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 ĐẶT VẤN ĐỀ Thế kỷ XX chứng kiến thời kỳ hoàng kim phẩm màu tổng hợp dùng để tạo màu cho thực phẩm Ưu điểm màu tổng hợp tiện dụng, bền màu giá rẻ thời gian gần xuất ngày nhiều báo cáo tác hại chúng sức khỏe người tiêu dùng Một số màu tổng hợp gây ngộ độc, rối loạn tiêu hoá, chí ung thư, số khác cho gây rối loạn thần kinh, Vì màu tự nhiên ngày nhận quan tâm nhiều đặc biệt hai thập kỷ gần đây, có màu annatto chiết từ hạt điều màu (Bixa orellane L.) Annatto màu tự nhiên sử dụng rộng rãi từ lâu ăn truyền thống nhiều dân tộc giới Trong công nghiệp thực phẩm, annatto màu tự nhiên quan trọng thứ hai đứng sau caramel CODEX công nhận màu thực phẩm màu dược phẩm an toàn Annatto gồm hai hợp chất tạo màu bixin norbixin Bixin chiếm khoảng 80 % chất màu tổng số, tồn tự nhiên hạt điều màu dạng đồng phân 9’–cis–bixin, đồng phân cho màu cam không tan dầu thực vật Còn đồng phân trans–bixin cho màu đỏ, tan dầu thực vật thường thấy loại chế phẩm màu annatto Riêng norbixin tan phần nước pH cao cho màu vàng đến cam Như vậy, chiếm tỷ lệ lớn tổng số sắc tố tồn tự nhiên hạt điều màu bixin norbixin khó tan nước nên màu annatto nguyên thủy không tiện dụng Mặt khác cấu trúc hóa học bixin có nhóm ester nên chuyển đổi bixin norbixin hạt điều màu thành muối natri kali norbixin để tăng khả hòa tan nước, từ tăng tính tiện dụng chế phẩm màu annatto Ở Việt Nam, điều màu canh tác mọc hoang dại Nam Bộ, Tây Nguyên số tỉnh miền Trung, chủ yếu để thu hoạch hạt dùng tạo màu cho thực phẩm Sản phẩm thương mại liên quan đến điều màu phần lớn hạt khô thành phần bột cà ri (chiếm khoảng 50 % khối lượng) Hiện có số tác giả nước điều tra, nghiên cứu thành phần hóa học quy trình trích ly để sản xuất chế phẩm màu từ hạt điều màu chưa có quy trình công nghệ sản xuất triển khai quy mô công nghiệp Nhằm góp phần xây dựng quy trình sản xuất đơn giản, hiệu dễ triển khai thực tế cho chế phẩm bột norbixin tan nước, tiện sử dụng cho nhiều sản phẩm thực phẩm, chọn đề tài “Nghiên cứu trích ly chuyển đổi màu hạt điều màu (Bixa orellana L.) thành norbixin tạo chế phẩm bột norbixin tan nước” với mục tiêu sau: khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu hạt điều màu thành norbixin, thử nghiệm tạo chế phẩm bột norbixin tan nước để phối màu cho thực phẩm Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài: – Ý nghĩa khoa học: kết đề tài cung cấp thông tin + tính chất hòa tan hợp chất màu có hạt điều màu, + chế chuyển đổi qua lại dẫn xuất màu annatto – Ý nghĩa thực tiễn: kết đề tài sở để xây dựng quy trình công nghệ chế biến hạt điều màu hiệu cao Chế phẩm sản xuất có tính tiện dụng có khả hòa tan tốt nước, giúp gia tăng giá trị tạo hội biến điều màu thành công nghiệp có giá trị Việt Nam Chương TỔNG QUAN 1.1 Cây điều màu (Bixa orellana L.) 1.1.1 Phân loại thực vật Tên tiếng Việt: điều màu, điều nhuộm, màu cà ri, 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 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 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 vùng nhiệt đới, xanh quanh năm, sống tới 50 năm Thân dạng bụi gỗ nhỏ, có nhiều cành, chiều cao – 