Tên đề tài: Thu nhận các hợp chất tự nhiên từ phụ phẩm quả cam và ứng dụng trong chế biến thực phẩm

Tác giả: Huỳnh Thị Phương Thảo, Khóa: 2020

Ngành: Công nghệ thực phẩm; Mã số: 9540101. Nhóm ngành: Công nghệ sản xuất và chế biến

Người hướng dẫn chính: GS.TS. Hà Thanh Toàn, Đại học Cần Thơ

Người hướng dẫn phụ: TS. Lưu Thái Danh , Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

Quả cam (Citrus sinensis L.) thường được tiêu thụ tươi hoặc chế biến thành nước ép và mứt hoặc các sản phẩm dạng bột. Việc tiêu thụ và chế biến cam thải ra môi trường một lượng lớn phụ phẩm. Mặc dù vỏ cam là phụ phẩm của ngành chế biến nhưng có chứa các thành phần như flavonoid, hemicellulose, pectin, cellulose, tinh dầu, carotenoid, vitamin… Nghiên cứu đã thực hiện 5 nội dung nhằm thu nhận các hợp chất có hoạt tính sinh học từ vỏ cam và ứng dụng trong chế biến mứt đông cam. (1) Xây dựng được cơ sở dữ liệu chi tiết về đặc điểm hình thái, kích thước, khối lượng, thành phần hóa học của quả ba giống cam vỏ xanh ở Đồng bằng sông Cửu Long bao gồm cam Sành, cam Xoàn, cam Mật và giống cam vỏ vàng nhập khẩu từ Úc (cam Navel). Kết quả cho thấy quả của các giống cam có những điểm tương đồng và khác biệt về màu sắc, khối lượng, kích thước, độ ẩm, protein, lipid, tro và vitamin C của vỏ quả và thịt quả. Quả của các giống cam đều có đặc điểm riêng về hình dạng, bề mặt và màu sắc quả. (2) Tinh dầu từ vỏ cam được thu nhận bằng bốn phương pháp khác nhau nhằm so sánh một phương pháp cải tiến, cụ thể là trích ly bằng công nghệ khí CO₂ lỏng không cần bơm cao áp (LCE-WHP), chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp (HD), chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp có hỗ trợ vi sóng (MA-HD) và chưng cất lôi cuốn hơi nước gián tiếp (SD). Đối với các giống cam vỏ xanh, hiệu suất thu hồi tinh dầu bằng phương pháp LCE-WHP (4,8 – 5,9%) cao hơn đáng kể so với SD (3,6 – 5,2%), nhưng thấp hơn so với HD (10,5 – 12,4%) và MA-HD (11 – 11,9%). Các giống cam vỏ xanh có hiệu suất thu hồi tinh dầu cao hơn giống cam vỏ vàng ở tất cả các phương pháp trích ly. Các thành phần dễ bay hơi của tinh dầu là tương tự nhau và limonene là thành phần chính với nồng độ 95,3 – 96,9%. Hàm lượng polyphenol tổng số (TPC) và carotenoid của tinh dầu LCE-WHP cao hơn 2,3 – 19,1 và 5,9 – 113,6 lần so với các loại tinh dầu được trích ly bằng các phương pháp khác. Tinh dầu được trích ly bằng LCE-WHP cho thấy hoạt tính kháng khuẩn và chống oxy hóa mạnh nhất. (3) Đồng