Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu trích ly và chuyển đổi màu hạt điều màu (bixa orellana l ) thành norbixin tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HCM
******************

TRẦN THỊ HÀ

NGHIÊN CỨU TRÍCH LY VÀ CHUYỂN ĐỔI MÀU HẠT
ĐIỀU MÀU (Bixa orellana L.) THÀNH NORBIXIN TẠO
CHẾ PHẨM BỘT NORBIXIN TAN TRONG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

*******************

TRẦN THỊ HÀ

NGHIÊN CỨU TRÍCH LY VÀ CHUYỂN ĐỔI MÀU HẠT
ĐIỀU MÀU (Bixa orellana L.) THÀNH NORBIXIN TẠO
CHẾ PHẨM BỘT NORBIXIN TAN TRONG NƯỚC

Chuyên ngành:

Công nghệ thực phẩm và đồ uống

Mã số:

60.54.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Hướng dẫn khoa học:
TS. PHAN THẾ ĐỒNG

Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 5/2014

i


NGHIÊN CỨU TRÍCH LY VÀ CHUYỂN ĐỔI MÀU HẠT
ĐIỀU MÀU (Bixa orellana L.) THÀNH NORBIXIN TẠO
CHẾ PHẨM BỘT NORBIXIN TAN TRONG NƯỚC

TRẦN THỊ HÀ

Hội đồng chấm luận văn:
1. Chủ tịch:
2. Thư ký:

3. Phản biện 1:

4. Phản biện 2:
5. Ủy viên:

ii

LÝ LỊCH CÁ NHÂN
Tôi tên là Trần Thị Hà, sinh ngày 22 tháng 07 năm 1984 tại huyện Thạch Hà,
tỉnh Hà Tĩnh.
Tốt nghiệp PTTH tại trường Trung học phổ thông Long Khánh, tỉnh Đồng
Nai năm 2002.
Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ thực phẩm hệ chính quy tại Đại học
Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh, thành phố Hồ Chí Minh.
Quá trình công tác:
Từ tháng 09/2011 đến nay, giảng viên tại Đại học Công nghệ Đồng Nai.
Tháng 10 năm 2011 theo học Cao học ngành Công nghệ thực phẩm và đồ
uống tại trường Đại học Nông Lâm, Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh.
Điạ chỉ liên lạc: 32/32, tổ 25A, khu phố 2, phường Trảng Dài, thành phố
Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.
Điện thoại: 0916 889 557
Email:

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Trần Thị Hà

iv


LỜI CẢM TẠ
Luận văn này được thực hiện tại Đại học Công nghệ Đồng Nai dưới sự
hướng dẫn của TS. Phan Thế Đồng.
Đầu tiên, tôi xin cảm tạ TS. Phan Thế Đồng là người thầy đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất, chỉ bảo, giúp đỡ tôi từng bước trong suốt quá trình thức hiện luận văn.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô, cán bộ, công nhân viên trong Khoa Công nghệ
Thực phẩm và phòng Sau đại học, Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM đã tạo điều
kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình hoàn thành khoá học.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban giám hiệu và bộ phận quản lý phòng
thí nghiệm trường Đại học Công nghệ Đồng Nai đã giúp đỡ về cơ sở vật chất và
máy móc, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới người thân và bạn bè đã tạo điều
kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Đồng Nai, ngày 11 tháng 5 năm 2014
Học viên

Trần Thị Hà

v


TÓM TẮT
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" được tiến hành tại Đại
học Công nghệ Đồng Nai, thời gian từ tháng 05/2013 đến tháng 10/2013. Mục tiêu
của nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu suất trích ly và
chuyển đổi màu hạt điều màu thành norbixin và thử nghiệm tạo chế phẩm bột