10 m (Srivastava et al., 1999) Lá đơn, mềm, nhẵn, hình ba cạnh, đầu nhọn, hình tim gốc, nhọn chóp, dài khoảng 12 cm, rộng cm hơn; cuống phình đỉnh, dài – cm Hoa lớn, màu tía trắng, mọc thành chùy ngắn đầu Quả dạng nang, hình tim, bao bọc gai cứng, mọc thành chùm, màu đỏ tím, mở hai van, mảnh nang chứa nhiều hạt, chín có màu đỏ tươi đến nâu Số lượng hạt tới 50 hạt, hạt có dạng gần lập phương, tập trung cuống ngắn, cuống hạt nở thành 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 màu đỏ tươi, ướt, mềm trơn Khi già vỏ chuyển màu xanh vàng, hạt phía cứng, khó bóp, màu đỏ thẫm Khi chín vỏ khô nứt làm hạt khô theo rơi tự xuống đất, dễ phát tán để phát triển thành cá thể (Đỗ Tất Lợi, 2006) Hình 1.1 Cây, hoa, trái, hạt bột điều màu (Bixa orellana L.) (Venugopalan et al., 2011) Cây điều màu cho nhiều hạt nhận đầy đủ ánh nắng mặt trời với nhiệt độ thích hợp khoảng 28 0C đến 44 0C lượng mưa hàng năm yêu cầu 800 – 500 mm Thời gian cho thu hoạch kéo dài từ 20 đến 25 năm (Venugopalan et al., 2011) 1.1.3 Nguồn gốc, phân bố sản lượng canh tác Cây điều màu có nguồn gốc Trung Nam Mỹ, trồng nhiều nước nhiệt đới Các nước đóng góp sản lượng lớn gồm có Peru, Brazil, Bolivia, Colombia, Ecuador, Jamaica, Mexico, Puerto Rico Dominica Cây điều màu du nhập vào Ấn Độ khu vực Đông Nam Á từ kỷ 17 người Tây Ban Nha đưa tới để làm chất nhuộm màu thực phẩm Sau du nhập vào Hoa Kỳ Châu Phi Một số nước Châu Âu Anh, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy hóa thành công loài chúng phát triển so với vùng nhiệt đới Loại trồng Hawaii số đảo thuộc khu vực biển Thái Bình Dương Ở Việt Nam điều màu nhập nội để trồng vào thời kỳ Pháp thuộc, loài mọc hoang dại trồng rải rác vùng đồng Nam Bộ, Tây Nguyên miền Trung để thu hoạch hạt, làm cảnh làm thuốc (Võ Văn Chi, 1969) Loại trồng vào thời điểm năm thường 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 đạt 000 hạt khô đến đạt khoảng 14 500 với giá trung bình 100 USD/tấn Theo nhiều báo cáo khác nhau, sản lượng hạt dao động khoảng 300 – 600 kg/ha tuỳ tuổi cây, điều kiện khí hậu chế độ canh tác Châu lục đóng góp sản lượng annatto nhiều châu Mỹ, khu vực Nam Mỹ có Brazil nước sản xuất nhiều tới 000 tấn; Peru xuất 000 với khách hàng lớn Nhật Bản; nước có sản lượng Ecuador Khu vực Trung Mỹ có nước Dominicana, Honduras, Colombia, Bolivia, Guatemala Costa Rica Vùng Carribean gồm có Jamaica, Tobago Trinidad Còn khu vực Bắc Mỹ có đại diện Mexico Châu Phi đóng góp nhiều Kenya, hàng năm nước xuất 500 hạt khô chế phẩm, phải kể đến Nam Phi, Zimbabwe Ivory Coast Các nước có sản lượng Ấn Độ, Sri Lanka, Philippine, Thổ Nhĩ Kỳ Angola Mỹ nước nhập annatto nhiều (3 000 tấn/năm), kế sau châu Âu (2 500 tấn/năm) Anh chiếm tỷ lệ nhiều Đan Mạch nước chế biến màu annatto hàng đầu châu Âu, đứng thứ ba nhập annatto Nhật Bản (1 500 tấn/năm) (ITC, 1993; Venugopalan et al., 2011) 1.1.4 Thành phần hóa học hạt điều màu Kết phân tích cho thấy hạt điều màu chứa 40 – 45 % cellulose; 3,5 – 5,5 % sucrose; 0,3 – 0,9 % tinh dầu; % dầu không bay hơi; 13 – 16 % protein (The Raintree Group, 1997) Nhìn chung, hàm lượng sắc số annatto hạt điều màu khoảng % loài có hình bán cầu, – 