Nghiên cứu tinh sạch và xác định hoạt tính Phenolic từ bã cà phê

Hội thảo khoa học khoa công nghệ thực phẩm 2018 NGHIÊN CỨU TINH SẠCH VÀ XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH PHENOLIC TỪ BÃ CÀ PHÊ Trần Phước Huy1,*, Bùi Anh Thư1 , Nguyễn Thị Thanh Trúc1 , Hoàng Thị Ngọc Nhơn1 1Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh *Email: phuochuy2509@gmail.com Ngày nhận bài: 07/7/2018; Ngày chấp nhận: 12/7/2018 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành các nghiên cứu tinh sạch phenolic từ cao chiết bã cà phê bằng phương pháp sắc ký cột silicagel, sau đó thử hoạt tính chống oxy hóa bằng phương pháp DPPH, hoạt tính kháng khuẩn (E.Coli) và kháng mốc (A.niger) từ dịch trích và bột phenolic bã cà phê. Kết quả thu được cho thấy, các phân đoạn được chọn sau khi qua sắc ký cột silicagel có độ tinh sạch cao từ 48,43% - 76,81%. Ngoài ra, dịch trích phenolic còn có hoạt tính kháng khuẩn (E.Coli) và kháng mốc (A.niger) với MIC lần lượt là 45 μg/ml và 75 μg/ml, khả năng bắt gốc tự do cao với SC50 đạt 53,78 ± 4,65 (μg/ml). Từ khóa: phenolic, silicagel, bã cà phê. 1. GIỚI THIỆU Cà phê là một loại thức uống phổ biến bậc nhất ở nhiều quốc gia, thức uống này có tác dụng kích thích hệ thần kinh, giúp giảm stress và ngăn chặn quá trình lão hóa. Sản lượng cà phê của thế giới năm 2017-2018 ước tính khoảng 9,5 tỉ tấn [1]. Trên thế giới, mỗi ngày có khoảng 6,6 triệu tấn cà phê được tiêu thụ và thải ra ngoài như là chất thải [2]. Mỗi năm cả nước thải ra khoảng 382.500 tấn bã cà phê từ các doanh nghiệp sản xuất cà phê sữa hòa tan [3]. Ngoài ra số lượng cửa hàng cà phê tại Việt Nam rất nhiều, đây chính là nguồn thải ra một lượng rất lớn bã cà phê mỗi ngày. Hiện nay, việc tạo ra sản phẩm có hoạt tính chống oxy hóa có nguồn gốc tự nhiên thay thế cho các chất oxy hóa tổng hợp nhiều hạn chế. Bã cà phê là nguồn chứa hợp chất phenolic với nhiều hoạt tính có lợi cho sức khỏe như: chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng virus, kháng viêm và khả năng phòng chống ung thư. Hàm lượng Chlorogenic acid chiếm phần lớn trong bã cà phê [4]. Acid caffeoylquinic chiếm 13,24 mg/g với bã cà phê chè pha bằng cách lọc. Như vậy, bã cà phê là nguồn nguyên liệu quan trọng với hàm lượng lớn các chất hữu cơ như acid béo, polyphenol. Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu để tạo ra sản phẩm mới có hoạt tính kháng oxy hóa, kháng khuẩn và kháng mốc vào các ngành thực phẩm, dược phẩm, dược liệu đang lầ hướng nghiên cứu mới. Giúp mở ra hướng đi mới cho các ngành công nghiệp. Sau quá trình trích ly phenolic, trong dịch trích còn có một số thành phi phenolic như: đường, các acid hữu cơ và các acid béo tự do [5, 6], các thành phần này làm ảnh hưởng đến độ tinh sạch và chất lượng của dịch trích phenolic. