Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly polyphenol từ vỏ cà phê

Hội thảo khoa học khoa Công nghệ thực phẩm 2018 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRÍCH LY POLYPHENOL TỪ VỎ CÀ PHÊ Nông Thị Út, Nguyễn Thị Hồng Hà, Đỗ Mai Nguyên Phương* Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh * Email: phuongdmn@cntp.edu.vn Ngày nhận bài: 07/7/2018 ; Ngày chấp nhận đăng: 12/7/2018 TÓM TẮT Nghiên cứu nhằm khảo sát các điều kiện trong quá trình trích ly polyphenol từ vỏ cà phê bằng dung môi nước.Sự ảnh hưởng của các yếu tố tỷ lệ nguyên liệu: dung môi, nhiệt độ lần lượt được khảo sát. Mẫu vỏ cà phê được trích ly ở tỷ lệ nguyên liệu: dung môi (1:10, 1:20, 1:30, 1:40, 1:50), thời gian (20, 30, 40, 50, 60 phút) và nhiệt độ (50oC, 60oC, 70oC, 80oC, 90oC). Kết quả mỗi thí nghiệm được đánh giá thông qua: hàm lượng polyphenol tổng (TPC), hàm lượng flavonoid tổng (TFC) của dịch chiết thu được. Kết quả cho thấy, điều kiện trích ly vỏ cà phê ở 70oC trong 50 phút với tỷ lệ 1:30 sẽ cho hiệu suất trích ly cao nhất về TPC, TFC (112.509 ± 2.830 mg GAE/g, 21.236 ± 0.409 mg QE/g). Từ khóa: vỏ cà phê, trích ly, polyphenol tổng, flavonoid tổng. 1. GIỚI THIỆU Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê thứ 2 thế giới, chỉ sau Brazil. Sản lượng cà phê trong niên vụ 2017 – 2018 đạt 1710 triệu tấn. Đi kèm với sản lượng cà phê lớn như vậy thì đồng thời cũng cho ra một lượng lớn sản phẩm phụ. Vỏ cà phê là phần bị loại bỏ trong quá trình chế biến cà phê. Cứ mỗi 2 tấn cà phê tươi, sau quá trình xát vỏ loại bỏ gần 1 tấn vỏ. Hầu hết những vỏ cà phê này không được xử lý mà đưa trực tiếp đến bãi thải hoặc sông suối. Các hợp chất độc hại từ vỏ cà phê lên men thải ra môi trường gây ô nhiễm nguồn nước ở những vùng sản xuất cà phê. Cho đến nay, nhiều nỗ lực khác nhau đã được thực hiện để tái sử dụng vỏ cà phê từ quá trình chế biến. Một số nghiên cứu cho thấy vỏ cà phê không thể dùng làm thức ăn cho gia súc, chủ yếu là do các thành phần độc hại của nó như caffein, muối khoáng, axit amin, tannin, phenol và các polyphenol khác. Ngược lại, nó được sử dụng để làm phân hữu cơ để làm giàu độ màu mỡ của đất hoặc như một vật liệu mùn để ngăn ngừa sự bay hơi của hơi nước và để kiểm soát sự tăng trưởng cỏ dại. Các khía cạnh mới liên quan đến việc sử dụng chất thải này làm nguyên liệu thô để chiết xuất thành phần sinh học quan trọng là khía cạnh khác để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Do khả năng khai thác nhiều hợp chất có giá trị cao và chi phí khai thác thấp nên việc khai thác và sử dụng các hợp chất có hoạt tính sinh học từ vỏ cà phê đang thu hút sự quan tâm. Vỏ cà phê chứa các hợp chất có hoạt tính sinh học như polyphenol có tính chất chống oxy hoá tốt, mang lại nhiều lợi ích về sức khoẻ, bảo vệ chống lại các bệnh thoái hóa mãn tính, ung thư và bệnh tim mạch ở người. Do đó, nhằm tránh ô nhiễm môi trường, tận thu nguồn vỏ cà phê để sản xuất nước giải khát, nghiên cứu này được thực hiện để đưa ra các thông số công nghệ trong quá trình trích ly để đạt hiệu suất thu hồi cao nhất các hợp chất polyphenol từ vỏ cà phê [1]. 