Chiết xuất bã trái cây bằng siêu âm – Thu hồi bền vững các hợp chất có hoạt tính sinh học

Các phụ phẩm chế biến trái cây, đặc biệt là bã trái cây, là nguồn dự trữ các hợp chất có hoạt tính sinh học chưa được khai thác, với tiềm năng ứng dụng trong các sản phẩm dinh dưỡng hỗ trợ sức khỏe, tăng cường dưỡng chất cho thực phẩm và dược phẩm. Tuy nhiên, việc thu hồi các hợp chất này một cách hiệu quả và bền vững vẫn là một thách thức kỹ thuật. Trong số các công nghệ chiết xuất xanh đang phát triển, chiết xuất có hỗ trợ siêu âm sử dụng thiết bị siêu âm dạng đầu dò đạt hiệu suất thu hồi vượt trội. Xử lý siêu âm cho phép chiết xuất nhanh chóng và tiết kiệm dung môi các hợp chất phenolic, axit triterpenic và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác từ nền nguyên liệu thực vật như bã táo.

Nâng cao giá trị phụ phẩm trái cây hiệu quả bằng chiết xuất siêu âm

Chiết xuất bã trái cây bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để nâng cao giá trị phụ phẩm từ quá trình sản xuất nước ép, rượu vang và rượu táo – đây là giải pháp đã được kiểm chứng khoa học, có thể mở rộng và đã được áp dụng ở quy mô công nghiệp, đồng thời có tính kinh tế trong việc nâng cao giá trị chất thải trái cây. Nhờ tính hiệu quả và linh hoạt, xử lý siêu âm mang lại một chiến lược chiết xuất xanh để khai thác tiềm năng của các phụ phẩm nông nghiệp và thực phẩm như bã táo.
Như các nghiên cứu gần đây đã chứng minh, việc kết hợp thời gian xử lý siêu âm ngắn, nồng độ ethanol vừa phải và biên độ được kiểm soát cho phép thu hồi có chọn lọc và hiệu quả các hợp chất có lợi cho sức khỏe.
Trong nỗ lực hướng tới tính tuần hoàn, xử lý siêu âm không chỉ là một công cụ – xử lý siêu âm đồng nghĩa với tăng cường quá trình và nâng cao hiệu quả.

Nâng cao giá trị bã trái cây bằng chiết xuất siêu âm

Bã trái cây, một phụ phẩm của quá trình sản xuất nước ép và rượu vang, bao gồm vỏ, thịt quả, hạt và cuống. Trước đây, bã trái cây thường chưa được tận dụng đầy đủ hoặc chỉ được dùng cho các ứng dụng có giá trị thấp như thức ăn chăn nuôi hoặc sinh khối; hiện nay, bã trái cây được công nhận là nguồn polyphenol quý giá (ví dụ: glycoside quercetin, phloridzin), flavonoid, dihydrochalcone và axit triterpenic (đặc biệt là axit ursolic). Các phân tử này có liên quan đến đặc tính chống oxy hóa, chống viêm và kháng vi sinh vật.
Chiết xuất siêu âm mang lại một cách tiếp cận mang tính đột phá để nâng cao giá trị bã trái cây nhờ cho phép giải phóng hiệu quả các chất có hoạt tính sinh học này. So với các phương pháp chiết xuất thông thường, chiết xuất siêu âm mang lại:

• Thời gian xử lý ngắn hơn
• Mức tiêu thụ dung môi thấp hơn
• Hiệu suất thu hồi cao hơn
• Điều kiện chiết xuất ôn hòa hơn, bảo toàn các hợp chất nhạy nhiệt

Khoa học nói gì về chiết xuất bã trái cây bằng siêu âm

Hai nghiên cứu tiêu biểu chứng minh một cách khoa học những lợi ích của chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) đối với bã táo.