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp sắc ký cột sillicagel kết hợp với phương pháp sắc ký bản mỏng (TLC) nhằm mục đích tinh sạch các hợp chất phenolic trong bã cà phê. 41 Trần Phước Huy, Bùi Anh Thư, Nguyễn Thị Thanh Trúc, Hoàng Thị Ngọc Nhơn 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu Bã cà phê được thu nhận từ cửa hàng The Coffee House (599 Trường Chinh, Phường 14, Quận Tân Bình, Tp. Hồ Chí Minh). Tại phòng thí nghiệm, bã cà phê được loại bỏ tạp chất, sấy ở nhiệt độ 600C cho đến khi độ ẩm ≤10%, tiến hành rây và bảo quản trong túi zipper cho đến khi sử dụng. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Dịch trích: Tiến hành trích ly phenolic từ 100g bã cà phê (tính theo chất khô) bằng dung môi ethanol 70% theo tỉ lệ dung môi/nguyên liệu là 30/1 (v/w). Sau đó xử lý tiền trích ly với sự hỗ trợ vi sóng (7 phút, công suất 300W)-siêu âm (7 phút, công suất 300W). Dung dịch thí nghiệm thu được đem ly tâm với tốc độ 5500 vòng/phút trong 15 phút để bỏ bã thu được dịch trích phenolic. Bột phenolic: Bổ sung maltodextrin để hàm lượng chất khô của dịch trích đạt 12%, tiến hành sấy phun ở nhiệt độ 1500C, tốc độ dòng 400mL/phút. Cao chiết phenolic: Thực hiện cô quay chân không 300ml dịch trích ly ở 450C, cho đến khi thu được khoảng 20mL dịch cao chiết. Dịch phenolic sau tinh sạch: Tinh sạch từ cao chiết phenolic bằng phương pháp sắc ký cột silicagel. 2.2.2. Khảo sát quá trình tinh sạch phenolic từ bã cà phê bằng phương pháp sắc ký cột Tiến hành nhồi cột sắc ký với 20g silicagel (230 – 400 mesh), kích thước cột (20 x 2 cm). Các hệ dung môi được khảo sát: hexan : etyl acetat (8:2), chlorofom : methanol (8:2), clorofom : n-butanol (8:2), toluen : acetone (8:2). Sau khi chọn được hệ dung môi phù hợp, tiến hành khảo sát tỉ lệ của hệ dung môi (9:1; 8:2; 7:3, 6:4) và xác định phân đoạn thu nhận phenolic có hàm lượng và độ tinh sạch cao nhất. 2.2.3. Thử hoạt tính chống oxy hóa theo phương pháp DPPH Chuẩn bị dung dịch DPPH 150 μM pha trong methanol 80%, sử dụng ngay. Cho 200 μl DPPH 150 μM trên vào mỗi giếng trên đĩa 96 giếng.Thêm vào 25 μl/giếng dung dịch mẫu cần đo ở các nồng độ khác nhau. Đo OD tại bước sóng 517 nm, đo theo thời gian 10 phút/lần trong 60 phút. Trolox được sử dụng làm chứng dương. 2.2.4. Xác định hoạt tính kháng kháng mốc, kháng khuẩn Phương pháp MIC được tiến hành dựa theo nghiên cứu của TTK Dang và cộng sự với một số thay đổi được tóm tắt như sau [7]. Môi trường PDA, TSA đã được hấp tiệt trùng ở 1210C/15 phút được đổ vào đĩa petri đã được hấp tiệt trùng, mỗi đĩa 16ml. Các đĩa môi trường này được chuẩn bị trước 24 giờ để loại bỏ những đĩa bị nhiễm. Bào tử mốc, khuẩn có nồng độ 106 bào tử/ml được cấy lên đĩa thạch và để khô trong 5 phút. Hút 10 µl nhũ dịch với các nồng độ được lựa chọn nhỏ vào giữa mỗi đĩa. Ủ ở 300C. Mẫu đối chứng là 42 Nghiên cứu tinh sạch và xác định hoạt tính phenolic từ bã cà phê mẫu được nhỏ 10 µl nhũ không chứa phenolic. Sau 24 giờ ủ, đo đường kính vòng kháng nấm, mốc ở mỗi đĩa. Các thí nghiệm được lặp lại 3 lần. Đo đường kính