3,58 % hình nón, hình oval có 1,5 – % (ITC, 1993; Mantovani et al., 2013) Màu annatto hỗn hợp sắc tố thuộc nhóm carotenoid, quan trọng cis–bixin (ester monomethyl acid dicarboxylic norbixin), phần trans–bixin cis–norbixin Bixin chiếm khoảng 80 % tổng số chất màu annatto (McKeown Mark, 1962; Aparnathi Sharma, 1991; Venugopalan et al., 2011) Ngoài bixin norbixin, sắc tố lại với tỷ lệ nhỏ xác định từ dịch trích ly annatto gồm apocarotenoid (C30 C32), diapocarotenoid (C19, C22, C24, C25) dẫn xuất carotenoid (C14) (Mercadante et al., 1999) Ngoài sắc tố vừa nêu, hạt điều màu chứa alpha– beta–carotene, methyl 9'z–apo–6'– lycopenoate số thành phần khác cryptoxanthin, lutein, zeaxanthin, cryptoxanthin, methylbixin, tannin, saponin, dầu ethereal, hợp chất tương tự dầu mustard, mono– sesquiterpene bixaghanene, bixein, bixol, crocetin, ellagic acid, ishwarane, isobixin, phenylalanine, salicylic acid, threonine, tomentosic acid tryptophan (Hallagan et al., 1995; Mercadante et al., 1995; The Raintree Group, 1997; Smiths Wallin, 2006; Venugopalan et al., 2011) Giá hạt chế phẩm annatto dựa hàm lượng chất màu (bixin, norbixin hai) Hạt xuất xứ từ Jamaica chứa khoảng % bixin nên có giá gấp đôi số loại hạt Ấn Độ hàm lượng % Hạt từ vùng Caribbean có màu đỏ trội màu vàng nên giá thị trường cao (Venugopalan et al., 2011) Theo Amaral et al (2009), màu annatto nằm lớp áo hạt (Hình 1.2) nên trích ly không cần thiết phải nghiền hạt Năm 2006, Nobre et al so sánh thấy hàm lượng annatto trích nguyên hạt hạt nghiền mịn cho kết không khác biệt Trích ly nguyên hạt có ưu điểm hạn chế tạp chất lẫn với chất màu, gây khó khăn tốn cho công đoạn tinh Theo khảo sát Bùi Thị Mỹ Lệ (2012), hàm lượng màu hạt điều màu tăng dần trình sinh trưởng phát triển hạt Do đó, hạt điều màu chín có hàm lượng màu cao Hình 1.2 Hạt điều màu khô nguyên hạt (trái) bổ đôi (phải) 1.2 Phẩm màu annatto 1.2.1 Danh pháp, cấu tạo bixin norbixin Màu annatto có chất carotenoid, gồm hai thành phần tạo màu bixin norbixin, công thức cấu tạo bixin C25H30O4 (Mw = 394,5) norbixin C24H28O4 (Mw = 380,5) Ở hạt điều màu, chất màu bixin tồn dạng đồng phân cis với tên đầy đủ methyl (9–cis)–hydrogen–6,6'–diapo–Ψ,Ψ– carotenedioate Còn cis–norbixin tên đầy đủ 6,6'–diapo–Ψ,Ψ–carotenedioic acid (Haque, 2011) Mạch carbon bixin norbixin có nối đôi xen kẽ đặn nối đơn Như vậy, norbixin hợp chất dicarboxylic có hai gốc carboxyl tự bixin methyl ester acid norbixin, nên bixin nhóm carboxyl tự (Hình 1.3) Hình 1.3 Cấu trúc phân tử cis–norbixin (a) cis–bixin (b) (Magestea et al., 2012) 1.2.2 Tính chất hóa lý Bixin cho màu đỏ đến cam, phân tử phân cực nên không tan nước, tan dầu dung môi hữu chloroform, ethyl acetate, acetone, Norbixin cho màu cam pha vàng, phân tử phân cực mạnh hơn, không tan nước pH thấp, tan tốt kiềm, tan dung môi hữu (Scotter, 2009) Do có nhiều nối đôi mạch carbon nên bixin norbixin dễ bị biến đổi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng cường độ cao thời gian dài (Emerton Choi, 2008) Najar et al (1988) chứng minh ánh sáng nhân tố gây thoái hóa annatto mạnh Norbixin bị kết tủa môi trường pH thấp (khoảng 5,5); norbixin kết tủa thường