24
Hình 3.1. Ảnh hưởng của cơng suất siêu âm đến hoạt tính chế phẩm hemicellulase ... 33
Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hoạt tính chế phẩm hemicellulase .... 35
Hình 3.3. Kết quả điện di các mẫu enzyme ở các chế độ xử lý siêu âm khác nhau ..... 37
Hình 3.4. Độ hấp thu trong vùng UV của các mẫu enzyme được xử lý siêu âm ở những
chế độ khác nhau ....................................................................................................... 38
Hình 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ protein hòa tan trong mẫu enzyme trước khi đem
siêu âm đến hoạt tính riêng của chế phẩm enzyme ..................................................... 40
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm hemicellulase đến hiệu suất thu hồi chất chiết
khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme .................................. 41
- ix -


Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm hemicellulase đến hàm lượng đường khử
khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme .......................... 43
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm hemicellulase đến hàm lượng acid tổng
khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme .......................... 44

Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm hemicellulase đến hàm lượng vitamin C
khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme .......................... 44
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm hemicellulase đến hàm lượng các hợp
chất phenolics khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme ... 45
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm hemicellulase đến hoạt tính chống oxy
hóa khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme .................... 46
Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết khi
xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm hemicellulase ................ 47
Hình 3.13. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme đến hàm lượng đường khử khi xử lý
nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm hemicellulase......................... 48
Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme đến hàm lượng acid tổng khi xử lý
nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm hemicellulase......................... 48
Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme đến hàm lượng vitamin C khi xử lý
nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm hemicellulase......................... 49
Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme đến hàm lượng các hợp chất
phenolics khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm hemicellulase
.................................................................................................................................. 50
Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân enzyme đến hàm lượng các hoạt tính chống
oxy hóa khi xử lý nguyên liệu sơ ri đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm hemicellulase
.................................................................................................................................. 50
Hình 3.18. Đồ thị đáp ứng bề mặt hiệu suất thu hồi chất chiết theo phương trình hồi qui ..... 53
Hình 3.19. Hiệu suất thu hồi chất chiết của các phương án khảo sát ........................... 55
Hình 3.20. Hàm lượng đường khử trong dịch trích sơ ri của các phương án khảo sát . 57
Hình 3.21. Hàm lượng acid tổng trong dịch trích sơ ri của các phương án khảo sát.... 57
- x-


Hình 3.22. Hàm lượng vitamin C trong dịch trích sơ ri của các phương án khảo sát... 58
Hình 3.23. Hàm lượng các hợp chất phenolics trong dịch trích sơ ri của các phương án khảo sát58
Hình 3.24. Hiệu quả của các phương án xử lý đến hoạt tính chống oxy hóa trong dịch

trích sơ ri ................................................................................................................... 59

- xi -


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của trái sơ ri (Mezadi T., 2005) ................................... 4
Bảng 1.2. Phân loại các enzyme endo-beta-glucanase ............................................... 14
Bảng 1.3. Tóm tắt một số kết quả siêu âm hỗ trợ q trình trích ly............................. 20
Bảng 3.1. Hàm lượng protein hòa tan trong các mẫu enzyme ứng với các chế độ xử lý
siêu âm khác nhau...................................................................................................... 36
Bảng 3.2. Ma trận qui hoạch thực nghiệm và kết quả hiệu suất thu hồi chất chiết ...... 52
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của các biến độc lập đến hiệu suất thu hồi chất chiết ............... 52
Bảng B.1. Qui hoạch thực nghiệm xử lý đồng thời siêu âm và enzyme hemicellluase cho hỗn hợp
sơ ri xay....................................................................................................................... 79
Bảng C.1. Ảnh hưởng của cơng suất siêu âm đến hoạt tính chế phẩm hemicellulase. . 80
Bảng C.2. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hoạt tính chế phẩm hemicellulase. .. 80
Bảng C.3. Ảnh hưởng của nồng độ protein hòa tan trong chế phẩm enzyme đến hoạt
tính của chế phẩm enzyme sau khi xử lý siêu âm ....................................................... 80
Bảng D.1. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết
khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong hỗn hợp sơ ri xay ................................. 81
Bảng D.2. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết
khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme hỗn hợp sơ ri xay .......................................... 81
Bảng D.3. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến hàm lượng acid tổng trong
dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme hỗn hợp sơ ri xay .......................... 82
Bảng D.4. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến hàm lượng vitamin C trong
dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme hỗn hợp sơ ri xay .......................... 82
Bảng D.5. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến hàm lượng các hợp chất
phenolics trong dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme hỗn hợp sơ ri xay . 82