vòng kháng nấm hình thành sau 24 giờ, nồng độ phenolic thấp nhất có hình thành vòng kháng nấm là MIC. 2.3. Phương pháp phân tích 2.3.1. Xác định hàm lượng phenolic tổng số [8] Các phenolic trong dịch chiết được xác định bằng đo màu, dùng thuốc thử Folin-Ciocalteu. Thuốc thử này chứa chất oxy hóa là acid phospho-vonframic, trong quá trình khử, các nhóm hydroxy phenol dễ bị oxy hóa, chất oxy hóa này sinh ra màu xanh có độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 765 nm. 2.4. Phương pháp xử lý số liệu Mỗi thí nghiệm được tiến hành lặp lại ba lần, kết quả được trình bày ở dạng giá trị trung bình ± giá trị sai số. Kết quả được tính toán bằng phần mềm Microft Office Excel 2010 và phần mềm thống kê JMP. Kết quả phân tích ANOVA với độ tin cậy 95%, so sánh sự khác biệt giữa các nghiệm thức qua phép thử LSD. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tinh sạch phenolic từ dịch trích ly của bã cà phê 3.1.1. Ảnh hưởng của loại hệ dung môi Kết quả khảo sát 04 hệ dung môi (bảng mỏng dưới đèn UV) được thể hiện trong hình 3.1. Trong đó, hệ hexan : etyl axetat (1) cho kết quả phân tách kém, các vạch trùng nhau và không có sự phân tách giữa các chất. Hệ chlorofom : methanol (3), clorofom : n-butanol (4) cho kết quả các vệt bị kéo dài, cho thấy hai hệ này có độ phân cực lớn không thích hợp cho việc phân tách các phenolic. Hệ toluen : acetone (2), cho thấy kết quả phân tách tốt, các vệt phân tách rời nhau, không kéo dài. Do đó, hệ toluen : acetone được chọn làm hệ dung môi cho quá trình tinh sạch phenolic bằng sắc ký cột siliicagel. Hình 1. Kết quả khảo sát 4 hệ dung môi 43 Trần Phước Huy, Bùi Anh Thư, Nguyễn Thị Thanh Trúc, Hoàng Thị Ngọc Nhơn Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu của Vesna Rastija và cộng sự [9] khi sử dụng hệ dung môi toluen : acetone cho quá trình phân tích các hợp chất phenolic trong rượu vang đỏ Croatia bằng phương pháp sắc ký bản mỏng, Andrew và cộng sự trong phân tích các hợp chất phenolic trong rượu táo [10]. 3.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi Ảnh hưởng của tỉ lệ của hệ dung môi toluen và acetone được thể hiện ở hình 3.2. Để tách các hợp chất ra khỏi cao chiết cần phải sử dụng hệ dung môi có độ phân cực phù hợp. Kết quả hình 3.2 cho thấy ở tỷ lệ dung môi toluen : aceton (6:4) (1) có độ phân cực lớn, phần lớn các chất bị kéo lên, các vạch trùng nhau dẫn đến hình thành vệt kéo dài, hiệu quả phân tách không tốt. Ở tỷ lệ toluen : aceton (7:3) (2), khả năng phân tách vẫn chưa tốt, các vạch tuy có phân tách nhưng không rõ ràng. Tỷ lệ toluen : aceton (8:2) (3) cho kết quả phân tách tốt, các vạch phân tách tương đối rõ ràng, thích hợp cho việc được chọn làm dung môi tinh sạch các phenolic. Với tỷ lệ toluen : aceton (9:1) (4), dung môi có độ phân cực tương đối thấp, hầu như không thấy được sự phân tách giữa các chất. Như vậy, hệ dung môi toluen : aceton (8:2) được chọn làm dung môi cho