tạo phức bền với protein, tinh bột số thành phần khác tạo đồng màu sắc sản phẩm, đồng thời ngăn chặn tượng trôi màu (Scotter, 2009) Annatto bền môi trường kiềm (Lê Thị Anh Đào ctv, 2000) Tương tự hợp chất carotenoid khác, có nhiều nối đôi phân tử nên annatto dễ bị oxy hóa, dạng bột bề mặt tiếp xúc lớn phối chế vào thực phẩm số thực phẩm có tác dụng bảo vệ annatto (Scotter, 1999) Khi norbixin vi gói gum acacia, gum cashew, gum arabic maltodextrin (hoặc hỗn hợp chúng) bị oxy hóa (Barbosa et al., 2005) Hoạt tính chống oxy hóa annatto số trường hợp mạnh BHA BHT (Scotter, 1999) Nhiều tác giả công bố nghiên cứu hoạt tính chống oxy hóa annatto Kiokias Gordon (2003), Cardarelli et al (2008), Vasu et al (2010), Santos et al (2011) Garcia et al (2012) Trong nhóm carotenoid, annatto nhóm màu gần giữ màu thay đổi dạng cấu trúc hóa học (Hình 1.4) Ở điều kiện nhiệt độ pH định, bixin bị thủy phân thành norbixin xà phòng hóa thành muối kali natri norbixin Ở nhiệt độ thấp 50 0C, bixin norbixin ổn định, từ 50 0C trở lên, đồng phân cis–bixin dễ biến thành trans–bixin ổn định (Scotter, 2009), từ phân hủy tạo số sản phẩm, có chất màu vàng C17 với tên đầy đủ polyene 4,8–dimethyltetradecahexaenedioc acid monomethyl ester (sắc tố McKeown) metaxilen (Preston Rickard, 1980; Lê Thị Anh Đào ctv, 2000) (Hình 1.5) cis-bixin nhiệt trans-bixin Thủy phân (xà phòng hóa) Muối Na+ K+ cis-norbixin Hợp chất phân hủy Thủy phân (xà phòng hóa) Muối Na+ K+ trans-norbixin Acid hóa (hoặc trung hòa) cis-norbixin nhiệt Acid hóa (hoặc trung hòa) trans-norbixin Hình 1.4 Chuyển đổi qua lại dạng annatto (Smiths Wallin, 2006) LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên Trần Thị Hà, sinh ngày 22 tháng 07 năm 1984 huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh Tốt nghiệp PTTH trường Trung học phổ thông Long Khánh, tỉnh Đồng Nai năm 2002 Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ thực phẩm hệ quy 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 Đại học Công nghệ Đồng Nai Tháng 10 năm 2011 theo học Cao học ngành Công nghệ thực phẩm đồ uống trường Đại học Nông Lâm, Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh Điạ 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: hatran2207@gmail.com iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Học viên Trần Thị Hà iv LỜI CẢM TẠ Luận văn thực Đại học Công nghệ Đồng Nai hướng dẫn TS Phan Thế Đồng Đầu tiên, xin cảm tạ TS Phan Thế Đồng người thầy tạo điều kiện tốt nhất, bảo, giúp đỡ bước suốt trình thức luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô, cán bộ, công nhân viên Khoa Công nghệ Thực phẩm phòng Sau đại học, Trường Đại học Nông Lâm TP HCM tạo điều kiện thuận lợi cho trình hoàn thành khoá học Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban giám hiệu phận quản lý phòng thí nghiệm trường Đại học Công nghệ Đồng Nai giúp đỡ sở vật chất máy móc, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn tới người thân bạn bè tạo điều kiện cho suốt trình học tập, nghiên cứu Đồng Nai, ngày 11 tháng năm 2014 Học viên Trần Thị Hà v TÓM TẮT Đề tài "Nghiên cứu trích ly chuyển đổi màu hạt điều màu (Bixa orellana L.) thành