Tên đề tài: “Ứng dụng các kỹ thuật lên men, xử lý nhiệt và nano trong chế biến và nâng cao giá trị các chất có hoạt tính sinh học trong tỏi”.

 Tác giả: Nguyễn Ái Thạch, Khóa: 2014

 Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm; Mã số: 62540101. Nhóm ngành: Công nghệ sản xuất và chế biến

 Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Minh Thủy, Trường Đại học Cần Thơ.

 Người hướng dẫn phụ: TS. Hà Phương Thư, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

1. Tóm tắt

          Tỏi (Allium sativum L.) được sử dụng phổ biến trong thực phẩm và dược phẩm do chứa các chất kháng sinh, chống vi sinh vật gây bệnh, chống đột biến, kháng tiểu cầu, chống mỡ máu cao và kháng ung thư. Tỏi đen hoặc tỏi lên men thể hiện tác dụng chống oxy hóa mạnh mẽ và hương vị dịu hơn so với tỏi tươi. Các sản phẩm chế biến từ tỏi có thể mở ra hướng sử dụng tỏi nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu sức khỏe và phòng chống bệnh tật. Bên cạnh đó, công nghệ nano được áp dụng đã mở ra con đường mới trong các lãnh vực thuốc, mỹ phẩm, nông nghiệp và thực phẩm. Các hoạt chất với kích thước nano được bao bọc trong các lớp vỏ bọc polymer, polysaccharide có khả năng tương hợp và phân hủy sinh học nên độ tan, khả năng hấp thu qua ruột tăng cao. Sinh khả dụng của các sản phẩm được nano hóa tăng lên so với các hoạt chất ở trạng thái tinh chất. Hội tụ của công nghệ nano với các công nghệ khác cũng sẽ tác động lớn đến sản xuất, chế biến và bảo quản. Vì vậy, nghiên cứu tác động của kỹ thuật chế biến, bảo quản, xây dựng các mô hình động học biến đổi các hoạt chất quan trọng trong các sản phẩm từ tỏi với công nghệ nano được ứng dụng nhằm duy trì và nâng cao chất lượng sản phẩm cho quá trình sử dụng ở mức độ cao và hiệu quả hơn.

Củ tỏi được thu hoạch ở độ tuổi 130-135 ngày sau khi gieo có chất lượng cao nhất và tốc độ hô hấp thấp. Nhiệt độ 0^oC cung cấp điều kiện tồn trữ tốt nhất đảm bảo chất lượng của củ tỏi đến 180 ngày tồn trữ, với chỉ số nảy mầm và phần trăm hao hụt khối lượng rất thấp, cùng với độ cứng tốt và màu sắc đẹp. Bao bì vải lưới sử dụng tồn trữ củ tỏi tốt và ít chiếm thể tích hơn so với thùng carton và PE trong quá trình tồn trữ, vận chuyển.

Trong chế biến tỏi đen, cả hai biện pháp chần và lạnh đông tỏi nguyên củ đều cho hàm lượng các hợp chất sinh học cao hơn so với tỏi tươi. Thực hiện quá trình đông lạnh tỏi trong thời gian 36 giờ ở nhiệt độ -18^oC là biện pháp tiền xử lý hiệu quả cho hàm lượng các hợp chất sinh học và khả năng chống oxy hóa cao. Nhiệt độ 70^oC tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chế biến tỏi đen, cụ thể hàm lượng polyphenol tăng 6,5 lần so với tỏi tươi. Hàm lượng SAC tăng lên ở mức độ cao hơn ở nhiệt độ lão hóa tương đối thấp. Ngược lại, hoạt động chống oxy hóa dựa trên hoạt động loại bỏ gốc tự do DPPH tăng lên nhiều hơn ở nhiệt độ cao thông qua sự gia tăng hình thành các sản phẩm hóa nâu, SAC và polyphenol tổng. Những kết quả này cho thấy hoạt động chống oxy hóa trong tỏi đen liên quan mật thiết với nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học. Các thông số tối ưu đạt được khi sấy tỏi đen ở nhiệt độ 58,78^oC với thời gian 12,25 giờ. Ngoài ra, sản phẩm tỏi đen có khả năng tồn trữ tốt ở nhiệt độ mát (5^oC) trong bao bì nhôm. Trong điều kiện này, hàm lượng các hợp chất sinh học trong sản phẩm được duy trì ở mức độ cao nhất.