norbixin tan trong nước để phối màu cho thực phẩm. Thí nghiệm được bố trí theo
kiểu ngẫu nhiên một yếu tố với ba lần lặp lại và phương pháp bề mặt đáp ứng
(response surface methodology) với sự hỗ trợ của phần mềm thống kê chuyên dụng
JMP 9.0.2 để tối ưu hóa một số thông số của quá trình trích ly và chuyển đổi màu
thành norbixin. Số liệu thực nghiệm được phân tích phương sai (ANOVA) và sau
đó là so sánh trung bình bằng phương pháp Tukey’s HSD (p < 0,05).
Sau khi sàng lọc ảnh hưởng của các loại dung môi khác nhau đến hiệu suất
trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin, kết quả cho thấy hỗn hợp dung môi
NaOH + ethanol cho hiệu suất cao hơn các loại dung môi khác. Đồng thời khi nồng
độ NaOH: 0,52 M và ethanol: 51,820 ở tỷ lệ dung môi / nguyên liệu là 6/1 (v/w) thì
quá trình trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin đạt hiệu suất cao nhất 1,76 %
chất khô.
Đề tài cũng đã khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và chế
độ xà phòng hóa đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu hạt điều màu thành
norbixin. Kết quả cho thấy tỷ lệ dung môi / nguyên liệu tối ưu là 7,1/1 (v/w), nhiệt
độ và thời gian ủ tốt nhất lần lượt là 58,6 0C và 33,12 phút. Ở điều kiện tối ưu, hiệu
suất thu hồi màu norbixin trong hạt điều màu đạt gần 87 %.
Các loại acid khác nhau gồm sulfuric, nitric, hydrochloric, phosphoric,
formic, acetic và citric lần lượt được thử nghiệm để kết tủa norbixin từ dịch trích.
Kết quả thu được là tại nồng độ HCl 1 M hay tỷ lệ 9,2 % thể tích HCl đậm đặc so
với thể tích dịch trích là tối ưu nhất để thu hồi norbixin tự do. Sau khi sấy khô, bột

vi


tủa norbixin thu được có độ ẩm 7,6 % và hàm lượng màu 44,25 %, đạt yêu cầu trên
35 % chất màu theo QCVN 4–10:2010/BYT cũng như FAO JECFA Monographs 3.
Tiếp theo, khả năng hòa tan của bột tủa norbixin ở các pH khác nhau được
khảo sát. Kết quả cho thấy pH càng cao thì tỷ lệ norbixin hòa tan càng nhiều. Trên
cơ sở đó, để tăng khả năng hòa tan của bột tủa norbixin, tỷ lệ phối chất trợ tan

Na2CO3 / bột tủa norbixin thích hợp được tìm ra là 1/1 (w/w). Chế phẩm bột
norbixin thu được có hàm lượng màu norbixin đạt 22,1 %, không nhiễm kim loại
nặng và dễ tan trong nước. Chế phẩm đã được sử dụng để phối màu sữa chua và với
nồng độ 1 ppm cho màu được đánh giá cao nhất.
Tóm lại, chế phẩm bột norbixin tan trong nước có thể được điều chế bằng
cách trước hết trích ly và chuyển đổi màu bằng hỗn hợp dung môi NaOH và
ethanol. Sau đó dùng acid HCl để kết tủa thu hồi norbixin tự do và từ đó phối trộn
với Na2CO3 tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước. Chế phẩm bột norbixin dễ
ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm có chứa một hàm lượng nước khá lớn.

vii


SUMMARY
The subject entitled "Study on extraction and conversion annatto (Bixa
orellana L.) color into norbixin to prepare food grade water–soluble norbixin
powder" was conducted at Dong Nai University of Technology from May 2013 to
October 2013. This study aimed to investigate the effects of some factors on
efficiency of extraction – conversion process of annatto color into a food grade
water–soluble norbixin powder which is highly applicable in food industry. One–
factor complete random design with triplicates was applied for preliminary
experiments. Response surface methodology based on the software JMP version
9.0.2 was conducted to optimize some parameters of extraction – conversion
process. The result data was analyzed by Analysis of Variance (ANOVA) following
Tukey’s HSD test (p < 0.05).
After being considered the effect of solvents on extraction and conversion
yield of annatto into norbixin, the combination of NaOH and ethanol was
determined as the most appropriate selection. The optimized results showed that
when using the mixture of 0.52 M NaOH and 51.820 ethanol with the solvent /
material ratio 6/1 (v/w), the norbixin extraction yield reached the highest value of

1.76 % by dried weight.
The effects of solvent / material ratio and saponification conditions on the
efficiency of extraction and conversion annatto color into norbixin were also
investigated. It was found that the optimal ratio of solvent / material was 7.1/1
(v/w), and the suitable temperature and time for saponification of annatto color
were 58.6 0C and 33.12 minutes, respectively. Under these optimal conditions, the
recovery rate of norbixin color reached 87 % by total annatto in raw seed.
Different acids such as sulfuric, nitric, hydrochloric, phosphoric, formic,
acetic, and citric acid were used to precipitate norbixin from the extracts. The
results showed that hydrochloric acid with concentration of 1 M or 9.2 % (v/v)