- xii -


Bảng D.6. Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến hoạt tính chống oxy hóa
trong dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme hỗn hợp sơ ri xay ................. 83
Bảng D.7. Ảnh hưởng của thời gian của phản ứng thủy phân enzyme đến hiệu suất thu
hồi chất chiết khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong hỗn hợp sơ xay. ............. 83
Bảng D.8. Ảnh hưởng của thời gian của phản ứng thủy phân enzyme đến hàm lượng đường
khử trong dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong hỗn hợp sơ ri xay ........ 84
Bảng D.9. Ảnh hưởng của thời gian của phản ứng thủy phân enzyme đến hàm lượng acid
tổng trong dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong hỗn hợp sơ ri xay........ 84
Bảng D.10. Ảnh hưởng của thời gian của phản ứng thủy phân enzyme đến hàm lượng
vitamin C trong dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong hỗn hợp sơ ri xay84
Bảng D.11. Ảnh hưởng của thời gian của phản ứng thủy phân enzyme đến hàm lượng các
hợp chất phenolics trong dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong hỗn hợp sơ ri
xay ............................................................................................................................. 85
Bảng D.12. Ảnh hưởng của thời gian của phản ứng thủy phân enzyme đến hoạt tính chống
oxy hóa trong dịch trích khi xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong hỗn hợp sơ ri xay ..... 85
Bảng D.13. So sánh hiệu quả của các phương án xử lý đến hiệu suất thu hồi chất chiết
.................................................................................................................................. 85
Bảng D.14. Hiệu quả của các phương án xử lý đến hàm lượng đường khử trong dịch trích sơ
ri ................................................................................................................................ 86
Bảng D.15. Hiệu quả của các phương án xử lý đến hàm lượng acid tổng trong dịch trích sơ
ri ................................................................................................................................ 86
Bảng D.16. Hiệu quả của các phương án xử lý đến hàm lượng vitamin C trong dịch trích sơ
ri ................................................................................................................................ 86
Bảng D.17. Hiệu quả của các phương án xử lý đến hàm lượng các hợp chất phenolics tổng trong
dịch trích sơ ri............................................................................................................... 87
Bảng D.18. Hiệu quả của các phương án xử lý đến hoạt tính chống oxy hóa trong dịch trích

sơ ri ............................................................................................................................ 87

- xiii -


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AA – ascorbic acid
ABTS – 2,2’-azinobis-(3-ethyl-benzothiazoline-6-sulfonic acid)
BSAE – bovine serum albumin equivalent – hàm lượng protein hòa tan theo đương
lượng bovine serum albumin.
EC – Enzyme classification
DHAA – dehydro ascorbic acid
DNS – 3,5-dinitro salicylic acid
DPPH -1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl
FBG – fungi beta-glucanase – hoạt tính enzyme tính theo hoạt độ của beta-glucanase
GAE – gallic acid equivalent – hàm lượng phenol tổng theo đương lượng acid gallic
HPLC - high pressure liquid chromatography – sắc kí lỏng hiệu năng cao
TEAC – trolox equivalent antioxidation activity – hoạt tính chống oxi hóa theo đương
lượng Trolox.

- xiv -


GIỚI THIỆU
Từ lâu siêu âm đã được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm và các
ngành công nghiệp khác như là kỹ thuật hỗ trợ các quá trình chế biến. Đặc biệt trong
lĩnh vực trích ly với ưu điểm là gia tăng hiệu suất của q trình trích ly, tăng tốc độ
trích ly, giảm thời gian trích ly và nâng cao hiệu quả của quá trình khi được nó sử
dụng như là bước tiền xử lý đầu tiên của một q trình cơng nghệ (Dietrich Knorr et