49 Nông Thị Út, Nguyễn Thị Hồng Hà, Đỗ Mai Nguyên Phương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu Vỏ cà phê thuộc loài Coffea arabica (cà phê Arabica hay cà phê chè) được lấy từ Lâm Đồng. Vỏ này được xát bằng phương pháp ướt sau đó đem phơi khô, sấy đến độ ẩm 6%, sau đó được xay nhỏ tới kích thước 1.25÷2 mm. Mẫu được bảo quản trong túi nhựa platic khô ráo, thoáng mát, hút chân không đảm bảo giữ cho vỏ cà phê không bị hút ẩm từ bên ngoài. Hóa chất: Acid galic (Trung Quốc), quercetin (Trung Quốc), thuốc thử Folin-Ciocalteu 1N (Trung Quốc), Na2CO3 (Trung Quốc), NaNO2 (Trung Quốc), AlCl3 (Trung Quốc), NaOH (Trung Quốc). 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu: dung môi đến quá trình trích ly Cân chính xác 1 gram vỏ cà phê vào bình tam giác đã được bao kín, tránh ánh sáng, tỷ lệ nguyên liệu: dung môi (nước) lần lượt được khảo sát (1:10, 1:20, 1:30, 1:40, 1:50), thời gian trích ly 30 phút. Các bình trích ly được đặt trong bể ổn nhiệt được điều chỉnh ở 60oC (thông số nhiệt độ và thời gian trích ly được cố định là 60oC/30 phút), sau đó lọc qua giấy lọc thu được dịch trích ly. Chỉ tiêu theo dõi: Hàm lượng polyphenol tổng (TPC), Hàm lượng flavonoid tổng (TFC). 2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trích ly Trong thí nghiệm này, nhiệt độ trích ly được thay đổi từ 50oC đến 90oC với T=10 (oC). Thông số tỷ lệ ngyên liệu: dung môi được xác định ở Thí nghiệm 2.2.1. Thời gian trích ly được cố định là 30 phút. Chỉ tiêu theo dõi: Hàm lượng polyphenol tổng (TPC), Hàm lượng flavonoid tổng (TFC). 2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình trích ly Trong thí nghiệm này, thời gian trích ly được thay đổi từ 20 phút đến 60 phút với T=10 (phút). Thông số tỷ lệ ngyên liệu: dung môi được xác định ở Thí nghiệm 2.2.1. Thông số thời gian trích ly được xác định ở Thí nghiệm 2.2.2. Chỉ tiêu theo dõi: Hàm lượng polyphenol tổng (TPC), 50 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly polyphenol từ vỏ cà phê Hàm lượng flavonoid tổng (TFC). 2.3. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 2.3.1. Phương pháp phân tích Phương pháp định lượng polyphenol tổng (TPC): hàm lượng polyphenol tổng trong dịch chiết được xác định bằng phương pháp quang phổ so màu (Melkayo Geremu, Yetenayet Bekele Tola và Abrar Sualeh, 2016) [2] với thuốc thử Folin-ciocalteu và chất chuẩn acid gallic. Hút 1ml dung dịch mẫu bổ sung 5ml thuốc thử Folin-ciocalteu 10% để yên trong 5 phút. Sau đó thêm 4ml Na2CO3 7.5%, lắc đều, để yên 60 phút sau đó đem đi đo độ hấp thu ở bước sóng 765nm. Hàm lượng polyphenol tổng được thể hiện qua số mg acid galic tương đương (mg GAE/g chất khô). Phương pháp định lượng Flavonoid tổng (TFC): hàm lượng các hợp chất flavonoid được phân tích dựa trên phương pháp quang phổ so màu (Sulaiman và Balach, 2012) [3] theo nguyên tắc: flavonoid trong vỏ cà phê tạo phức màu vàng với dung dịch AlCl3, cường độ màu tỷ lệ thuận với hàm lượng flavonoid [4]. Hút 1ml dung dịch mẫu cho vào bình định mức dung tích 10ml. Thêm 4ml nước cất, 0.3ml NaNO2 5% để yên trong 5 phút, sau đó thêm 0,3ml AlCl3 10% để yên trong 5 phút, thêm 2ml NaOH 1M lắc đều. Thêm nước cất vừa đủ 10ml lắc đều đem đi đo độ hấp thu ở bước sóng 520nm.Tổng lượng flavonoid được thể hiện qua số mg quercetin tương đương (mg QE/g chất khô). 