viii


concentrated hydrochloric by extract volume was the most sufficient precipitant and
gave the highest separation yield of norbixin. After dehydration, precipitated
norbixin powder contained 7.6 % of moisture and 44.25 % of norbixin color by
weight, higher than that specified in QCVN 4–10:2010/BYT and FAO JECFA
Monographs 3 (35 %).
Subsequently, the precipitated norbixin powder was evaluated for its aqueous
solubility at different pH levels. It was found that the higher the pH, the more
solubility of norbixin powder. Moreover, in order to increase the solubility of the
obtained norbixin powder, the addition of Na2CO3 was studied, showing the most
soluble was the mixture of Na2CO3 in norbixin powder at the ratio of 1/1 (w/w).
This water–soluble norbixin powder preparation contains 22,1 % of norbixin color,
without heavy metals. This powdered colorant was used for coloring yogurt with
different concentrations. The sample colored with 1 ppm of norbixin was the most
appreciated.
In conclusion, the water–soluble norbixin powder could be prepared by
several steps. Firstly, extraction and conversion of annatto could be performed by

using the mixture of NaOH and ethanol. Then, hydrochloric acid could be used to
precipitate norbixin in the extract to form norbixin powder. Finally, the precipitated
norbixin powder was converted into water–soluble norbixin powder by mixing with
Na2CO3. This product could be used as color additive in high water content food
products.

ix


MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa ............................................................................................................... i
Trang chuẩn y....................................................................................................... ii
Lý lịch cá nhân .................................................................................................... iii
Lời cam đoan ....................................................................................................... iv
Cảm tạ .................................................................................................................. v
Tóm tắt ................................................................................................................ vi
Mục lục................................................................................................................. x
Danh sách các chữ viết tắt ................................................................................. xiv
Danh sách các hình............................................................................................. xv
Danh sách các bảng .......................................................................................... xvii
ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................... 1
1. TỔNG QUAN ................................................................................................. 3
1.1. Cây điều màu (Bixa orellana L.) .................................................................. 3
1.1.1. Phân loại thực vật ....................................................................................... 3
1.1.2. Đặc điểm thực vật học................................................................................ 3
1.1.3. Nguồn gốc, phân bố và sản lượng canh tác ............................................... 5
1.1.4. Thành phần hóa học trong hạt điều màu .................................................... 6
1.2. Phẩm màu annatto ......................................................................................... 7
1.2.1. Danh pháp, cấu tạo của bixin và norbixin .................................................. 7

1.2.2. Tính chất hóa lý .......................................................................................... 8
1.2.3. Độc tính, liều thu nạp ADI và lượng sử dụng trong thực phẩm............... 10
1.2.4. Ứng dụng của phẩm màu annatto trong ngành thực phẩm ...................... 10
1.2.5. Chế phẩm norbixin dùng làm phụ gia thực phẩm .................................... 12
1.2.6. Quy định về chế phẩm phụ gia norbixin .................................................. 13
1.3. Phương pháp thu nhận chế phẩm bột norbixin ........................................... 14

x


1.3.1. Sấy khay ................................................................................................... 14
1.3.2. Sấy phun ................................................................................................... 14
1.3.3. Sấy thăng hoa ........................................................................................... 15
1.4. Một số phương pháp trích ly norbixin ........................................................ 15
1.4.1. Phương pháp trích ly bằng dung môi vô cơ ............................................. 15
1.4.2. Phương pháp định lượng bằng quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis ..... 17
1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................. 20
1.5.1. Nghiên cứu trong nước ............................................................................ 20
1.5.2. Nghiên cứu ngoài nước ............................................................................ 20
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................... 22
2.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 22
2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ............................................................... 22
2.3. Vật liệu, hoá chất và trang thiết bị .............................................................. 22
2.3.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 22
2.3.2. Dụng cụ và thiết bị ................................................................................... 23
2.3.3. Hóa chất ................................................................................................... 23
2.4. Phương pháp và bố trí thí nghiệm ............................................................... 24
2.4.1. Bố trí thí nghiệm ...................................................................................... 24
2.4.1.1. Xác định tính chất nguyên liệu hạt điều màu ........................................ 24
2.4.1.2. Thí nghiệm 1: Lựa chọn dung môi phù hợp cho quá trình

trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ............................................. 25
2.4.1.3. Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và điều
kiện ủ đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ............ 29
2.4.1.4. Thí nghiệm 3: Khảo sát thể tích acid HCl đậm đặc để kết tủa
norbixin tự do .......................................................................................... 31
2.4.1.5. Thí nhiệm 4: Khảo sát tỷ lệ chất trợ tan phù hợp để tạo chế phẩm
bột norbixin tan trong nước..................................................................... 33
2.4.1.6. Thí nghiệm 5: Đánh giá chất lượng của chế phẩm bột norbixin........... 34
2.4.1.7. Thí nghiệm 6: Ứng dụng chế phẩm bột norbixin để phối màu