norbixin tạo chế phẩm bột norbixin tan nước" tiến hành Đại học Công nghệ Đồng Nai, thời gian từ tháng 05/2013 đến tháng 10/2013 Mục tiêu nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu hạt điều màu thành norbixin thử nghiệm tạo chế phẩm bột norbixin tan nước để phối màu cho thực phẩm Thí nghiệm bố trí theo kiểu ngẫu nhiên yếu tố với ba lần lặp lại phương pháp bề mặt đáp ứng (response surface methodology) với hỗ trợ phần mềm thống kê chuyên dụng JMP 9.0.2 để tối ưu hóa số thông số trình trích ly chuyển đổi màu thành norbixin Số liệu thực nghiệm phân tích phương sai (ANOVA) sau so sánh trung bình phương pháp Tukey’s HSD (p < 0,05) Sau sàng lọc ảnh hưởng loại dung môi khác đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin, kết cho thấy hỗn hợp dung môi NaOH + ethanol cho hiệu suất cao loại dung môi khác Đồng thời nồng độ NaOH: 0,52 M ethanol: 51,820 tỷ lệ dung môi / nguyên liệu 6/1 (v/w) trình trích ly chuyển đổi màu thành norbixin đạt hiệu suất cao 1,76 % chất khô Đề tài khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu chế độ xà phòng hóa đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu hạt điều màu thành norbixin Kết cho thấy tỷ lệ dung môi / nguyên liệu tối ưu 7,1/1 (v/w), nhiệt độ thời gian ủ tốt 58,6 0C 33,12 phút Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất thu hồi màu norbixin hạt điều màu đạt gần 87 % Các loại acid khác gồm sulfuric, nitric, hydrochloric, phosphoric, formic, acetic citric thử nghiệm để kết tủa norbixin từ dịch trích Kết thu nồng độ HCl M hay tỷ lệ 9,2 % thể tích HCl đậm đặc so với thể tích dịch trích tối ưu để thu hồi norbixin tự Sau sấy khô, bột vi tủa norbixin thu có độ ẩm 7,6 % hàm lượng màu 44,25 %, đạt yêu cầu 35 % chất màu theo QCVN 4–10:2010/BYT FAO JECFA Monographs Tiếp theo, khả hòa tan bột tủa norbixin pH khác khảo sát Kết cho thấy pH cao tỷ lệ norbixin hòa tan nhiều Trên sở đó, để tăng khả hòa tan bột tủa norbixin, tỷ lệ phối chất trợ tan Na2CO3 / bột tủa norbixin thích hợp tìm 1/1 (w/w) Chế phẩm bột norbixin thu có hàm lượng màu norbixin đạt 22,1 %, không nhiễm kim loại nặng dễ tan nước Chế phẩm sử dụng để phối màu sữa chua với nồng độ ppm cho màu đánh giá cao Tóm lại, chế phẩm bột norbixin tan nước điều chế cách trước hết trích ly chuyển đổi màu hỗn hợp dung môi NaOH ethanol Sau dùng acid HCl để kết tủa thu hồi norbixin tự từ phối trộn với Na2CO3 tạo chế phẩm bột norbixin tan nước Chế phẩm bột norbixin dễ ứng dụng sản phẩm thực phẩm có chứa hàm lượng nước 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 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 (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 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 chữ viết tắt xiv Danh sách hình xv Danh sách bảng xvii ĐẶT VẤN ĐỀ 1 TỔNG QUAN 1.1 Cây điều màu (Bixa orellana L.) 1.1.1 Phân loại thực vật 1.1.2 Đặc điểm thực vật học 1.1.3 Nguồn gốc, phân bố sản lượng canh tác 1.1.4 Thành phần hóa học hạt điều màu 1.2 Phẩm màu annatto 1.2.1 Danh pháp, cấu tạo bixin norbixin 1.2.2 Tính chất hóa lý 1.2.3 Độc tính, liều thu nạp ADI lượng sử dụng thực phẩm 10 1.2.4 Ứng dụng phẩm màu annatto ngành