trích ly tinh dầu và pectin từ vỏ quả cam bằng cách bổ sung acid citric vào nước cất để điều chỉnh pH từ 6,5 – 2,5. pH của dung môi càng thấp thì hiệu suất thu hồi pectin thô càng cao (11,49 – 15,75%) và hàm lượng pectin tinh khiết càng tăng (41,1 – 64,8%) nhưng không ảnh hưởng đến hiệu suất và thành phần hóa học của tinh dầu. Tuy nhiên, acid citric đã làm thay đổi chất lượng của tinh dầu, hàm lượng polyphenol tổng số (26,4 μg GAE/mL) và hàm lượng carotenoid tổng số (0,55 ppm) cao nhất ở pH 3,5; ở giá trị pH này cũng thể hiện hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn là tốt nhất. pH của dung môi còn ảnh hưởng đến hình thái, màu sắc và các chỉ tiêu lý hóa của pectin như EW 9615 – 334 g/mol, MeO 5,83 – 4,07%, AUA 34,3 – 75,8% và DE 96,5 – 30,4% (từ pH 6,5 đến 2,5) nhưng không ảnh hưởng đến các nhóm chức của pectin. Cam Sành được lựa chọn để thực hiện quá trình đồng thu nhận tinh dầu và pectin được tối ưu hóa với các thông số tối ưu gồm pH 2,77, nguyên liệu 143,11g trong 500 mL dung môi và thời gian trích ly 133 phút. Hiệu suất thu hồi tinh dầu 11,53%, hiệu suất thu hồi pectin 16,56% và giá trị DE 63,20% thuộc nhóm methoxyl hóa cao. (4) Cao chiết từ vỏ quả cam được thu nhận bằng phương pháp ngâm dầm và Soxhlet nhằm so sánh hiệu suất thu hồi, hàm lượng polyphenol tổng số (TPC), flavonoid tổng số (TFC) và khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn, ức chế enzyme α-amylase và α-glucosidase của cao chiết. Kết quả, hiệu suất thu hồi cao chiết bằng Soxhlet cao hơn ngâm dầm ở bốn giống cam. Cao chiết cam Sành bằng Soxhlet có hiệu suất cao nhất (15,1%) theo sau là cao chiết cam Xoàn (11,1%). Tuy nhiên, TPC và TFC của cao chiết bằng Soxhlet thấp hơn ngâm dầm, lần lượt là 25,8 – 46,7 mg GAE/g và 16,5 – 30,5 mg QE/g. Cao chiết ngâm dầm có khả năng chống oxy hóa ở các thử nghiệm, hoạt tính kháng khuẩn và ức chế enzyme cao hơn so với cao chiết bằng Soxhlet. Cao chiết vỏ cam không gây độc trên mô hình chuột thử nghiệm và có khả năng hạ triglycerid, cholesterol và hạ glucose huyết ở chuột bị bệnh đái tháo đường. (5) Tinh dầu và pectin thu nhận đồng thời từ vỏ cam Sành được ứng dụng trong sản xuất mứt đông cam Sành với tỷ lệ pectin bổ sung là 0,5% và 1% tinh dầu, sản phẩm có chất lượng và các tính chất cảm quan tốt. Sản phẩm được bảo quản 12 tuần vẫn chưa phát hiện sự hư hỏng. Nghiên cứu này đã đóng góp vào việc nâng cao giá trị kinh tế của quả cam Sành đồng thời đa dạng hóa các sản phẩm từ cam.

