Chiết xuất anthocyanin bằng siêu âm

Anthocyanin được sử dụng rộng rãi làm chất tạo màu tự nhiên và phụ gia dinh dưỡng trong các sản phẩm thực phẩm. Chiết xuất bằng siêu âm là một kỹ thuật đơn giản và có hiệu quả cao để thu được anthocyanin chất lượng cao. Việc sử dụng thiết bị siêu âm dạng đầu dò thúc đẩy giải phóng anthocyanin chất lượng cao từ thực vật, mang lại hiệu suất thu hồi cao hơn và quy trình nhanh chóng. Đồng thời, xử lý bằng siêu âm là một kỹ thuật nhẹ nhàng, xanh và hiệu quả để sản xuất anthocyanin đạt cấp chất lượng thực phẩm và dược phẩm ở quy mô công nghiệp.

Anthocyanin – Cách chiết xuất anthocyanin chất lượng cao bằng thiết bị siêu âm

Anthocyanin được sử dụng rộng rãi làm chất tạo màu tự nhiên trong ngành công nghiệp thực phẩm. Chúng có phổ sắc màu rộng, từ cam qua đỏ đến tím và xanh lam, tùy thuộc vào cấu trúc phân tử và giá trị pH. Sự quan tâm đến anthocyanin không chỉ dựa trên tác dụng tạo màu mà còn do các đặc tính có lợi cho sức khỏe của chúng. Trước những lo ngại ngày càng tăng về môi trường và sức khỏe liên quan đến thuốc nhuộm tổng hợp, thuốc nhuộm tự nhiên là một lựa chọn thay thế rất tốt để làm chất tạo màu thân thiện với môi trường cho ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

Chiết xuất anthocyanin được cải thiện bằng siêu âm

Cách chiết xuất anthocyanin bằng siêu âm? – Các nghiên cứu điển hình

Chiết xuất anthocyanin bằng siêu âm từ gạo tím Oryza Sativa L.

Gạo tím thuộc giống Oryza Sativa (còn được gọi là Violet Nori hoặc gạo tím) đặc biệt giàu các hợp chất phenolic như anthocyanin thuộc nhóm flavonoid. Turrini và cộng sự (2018) đã sử dụng chiết xuất bằng siêu âm để phân lập các hợp chất polyphenolic như anthocyanin và các chất chống oxy hóa từ quả thóc (ở dạng nguyên hạt, gạo lứt và gạo đồ) và lá của cây lúa tím. Quá trình chiết xuất bằng siêu âm được thực hiện bằng thiết bị Hielscher UP200St (200W, 26kHz, hình bên trái) và ethanol 60% làm dung môi.
Để bảo toàn tính nguyên vẹn của anthocyanin, các dịch chiết siêu âm được bảo quản ở −20°C, cho phép lưu trữ chúng trong thời gian ít nhất lên đến ba tháng.
Cyanidin-3 glucoside (còn được gọi là chrysanthemin) là anthocyanin được phát hiện chiếm ưu thế vượt trội trong các giống ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ và ‘Nerone’ được khảo sát trong nghiên cứu của Turrini và cộng sự, trong khi peonidin-3-glucoside và cyanidin-3-rutinoside (còn gọi là antirrhinin) được tìm thấy với lượng thấp hơn.
Lá tím của Oryza Sativa là nguồn cung cấp anthocyanin và hàm lượng phenolic tổng số (TPC) tuyệt vời. Với hàm lượng cao gấp khoảng 2–3 lần so với gạo và bột gạo, lá Oryza là nguyên liệu thô có chi phí thấp để chiết xuất anthocyanin. Hiệu suất thu hồi ước tính khoảng 4 kg anthocyanin/t lá tươi cao hơn đáng kể so với mức 1 kg anthocyanin/t gạo, được tính dựa trên lượng anthocyanin trung bình phát hiện trong gạo ‘Violet Nori’ (1300 µg/g gạo, tính theo cyanidin-3-glucoside) với sản lượng khoảng 68 kg gạo từ 100 kg thóc.