al., 2004).
Trong q trình trích ly dịch quả để thu hồi chất chiết, cả enzyme và kỹ thuật siêu âm
đều cho thấy hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất trích ly. Nghiên cứu của Le et al.
(2010) trong việc xử lý hỗn hợp nho chà đồng thời bằng sóng siêu âm và chế phẩm
enzyme pectinase cho thấy hiệu quả cao trong việc tăng hiệu suất thu hồi chất chiết và
cải thiện chất lượng dịch chiết. Một nghiên cứu khác của Dang et al. (2010), cũng cho
kết quả tương tự khi xử lý nguyên liệu sơ ri bằng việc kết hợp đồng thời cả sóng siêu
âm và enzyme pectinase. Điều này chứng tỏ tác động tích cực của siêu âm trong việc
hỗ trợ q trình trích ly và hoạt tính của enzyme.
Tuy nhiên, sóng siêu âm đã tác động đến enzyme như thế nào để làm thay đổi hoạt tính
của enzyme? Quá trình xử lý đồng thời siêu âm và enzyme trong một hỗn hợp nguyên
liệu có nhiều cấu tử chất tan so với quá trình xử lý nguyên liệu lần lượt bằng sóng siêu
âm và enzyme hiệu quả ra sao? Mặc khác việc sử dụng siêu âm kết hợp với chế phẩm
enzyme hemicellulase trong quá trình thu nhận dịch chiết từ quả sơ ri (Malpighia
emarginata DC.) - đặc biệt chú trọng đến hàm lượng vitamin C, polyphenol và hoạt
tính chống oxy hóa từ dịch chiết thu được là chưa được nhắc đến trong các nghiên cứu
trước đó. Đây cũng là điểm mới của đề tài.
Với tất cả các lý do trên, đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hoạt tính
chế phẩm enzyme hemicellulase và khả năng ứng dụng trong qui trình thu nhận dịch
quả sơ ri” được thực hiện.
Nội dung của nghiên cứu bao gồm:

-1-


-

Khảo sát tác động của siêu âm đến hoạt tính của chế phẩm enzyme
hemicellulase (Viscozyme L).

-

Khảo sát quá trình xử lý sơ ri nguyên liệu đồng thời bằng sóng siêu âm và chế
phẩm enzyme hemicellulase (Viscozyme L).

-

Đánh giá hiệu quả của các phương án xử lý nguyên liệu đến hiệu suất thu hồi
chất chiết và chất lượng của dịch chiết thu được.

-2-


Chương 1. Tổng quan

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về sơ ri
1.1.1. Nguồn gốc
Sơ ri (Malpighia glabra L., Malpighia punicifolia L., Malpighia emarginata DC.) còn được biết đến với tên Barbados Cherry hay West Indian cherry, thuộc họ
Malpighiaceae (Juliano Lemos Bicas et al., 2011). Loại cây này có nguồn gốc từ miền
Trung Mỹ, sau đó được phổ biến rộng rãi ở Bắc Mỹ, Nam Mỹ, vùng Amazon và được
nhập nội vào các vùng cận nhiệt đới thuộc khu vực châu Á (Assis et al., 2008,
Vendramini và Trugo, 2000).
Cây sơ ri là loại cây bụi nhỏ; chúng ra hoa và cho trái vào các thời điểm khác nhau và
thời gian cho trái của cây có thể kéo dài suốt cả năm (Speirs và Brady, 1991). Trái sơ
ri nhỏ và có màu đỏ khi chín, tương tự như quả anh đào (cherry). Thịt quả mọng nước,
tươi mát và có hương vị chua ngọt (Johnson, 2003).
1.1.2. Thành phần dinh dưỡng của trái sơ ri
Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng đặc điểm di truyền, điều kiện khí hậu, điều

kiện trồng trọt… có ảnh hưởng nhiều đến thành phần hóa học của trái sơ ri (Mezadri
T. et al. (2008), Vendramini và Trugo (2000)).

-3-


Chương 1. Tổng quan

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của trái sơ ri (Mezadi T., 2005)
Thành phần

Hàm lượng

Đơn vị

(tính trên 100g trái tươi)

Ẩm

g

90.6-92

Carbohydrate

g

3.6-7.8

Protein

g

0.21-0.8

Béo

g

0.23-0.8

Phosphor

mg

17.1

Sắt

mg

0.24

Canxi

mg

11.7

Vitamin C

mg

695-4827

Pyridoxine

mg

8.7

Riboflavin

mg

0.07

Thiamine

mg

0.02

Khoáng

Vitamin

 Vitamin C
Hàm lượng acid ascorbic tổng trong sơ ri khoảng từ 6.32 đến 9.20 g/kg (thịt quả) và
9.44-17.97 g/L (nước quả) (Mezadri T. et al., 2008); trong đó, hàm lượng DHAA