2. Những kết quả mới của luận án

- Phân tích và so sánh thành phần hoá lý và hoạt tính sinh học của quả cam từ 3 giống cam xanh (cam Sành, cam Xoàn và cam Mật) ở ĐBSCL và giống cam vàng nhập nội (cam Navel).

- Lần đầu tiên nghiên cứu sử dụng công nghệ khí CO₂ ở dạng lỏng không cần máy bơm cao áp để trích ly tinh dầu cam có chất lượng và hoạt tính sinh học cao.

- Đánh giá và so sánh khả năng hạ đường huyết, lipid và cholesterol trong máu chuột bị bệnh đái tháo đường của cao chiết từ vỏ quả cam Sành và cam Navel.

- Phát triển được chế phẩm hỗ trợ điều trị bệnh đái tháo đường từ cao chiết vỏ quả cam Sành.

- Kết hợp các hoạt chất sinh học (tinh dầu và pectin) từ vỏ quả cam Sành với nước cam Sành để tạo ra các loại thực phẩm có giá trị kinh tế và sử dụng cao.

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

Nghiên cứu đã so sánh phân tích và đánh giá thành phần hoá học (các hợp chất bay hơi, polyphenol và flavonoid tổng, các hợp chất polyphenol và flavonoid chính) và hoạt tính sinh học (kháng vi sinh, chống oxy hoá, hạ cholesterol và lipid máu) của tinh dầu và cao chiết từ vỏ quả cam của 3 giống cam xanh ở Đồng bằng sông Cửu Long và 1 giống cam vàng Navel nhập nội. Đồng thời luận án cũng đánh giá được cao chiết. Ngoài ra, luận án còn đánh giá được việc sử dụng cao chiết từ vỏ quả cam Sành và vỏ quả cam Navel an toàn cho người sử dụng thông qua kết quả từ việc đánh giá độc tính cấp và bán trường diễn trên mô hình chuột.

Nghiên cứu góp phần cho việc phân loại, khai thác các giống cam theo hướng thực phẩm chức năng và hỗ trợ sức khỏe. Đề xuất quy trình trích ly các thành phần từ vỏ cam với hiệu suất cao mà không dùng dung môi hữu cơ và “đồng trích ly”, phù hợp xu hướng phát triển bền vững. Việc tận dụng phụ phẩm vỏ cam góp phần giảm thiểu chất thải nông nghiệp, nâng cao giá trị kinh tế cho chuỗi cam quýt. Các sản phẩm thử nghiệm cho thấy tiềm năng phát triển thành thực phẩm hỗ trợ sức khỏe.

Các nghiên cứu tiếp theo cần đánh giá hiệu quả và độ an toàn thông qua các nghiên cứu in vivo dài hạn và thử nghiệm lâm sàng bước đầu. Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa và mở rộng quy mô quy trình trích ly xanh không dùng dung môi hữu cơ, đánh giá tính ổn định, tiêu chuẩn hóa chất lượng cao chiết, cũng như phát triển các dạng sản phẩm ứng dụng cụ thể sẽ góp phần hoàn thiện mô hình khai thác phụ phẩm vỏ cam theo hướng thực phẩm chức năng và phát triển bền vững.

Thesis title: Extraction of natural compounds from orange by-products and their application in food processing