quá trình tinh sạch phenolic bằng phương pháp sắc ký cột silicagel. Hình 2. Ảnh hưởng của tỉ lệ hệ dung môi toluen và acetone 3.1.3. Xác định phân đoạn thu mẫu Từ kết quả thí nghiệm 3.1.1, 3.1.2, tiến hành chạy cột sắc ký silicagel lần lượt thu các phân đoạn. Theo dõi phân đoạn thu mẫu bằng sắc ký bản mỏng (TLC). Các phân đoạn lần lượt được thu và đánh số thứ tự, mỗi phân đoạn thu 100 ml. Tiến hành đo hàm lượng phenolic tổng và tính độ tinh sạch của các phân đoạn thu được (bảng 1). 44 Nghiên cứu tinh sạch và xác định hoạt tính phenolic từ bã cà phê Bảng 1. Các phân đoạn thu được sau khi qua sắc ký cột silicagel Phân đoạn Hàm lượng phenolic tổng (mgGAE) Độ tinh sạch (%) Phân đoạn Hàm lượng phenolic tổng (mgGAE) Độ tinh sạch (%) 1 27,57 7,14 11 19,86 17,18 2 28,7 13,46 12 32,24 28,76 3 32,48 22,94 13 10,87 10,96 4 57,82 48,43 14 9,44 9,72 5 92,99 59,95 15 6,88 6,48 6 95,51 71,33 16 6,33 5,66 7 94,25 76,81 17 6,46 6,65 8 33,92 37,61 18 6,12 5,23 9 33,42 28,06 19 6,16 5,44 10 23,34 19,63 Kết quả trên cho thấy, phân đoạn 4, 5, 6, 7 có hàm lượng phenolic tổng và độ tinh sạch cao. Từ phân đoạn thứ 12, hệ dung môi được tăng lên theo tỷ lệ toluen:aceton (7:3). Tuy nhiên, lượng phenolic thu được và độ tinh sạch tương đối thấp. Điều đó cho thấy rằng phần lớn lượng phenolic đã được rửa giải ở các phân đoạn trước đó, cụ thể là ở phân đoạn 4, 5, 6, 7. 3.2. Đặc tính của phenolic thu nhận từ bã cà phê 3.2.1. Hoạt tính chống oxy hóa Ngoài hoạt tính kháng khuẩn và kháng mốc, hoạt tính chống oxy hóa cũng là một đặc trung của dịch trích phenolic. Khả năng bắt gốc tự do của phenolic đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu trước đây. Bảng 2 trình bày kết quả xác định khả năng khử gốc tự do DPPH của dịch trích ly, bột phenolic, dịch sau tinh sạch bằng sắc ký cột silicagel. Bảng 2. Giá trị SC50 trên từng mẫu khảo sát Mẫu Giá trị SC50 (μg/ml) Mẫu Giá trị SC50 (μg/ml) Dịch trích 53,78 ± 4,65 Dịch sau tinh sạch 41,97 ± 3,14 Bột phenolic 101,43 ± 5,34 Trolox 6,33 ± 0,08 Kết quả thu được từ bảng cho thấy, khả năng chống oxy hóa của dịch trích và dịch sau tinh sạch tương đối cao với giá trị SC50 đạt lần lượt là 53,78 ± 4,65 (μg/ml) và 41,97 ± 3,14 (μg/ml) so sánh với đối chứng dương Trolox 6,33 ± 0,08 (μg/ml). Kết quả này tương tự như nghiên cứu của Yakoub và cộng sự cho thấy dịch trích phenolic trong nguyên liệu Corchorus olitorius L có giá trị SC50 đạt từ 48,66 – 54,44 (μg/ml) trong các loại dung môi khác nhau được khảo sát [11]. 45 Trần Phước Huy, Bùi Anh Thư, Nguyễn Thị Thanh Trúc, Hoàng Thị Ngọc Nhơn 3.2.2. Hoạt tính kháng khuẩn, kháng mốc Theo các nghiên cứu trước đây, các hợp chất phenolic có khả năng ức chế một số loài vi khuẩn và nấm mốc, hiệu quả ức chế này phụ thuộc vào nồng độ phenolic có trong mẫu [12], được thể hiện thông qua đường kính vòng kháng. Kết quả được thể hiện ở bảng 3 Bảng 3. Hoạt tính kháng khuẩn, kháng mốc của các loại mẫu khảo sát