Luận văn Nghiên cứu quá trình khử caffeine trên lá chè tươi nguyên liệu trong công nghệ sản xuất chè xanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHỬ CAFFEINE TRÊN LÁ CHÈ TƯƠI NGUYÊN LIỆU TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHÈ XANH SVTH : NHÂM MINH MSSV : 60301674 CBHD : ThS. LẠI QUỐC ĐẠT BỘ MÔN : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TP Hồ Chí Minh, 01/2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN Con xin cảm ơn cha mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ con nên người. Cha mẹ đã luôn ủng hộ, động viên con trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn Thầy Lại Quốc Đạt. Thầy đã tận tình hướng dẫn để em hoàn thành tốt luận văn. Em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy Cô của trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các Thầy Cô trong bộ môn Công nghệ Thực phẩm. Thầy Cô đã truyền dạy cho em những kiến thức vô cùng quý báu, cũng như đã hỗ trợ em rất nhiều để em thực hiện bài luận này thành công. Cuối cùng, tôi xin cám ơn các bạn trong lớp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn. tóm tắt luận văn Hiện nay, chè xanh được tiêu thụ rộng rãi trên thế giới bởi vì chè là một nguồn thực phẩm chứa nhiều các chất có lợi cho cơ thể chúng ta. Tuy nhiên, với số người mắc bệnh về tim mạch, việc sử dụng chè có thể làm tăng nguy cơ về tim mạch, do trong chè có chứa nhiều caffeine. Do đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu quá trình khử caffeine trên lá chè tươi nguyên liệu trong công nghệ sản xuất chè xanh. Phương pháp chúng tôi chọn là khử caffeine bằng phương pháp Swiss water. Qua nghiên cứu, chúng tôi thu được những kết quả như sau: Về quá trình khử caffeine: hiệu suất khử caffeine là 90%, độ tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine là 5% và tổng lượng polyphenol trong lá chè sau khử caffeine tăng 6.935% khi nhiệt độ khử là 90oC, tỷ lệ chè/nước là 3.75g/100ml nước và thời gian khử là 7 phút. Về quá trình hấp phụ caffeine của than hoạt tính bão hòa chất khô hòa tan phi caffeine: hiệu suất hấp phụ caffeine là 22%, mức độ tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine là 3.4% và mức độ tổn thất polyphenol tổng là 11 – 12% khi quá trình tiến hành với tỷ lệ than hoạt tính là 4% (w/v), nhiệt độ dịch nước ban đầu là 70oC, thời gian hấp phụ là 100 phút. MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa i DANH MỤC BẢNG Bảng 11: Hàm lượng các chất trong lá chè tươi 2 Bảng 12: Thành phần hóa học của tôm chè tươi và các lá chè non 3 Bảng 13: Sự phân bố nước trong búp chè 4 Bảng 14: Lượng đường hòa tan trong búp chè (tính theo phần trăm chất khô) 5 Bảng 15: Sự phân bố proteine trong búp chè 6 Bảng 16: Thành phần catechin của búp chè 9 Bảng 17: Tính chất vật lí của caffeine 10 Bảng 18: Hàm lượng caffeine trong búp chè 10 Bảng 19: Sự dị hóa caffeine ở người tiêu thụ 5mg caffeine/kg thể trọng 13 Bảng 110: Thành phần tổ hợp các chất tanin trong lá chè tươi 15 Bảng 111: Ảnh hưởng của cấu trúc lá đến quá trình khử caffeine 22 Bảng 112: So sánh tốc độ khử caffeine ở những loài vi sinh vật khác nhau 26 Bảng 113: Tính chất của CO2 siêu tới hạn 27 Bảng 114: Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến quá trình khử caffeine 29 Bảng 115: Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến quá trình khử caffeine 30 Bảng 116: Ảnh hưởng của chất đồng dung môi đến quá trình khử caffeine 32 Bảng 117: Ảnh hưởng của tốc độ dòng CO2 đến quá trình khử caffeine 33 Bảng 31: Kết quả khảo sát nguyên liệu giữa hai lần mua khác nhau 42 Bảng 32: Hiệu suất khử caffeine ở các tỷ lệ chè/ nước khác nhau. 43 Bảng 33: Ảnh hưởng của tỷ lệ chè/nước đến tiêu hao chất khô hòa tan tổng. 45 Bảng 34: Ảnh hưởng của tỷ lệ chè/nước đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine 45 Bảng 35: Ảnh hưởng của tỷ lệ chè/ nước đến hàm lượng polyphenol tổng của lá chè sau khử caffeine. 