- Major: Food Technology                                     Code: 954.01.01

- Full name of PhD student: Huynh Thi Phuong Thao           Year: 2020

- Scientific supervisor: Prof. Dr. Ha Thanh Toan

Dr. Luu Thai Danh

- Educational institution: Can Tho University

1. Content of thesis summary

Oranges (Citrus sinensis L.) are often consumed fresh or processed into juices and jams or powdered products. The consumption and processing of oranges release many by-products into the environment. Although orange peels are a by-product of the processing industry, they contain components such as flavonoid, hemicellulose, pectin, cellulose, essential oils (EOs), carotenoid, vitamins, etc. The study has carried out 5 contents to collect bioactive compounds from orange peels and apply them in the processing of orange jam. (1) Building a detailed database on the morphological characteristics, size, mass, and chemical composition of three green orange cultivars in the Mekong Delta (cv. Sanh, Xoan and Mat) and yellow orange cultivars imported from Australia (Navel oranges). The results show that the fruits of orange cultivars have similarities and differences in color, mass, size, moisture, protein, lipid, ash, and vitamin C of the peel and flesh. The fruits of orange cultivars have their own characteristics in terms of shape, surface and color. (2) The EOs from orange peels were obtained by four different methods to compare an innovative method, namely liquid CO₂ extraction without high-pressure pump (LCE-WHP), with hydro-distillation (HD), microwave-assisted hydro-distillation (MA-HD) and steam distillation (SD). For green cultivars, the EO yields of LCE-WHP (4.8 – 5.9%) were significantly higher than those of SD (3.6 – 5.2%), but lower than those of HD (10.5 – 12.4%) and MA-HD (11 – 11.9%). Green orange cultivars had higher EO yields than yellow orange cultivar regardless of extraction method. Volatile components of EOs were similar for all methods and cultivars. Limonene was main volatile compound with a concentration of 95.3 – 96.9%. The total polyphenol and carotenoid content of LCE-WHP essential oils were 2.3 – 19.1 and 5.9 – 113.6 folds higher than those of EOs extracted by other methods, respectively. The EO extracted by LCE-WHP showed the strongest antibacterial and antioxidant activities. (3) Co-extraction of EO and pectin from orange peels was performed by adding citric acid to distilled water to adjust the pH from 6.5 – 2.5. The lower the pH of the solvent, the higher the recovery efficiency of crude pectin (11.49 – 15.75%) and the higher the pure pectin content (41.1 – 64.8%) but did not affect the yield and chemical composition of the EO. However, citric acid changed the quality of the EO, the total polyphenol (26.4 μg GAE/mL) and total carotenoid content (0.55 ppm) were highest at pH 3.5; at this pH value, the antioxidant and antibacterial activities were also the best. The pH of the solvent also affected the morphology, color and physicochemical parameters of pectin such as EW 9615 – 334 g/mol, MeO 5.83 – 4.07%, AUA 34.3 – 75.8% and DE 96.5 – 30.4% (from pH 6.5 to 2.5) but did not affect the functional groups of pectin. The selected Sanh orange to perform the co-extraction process of EO and pectin was optimized with optimal parameters including pH 2.77, raw material 143.11g in 500 mL of solvent and extraction time 133 minutes. The EO yield was 11.53%, the pectin yield was 16.56% and the DE value was 63.20% in the high methoxylated group. (4) Orange peel extracts were obtained by soaking and Soxhlet methods to compare the yield, total polyphenol content (TPC), total flavonoid (TFC) and antioxidant, antibacterial, α-amylase and α-glucosidase inhibitory activities of the extracts. As a result, the yield of Soxhlet extracts was higher than soaking in four orange cultivars. The Soxhlet extract of Sanh orange had the highest yield (15.1%) followed by the Xoan orange extract (11.1%). However, the TPC and TFC of Soxhlet extracts were lower than soaking, respectively 25.8 – 46.7 mg GAE/g and 16.5 – 30.5 mg QE/g. The soaking extract had higher antioxidant capacity in the tests, antibacterial activity and enzyme inhibition than the Soxhlet extract. The orange peel extract was not toxic in the experimental mouse model and had the ability to lower triglycerides, cholesterol and blood glucose in diabetic mice. (5) The EO and pectin obtained simultaneously from the peel of Sanh orange were applied in the production of Sanh orange jam with the added pectin ratio of 0.5% and 1% EO, the product had good quality and sensory properties. The product was stored for 12 weeks without any damage detected. This study has contributed to increasing the economic value of Sanh orange and diversifying orange products.

2. The novel aspects from the thesis

- Analysis and comparison of physicochemical composition and biological activity of oranges from three green-skinned orange varieties (Sanh, Xoan and Mat ​​orange) in the Mekong Delta and imported yellow-skinned orange variety (Navel orange).

- The first study using liquid CO₂ technology without high pressure pump to extract orange EO with high quality and biological activity.

- Evaluation and comparison of the ability to lower blood sugar, lipids and cholesterol in diabetic mice of extracts from the peels of Sanh orange and Navel orange.

- Developed a product to support the treatment of diabetes from the extract of the peel of the Sanh orange.

- Combining bioactive substances (EOs and pectin) from the peel of Sanh oranges with Sanh orange juice to create foods with high economic and usage value.

3. Application prospect and suggestions for further study

This thesis compared, analyzed, and evaluated the chemical composition (volatile compounds, total polyphenols and flavonoids, major polyphenols and flavonoids) and biological activity (antimicrobial, antioxidant, cholesterol- and blood lipid-lowering) of essential oils and extracts from the peels of three green orange varieties in the Mekong Delta and one imported Navel orange variety. The thesis also evaluated the extracts. Furthermore, the thesis assessed the safety of using extracts from Sanh orange and Navel orange peels for human consumption through acute and subchronic toxicity assessments in a mouse model.

This research contributes to the classification and exploitation of orange varieties for functional food and health support purposes. It proposes a high-efficiency extraction process for components from orange peel without the use of organic solvents and “co-extraction” aligning with sustainable development trends. Utilizing orange peel by-products contributes to reducing agricultural waste and enhancing the economic value of the citrus chain. The tested products show potential for development into health-supporting foods.

Further research is needed to evaluate efficacy and safety through long-term in vivo studies and preliminary clinical trials. Additionally, optimizing and scaling up the green extraction process without organic solvents, assessing stability, standardizing the quality of the extracts, and developing specific application products will contribute to perfecting the model for exploiting orange peel by-products for functional food and sustainable development.

• 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)