Trong chế biến tỏi lên men lactic, tép tỏi được chần ở nhiệt độ 80^oC trong 90 giây thể hiện sự tổn thất thấp nhất các hợp chất trên. Trong quá trình lên men acid lactic, hàm lượng polyphenol và flavonoid tổng số, hoạt tính chống oxy hóa của tỏi tăng lên đáng kể. Trong khi đó, hàm lượng thiosulfinate giảm dần sau 6 ngày lên men trong dung dịch có nồng độ muối NaCl 1% và mật độ vi khuẩn Lactobacillus plantarum 10⁶ CFU/mL. Bên cạnh đó, sản phẩm tỏi lên men lactic vẫn duy trì được các hợp chất sinh học (polyphenol, flavonoid và thiosulfinate) và khả năng chống oxy hóa khi được bảo quản ở điều kiện nhệt độ 4-6^oC trong dung dịch lên men thanh trùng trong thời gian 2 tháng.

Từ các kết quả đạt được (được đề cập phần trên) cho thấy tỏi đen là sản phẩm chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học hơn tỏi lên men lactic. Hệ nano tỏi đen được chế tạo bởi alginate có kích cỡ hạt trong khoảng 60-80 nm và phân bố trong nước với kích thước 109-178 nm. Các hạt nano tỏi đen phân tán khá ổn định với điện thế zeta -11¸-22,5 mV. Hình ảnh phổ FT-IR cũng cho thấy không có sự hình thành các hợp chất mới trong quá trình chế tạo hạt nano.

Hệ nano tỏi đen đều dương tính và có hoạt tính vượt trội so với tỏi đen trên tế bào ung thư biểu mô biểu bì  miệng, tế bào ung thư gan, tế bào ung thư phổi, tế bào ung thư biểu mô thận khỉ, tế bào ung thư da và âm tính với tế bào ung thư vú. Tỏi đen không thể hiện hoạt tính đối với các dòng vi khuẩn Staphylococcus aureus, Enterococus faecium, E. Coli và nấm Candida albicans ở nồng độ £ 256 mg/mL. Trong khi đó, hệ nano tỏi đen đều thể hiện hoạt tính trên tất cả 7 dòng vi sinh vật thử nghiệm. Hệ nano tỏi đen có thể ức chế enzyme a-glucosidase gây bệnh tiểu đường nhưng không có tác dụng đối với AChE gây bệnh Alzheimer. Hệ nano tỏi đen không gây độc tính cấp cho chuột ở liều sử dụng 250 mg/kg trọng lượng cơ thể và có khả năng hạ đường huyết ở chuột bệnh tiểu đường từ 421 xuống còn 195 mg/dL sau 21 ngày điều trị.

2. Những kết quả mới của luận án

Luận án cung cấp thông tin thời điểm thuần thục và điều kiện bảo quản tỏi tươi liên quan đến đặc tính lý học và các hợp chất có hoạt tính sinh học trong suốt quá trình tồn trữ.

Xây dựng được quy trình chế biến tỏi đen và tỏi lên men lactic nhằm tạo ra sản phẩm tỏi có chất lượng cao vượt trội so với tỏi tươi (tăng cường hàm lượng các hoạt chất sinh học và khả năng chống oxy hóa trong tỏi đen). Ngoài ra, nghiên cứu còn xác định các điều kiện tồn trữ thích hợp cho hai loại sản phẩm tỏi đen và tỏi lên men lactic.

Xây dựng quy trình trích ly các hợp chất sinh học từ tỏi đen và ứng dụng công nghệ nano chế tạo thành công hạt nano tỏi đen mang các chất có hoạt tính sinh học với kích thước £ 100 nm, hình dạng gần với hình cầu và độ ổn định cao. Hiệu quả thu nhận được từ thử nghiệm hoạt tính của hệ nano tỏi đen ở quy mô in-vitro và in-vivo cũng được xác định.