47 Bảng 36: Ảnh hưởng của tỷ lệ chè/nước đến sự thay đổi hàm lượng polyphenol tổng của lá chè sau khử. 48 Bảng 37: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất khử caffeine. 50 Bảng 38: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tiêu hao chất khô hòa tan tổng. 51 Bảng 39: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine. 51 Bảng 310: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng polyphenol trong lá chè sau khử caffeine 52 Bảng 311: Ảnh hưởng đến nhiệt độ đến sự thay đổi polyphenol tổng. 52 Bảng 312: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất khử caffeine. 55 Bảng 313: Ảnh hưởng của thời gian đến sự tiêu hao chất khô hòa tan tổng của lá chè sau khử caffeine 56 Bảng 314: Ảnh hưởng của thời gian đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine của lá chè.sau khử caffeine 56 Bảng 315: Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng polyphenol tổng của lá chè sau khử caffeine. 58 Bảng 316: Ảnh hưởng của thời gian đến sự thay đổi lượng polyphenol tổng của lá chè sau khử 59 Bảng 317: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hấp phụ caffeine của than hoạt tính bão hòa chất khô hòa tan 61 Bảng 318: Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến hiệu suất hấp phụ caffeine. 63 Bảng 319: Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến tổn thất chất khô hòa tan tổng 64 Bảng 320: Ảnh hưởng của tỷ lệ than đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine. 64 Bảng 321: Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến tổn thất polyphenol tổng của quá trình hấp phụ . 65 Bảng 322: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ caffeine. 67 Bảng 323: Ảnh hưởng của thời gian đến sự tiêu hao chất khô hòa tan tổng. 68 Bảng 324: Ảnh hưởng của thời gian đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine. 69 Bảng 325: Ảnh hưởng của thời gian đến tổn thất polyphenol tổng. 70 Bảng 01: Cách lấy hóa chất trong phân tích đường khử 85 Bảng 02: Thời gian lưu và diện tích peak của các mẫu chuẩn caffeine: 90 Bảng 03: Độ hấp thu của các mẫu chuẩn ở các nồng độ khác nhau. 93 Bảng 04: Độ hấp thu của các mẫu chuẩn glucose ở các lượng khác nhau 94 DANH MỤC HÌNH Hình 11: Búp chè 1 tôm và 2 lá non. 2 Hình 12: Cấu trúc của caffeine 9 Hình 13: Công thức cấu tạo của các catechin 15 Hình 14: Quy trình khử caffeine bằng dung môi 19 Hình 15: Quy trình khử caffeine bằng nước 20 Hình 16: Mô hình tổng thể của quá trình khử caffeine bằng vi sinh vật 24 Hình 17: Mô hình khử caffeine bằng SCF 28 Hình 18: Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến quá trình khử caffeine 31 Hình 21: Quy trình công nghệ khử caffeine 37 Hình 22: Quy trình tạo dịch trích cân bằng chất khô hòa tan tổng (so với thành phần của chúng trong lá chè tươi) 37 Hình 23: Quy trình tạo than hoạt tính phi caffeine bão hòa chất khô hòa tan 38 Hình 24: Quy trình tạo dịch trích phi caffeine có nồng độ các chất khô hòa tan cân bằng với thành phần của chúng trong lá chè tươi 39 Hình 31: Ảnh hưởng của tỷ lệ chè:nước đến hiệu suất khử caffeine 44 Hình 32: Ảnh hưởng của tỷ lệ chè:nước đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine 45 Hình 33: Ảnh hưởng của tỷ lệ chè:nước đến hàm lượng polyphenol tổng của lá chè 47 Hình 34: Ảnh hường của tỷ lệ chè/nước