2.3.2. Phương pháp xử lý số liệu Trong nghiên cứu này, mỗi thí nghiệm được lặp lại ba lần, kết quả được trình bày ở dạng giá trị trung bình ± giá trị sai số. Đánh giá sự khác biệt có ý nghĩa giữa các mẫu thí nghiệm được thực hiện bằng phương pháp thống kê ANOVA 1 chiều (α = 5%) bằng phần mềm Statgraphics 15. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu: dung môi đến quá trình trích ly Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu: dung môi đến hàm lượng TPC, TFC trong dịch trích ly được trình bày ở Hình 1: (a) 51 Nông Thị Út, Nguyễn Thị Hồng Hà, Đỗ Mai Nguyên Phương Hình 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu: dung môi trích ly đến hàm lượng polyphenol tổng (a), hàm lượng flavonoid tổng (b) của dịch trích ly vỏ cà phê Kết quả hàm lượng TPC, TFC tăng từ tỷ lệ nguyên liệu: dung môi 1:10 đến 1:30 sau đó giảm xuống ở tỷ lệ nguyên liệu: dung môi 1:40, 1:50. Những kết quả này phù hợp với nguyên lý truyền khối: động lực của quá trình trích ly là sự chênh lệch gradient nồng độ. Theo Al-Farsi và Chang (2007, Tan và cộng sự 2011) [5], tỷ lệ nguyên liệu: dung môi cao có thể làm thúc đẩy gradient nồng độ tăng lên làm tăng tốc độ khuếch tán cho phép khai thác nguyên liệu tốt hơn (tức là chúng luôn tạo được một sự chênh lệch nồng độ cần thiết cho bên trong và bên ngoài môi trường dẫn đến tăng tốc độ khuếch tán làm quá trình trích ly được tốt hơn). Tuy nhiên hàm lượng TPC, TFC sẽ không tiếp tục tăng khi đã đạt được sự cân bằng (Wong, Tan và Ho, 2013) [6], nguyên nhân của sự thay đổi trên là do khi ngâm chiết với lượng dung môi quá nhiều mà hàm lượng polyphenol trong nguyên liệu là một số cố định nên sẽ nhanh chóng dẫn tới sự cân bằng giữa các pha, làm hiệu quả trích ly không tăng nữa mà có xu hướng giảm xuống [7]. Tỷ lệ nguyên liệu: dung môi tối ưu ở thí nghiệm này là 1:30 (101.127 ± 2.291 mg GAE/g, 19.442 ± mgQE/g) 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trích ly Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng TPC, TFC trong dịch trích ly được trình bày ở Hình 2: (b) (a) 52 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly polyphenol từ vỏ cà phê Hình 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến hàm lượng polyphenol tổng (a), hàm lượng flavonoid tổng (b) của dịch trích ly vỏ cà phê Hình 2 cho thấy hàm lượng TPC, TFC đạt giá trị cao nhất ở 70oC (110.579 ± 4.439 mg GAE/g, 21.393 ± 0.521 mgQE/g). Từ nhiệt độ 50oC đến 70oC khả năng chiết polyphenol và flavonoid tăng do khi nhiệt độ trích ly tăng, các phân tử trong hệ trích ly chuyển động hỗn loạn với vận tốc cao, làm tăng khả năng hòa tan các hợp chất polyphenol và làm giảm độ nhớt của chất chiết xuất, do đó tăng tốc độ giải phóng các hợp chất này (Rong Tsao và