Nghiên cứu 1: Pando Bedriñana và cộng sự, 2024
Sử dụng thiết kế phức hợp trung tâm, các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa việc chiết xuất đồng thời polyphenol tổng số và axit ursolic từ bã táo của ngành sản xuất rượu táo bằng thiết bị siêu âm Hielscher UP200Ht. Trong các điều kiện tối ưu hóa (5,1 min, ethanol 68%, biên độ 90%), bã táo toàn phần cho lượng thu hồi:

• ~1300 µg/g flavonol
• ~1200 µg/g dihydrochalcone
• ~4200 µg/g axit ursolic

Đáng chú ý, phần vỏ táo có nồng độ thậm chí còn cao hơn, với axit ursolic đạt 8500 µg/g chất khô. Hoạt tính chống oxy hóa của các dịch chiết có tương quan chặt chẽ với hàm lượng polyphenol, và mô hình hóa toán học đã xác nhận hiệu quả chiết xuất.

Nghiên cứu 2: Razola-Díaz và cộng sự, 2022
Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa chiết xuất phloretin và phloridzin – hai dihydrochalcone có hoạt tính chống oxy hóa mạnh. Sử dụng thiết bị siêu âm dạng đầu dò Hielscher UP400St, các nhà nghiên cứu đã thu được lượng chiết xuất như sau:

• ~13 µg/g phloretin
• ~67 µg/g phloridzin
• ~1878 µg/g khối lượng khô các hợp chất phenolic tổng số
• Hoạt tính chống oxy hóa (FRAP): lên đến 3,58 mg TE/g

Tính linh hoạt – Xử lý siêu âm cho bã trái cây, nước ép và sinh tố

Chiết xuất bằng siêu âm không chỉ giới hạn ở bã táo; phương pháp này đã được áp dụng thành công cho nhiều loại nền nguyên liệu trái cây. Trong phần thịt của các loại trái cây như cam, xử lý siêu âm tăng cường giải phóng polyphenol, flavonoid và các chất chống oxy hóa, đồng thời bảo toàn chức năng của chúng. Tương tự, vỏ của các loại quả có múi – bao gồm bưởi chùm, chanh và cam – rất giàu pectin và các hợp chất phenolic, có thể được giải phóng hiệu quả thông qua sự phá vỡ thành tế bào do hiện tượng xâm thực. Ngay cả hạt nho, vốn được biết đến với hàm lượng polyphenol cao (ví dụ: catechin và proanthocyanidin), cũng đáp ứng tốt với xử lý siêu âm, cho các chất chống oxy hóa ở nồng độ cao. Tính linh hoạt này trên nhiều loại mô thực vật cho thấy xử lý siêu âm là một công cụ hiệu quả và đáng tin cậy để chiết xuất xanh các chất có hoạt tính sinh học từ nhiều loại phụ phẩm nông công nghiệp.

Hơn nữa, tính linh hoạt của các thiết bị siêu âm Hielscher còn mở rộng sang nhiều sản phẩm và ứng dụng:

• Chiết xuất trong pha lỏng của nước ép và sản phẩm nghiền nhuyễn
• Đồng nhất hóa đồ uống có nguồn gốc thực vật và nhũ tương
• Bất hoạt vi sinh vật và enzyme để kéo dài thời hạn bảo quản mà không gây tổn hại do nhiệt

Trong sản xuất nước ép và sinh tố, xử lý siêu âm hiệu năng cao đảm bảo:

• Phân tán ổn định chất xơ và chất rắn
• Cải thiện cảm giác trong miệng
• Tăng sinh khả dụng của các hợp chất phenolic
• Bảo toàn các đặc tính cảm quan và dinh dưỡng

Việc sử dụng linh hoạt các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng kết nối quá trình xử lý bã trái cây với quá trình xử lý nước ép – cho phép chiết xuất, đồng nhất hóa và thanh trùng bằng cùng một hệ thống siêu âm.