Mẫu Nồng độ ức chế Đường kính vòng kháng khuẩn E.Coli Đường kính vòng kháng mốc A.niger Mẫu Nồng độ ức chế Đường kính vòng kháng khuẩn E.Coli Đường kính vòng kháng mốc A.niger Dịch trích 45μg/ml 9 mm±1 - Bột chế phẩm phenolic 45μg/ml - - 60μg/ml 12 mm±1 - 60μg/ml 6 mm±1 - 75μg/ml 16 mm±1 8 mm±1 75μg/ml 10 mm±1 6 mm±1 Nồng độ tối thiểu (MIC) ức chế vi khuẩn E.Coli là 45μg/ml có đường kính vòng kháng khuẩn là 9mm±1. Từ bảng 3.4 cho thấy, nồng độ phenolic càng cao thì vòng kháng khuẩn càng lớn, dịch trích có hoạt tính kháng khuẩn và mốc cao hơn so với bột chế phẩm phenolic. Điều này có thể giải thích trong quá trình sấy phun thì nhiệt độ có thể là tác nhân ảnh hưởng đến tính chất của bột phenolic. Cụ thể, ở nồng độ dịch trích 45μg/ml thì đường kính là 9mm±1, trong khi đó ở cùng nồng độ này, bột chế phẩm phenolic không có khả năng kháng khuẩn. Với nồng độ cao nhất của dịch trích ở 75 μg/ml thì đường kính vòng kháng khuẩn, kháng mốc đạt lần lượt là 16mm±1 và 8mm±1, tuy nhiên ở bột chế phẩm phenolic chỉ đạt 10mm±1 và 6mm±1. Điều này chứng tỏ phenolic của bã cà phê có khả năng kháng khuẩn tốt, và kháng mốc hạn chế hơn. 4. KẾT LUẬN Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, hệ dung môi thích hợp cho quá trình tinh sạch phenolic là hệ toluen : aceton (8:2) có độ tinh sach nằm trong khoảng 48,43% - 76,81%, cho thấy hệ dung môi này tinh sạch phenolic hiệu quả cao. Hoạt tính kháng oxy hóa của dịch trích, bột phenolic, dịch sau tinh sạch đạt kết quả lần lượt là 53,78 ± 4,65 μg/ml, 101,43 ± 5,34 μg/ml, 41,97 ± 3,14 μg/ml. Hoạt tính kháng khuẩn của dịch trích ở các nồng độ tương ứng là 45 μg/ml., 60 μg/ml, 75 μg/ml. cho đường kính vòng kháng lần lượt là 9mm±1, 12mm±1, 16mm±1. Đối với bột phenolic ở các nồng độ trên cho đường kính vòng kháng lần lượt là KPH, 6mm±1, 10mm±1. Ở nồng độ cao nhất 75 μg/ml dịch trích và bột phenolic cho đường kính vòng kháng mốc lần lượt là 8mm±1, 6mm±1. Như vậy có thể thấy, bã cà phê là một nguồn nguyên liệu tiềm năng, giúp mở ra một hướng đi mới trong việc ứng dụng vào thực phẩm chức năng, cũng như góp phần làm giảm lượng phế phẩm bã cà phê, nâng cao giá trị cho ngành cà phê hòa tan. 46 Nghiên cứu tinh sạch và xác định hoạt tính phenolic từ bã cà phê TÀI LIỆU KHAM KHẢO 1. B. Lewin, D. Giovannucci, and P. Varangis, "Coffee markets: new paradigms in global supply and demand," 2004. 2. W. Pelupessy, "Environmental issues in the production of beverages: global coffee chain," Environmentally Friendly Food Processing. Woodhead Publishing Limited: Boca Raton, FL, pp. 95- 113, 2003. 3. P. T. T. Phuong, "Bước đầu tạo mùi từ bã cà phê ứng dụng trong thức ăn viên cho cá kèo," 2006. 4. A. Panusa, A. Zuorro, R. Lavecchia, G. Marrosu, and R. Petrucci, "Recovery of natural antioxidants from spent coffee grounds," Journal of agricultural and food chemistry, vol. 61, pp. 4162-4168, 2013. 