cộng sự, 2012; Al-Farsi và cộng sự, 2008) [8], [5]. Mặt khác, nhiệt độ sẽ làm suy yếu các tương tác phenol-protein và phenol-polysaccharide trong nguyên liệu thực vật (Shi và cộng sự, 2003) [9], từ đó tốc độ khuếch tán của polyphenol từ bên trong nguyên liệu ra ngoài dung môi nhiều hơn. Tuy nhiên, nâng nhiệt độ lên đến một mức độ nào đó có thể làm phân hủy đồng thời các chất chống oxy hóa (Liyana-Pathirana và Shahidi, 2005) [10]. Từ những đánh giá trên, nhiệt độ 70oC được lựa chọn để tiến hành các nội dung nghiên cứu tiếp theo. 3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình trích ly Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng TPC, TFC trong dịch trích ly được trình bày ở Hình 3: (b) (a) 53 Nông Thị Út, Nguyễn Thị Hồng Hà, Đỗ Mai Nguyên Phương Hình 3. Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hàm lượng polyphenol tổng (a), hàm lượng flavonoid tổng (b) của dịch trích ly vỏ cà phê Hình 3 cho thấy hàm lượng TPC, TFC đạt giá trị cao nhất ở 50 phút (112.509 ± 2.830 mg GAE/g, 21.236 ± 0.409 mgQE/g). Nghiên cứu của Ho và cộng sự (2006) [6] cho thấy rằng thời gian có tác động đến quá trình trích ly các hợp chất polyphenol, tăng thời gian trích ly làm hàm lượng TPC, TFC trong dung dịch tăng lên. Tuy nhiên, thời gian trích ly kéo dài làm tăng nguy cơ phân hủy và oxy hóa polyphenol do tiếp xúc lâu với các yếu tố môi trường không thuận lợi như nhiệt độ, ánh sáng và oxy (Naczk và Shahidi, 2004) [11]. Mặt khác, thời gian trích ly lâu làm mất thời gian và tốn chi phí, cũng có khả năng làm mất dung môi bằng cách bốc hơi trực tiếp ảnh hưởng đến tỷ lệ giữa nguyên liệu và dung môi (Abad-Garcia và cộng sự, 2007) [12]. Từ kết quả trên, để không tốn thời gian và năng lượng, 50 phút là thời gian trích ly được lựa chọn. 4. KẾT LUẬN Tồn tại nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trích ly polyphenol từ vỏ cà phê. Các thông số công nghệ phù hợp cho quá trình này là: tỷ lệ nguyên liệu: dung môi 1:30, nhiệt độ trích ly: 70oC, thời gian trích ly: 50 phút sẽ đạt được kết quả là 112.509 ± 2.830 mg GAE/g, 21.236 ± 0.409 mgQE/g. Kết quả cho thấy vỏ cà phê có thể tái sử dụng để sản xuất nước uống có chứa polyphenol, flavonoid chống oxy hóa, giảm thiểu phụ phẩm của ngành sản xuất cà phê và bảo về môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A. Heeger, A. Kosińska-Cagnazzo, E. Cantergiani, and W. Andlauer, "Bioactives of coffee cherry pulp and its utilisation for production of Cascara beverage," Food chemistry, vol. 221, pp. 969-975, 2017. [2] M. Geremu, Y. B. Tola, and A. Sualeh, "Extraction and determination of total polyphenols and antioxidant capacity of red coffee (Coffea arabica L.) pulp of wet processing plants," Chemical and Biological Technologies in Agriculture, vol. 3, p. 25, 2016. [3] C. Sulaiman and I. Balachandran, "Total phenolics and total flavonoids in selected Indian medicinal plants," Indian journal of pharmaceutical sciences, vol. 74, p. 258, 2012. (b) 54 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly polyphenol từ vỏ cà phê [4] E. R. Prata and L. S. Oliveira, "Fresh coffee husks as potential sources of anthocyanins," LWT- Food Science and Technology, vol. 40, pp. 1555-1560, 2007. [5] M. A. Al-Farsi and C. Y. Lee, "Optimization of phenolics and dietary fibre extraction from date seeds," Food Chemistry, vol. 108, pp. 977-985, 2008. [6] B. Wong, C. Tan, and C. Ho, "Effect of solid-to-solvent ratio on phenolic content and antioxidant capacities of" Dukung Anak"(Phyllanthus niruri)," International Food Research Journal, vol. 20, 2013. [7] L. T. A. Đặng Xuân Cường, Vũ Ngọc Bội, Bùi Minh Lý, "Thu nhận polyphenol từ cây ngô," Tạp chí Khoa học-Công nghệ thủy sản, 2014. [8] T. Wu, J. Yan, R. Liu, M. F. Marcone, H. A. Aisa, and R. Tsao, "Optimization of microwave- assisted extraction of phenolics from potato and its downstream waste using orthogonal array design," Food Chemistry, vol. 133, pp. 1292-1298, 2012. [9] J. Shi, J. Yu, J. Pohorly, J. C. Young, M. Bryan, and Y. Wu, "Optimization of the extraction of polyphenols from grape seed meal by aqueous ethanol solution," J. Food Agric. Environ, vol. 1, p. 42, 2003. [10] C. Liyana-Pathirana and F. Shahidi, "Optimization of extraction of phenolic compounds from wheat using response surface methodology," Food chemistry, vol. 93, pp. 47-56, 2005. [11] M. Naczk and F. Shahidi, "Phenolics in cereals, fruits and vegetables: Occurrence, extraction and analysis," Journal of pharmaceutical and biomedical analysis, vol. 41, pp. 1523-1542, 2006. [12] B. Abad-García, L. Berrueta, D. López-Márquez, I. Crespo-Ferrer, B. Gallo, and F. Vicente, "Optimization and validation of a methodology based on solvent extraction and liquid chromatography for the simultaneous determination of several polyphenolic families in fruit juices," Journal of Chromatography A, vol. 1154, pp. 87-96, 2007. ABSTRACT SURVAGE FACTORS INFLUENCING THE EXTRACTION OF POLYPHENOL FROM COFFEE CHERRY PULPS Nong Thi Ut,, Nguyen Thi Hong Ha, Do Mai Nguyen Phuong* Ho Chi Minh city university of Food Industry * Email: phuongdmn@cntp.edu.vn This study examines conditions of the extraction of polyphenol from coffee cherry pulps using water. The effects of solid-solvent ratio, time and temperature were investigated. Coffee cherry pulp sample was extracted in water at five solid-solvent ratios (1:10, 1:20, 1:30, 1:40, 1:50), for various lengths of time (20, 30, 40, 50, 60 min) and at various temperatures (50oC, 60oC, 70oC, 80oC, 90oC). The result of each experiment was evaluated by total polyphenol content (TPC), total flavonoid content (TFC) resulting from water extraction of coffee cherry pulps. The result shows that the best 55 Nông Thị Út, Nguyễn Thị Hồng Hà, Đỗ Mai Nguyên Phương combination of extraction conditions for coffee cherry pulps was at 70oC for 50 min with 1:30 solid- solvent ratio, obtaining levels of TPC, TFC (112.509 ± 2.830 mg GAE/g, 21.236 ± 0.409 mg QE/g). The experiments and results are presented in this paper. Keywords: coffee cherry pulp, extraction, total polyphenol, total flavonoid. 56