Chiết xuất anthocyanin bằng siêu âm từ bắp cải đỏ

Ravanfar và cộng sự (2015) đã nghiên cứu hiệu quả chiết xuất anthocyanin bằng siêu âm từ bắp cải đỏ. Các thí nghiệm chiết xuất bằng siêu âm được thực hiện bằng hệ thống siêu âm UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Đầu siêu âm MS10 (đường kính đầu mút 10mm) được đưa vào giữa một cốc thủy tinh có áo trao đổi nhiệt được kiểm soát nhiệt độ.

Các miếng bắp cải đỏ vừa cắt có kích thước 5mm (dạng khối lập phương) và độ ẩm 92,11 ± 0,45 % được sử dụng cho thí nghiệm này. Một cốc thủy tinh có áo điều nhiệt (thể tích: 200ml) được nạp 100ml nước cất và 2g bắp cải đỏ đã cắt miếng. Cốc được đậy bằng giấy nhôm để ngăn thất thoát dung môi (nước) do bay hơi trong quá trình thực hiện. Trong tất cả các thí nghiệm, nhiệt độ trong cốc được duy trì bằng bộ điều khiển ổn nhiệt. Cuối cùng, các mẫu được thu thập, lọc và ly tâm ở 4000rpm, và phần dịch nổi được sử dụng để xác định hiệu suất thu hồi anthocyanin. Quá trình chiết xuất trong bể điều nhiệt được thực hiện làm thí nghiệm đối chứng.
Hiệu suất thu hồi anthocyanin tối ưu từ bắp cải đỏ được xác định ở công suất 100 W, thời gian 30 min và nhiệt độ 15°C, cho lượng anthocyanin thu được khoảng 21 mg/L.
Do có khả năng đổi màu theo giá trị pH và khả năng tạo màu mạnh, chất màu từ bắp cải đỏ đã được sử dụng làm chất chỉ thị pH trong các công thức dược phẩm hoặc làm chất chống oxy hóa và chất tạo màu trong các hệ thực phẩm, tương ứng.

Siêu âm tăng cường đáng kể quá trình chiết xuất anthocyanin từ nguyên liệu thực vật.
nguồn: Ravanfar và cộng sự 2015

 
Các nghiên cứu khác chứng minh khả năng chiết xuất thành công anthocyanin bằng siêu âm từ việt quất, mâm xôi đen, nho, anh đào, dâu tây và khoai lang tím, cùng nhiều nguồn khác.

Thiết bị chiết xuất siêu âm hiệu năng cao

Hielscher Ultrasonics chuyên sản xuất các thiết bị xử lý siêu âm hiệu năng cao để sản xuất dịch chiết chất lượng cao từ thực vật.
Danh mục thiết bị siêu âm đa dạng của Hielscher trải dài từ các thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, mạnh mẽ đến các hệ thống để bàn bền chắc và các hệ thống hoàn toàn ở quy mô công nghiệp, cung cấp siêu âm cường độ cao để chiết xuất và phân lập hiệu quả các chất có hoạt tính sinh học (ví dụ: anthocyanin, gingerol, piperine, curcumin v.v.).
Tất cả các thiết bị siêu âm từ 200W đến 16.000W đều có màn hình cảm ứng màu để điều khiển kỹ thuật số, thẻ SD tích hợp để tự động ghi dữ liệu, khả năng điều khiển từ xa qua trình duyệt và nhiều tính năng thân thiện với người dùng khác. Các đầu sonotrode và buồng dòng chảy (những bộ phận tiếp xúc với môi trường xử lý) có thể được tiệt trùng bằng nồi hấp và dễ làm sạch.
Các thiết bị siêu âm Hielscher rất bền chắc và được chế tạo để vận hành 24/7 ở mức đầy tải, đồng thời ít cần bảo trì và dễ vận hành một cách an toàn. Màn hình màu kỹ thuật số cho phép điều khiển thiết bị siêu âm một cách thuận tiện.
Các hệ thống của chúng tôi có khả năng cung cấp biên độ từ thấp đến rất cao. Để chiết xuất cannabinoid và terpene, chúng tôi cung cấp các đầu sonotrode siêu âm đặc biệt (còn gọi là đầu dò hoặc đầu horn siêu âm), được tối ưu hóa để phân lập nhẹ nhàng các hoạt chất chất lượng cao. Tất cả các hệ thống của chúng tôi đều có thể được sử dụng để chiết xuất cannabinoid và nhũ hóa chúng sau đó. Độ bền chắc của các thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành liên tục (24/7) ở chế độ làm việc cường độ cao và trong môi trường khắc nghiệt.