Tiêu điểm về tính bền vững

Xử lý siêu âm đóng góp đáng kể vào tính bền vững bằng cách cho phép thu hồi các hợp chất có hoạt tính sinh học với giá trị cao từ phụ phẩm chế biến trái cây, vốn sẽ góp phần làm gia tăng lượng thực phẩm bị lãng phí trên toàn cầu nếu không được tận dụng. Trong bối cảnh ngành nước ép, nơi có tới 25% trái cây và rau củ bị loại bỏ sau thu hoạch hoặc trong quá trình chế biến, xử lý siêu âm mang đến một giải pháp có mục tiêu rõ ràng và hiệu quả. Ví dụ, xử lý siêu âm hỗn hợp thịt và vỏ cam đã được chứng minh là cải thiện các đặc tính quan trọng của chất xơ thực phẩm, hỗ trợ việc tái sử dụng chúng làm nguyên liệu thực phẩm mới. Hướng tận dụng để gia tăng giá trị này không chỉ giảm gánh nặng môi trường của chất thải nông nghiệp và thực phẩm mà còn phù hợp với Mục tiêu Phát triển Bền vững số 12 của Liên Hợp Quốc – thúc đẩy tiêu dùng và sản xuất có trách nhiệm.
Điều quan trọng là xử lý siêu âm là một công nghệ xanh và tiết kiệm năng lượng – đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng thấp và giảm sử dụng các dung môi chiết xuất có tính tác động mạnh nhờ khả năng hoạt động với nước, ethanol trong nước và NADES.
Bằng cách chuyển hóa các dòng chất thải thành nguyên liệu chức năng, xử lý siêu âm đóng góp vào nền kinh tế tuần hoàn và cải thiện tính bền vững cả về sinh thái lẫn kinh tế trong lĩnh vực chế biến thực phẩm.

Cải thiện quy trình xử lý bã trái cây của bạn với thiết bị siêu âm Hielscher

Hielscher Ultrasonics là nhà sản xuất hàng đầu về các hệ thống siêu âm hiệu năng cao được thiết kế cho cả ứng dụng phòng thí nghiệm và công nghiệp. Các thiết bị siêu âm công nghiệp của hãng – như UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP6000hdT và UIP16000hdT – mang lại:

• Năng suất xử lý có thể mở rộng (từ lít đến tấn mỗi giờ)
• Kiểm soát biên độ chính xác
• Vận hành 24/7 trong môi trường có yêu cầu khắt khe
• Các thiết bị phản ứng siêu âm có thể được tăng áp
• Khả năng tương thích với xử lý liên tục trên đường ống
• Tích hợp đơn giản vào các dây chuyền sản xuất (hiện có)

Các thiết bị siêu âm Hielscher đã được xác nhận qua các nghiên cứu đã công bố về khả năng chiết xuất polyphenol, các chất chống oxy hóa và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác, với hiệu quả và khả năng tái lập đã được chứng minh.

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, chế tạo và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với chất lượng và tiêu chuẩn thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao với công nghệ tiên tiến nhất và tính thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Razola-Díaz, M.d.C.; Aznar-Ramos, M.J.; Guerra-Hernández, E.J.; García-Villanova, B.; Gómez-Caravaca, A.M.; Verardo, V. (2022): Establishment of a Sonotrode Ultrasound-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Apple Pomace. Foods 2022, 11, 3809.
• Pando Bedriñana, R.; Rodríguez Madrera, R.; Loureiro Rodríguez, M.D.; López-Benítez, K.; Picinelli Lobo, A. (2024): Green Extraction of Bioactive Compounds from Apple Pomace from the Cider Industry. Antioxidants 2024, 13, 1230.
• Dalmau, E.; Rosselló, C.; Eim, V.; Ratti, C.; Simal, S. (2020): Ultrasound-Assisted Aqueous Extraction of Biocompounds from Orange Byproduct: Experimental Kinetics and Modeling. Antioxidants 2020, 9, 352.
• Razola-Díaz, M.d.C.; Guerra-Hernández, E.J.; Rodríguez-Pérez, C.; Gómez-Caravaca, A.M.; García-Villanova, B.; Verardo, V. (2021): Optimization of Ultrasound-Assisted Extraction via Sonotrode of Phenolic Compounds from Orange By-Products. Foods 2021, 10, 1120.