3. Các ứng dụng/khả năng ứng dụng trong thực tiễn, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

          Thông qua quy trình chế biến tỏi đen và tỏi lên men lactic sẽ làm tăng lượng tiêu thụ tỏi cho người nông dân. Nghiên cứu đồng thời quy trình sản xuất hai dạng sản phẩm này cũng nhằm tạo ra nguồn thực phẩm mới có giá trị sinh học cao. Tỏi đen và tỏi lên men lactic trải qua quá trình chế biến có hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học (S-allyl cysteine, polyphenol, flavonoid,…) và hoạt động chống oxy hóa cao hơn so với tỏi tươi. Đặc biệt, các hợp chất này có khả năng ứng dụng cao trong việc bảo vệ sức khỏe và là một liệu pháp phòng ngừa bệnh ung thư cho người tiêu thụ chúng.

Tỏi đen và tỏi lên men lactic cũng góp phần làm đa dạng hơn các sản phẩm từ tỏi ngoài thị trường và cung cấp nguồn thực phẩm giàu “giá trị dược liệu” trong bữa ăn hàng ngày.

Kỹ thuật nano được áp dụng đồng thời sẽ tăng giá trị sinh học của sản phẩm và mở hướng mới cho việc sử dụng các sản phẩm của tỏi Việt Nam ở mức độ cao và hiệu quả hơn. Ngoài ra, sự ra đời của hệ nano tỏi đen sẽ là niềm hy vọng mới cho các bệnh nhân ung thư, tiểu đường và một số loại bệnh khác.

Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu:

- Ảnh hưởng của độ ẩm trong quá trình chế biến tỏi đen hoặc thay đổi nhiệt độ trong chế biến tỏi đen theo gradient.

- Chế tạo hạt nano tỏi đen bằng các phức hợp polymer nhân tạo và thử nghiệm ở quy mô in-situ và ex-vivo về hoạt tính của hệ nano tỏi đen.

1. Summary

          Garlic (Allium sativum. L) is widely used in food and pharmaceutical products containing substances as antibiotics, antimicrobial, antioxidant, antimicrobial, anti-inflammatory, antithrombotic and anticancer activities. Black garlic or lacto-fermented garlic has strong antioxidant and milder flavor than fresh garlic. The products made ​​from garlic may help to use more garlic for health promotion and disease prevention. Besides that, nanotechnology is an enabling technology that has opened up new avenues in a number of fields, including medicine, cosmetics, agriculture and food, and is being used as a means to understand how physicochemical characteristics of nano-sized substances can change the structure, texture and quality of foodstuffs. The nano-sized bioactive compounds wrapped in a shell of polymer, polysaccharide compatibility and biodegradability should solubility, absorption through the intestine greatly increased. Bioavailability of nano bioactive products increased compared to the raw substance. The convergence of nanotechnology with other technologies also has a major impact on production, processing and preservation. Therefore, study the effect of processing techniques, preservation and construction of the kinetic model to describe the bioactive compounds changes in garlic products with nanotechnology applications will be helpful to maintain and enhance quality products in order to use them efficiently.

          Raw garlic bulbs were harvested at 130-135 days after planting which had the highest quality and low respiration rate. The temperature at 0°C provides the best storage conditions for garlic quality up to 180 days during storage, with sprouting index and weight loss were very low, as well as good hardness and color. Garlic bulbs were stored in mesh bags at 0^oC to help maintain good quality approximately six months than carton and PE during storage and transportation.

For black garlic processing, both blanching and freezing treatments help to improve bioactive compounds than fresh garlic. Among the pretreatment conditions, frozen garlic at -18^oC for 36 hours had the greatest impact on the total phenolic content, flavonoid and antioxidant activities of garlic. These results indicated that freezing can promote the generation of functional materials. At 70^oC, the total polyphenol content increased about 6.5 times in black garlic than that in fresh garlic. The SAC content increased to a greater extent at relatively low temperatures. In contrast, antioxidant activity based on DPPH radical removal activity increased more at high temperatures through increased formation of browning products, SAC and total polyphenols. These results suggested that antioxidant activity in black garlic is closely related to many biologically active compounds. The optimal drying was found at 58.78°C for 12.25 hours by means of response surface methodology. Moreover, black garlic has good storage capacity at low temperatures (about 5^oC) in aluminum packaging. In this condition, the content of bioactive compounds in which is maintained to the highest level.