Khả năng kiểm soát chính xác các thông số của quá trình siêu âm đảm bảo khả năng tái lập và chuẩn hóa quy trình.
 

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Thông tin hữu ích

Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm hoạt động như thế nào?

Việc đưa sóng siêu âm cường độ cao vào môi trường lỏng gây ra hiện tượng xâm thực. Hiện tượng xâm thực gây ra cục bộ nhiệt độ, áp suất, tốc độ gia nhiệt/làm nguội và chênh lệch áp suất cực lớn cùng lực cắt cao trong môi trường. Khi các bọt xâm thực sụp đổ trên bề mặt chất rắn (như các hạt, tế bào thực vật, mô, v.v.), các tia vi mô và va chạm giữa các hạt tạo ra những tác động như bong tróc bề mặt, xói mòn và phá vỡ hạt. Ngoài ra, sự sụp đổ của các bọt xâm thực trong môi trường lỏng tạo ra dòng chảy rối vĩ mô và sự trộn vi mô.
Việc chiếu siêu âm vào nguyên liệu thực vật làm phân mảnh cấu trúc nền của tế bào thực vật và tăng cường sự hydrat hóa của cấu trúc này. Chemat và cộng sự (2015) kết luận rằng việc chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ thực vật bằng siêu âm là kết quả của các cơ chế khác nhau, hoạt động độc lập hoặc kết hợp, bao gồm phân mảnh, xói mòn, hiện tượng mao dẫn, phá vỡ cấu trúc và tạo lỗ bằng siêu âm. Những tác động này phá vỡ thành tế bào, cải thiện quá trình truyền khối bằng cách đẩy dung môi vào tế bào và hút dung môi chứa các hợp chất thực vật ra ngoài, đồng thời bảo đảm chất lỏng chuyển động nhờ sự trộn vi mô.

Chiết xuất bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm học và các lực cắt thủy động lực học do hiện tượng này tạo ra

Việc chiếu siêu âm vào nguyên liệu thực vật làm phân mảnh cấu trúc nền của tế bào thực vật và tăng cường sự hydrat hóa của cấu trúc này. Chemat và cộng sự (2015) kết luận rằng việc chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ thực vật bằng siêu âm là kết quả của các cơ chế khác nhau, hoạt động độc lập hoặc kết hợp, bao gồm phân mảnh, xói mòn, hiện tượng mao dẫn, phá vỡ cấu trúc và tạo lỗ bằng siêu âm. Những tác động này phá vỡ thành tế bào, cải thiện quá trình truyền khối bằng cách đẩy dung môi vào tế bào và hút dung môi chứa các hợp chất thực vật ra ngoài, đồng thời bảo đảm chất lỏng chuyển động nhờ sự trộn vi mô.
Chiết xuất bằng siêu âm giúp phân lập các hợp chất rất nhanh – vượt trội so với các phương pháp chiết xuất thông thường nhờ thời gian xử lý ngắn hơn, hiệu suất thu hồi cao hơn và nhiệt độ thấp hơn. Là một phương pháp xử lý cơ học nhẹ nhàng, chiết xuất có hỗ trợ siêu âm tránh được sự phân hủy do nhiệt của các thành phần có hoạt tính sinh học và vượt trội so với các kỹ thuật khác như chiết xuất bằng dung môi thông thường, chưng cất với nước hoặc chiết Soxhlet, vốn được biết là phá hủy các phân tử nhạy cảm với nhiệt. Nhờ những ưu điểm này, chiết xuất bằng siêu âm là kỹ thuật được ưu tiên để giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học nhạy cảm với nhiệt độ từ thực vật.