(dehydro ascorbic acid) - một dạng khử của acid ascorbic (AA) - thì thấp hơn (chiếm
khoảng 0.080-1.640g/kg (thịt quả); và 0.01-4.30 g/L (nước quả)). Điều nàv cho thấy
AA là dạng chiếm ưu thế của vitamin C trong quả sơ ri, chiếm đến 85-90% tổng hàm
lượng vitamin C trong quả sơ ri (Mezadri T. et al., 2008). So sánh với các loại trái cây
khác, vitamin C trong quả sơ ri chiếm hàm lượng rất lớn so với nước cam (0.516 g/L),
nước nho (0.274 g/L), hoặc trong nước chanh (0.327 g/L) (Mezadri T. et al., 2008).
 Các hợp chất phenolics
Hàm lượng các hợp chất phenolics (TPI) của sơ ri dao động trong khoảng từ 45209730 mg/kg (thịt quả) và 10400-11500 mg/L (nước quả) (Mezadri T. et al., 2008). Tuy
nhiên, hàm lượng này cũng thay đổi tùy vào thời điểm thu hái. Trong suốt giai đoạn
trái chín, hàm lượng các hợp chất phenolics có xu hướng giảm (Lima et al., 2005). So
sánh với các loại trái cây khác, hàm lượng các hợp chất phenolics của sơ ri cao hơn
trái dứa (13.4 mg/kg), xoài (16.4 mg/kg), ổi (49.5 mg/kg) (Gorinstein et al., 1999) và
mật ong (3500 mg/kg) (Gheldof et al., 2002).
-4-


Chương 1. Tổng quan

Mezadri T. et al. (2008) đã xác định 5 thành phần phenolics trong quả sơ ri bằng sắc
ký lỏng cao áp (HPLC), gồm có: chlorogenic acid, (-)-epigallocatechin gallate, (-)epicatechin, procyanidin B1 và rutin; trong đó procyanidin B1 và rutin là hai thành
phần chiếm ưu thế. Bằng phương pháp tách pha rắn (SPE), nhóm tác giả cũng đã xác
định được ba phần (fraction) phenolics hịa tan, đó là phenolic acids, anthocyanins và
flavonoids.
Anthocyanins và flavonols là hai thành phần flavonoids chủ yếu trong quả sơ ri, với
hàm lượng từ lần lượt là 37.9–597.4 mg/kg và 70–185 mg/kg (thịt quả) (Lima et al.,
2003). Trong đó, 2 thành phần anthocyanin là cyanidin-3-rhamnoside và pelargonidin3-rhamnoside; một flavonol là quercetrin (Hanamura et al., 2005). Hàm lượng
anthocyanin trong quả sơ ri thấp hơn khi so sánh với các loại trái cây khác, như dâu
tây (557 mg/L) (Torreggiani et al., 1999) hoặc cam (128-217 mg/L) (Mondello et al.,
2000).
 Carotenoid

Hàm lượng carotenoid trong sơ ri dao động trong khoảng 3.2-406 mg/kg thịt quả
(Lima et al., 2005). Mezadri T. et al. (2005) đã xác định bằng sắc ký lỏng cao áp 17
chất màu carotenoid trong quả sơ ri: neoxanthin, neoxanthin isomer, neochrome,
neochrome isomer, violaxanthin, violaxanthin isomer, luteoxanthin, auroxanthin,
antheraxanthin, mutatoxanthin, lutein,

cis-lutein, β-cryptoxanthin 5-8-poxide, β-

cryptoxanthin 5-6-epoxide, β-cryptoxanthin, β-carotene và cis-β-carotene. Trong số các
carotenoid được xác định thì β-carotene hiện diện ở hàm lượng cao nhất (chiếm 4060% tổng carotenoid).
 Hoạt tính chống oxy hóa
Sơ ri là loại quả có chứa hàm lượng cao các chất có hoạt tính sinh học (phytochemical)
với hoạt tính chống oxy hóa (Mezadri T. et al., 2008). Hoạt tính chống oxy hóa tổng
của quả sơ ri phụ thuộc vào nhiều thành phần khác nhau, trong đó thành phần quan
trọng nhất là vitamin C và các hợp chất phenolics (Righetto et al., 2005).
Acid ascorbic (AA) chiếm khoảng 40-83% trong tổng hoạt tính chống oxy hóa của quả
sơ ri. Kết quả này tương tự như đối với các quả thuộc họ citrus (khoảng 65-100%).