For lacto-fermented garlic processing, the obtained results showed that the minor losses in bioactive compounds were observed after blanching operation at 80^oC for 90 seconds. Pickled garlic processing with bacteria density of 10⁶ CFU/mL after 6 days showed the highest polyphenol content than that with 10⁵ and 10⁷ CFU/mL. Besides, additional salt concentration also affects the polyphenol content. Pickled garlic in salt concentration solution of NaCl 1% and Lactobacillus plantarum density about 10⁶ CFU/mL after 6 days of fermentation showed that phenolic and flavonoid contents and radical scavenging activity using DPPH method of garlic increased significantly while decreasing thiosulfinate content. In addition, lacto-fermented garlic still maintains bioactive compounds such as polyphenols, flavonoids and thiosulfinates and antioxidant capacity when that was stored at 4-6°C in pasteurized fermentation solution for two months.

The above results showed that black garlic is a product containing more bioactive compounds than pickled garlic. The black garlic nanoparticles produced by alginate polymer have a particle size of 60-80 nm and are distributed in water with particle size about 109-178 nm. Black garlic nanoparticles well-dispersed stability with zeta potential about -11.0¸-22.5 mV. The FT-IR spectra also showed that no new substances were formed during nanoparticle creating. Black garlic nanoparticles system are positive for oral cancer cells, liver cancer cells, lung cancer cells, monkey kidney cancer cells, skin cancer cells and negative for breast cancer cells. Black garlic did not show activity against Staphylococcus aureus, Enterococus faecium, E. coli and Candida albicans at concentrations less than 256 mg/mL while black garlic nano-particles system showed inhibited activity on seven microorganism lines in this study. Black garlic nanoparticles may inhibit a-glucosidase enzyme which is involved in diabetic but not AChE that is involved in Alzheimer's. Nanosize of black garlic systems were not acute toxicity at doses of 250 mg/kg body weight and were hypoglycemic in the diabetic mice from 421 to 195 mg/dL after 21 days of treatment.

2. New points

The thesis provides some information about the maturity time and storage conditions of fresh garlic in relation to the physical properties and bioactive compounds during storage.

Processing of black garlic and lactic acid fermented garlic to produce garlic products that are high-quality superior to fresh garlic (to improve bioactive compounds content and antioxidant capacity in black garlic). In addition, the study identified the appropriate storage conditions for two types of black garlic and lactic acid-fermented garlic.

Developing a process for extraction of bioactive compounds in black garlic and applying nanotechnology to create black garlic nanoparticles containing bioactive compounds with dimensions is less than or equal to 100 nm which is close to the sphere and high stability. Some of the efficiency obtained from the in-vitro and in-vivo testing of black garlic nanoparticles was also determined.

3. Applications/applicability in practice and further studies

The processing of black garlic and lactic acid fermented garlic will help to increase the consumption of fresh garlic. Research on the production of these two types of products is also aimed at creating new food sources which are high biological values. Black garlic and lactic acid fermented garlic have higher bioactive compounds content (S-allyl cysteine, polyphenols, flavonoids, ...) and antioxidant activity than fresh garlic. In particular, these compounds are high applicability to the protection of health and are preventive therapy for cancer of the consumer.

Black garlic and lactic acid fermented garlic also contribute to a wider variety of garlic products in the market and provide a rich source of "medicinal properties" in daily meals.

The application of nanotechnology will increase the biological value of products and open new directions for the use of garlic products in Vietnam at a higher level and more effective. Besides, the creation of the black garlic nano-material will be new hope for cancer patients, diabetes and some other diseases.

            Suggestions for further research: (1) Effect of moisture during the processing of black garlic or change of temperature in black garlic processing according to the gradient. (2) Creating black garlic nanoparticles using artificial or synthetic polymer and in-situ and ex-vivo testing on the efficiency of black garlic nanoparticles.

• Xem chi tiết nội dung luận án
• Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo. (Nhập tên NCS vào ô tìm kiếm)