xi


sữa chua ................................................................................................... 35
2.4.2. Phương pháp phân tích ............................................................................. 35
2.4.2.1. Phương pháp xác định các thành phần .................................................. 35
2.4.2.2. Phương pháp tính hiệu suất trích ly và hiệu suất thu hồi norbixin ....... 39
2.4.2.3. Phương pháp tiến hành thí nghiệm ....................................................... 39
2.5. Thiết kế và xử lý số liệu .............................................................................. 40
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 41
3.1.Tính chất nguyên liệu hạt điều màu ............................................................. 41
3.2. Lựa chọn dung môi phù hợp cho quá trình trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin ................................................................................. 43
3.2.1. Lựa chọn hỗn hợp dung môi .................................................................... 43
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin ................................................................................. 44
3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin ................................................................................. 46
3.2.4. Tối ưu hóa nồng độ dung môi .................................................................. 47
3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và điều kiện ủ đến

hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin .............................. 52
3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất
trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ............................................. 52
3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin ................................................................................. 53
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian ủ đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin ................................................................................. 54
3.3.4. Tối ưu hóa tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và điều kiện phản ứng
xà phòng hóa ........................................................................................... 55
3.4. Ảnh hưởng của nồng độ acid HCl để kết tủa norbixin tự do ...................... 63
3.5. Tỷ lệ chất trợ tan phù hợp để tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước ... 65
3.5.1. Khả năng hòa tan của bột tủa norbixin trong nước ở pH khác nhau ....... 65

xii


3.5.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất trợ tan Na2CO3 ................................................ 67
3.6. Quy trình và giá thành sản xuất thử nghiệm chế phẩm bột norbixin .......... 68
3.7. Chất lượng của chế phẩm bột norbixin ....................................................... 69
3.7.1. Hàm lượng màu norbixin trong chế phẩm bột norbixin .......................... 69
3.7.2. Hàm lượng kim loại nặng trong chế phẩm bột norbixin .......................... 70
3.7.3. Khả năng hòa tan trong nước ................................................................... 70
3.8. Sử dụng chế phẩm bột norbixin để phối màu sữa chua .............................. 71
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .............................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 74
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 82

xiii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A

Absorption

ADI

Acceptable Daily Intake

ANN

Artificial Neural Network

ANOVA

Analysis of Variance

BHA

butylated hydroxyanisole

BHT

butylated hydroxytoluene

ctv

cộng tác viên

FAO

Food and Agriculture Organization of the United Nations

FDA

U.S. Food and Drug Administration

GRAS

Generally Recognized as Safe

HDPE

high–density polyethylene

HLB

Hydrophylic Lipophylic Balance

HPLC

High Performance Liquid Chromatography

INS

International Numbering System for Food Additives

JECFA

Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives

Mw

molecular weight

PE

polyethylene

RSM

Response Surface Methodology

TCN

tiêu chuẩn ngành

TCVN

tiêu chuẩn Việt Nam

Tukey’s HSD

Tukey’s Honestly Significant Difference

UV – Vis

Ultraviolet – Visible Spectroscopy

v/p

vòng/phút

WHO

World Health Organization

v/v

volume /volume

w/v

weight/volume

xiv


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Cây, hoa, trái, hạt và bột điều màu (Bixa orellana L.) ........................... 4
Hình 1.2. Hạt điều màu khô nguyên hạt (trái) và bổ đôi (phải) ............................. 7
Hình 1.3. Cấu trúc phân tử của cis–norbixin (a) và cis–bixin (b) .......................... 8
Hình 1.4. Chuyển đổi qua lại giữa các dạng annatto .............................................. 9
Hình 1.5. Phản ứng sinh sắc tố McKeown và metaxilen ..................................... 10
Hình 1.6. Phô mai và snack sử dụng màu norbixin .............................................. 11

Hình 1.7. Chế phẩm norbixin dạng bột, lỏng và sệt ............................................. 12
Hình 1.8. Phản ứng chuyển đổi qua lại giữa các dạng sắc tố annatto .................. 17
Hình 1.9. Phổ hấp thụ của bixin và norbixin trong chloroform ........................... 19
Hình 2.1. Hạt điều màu trước (trái) và sau khi sấy (phải) .................................... 23
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình trích ly để khảo sát dung môi ..................................... 26
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình thí nghiệm kết tủa norbixin ........................................ 32
Hình 3.1. 10 g hạt điều màu nguyên liệu.............................................................. 41
Hình 3.2. Hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ở các
nồng độ NaOH khác nhau .......................................................................... 45
Hình 3.3. Hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ở các
nồng độ ethanol khác nhau......................................................................... 46
Hình 3.4. Độ tương thích của số liệu thực nghiệm với mô hình toán học (a)
và phân bố phần dư của số liệu thực nghiệm so với số liệu dự đoán (b) ... 48
Hình 3.5. Sự “thiếu phù hợp” của mô hình toán học ........................................... 49
Hình 3.6. Biểu đồ Pareto thể hiện ảnh hưởng của các yếu tố............................... 49
Hình 3.7. Bề mặt đáp ứng thể hiện quan hệ giữa hiệu suất và nồng độ
hai thành phần dung môi ............................................................................ 50
Hình 3.8. Mặt cắt của bề mặt đáp ứng tại điểm tối ưu ......................................... 51
Hình 3.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất trích ly