-5-


Chương 1. Tổng quan

Các thành phần phenolics cũng có hoạt tính chống oxy hóa theo thứ tự giảm dần như
sau: phenolic acids, anthocyanin và flavanols, flavonols (Mezadri T. et al., 2008).
 Các thành phần cấu tử bay hơi
Trên 65% trong số các cấu tử bay hơi được tìm thấy trong quả sơ ri chín là các ester
(chiếm 29%), alcohol (chiếm 23%), và ketones (chiếm 16%). Các nhóm cấu tử này
được cho là góp phần rõ rệt vào hương thơm của trái sơ ri (Mathesis J.P. et al., 1992).
Schippa et al. (1993) xác định 3-methyl-but-2-en-1-ol là thành phần ester chính của

quả sơ ri. Pino và Marbot (2001) cũng phát hiện sự có mặt của khoảng 150 cấu tử bay
hơi khác nhau trong nước sơ ri cơ đặc (trong đó có cả monoterpenoid); và các thành
phần cấu tử chính được xác định là furfural, hexadecanoic acid, 3-metyl-but-2-en-1-ol
và limonene.
1.1.3. Qui trình thu nhận sản phẩm nước sơ ri

-6-


Chương 1. Tổng quan

Sơ ri

Quả hỏng

Phân loại quả

Rửa

Tạp chất

Gia nhiệt sơ bộ

Nghiền/ Chà

Hạt

Xử lý enzyme và/
hoặc siêu âm

Lọc/ Ly tâm

Bã

Thanh trùng

Rót chai, đóng nắp

Sản phẩm

Hình 1.1. Qui trình sản xuất nước sơ ri

- Nghiền/ chà: mức độ nghiền tùy thuộc vào phương pháp trích ly dịch quả. Do tác
dụng của lực cơ học làm phá vỡ thành tế bào, giảm kích thước nguyên liệu, tăng bề
mặt tiếp xúc, và tạo các kênh dẫn giúp q trình thốt bào được dễ dàng hơn (Emőke
Horváth-Kerkai, 2006).
- Gia nhiệt sơ bộ: thông thường thực hiện ở nhiệt độ 80-85oC và làm lạnh nhanh. Q
trình này giúp tăng hiệu suất của q trình trích ly khoảng 5-10%. Do tác động của
nhiệt làm biến tính protein, thủy phân các protopectin dẫn đến vô hoạt enzyme, làm
tăng tính thấm của thành tế bào nên tăng tốc quá trình khuếch tán của các cấu tử chất
-7-


Chương 1. Tổng quan

tan. Tuy nhiên nếu gia nhiệt quá lâu, các mơ trở nên q mềm gây khó khăn cho quá
trình ép và làm thay đổi nhiều đến cảm quan cũng như đặc tính hóa lý của nước quả
(Emőke Horváth-Kerkai, 2006).
- Quá trình xử lý enzyme và/hoặc siêu âm: thường được thực hiện trước quá trình ép
để giúp quá trình ép thực hiện dễ dàng hơn và tăng hiệu suất trích ly.