đến sự thay đổi polyphenol tổng của lá chè 48 Hình 35: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất khử caffeine 50 Hình 36: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine 52 Hình 37: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng polyphenol tổng của lá chè sau khử 53 Hình 38: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất khử caffeine 55 Hình 39: Ảnh hưởng của thời gian đến tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine 57 Hình 310: Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng polyphenol trong lá chè sau khử 58 Hình 311: Ảnh hưởng của nhiệt độ dịch ban đầu đến hiệu suất hấp phụ caffeine của than hoạt tính 62 Hình 312: Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến hiệu suất hấp phụ của quá trình 63 Hình 313: Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến tổn thất chất khô hòa tan của quá trình hấp phụ caffeine 65 Hình 314: Ảnh hưởng của tỷ lệ than đến tổn thất polyphenol tổng của quá trình 66 Hình 315: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ caffeine của than hoạt tính 67 Hình 316: Ảnh hưởng của thời gian đến tổn thất chất khô hòa tan của quá trình 69 Hình 317: Ảnh hưởng của thời gian đến tổn thất polyphenol tổng của quá trình 71 Hình 01: Diện tích peak của các chuẩn caffeine ở các nồng độ khác nhau 91 Hình 02: Đường chuẩn caffeine 91 Hình 03: Đường chuẩn polyphenol tổng bằng phương pháp Prussian blue 93 Hình 04: Đường chuẩn phân tích đường khử tính theo glucose 94 danh mục các từ viết tắt Từ viết tắt, kí hiệu Nghĩa DNS Dinitrosalicylic EC Epicatechin ECG Epicatechin gallate EGC Epigallo catechin EGCG Epigallocatechin gallate FDA Hiệp hội Thực phẩm và Dược phẩm của Mỹ HPLC Phân tích sắc ký lỏng cao áp RO Lọc thẩm thấu ngược SCF Chất lỏng siêu tới hạn SC-CO2 CO2 siêu tới hạn SW1 Dịch cân bằng các chất khô hòa tan SW2 Dịch cân bằng chất khô hòa tan phi caffeine TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Lời mở đầu Chè là một dạng thức uống truyền thống của người Trung Quốc nói riêng và cư dân Châu Á nói chung. Người ta sử dụng không chỉ vì mục đích giải khát mà còn bởi những dược tính của nó. Trong chè có nhiều chất chống oxi hóa và được sử dụng như là một dược phẩm chữa nhiều bệnh như: chữa ung thư, tiêu chảy, chữa các chứng không tiêu, chứng cao cholesterol trong máu... Ngày nay, việc tiêu thụ chè, đặc biệt là sản phẩm chè xanh, ngày càng được tiêu thụ rộng rãi trên thế giới. Chính vì vậy, diện tích trồng chè cũng như sản lượng chè ở Việt Nam ngày càng tăng nhanh. Cây chè đã được xây dựng thành một trong mười chương trình trọng điểm phát triển nông nghiệp trong Kế hoạch phát triển kinh tế xã hội của Nhà nước Việt Nam đến năm 2010. Tuy nhiên, cũng như coffee, trong chè có chứa một lượng lớn caffeine. Đây là một thành phần kích thích hệ thần kinh trung ương, tác động lên tim mạch và gây ảnh hưởng xấu đến một bộ phận người tiêu dùng. Do đó, việc phát triển một sản phẩm chè xanh không chứa caffeine là một nhu cầu cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu của một bộ phận lớn người tiêu dùng nhạy cảm với caffeine. Chính vì vậy, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu quá trình khử caffeine trên lá chè tươi nguyên liệu trong công nghệ sản xuất chè xanh”. Đề tài có những nội dung chính như sau: Tìm hiểu về chè xanh, caffeine và những tác động của nó đến cơ thể cơ người. Tìm hiểu về các công nghệ khử caffeine. Lựa chọn phương pháp khử caffeine trên lá chè tươi. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử caffeine. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình đến hiệu suất khử caffeine, mức độ tổn thất chất khô hòa tan và polyphenol tổng trên lá chè. Tổng quan Giới thiệu chung về cây chè Cây chè có tên gọi khoa học là Camellia sinensis (L) (hay Thea sinensis L.) (1935 – Hội nghị Quốc tế về thực vật). Cây chè được xếp trong phân loại thực vật như sau [3]: Ngành Hạt kín Angiospermae Lớp Song tử điệp Dicotylednae Bộ Chè Theales Họ Chè Theaceae Chi Chè Camellia (Thea) Loài Chè C.sinensis Đặc tính thực vật của cây chè [3] Thân và cành: cây chè có thân thẳng và tròn, phân nhánh liên tục thành một hệ thống cành và chồi. Tùy theo chiều cao, kích thước của thân và cành mà cây chè được chia thành 3 loại: cây bụi, cây gỗ nhỏ và cây gỗ vừa. Thân cành và lá tạo thành tán cây chè; tán chè để mọc tự nhiên có dạng vòm đều. Dựa vào kích thước giữa thân chính và cành, người ta chia cây chè thành ba loại tán. Có thể nói tán lá là một tiêu chuẩn quan trọng để chọn giống chè. Với những cây chè có tán to, rộng thì cây có điểm sinh trưởng nhiều, cho búp nhiều và sản lượng cao. Hoa chè: Hoa chè bắt đầu nở khi cây chè đạt 2 – 3 tuổi. Hoa mọc từ chồi sinh thực ở nách lá. Cây chè là một loại thực vật có hoa lưỡng tính, tràng hoa có 5 – 9 cánh màu trắng hay phớt hồng. Bộ nhị đực của hoa có 100 – 400 cái, trung bình có 200 – 300 cái. Các bao phấn của hoa chè gồm hai nửa bao, chia làm 4 túi phấn. Hạt phấn có hình tam giác, màu vàng nhạt, khi chín chuyển sang màu hoàng kim. Quả chè: quả chè là loại quả có 1 – 4 hạt, có hình tròn, tam giác hoặc hình vuông. Quả chè thường mọc thành từng chùm ba, ban đầu có màu xanh của chồi. Khi tăng trưởng, quả chè cứng dần và chuyển sang màu nâu và nứt ra. Hạt bên trong quả có thể được dùng để gieo trồng. Lá chè: lá chè mọc cách nhau trên cành, mỗi đốt có một lá. Hình dạng và kích thước của lá chè thay đổi tùy theo từng giống. Với giống chè Trung Quốc thì lá dài 4 – 14cm và rộng 2 – 2.5cm có màu xanh nhạt và bóng. Còn với chè Assam thì lá chè dài 8 – 20cm và rộng 3.5 – 7.5cm, mỏng và mềm. Trong khi đó, chè Nam Indo có kích thước trung bình ở giữa hai giống chè: Trung Quốc và Assan. Có thể nói lá chè là một bộ phận quan trọng trong việc khai thác cây chè và được ứng dụng trong việc chế biến các sản phẩm chè thương mại như: chè xanh, chè đen và các dạng thực phẩm thương mại khác. Tôm chè Lá non 1 Lá non 2 Hình 11: Búp chè 1 tôm và 2 lá non. Trên thế giới hiện nay, các nhà khoa học chia cây chè thành ba giống chính dựa vào đặc điểm sinh thái và thực vật của cây chè (đặc biệt là dựa vào kích thước của lá chè): Chè Trung Quốc: Camellia sinensis (L). Dựa vào kích thước lá, Sealy (1958) phân biệt chè Trung Quốc thành 2 loại: F. macrophylla (Sieb.) Kitamura và F. parvifolia (Miq.) Chè Assam: Camellia assamica. Chè Nam Indo: Camellia assamica. Thành phần hóa học của lá chè Thành phần hóa học của cây chè và lá chè: Bảng 11: Hàm lượng các chất trong lá chè tươi [46] Thành phần Hàm lượng (% khối lượng chất khô) Thành phần Hàm lượng (% khối lượng chất khô) Proteine 20 – 30 Chất béo 4 - 7 Amino acid 1 – 5 Acid hữu cơ < 3 Alkaloide 3 – 5 Khoáng 4 - 7 Polyphenols 20 – 35 Chất màu < 1 Carbonhydrate 35 – 40 Vitamin A, E, C, B1,B2, P… 0.6 - 1.0 Thành phần hóa học của lá chè phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như giống cây, thời tiết, khí hậu, đất đai và điều kiện canh tác [6]. Bên cạnh các yếu tố thổ dưỡng, đất đai, khí hậu và điều kiện canh tác thì thành phần hóa học giữa các lá chè trên cùng một cây chè cũng khác nhau. Do đó, trong công nghiệp chế biến chè xanh và các loại chè khác, các nhà sản xuất chỉ quan tâm đến thành phần hóa học của tôm chè và