xv


và chuyển đổi màu thành norbixin ............................................................. 52
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin .................................................................................... 54
Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian ủ đến hiệu suất trích ly và
chuyển đổi màu thành norbixin .................................................................. 55
Hình 3.12. Độ tương thích của số liệu thực nghiệm với mô hình toán học (a)
và phân bố phần dư của số liệu thực nghiệm so với số liệu dự đoán (b) ... 57

Hình 3.13. Sự “thiếu phù hợp” của mô hình toán học ......................................... 58
Hình 3.14. Biểu đồ Pareto thể hiện ảnh hưởng của các yếu tố ............................ 58
Hình 3.15. Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hiệu suất đối với
nhiệt độ ủ và tỷ lệ dung môi / hạt............................................................... 60
Hình 3.16. Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hiệu suất đối
với thời gian ủ và tỷ lệ dung môi / hạt ....................................................... 60
Hình 3.17. Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hiệu suất đối
với nhiệt độ và thời gian ủ ......................................................................... 61
Hình 3.18. Mặt cắt của bề mặt đáp ứng tại điểm tối ưu ....................................... 62
Hình 3.19. Quá trình trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ........................ 63
Hình 3.20. Ảnh hưởng của thể tích acid HCl 36 % đến hiệu suất thu hồi norbixin
Hình 3.21. Dịch trích ly ban đầu (trái) và dịch trích ly đang kết tủa
sau 30 phút acid hóa (phải) ........................................................................ 65
Hình 3.22. Bột tủa norbixin .................................................................................. 65
Hình 3.23. Tỷ lệ norbixin hòa tan ở pH khác nhau .............................................. 66
Hình 3.24. Khả năng hòa tan của bột tủa norbixin ở pH khác nhau .................... 67
Hình 3.25. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng Na2CO3 / bột tủa norbixin
đến tỷ lệ hòa tan norbixin ........................................................................... 67
Hình 3.26. Quy trình sản xuất thử nghiệm chế phẩm bột norbixin
tan trong nước ............................................................................................ 68
Hình 3.27. Chế phẩm bột norbixin sản xuất thử nghiệm ..................................... 69
Hình 3.28. Sữa chua được phối màu bằng chế phẩm bột norbixin ...................... 71

xvi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1. Các loại chế phẩm bột norbixin chủ yếu .............................................. 13
Bảng 1.2. Yêu cầu về độ tinh khiết đối với chế phẩm phụ gia annatto ................ 14
Bảng 1.3. Hệ số và bước sóng hấp thụ tối đa của cis–norbixin trong
các dung môi khác nhau ............................................................................. 18
Bảng 3.1. Độ ẩm của hạt điều màu nguyên liệu ................................................... 42
Bảng 3.2. Hàm lượng tro và hàm lượng màu tổng số của hạt nguyên liệu .......... 42
Bảng 3.3. Hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin bằng
các dung môi khác nhau ............................................................................. 44
Bảng 3.4. Mức khảo sát của 2 yếu tố.................................................................... 47
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm CCD 2 yếu tố ........................................................ 48
Bảng 3.6. Các hệ số của phương trình hồi quy ..................................................... 50
Bảng 3.7. Dự đoán điểm tối ưu và giá trị hai yếu tố tương ứng ........................... 51
Bảng 3.8. Mức khảo sát của 3 yếu tố.................................................................... 55
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm CCD 3 yếu tố ........................................................ 56
Bảng 3.10. Các hệ số của phương trình hồi quy ................................................... 59
Bảng 3.11. Dự đoán điểm tối ưu và giá trị ba yếu tố tương ứng .......................... 61
Bảng 3.12. Giá thành sản xuất thử nghiệm 1 kg chế phẩm bột norbixin ............. 69
Bảng 3.13. Kết quả đánh giá cảm quan cho điểm 6 mẫu sữa chua ...................... 72

xvii


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