+ Cấu tạo thành tế bào thực vật gồm các polysaccharide chủ yếu như pectin,
cellulose, và hemicellulose. Chúng liên kết với nhau tạo thành cái khung bảo đảm sự
cứng chắc của thành tế bào và nhốt các thành phần cấu tử chất tan bên trong tế bào.
Việc sử dụng các chế phẩm enzyme có hoạt tính như pectinase, cellulase và
hemicellulase để xử lý hỗn hợp nguyên liệu sau quá trình nghiền/ chà giúp thủy phân
các thành phần polysaccharide này dễ dàng hơn, góp phần làm giảm độ nhớt, nhờ vậy
mà q trình thốt dịch được thực hiện dễ dàng và triệt để hơn (Bhat M.K., 2000).
Đồng thời với việc tăng hiệu suất thu hồi chất chiết, chất lượng của dịch chiết cũng
được cải thiện đáng kể: do tác động của enzyme làm phá vỡ cấu trúc lớp kết dính giữa
các tế bào trong mơ quả dẫn đến làm tăng khả năng trích ly các hợp chất hồ tan, màu,
mùi, cũng như các vitamin trong dịch quả (Kashyap et al., 2001; Lee et al., 2006).
+ Dang và cong su (2010) đã tối ưu hóa bằng qui hoạch thực nghiệm quá trình
sử dụng chế phẩm enzyme Pectinex Ultra SP-L để xử lý hỗn hợp sơ ri chà, kết quả cho
thấy nồng độ enzyme cần thiết cho quá trình xử lý enzyme là 0.168% (v/w) và thời
gian xử lý là 69.1 phút; ứng với điều kiện này, hiệu suất thu hồi chất chiết đạt được là
84.3% (tăng 23.9% so với mẫu đối chứng). Nghiên cứu của Vuong và cộng sư (2011),
sử dụng chế phẩm enzyme hemicellulase (Viscozyme L) xử lý hỗn hợp sơ ri xay, cho
kết quả hiệu suất thu hồi chất chiết theo qui hoạch thực nghiệm đạt 93.3% ứng với
nồng độ chế phẩm 0.8% (v/w) và thời gian xử lý là 70.79 phút.
+ Xử lý hỗn hợp sơ ri chà bằng sóng siêu âm hoặc bằng sóng siêu âm trước khi
xử lý bằng enzyme thì cho kết quả khá ấn tượng. Trong trường hợp chỉ xử lý siêu âm
(công suất 150 W, thời gian siêu âm 103s, nhiệt độ hỗn hợp sơ ri đem siêu âm 76 oC)
hiệu suất thu hồi chất chiết đạt 75.4%, tăng 14.9% so với mẫu đối chứng (Dang et al.,
2010). Trong trường hợp chiết xử lý bằng sóng siêu âm trước khi xử lý bằng chế phẩm
enzyme hiệu suất thu hồi chất chiết đạt 91.5%, tăng 31.6% so với mẫu đối chứng
không xử lý siêu âm lẫn enzyme, ứng với nồng độ chế phẩm pectinex Ultra SP-L là
0.12% và thời gian xử lý enzyme là 45.8 phút (Dang et al., 2010).

-8-

Chương 1. Tổng quan

1.2. Tổng quan về hemicellulase
1.2.1. Thành tế bào thực vật và cơ chất hemicellulose
1.2.1.1. Cấu trúc của thành tế bào thực vật
Thành tế bào thực vật có thể được chia làm ba lớp cơ bản (Hình 1.3):
- Lớp gian bào (middle lamella): là lớp đầu tiên được hình thành trong suốt quá trình
phân chia tế bào, thành phần chủ yếu là pectin và protein. Nó tạo thành vách ngồi của
tế bào; hơn nữa nó cịn đóng vai trò như chất keo, gắn kết các tế bào lại với nhau
(Kazuyuki Wakabayashi, 2000).
- Lớp sơ cấp (primary cell walls) - được hình thành sau lớp gian bào, gồm có một bộ
xương cứng chắc của các vi sợi cellulose được gắn vào khuôn của các thành phần
pectic, hemicellulose và glycoprotein.
- Lớp thứ cấp (secondary cell wall): được cấu tạo bởi cellulose, hemicelulose và lignin.
Thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp trong (S3) (Hình
1.2). Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định hướng
khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó:
+ Lớp trong: các vi sợi định hướng xoắn;
+ Lớp ngoài: các vi sợi được định hướng trong cấu trúc xoắn chéo có độ
nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào;
+ Lớp giữa: lớp dày nhất, các vi sợi được định hướng trong cấu trúc xoắn ốc tạo
thành các góc nhỏ và độ nghiêng so với trục dọc của tế bào.