các lá chè non. Bảng 12: Thành phần hóa học của tôm chè tươi và các lá chè non [52]. Thành phần % khối lượng chất khô Thành phần % khối lượng chất khô Thành phần % khối lượng chất khô Polyphenol 25 - 30 Chlorophylls và các chất màu 0,5 - 0,6 Pectin 5 - 6 Epigallocatechin gallate 8 - 12 Khoáng 5 – 6 Lignin 5 - 6 Epicatechin gallate 3 - 6 Caffeine 3 – 4 Proteine 14 - 17 Epigallo catechin 3 - 6 Theobromine 0,2 Lipid 3 - 5 Epicatechin 1 - 3 Theophylline 0,5 Các hợp chất bay hơi 0,01-0,02 Catechin 1 - 2 Amino acid 4 – 5 Gallocatechin 3 - 4 Acid hữu cơ 0,5 - 0,6 Flavonols và flavonol glucosides 3 - 4 Monosaccharide 4 – 5 Polyphenolic acids and depsides 3 - 4 Polysaccharide 14 – 22 Leuco anthocyanins 2 - 3 Cellulose và hemicellulose 4-7 Nước: Là thành phần chủ yếu của lá chè (70-85%)ø. Nước có vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật. Nước là môi trường giúp hòa tan các chất hòa tan, tham gia các phản ứng thủy phân và oxi hóa khử bên trong các tế bào lá. Đối với cây chè, nước tham gia hầu hết các phản ứng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây chè, sự vận chuyển điện tử, cơ chất qua màng tế bào chất và các phản ứng sinh tổng hợp các chất trong chè. Cũng như các cơ thể sống khác, hàm lượng nước giảm dần từ lá đến thân cây và với từng lá cũng khác nhau. Hàm lượng nước tăng dần từ các tế bào cơ sở đến các phần ngoài của lá. Khi tuổi thọ của cây và lá chè càng cao thì hàm lượng nước trong lá chè càng thấp. Bảng 13: Sự phân bố nước trong búp chè [52]. Các bộ phận của búp chè Hàm lượng nước (%) Tôm Lá 1 Lá 2 Lá 3 76.00 75.60 75.60 74.26 Ngoài ra, hàm lượng nước trong các búp chè có từ ba lá trở lên cũng thay đổi nhiều tuỳ thuộc vào thời gian thu hái, điền kiện thời tiết và rất nhiều các yếu tố khác. [52] Carbonhydrate Các carbonhydrate trong lá chè bao gồm các loại đường đơn giản và các loại polysacchraride, trong đó chủ yếu là các polysacchraride. Các loại đường đơn giản được tìm thấy trong lá chủ yếu là glucose, fructose, sucrose, raffinose và stachyose. Trong lá chè, hàm lượng của các loại đường hòa tan là rất ít và chỉ chiếm khoảng 1 – 2% (so với khối lượng chất khô) [1]. Trong khi đó, hàm lượng của các polysacchraride trong lá chè có thể lên đến 10 – 15% (so với khối lượng chất khô) [1]. Lượng đường hòa tan trong lá chè luôn thay đổi và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nếu xét theo mức độ non già của lá và vị trí của lá trên búp chè thì lá càng già, lượng đường khử và sucrose cũng như tổng lượng đường hòa tan càng cao. Bảng 14: Lượng đường hòa tan trong búp chè (tính theo phần trăm chất khô) [1]. Lá chè Đường khử (% so với khối lượng chất khô) Sucrose (% so với khối lượng chất khô) Tổng số Lá thứ nhất Lá thứ hai Lá thứ ba 0.99 1.15 1.40 0.64 0.85 1.66 1.63 2.00 3.05 Tuy hàm lượng của các loại đường khử trong lá chè thấp nhưng nó có vai trò cực kì quan trọng trong việc tạo hương vị cho sản phẩm chè xanh. Ở quá trình sao trong công nghệ sản xuất chè xanh, dưới tác dụng của nhiệt, các đường khử này bị caramel hóa hoặc tham gia vào phản ứng Maillard tạo hương, vị ngọt cho sản phẩm chè xanh và giúp điều hòa vị cho chè [3], [1]. Thực nghiệm cho thấy rằng: sự tác dụng tương hỗ giữa glucose hay fructose với các acid amin – phenilalanine và tannin có tạo thành các aldehyde bay hơi có mùi thơm của hoa tươi, mùi mật ong [1]. Các hợp chất chứa nitrogen Proteine và amino acid Các hợp chất proteine chiếm khoảng 25 – 30% khối lượng chất khô của lá chè tươi [3]. Trong công nghệ sản xuất chè xanh, proteine có vai trò quan trọng trong việc điều hòa vị của chè [3]. Bên cạ