thực phẩm 10 1.2.5 Chế phẩm norbixin dùng làm phụ gia thực phẩm 12 1.2.6 Quy định 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 dung môi vô 15 1.4.2 Phương pháp định lượng quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis 17 1.5 Tình hình nghiên cứu nước 20 1.5.1 Nghiên cứu nước 20 1.5.2 Nghiên cứu nước 20 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1 Nội dung nghiên cứu 22 2.2 Thời gian địa điểm nghiên cứu 22 2.3 Vật liệu, hoá chất trang thiết bị 22 2.3.1 Đối tượng nghiên cứu 22 2.3.2 Dụng cụ thiết bị 23 2.3.3 Hóa chất 23 2.4 Phương pháp 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 trình trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 25 2.4.1.3 Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu điều kiện ủ đến hiệu suất trích ly 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 31 2.4.1.5 Thí nhiệm 4: Khảo sát tỷ lệ chất trợ tan phù hợp để tạo chế phẩm bột norbixin tan nước 33 2.4.1.6 Thí nghiệm 5: Đánh giá chất lượng 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 thành phần 35 2.4.2.2 Phương pháp tính hiệu suất trích ly hiệu suất thu hồi norbixin 39 2.4.2.3 Phương pháp tiến hành thí nghiệm 39 2.5 Thiết kế xử lý số liệu 40 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 trình trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 43 3.2.1 Lựa chọn hỗn hợp dung môi 43 3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 44 3.2.3 Ảnh hưởng nồng độ ethanol đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 46 3.2.4 Tối ưu hóa nồng độ dung môi 47 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu điều kiện ủ đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 52 3.3.1 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 52 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 53 3.3.3 Ảnh hưởng thời gian ủ đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 54 3.3.4 Tối ưu hóa tỷ lệ dung môi / nguyên liệu điều kiện phản ứng xà phòng hóa 55 3.4 Ảnh hưởng nồng độ acid HCl để kết tủa norbixin tự 63 3.5 Tỷ lệ chất trợ tan phù hợp để tạo chế phẩm bột norbixin tan nước 65 3.5.1 Khả hòa tan bột tủa norbixin nước pH khác 65 xii 3.5.2 Ảnh hưởng tỷ lệ chất trợ tan Na2CO3 67 3.6 Quy trình giá thành sản xuất thử nghiệm chế phẩm bột norbixin 68 3.7 Chất lượng chế phẩm bột norbixin 69 3.7.1 Hàm lượng màu norbixin chế phẩm bột norbixin 69 3.7.2 Hàm lượng kim loại nặng chế phẩm bột norbixin 70 3.7.3 Khả hòa tan 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 bột điều màu (Bixa orellana L.) Hình 1.2 Hạt điều màu khô nguyên hạt (trái) bổ đôi (phải) Hình 1.3 Cấu trúc phân tử cis–norbixin (a) cis–bixin (b) Hình 1.4 Chuyển đổi qua lại dạng annatto Hình 1.5 Phản ứng sinh sắc tố McKeown metaxilen 10 Hình 1.6 Phô mai snack sử dụng màu norbixin 11 Hình 1.7 Chế phẩm norbixin dạng bột, lỏng sệt 12 Hình 1.8 Phản ứng chuyển đổi qua lại dạng sắc tố annatto 17 Hình 1.9 Phổ hấp thụ bixin norbixin chloroform 19 Hình 2.1 Hạt điều màu trước (trái) sau 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 chuyển đổi màu thành norbixin nồng độ NaOH khác 45 Hình 3.3 Hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin nồng độ ethanol khác 46 Hình 3.4 Độ tương thích số liệu thực nghiệm với mô hình toán học (a) phân bố phần dư số liệu thực nghiệm so với số liệu dự đoán (b) 48 Hình 3.5 Sự “thiếu phù hợp” mô hình toán học 49 Hình 3.6 Biểu đồ Pareto thể ảnh hưởng yếu tố 49 Hình 3.7 Bề mặt đáp ứng thể quan hệ hiệu suất nồng độ hai thành phần dung môi 50 Hình 3.8 Mặt cắt bề mặt đáp ứng điểm tối ưu 51 Hình 3.9 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất trích ly xv chuyển đổi màu thành norbixin 52 Hình 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 54 Hình 3.11 Ảnh hưởng thời gian ủ đến hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 55 Hình 3.12 Độ tương thích số liệu thực nghiệm với mô hình toán học (a) phân bố phần dư số liệu thực nghiệm so với số liệu dự đoán (b) 57 Hình 3.13 Sự “thiếu phù hợp” mô hình toán học 58 Hình 3.14 Biểu đồ Pareto thể ảnh hưởng yếu tố 58 Hình 3.15 Bề mặt đáp ứng thể tương quan hiệu suất nhiệt độ ủ tỷ lệ dung môi / hạt 60 Hình 3.16 Bề mặt đáp ứng thể tương quan hiệu suất thời gian ủ tỷ lệ dung môi / hạt 60 Hình 3.17 Bề mặt đáp ứng thể tương quan hiệu suất nhiệt độ thời gian ủ 61 Hình 3.18 Mặt cắt bề mặt đáp ứng điểm tối ưu 62 Hình 3.19 Quá trình trích ly chuyển đổi màu thành norbixin 63 Hình 3.20 Ảnh hưởng thể tích acid HCl 36 % đến hiệu suất thu hồi norbixin Hình 3.21 Dịch trích ly ban đầu (trái) dịch trích ly kết tủa sau 30 phút acid hóa (phải) 65 Hình 3.22 Bột tủa norbixin 65 Hình 3.23 Tỷ lệ norbixin hòa tan pH khác 66 Hình 3.24 Khả hòa tan bột tủa norbixin pH khác 67 Hình 3.25 Ảnh hưởng 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 nước 68 Hình 3.27 Chế phẩm bột norbixin sản xuất thử nghiệm 69 Hình 3.28 Sữa chua phối màu 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 độ tinh khiết chế phẩm phụ gia annatto 14 Bảng 1.3 Hệ số bước sóng hấp thụ tối đa cis–norbixin dung môi khác 18 Bảng 3.1 Độ ẩm hạt điều màu nguyên liệu 42 Bảng 3.2 Hàm lượng tro hàm lượng màu tổng số hạt nguyên liệu 42 Bảng 3.3 Hiệu suất trích ly chuyển đổi màu thành norbixin dung môi khác 44 Bảng 3.4 Mức khảo sát yếu tố 47 Bảng 3.5 Kết thí nghiệm CCD yếu tố 48 Bảng 3.6 Các hệ số phương trình hồi quy 50 Bảng 3.7 Dự đoán điểm tối ưu giá trị hai yếu tố tương ứng 51 Bảng 3.8 Mức khảo sát yếu tố 55 Bảng 3.9 Kết thí nghiệm CCD yếu tố 56 Bảng 3.10 Các hệ số phương trình hồi quy 59 Bảng 3.11 Dự đoán điểm tối ưu giá trị ba yếu tố tương ứng 61 Bảng 3.12 Giá thành sản xuất thử nghiệm kg chế phẩm bột norbixin 69 Bảng 3.13 Kết đánh giá cảm quan cho điểm mẫu sữa chua 72 xvii ... bột norbixin tan nước, tiện sử dụng cho nhiều sản phẩm thực phẩm, chọn đề tài Nghiên cứu trích ly chuyển đổi màu hạt điều màu (Bixa orellana L. ) thành norbixin tạo chế phẩm bột norbixin tan nước ... 198 0) Bước cô đặc dịch trích ly kết tủa norbixin acid để thu chế phẩm norbixin dạng cao bột tan nước pH l n (Smiths Wallin, 16 200 6) Đã có nhiều tác giả nghiên cứu phương pháp trích ly màu norbixin. .. al., 201 0): Giới (Regnum): Thực vật (Plantae) Ngành (Division): Thực vật có hoa (Angiospermae) L p (Class): Hai mầm (Eudicots) Bộ (Ordo): Cẩm quỳ (Malvales) Họ (Familia): Điều màu (Bixaceae)