Hình 1.2. Mơ hình các lớp cơ bản ở thành tế bào thực vật

1.2.1.2. Polysaccharide ở thành tế bào thực vật
Cellulose, hemicellulose và các thành phần pectin là 3 nhóm polysaccharide chính cấu
tạo nên thành tế bào thực vật nói chung. Trong đó cellulose đóng vai trị chủ yếu tạo
nên bộ khung chính của thành tế bào, nó thành phần chính của lớp sơ cấp và lớp thứ

cấp; hemicellulose (xyloglucan, glucuronoxylan, arabinoxylan, glucomannan, và
-9-


Chương 1. Tổng quan

galactomannan) cũng là thành phần chính của lớp sơ cấp và lớp thứ cấp, trong đó
xyloglucan là thành phần hemicellulose được tìm thấy nhiều nhất trong lớp sơ cấp;
pectin và pectic acid là thành phần cấu tử chính của lớp gian bào (middle lamella)
nhưng đồng thời cũng được tìm thấy trong lớp sơ cấp.
Lớp gian bào (Middle lamella)

Lớp cơ bản (Primary cell wall)
Các sợi cellulose được bao ngồi
bởi các hemicellulose
Hemicellulose
Lignin

Protein

Hình 1.3. Mơ hình phân bố của các sợi cellulose, hemicellulose và pectin trong cấu trúc
thành tế bào thực vật

Hơn nữa, tùy thuộc vào loại thực vật, nguồn gốc, độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng và phát
triển của thực vật mà thành phần cấu tạo và phần trăm của các polysaccharide này là
khác nhau.
Đối với các loại quả, nhìn chung vách tế bào của chúng chứa một lượng lớn các hợp
chất pectin (Kazuyuki Wakabayashi, 2000). Phần thịt quả bao gồm những tế bào lớn
có thành tế bào là pecto-cellulose. Thành pecto-cellulose có cấu trúc phức tạp. Nó bao
gồm vi sợi cellulose, liên kết với chất nền xyloglucan, mannan, xylan và pectin, và

được hợp nhất bởi mạng protein thứ cấp (Ortega-Regules et al. (2006), Hayashi và
Maclachlan (1984), Fujino et al. (2000)).
1.2.1.3. Cơ chất hemicellulose
- Hemicellulose là polysaccharide trong thành tế bào, tan trong dung dịch kiềm và có
liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối phổ biến trong tự nhiên. Cùng
với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên tính vững chắc ở thành tế bào thực vật
(Ronald P. de Vries và Jaap Visser, 2001).

- 10 -


Chương 1. Tổng quan

- Hemicellulose thuộc loại polymer phân nhánh phức tạp, độ trùng hợp từ 70 đến 200
đơn phân. Phân tử hemicellulose chứa cả đường 6 carbon (glucose, mannose và
galactose) và đường 5 carbon (xylose và arabinose).
Các hemicellulose chính trong thành tế bào thực vật bao gồm:

 Xylan
- Xylan là một polymer mà mạch chính của nó gồm các gốc D-xylopyranose kết hợp
với nhau bằng liên kết β-1,4. Mạch bên của xylan liên kết với mạch chính bởi các
nhóm acetyl, arabinosyl và glucuronosyl (Ronald P. de Vries và Jaap Visser, 2001).

Hình 1.4. Mơ hình cấu tạo phân tử xylan

 Xyloglucan
- Xyloglucan là một polymer mà mạch chính của nó gồm các phân tử đường Dglucopyranose (Glp) kết hợp với nhau bằng liên kết β-(14), mạch bên của nó được
hình thành nhờ liên kết α-1,6 với các phân tử đường D-xylopyranose (Xyp). Ngoài ra
một số oligosaccharide khác cũng hiện diện ở mạch bên của phân tử xyloglucan như
D-galactopyranose (L-Galp), L-fucopyranose (L-Glcp) và L-arabinofuranose (L-Araf)

(Ronald P. de Vries và Jaap Visser, 2001) (Hình 1.5).
- Hai loại xyloglucan chính đã được xác định trong thành tế bào thực vật là XXXG và
XXGG (Ronald P. de Vries và Jaap Visser, 2001):
+ Xyloglucan loại XXXG: mạch chính của nó bao gồm ba phân tử đường Dglucopyranose (Glcp) (phân nhánh tại vị trí α-1,6 với gốc D-xylopyranose) liên kết với
một phân tử đường D-glucopyranose không phân nhánh thơng qua liên kết β-1,4 (Hình
1.5).
+ Xyloglucan loại XXGG: mạch chính của nó bao gồm hai phân tử đường Dglucopyranose (phân nhánh tại vị trí α-1,6 với gốc D-xylopyranose) liên kết với hai
phân tử đường D-glucopyranose không phân nhánh thông qua liên kết β-1,4.

- 11 -