5. A. M. Gómez Caravaca, A. Carrasco Pancorbo, B. Cañabate Díaz, A. Segura Carretero, and A. Fernández Gutiérrez, "Electrophoretic identification and quantitation of compounds in the polyphenolic fraction of extra‐ virgin olive oil," Electrophoresis, vol. 26, pp. 3538-3551, 2005. 6. M. Naczk and F. Shahidi, "Phenolics in cereals, fruits and vegetables: Occurrence, extraction and analysis," Journal of pharmaceutical and biomedical analysis, vol. 41, pp. 1523-1542, 2006. 7. D. M. Lieu, T. T. Dang, and H. T. Nguyen, "Enhance the anti-microorganism activity of cinnamon oil by xanthan gum as emulsifying agent," in AIP Conference Proceedings, 2018, p. 040017. 8. B. C. Nwanguma and M. O. Eze, "Changes in the concentrations of the polyphenolic constituents of sorghum during malting and mashing," Journal of the Science of Food and Agriculture, vol. 70, pp. 162- 166, 1996. 9. V. Rastija, A. Mornar, I. Jasprica, G. Srečnik, and M. Medić-Šarić, "Analysis of phenolic components in Croatian red wines by thin-layer chromatography," JPC-Journal of Planar Chromatography-Modern TLC, vol. 17, pp. 26-31, 2004. 10. A. G. Lea, "The phenolics of ciders: oligomeric and polymeric procyanidins," Journal of the Science of Food and Agriculture, vol. 29, pp. 471-477, 1978. 11. A. R. B. Yakoub, O. Abdehedi, M. Jridi, W. Elfalleh, M. Nasri, and A. Ferchichi, "Flavonoids, phenols, antioxidant, and antimicrobial activities in various extracts from Tossa jute leave (Corchorus olitorus L.)," Industrial Crops and Products, vol. 118, pp. 206-213, 2018. 12. Y. M. Nibir, A. F. Sumit, A. A. Akhand, N. Ahsan, and M. S. Hossain, "Comparative assessment of total polyphenols, antioxidant and antimicrobial activity of different tea varieties of Bangladesh," Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine, vol. 7, pp. 352-357, 2017. 47 Trần Phước Huy, Bùi Anh Thư, Nguyễn Thị Thanh Trúc, Hoàng Thị Ngọc Nhơn ABSTRACT STUDY ON PURIFICATION AND ACITIVITY DETERMINATION OF PHENOLICS FROM SPENT COFFEE GROUNDS Tran Phuoc Huy1,*, Bui Anh Thu1, Nguyen Thi Thanh Truc1, Hoang Thi Ngoc Nhon1 1Ho Chi Minh city university of Food Industry. *Email: phuochuy2509@gmail.com In this study, the concentrated extract of spent coffee grounds were purified by silicagel column chromatography method. Secondly, extract and phenolics powder were determined the activity of antioxidants (DPPH), as well as, antibacterial and antifungal activity. As a result, fractions which were obtained from silicagel column chromatography have a remarkable proportion of purification from 48.43% - 76.81%,. Moreover, phenolics extract also had an antibacterial (E.Coli) and antifungal (A.niger) activities with the minimum inhibitory concentrations (MICs) were 45 μg/ml và 75 μg/ml, respectively. DPPH (1,1- diphenyl-2-picrylhydrazyl) free radical scavenging activity of phenolics extract with SC50 reached 53.78 ± 4.65 (μg/ml). Keywords: phenolics, silicagel, spent coffee grounds 48