Chiết xuất bằng siêu âm từ tế bào thực vật: lát cắt ngang (TS) quan sát dưới kính hiển vi cho thấy cơ chế tác động trong quá trình chiết xuất từ tế bào bằng siêu âm (độ phóng đại 2000x) [nguồn: Vilkhu và cộng sự 2011]

Anthocyanin – Một sắc tố thực vật có giá trị

Anthocyanin là các sắc tố thực vật nằm trong không bào, có thể có màu đỏ, tím, xanh lam hoặc đen. Màu sắc biểu hiện của các sắc tố anthocyanin tan trong nước phụ thuộc vào giá trị pH của chúng. Anthocyanin có trong không bào của tế bào, chủ yếu ở hoa và quả, nhưng cũng có ở lá, thân và rễ, nơi chúng tập trung chủ yếu trong các lớp tế bào bên ngoài như biểu bì và các tế bào thịt lá ở vùng ngoại vi.
Các dạng thường gặp nhất trong tự nhiên là glycoside của cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin và petunidin.
Các ví dụ tiêu biểu về thực vật giàu anthocyanin bao gồm các loài thuộc chi Vaccinium, như việt quất xanh, nam việt quất và việt quất châu Âu; các loại quả mọng thuộc chi Rubus, bao gồm mâm xôi đen, mâm xôi đỏ và dâu đen; lý chua đen, anh đào, cà tím, gạo đen, khoai mỡ tím, khoai lang Okinawa, nho Concord, nho muscadine, bắp cải đỏ và cánh hoa violet. Đào và táo có thịt quả màu đỏ chứa anthocyanin. Anthocyanin có hàm lượng thấp hơn trong chuối, măng tây, đậu Hà Lan, tiểu hồi, lê và khoai tây, và có thể hoàn toàn không có trong một số giống lý gai xanh.

Cấu trúc của các anthocyanin chính

Anthocyanin là một lựa chọn thay thế tuyệt vời cho các chất tạo màu tổng hợp trong sản phẩm thực phẩm. Anthocyanin được phê duyệt sử dụng làm chất tạo màu thực phẩm tại Liên minh châu Âu, Úc và New Zealand, với mã chất tạo màu E163. Anthocyanin có trong trái cây và rau củ, và có thể được mô tả là một loại sắc tố thực vật tan trong nước. Về mặt hóa học, anthocyanin là các glycoside của anthocyanidin dựa trên cấu trúc 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Có hơn 200 hợp chất hóa thực vật riêng biệt thuộc nhóm anthocyanin. Là sắc tố tạo màu chính trong các loại trái cây và quả mọng hoang dã, anthocyanin có thể được chiết xuất từ nhiều nguồn. Một nguồn anthocyanin nổi bật là vỏ nho. Các sắc tố anthocyanin trong vỏ nho chủ yếu gồm các di-glucoside, mono-glucoside, monoglucoside được acyl hóa cũng như di-glucoside được acyl hóa của peonidin, malvidin, cyanidin, petunidin và delphinidin. Hàm lượng anthocyanin trong nho dao động từ 30–750mg/100g.
Các anthocyanin nổi bật nhất là cyanidin, delphinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin và petunidin.
Ví dụ, các anthocyanin peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside và cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside có trong khoai lang tím.

Anthocyanin – Lợi ích đối với sức khỏe

Bên cạnh khả năng tuyệt vời trong vai trò chất tạo màu thực phẩm tự nhiên, anthocyanin còn được đánh giá cao nhờ tác dụng chống oxy hóa. Do đó, anthocyanin mang lại nhiều tác động tích cực đối với sức khỏe. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng anthocyanin có thể ức chế tổn thương DNA trong tế bào ung thư, ức chế các enzyme tiêu hóa, kích thích sản xuất insulin trong các tế bào tuyến tụy được phân lập, giảm các phản ứng viêm, bảo vệ chức năng não trước sự suy giảm liên quan đến tuổi tác, cải thiện độ kín của mao mạch và ngăn ngừa kết tập tiểu cầu.