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


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

*******************

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

Chuyên ngành:

Công nghệ thực phẩm và đồ uống

Mã số:



LÝ LỊCH CÁ NHÂN
Tôi tên là Trần Thị Hà, sinh ngày 22 tháng 07 năm 1984 tại huyện Thạch Hà,
tỉnh Hà Tĩnh.
Tốt nghiệp PTTH tại trường Trung học phổ thông Long Khánh, tỉnh Đồng
Nai năm 2002.
Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ thực phẩm hệ chính quy tại 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 tại Đại học Công nghệ Đồng Nai.
Tháng 10 năm 2011 theo học Cao học ngành Công nghệ thực phẩm và đồ
uống tại trường Đại học Nông Lâm, Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh.
Điạ chỉ 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: [email protected]

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Trần Thị Hà


norbixin tan trong nước để phối màu cho thực phẩm. Thí nghiệm được bố trí theo
kiểu ngẫu nhiên một yếu tố với ba lần lặp lại và phương pháp bề mặt đáp ứng
(response surface methodology) với sự hỗ trợ của phần mềm thống kê chuyên dụng
JMP 9.0.2 để tối ưu hóa một số thông số của quá trình trích ly và chuyển đổi màu
thành norbixin. Số liệu thực nghiệm được phân tích phương sai (ANOVA) và sau
đó là so sánh trung bình bằng phương pháp Tukey’s HSD (p < 0,05).
Sau khi sàng lọc ảnh hưởng của các loại dung môi khác nhau đến hiệu suất
trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin, kết quả cho thấy hỗn hợp dung môi
NaOH + ethanol cho hiệu suất cao hơn các loại dung môi khác. Đồng thời khi nồng
độ NaOH: 0,52 M và ethanol: 51,820 ở tỷ lệ dung môi / nguyên liệu là 6/1 (v/w) thì
quá trình trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin đạt hiệu suất cao nhất 1,76 %
chất khô.
Đề tài cũng đã khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và chế
độ xà phòng hóa đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu hạt điều màu thành
norbixin. Kết quả cho thấy tỷ lệ dung môi / nguyên liệu tối ưu là 7,1/1 (v/w), nhiệt
độ và thời gian ủ tốt nhất lần lượt là 58,6 0C và 33,12 phút. Ở điều kiện tối ưu, hiệu
suất thu hồi màu norbixin trong hạt điều màu đạt gần 87 %.
Các loại acid khác nhau gồm sulfuric, nitric, hydrochloric, phosphoric,
formic, acetic và citric lần lượt được thử nghiệm để kết tủa norbixin từ dịch trích.
Kết quả thu được là tại nồng độ HCl 1 M hay tỷ lệ 9,2 % thể tích HCl đậm đặc so
với thể tích dịch trích là tối ưu nhất để thu hồi norbixin tự do. Sau khi sấy khô, bột

vi


tủa norbixin thu được có độ ẩm 7,6 % và hàm lượng màu 44,25 %, đạt yêu cầu trên
35 % chất màu theo QCVN 4–10:2010/BYT cũng như FAO JECFA Monographs 3.
Tiếp theo, khả năng hòa tan của bột tủa norbixin ở các pH khác nhau được
khảo sát. Kết quả cho thấy pH càng cao thì tỷ lệ norbixin hòa tan càng nhiều. Trên
cơ sở đó, để tăng khả năng hòa tan của bột tủa norbixin, tỷ lệ phối chất trợ tan

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 1 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 3 (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 1 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

1.2.2. Tính chất hóa lý .......................................................................................... 8
1.2.3. Độc tính, liều thu nạp ADI và lượng sử dụng trong thực phẩm............... 10
1.2.4. Ứng dụng của phẩm màu annatto trong ngành thực phẩm ...................... 10
1.2.5. Chế phẩm norbixin dùng làm phụ gia thực phẩm .................................... 12
1.2.6. Quy định về 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 bằng dung môi vô cơ ............................................. 15
1.4.2. Phương pháp định lượng bằng quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis ..... 17
1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................. 20
1.5.1. Nghiên cứu trong nước ............................................................................ 20
1.5.2. Nghiên cứu ngoài nước ............................................................................ 20
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................... 22
2.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 22
2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ............................................................... 22
2.3. Vật liệu, hoá chất và trang thiết bị .............................................................. 22
2.3.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 22
2.3.2. Dụng cụ và thiết bị ................................................................................... 23
2.3.3. Hóa chất ................................................................................................... 23
2.4. Phương pháp và 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 quá trình

hiệu suất trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin .............................. 52
3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất
trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ............................................. 52
3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin ................................................................................. 53
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian ủ đến hiệu suất trích ly và chuyển đổi
màu thành norbixin ................................................................................. 54
3.3.4. Tối ưu hóa tỷ lệ dung môi / nguyên liệu và điều kiện phản ứng
xà phòng hóa ........................................................................................... 55
3.4. Ảnh hưởng của nồng độ acid HCl để kết tủa norbixin tự do ...................... 63
3.5. Tỷ lệ chất trợ tan phù hợp để tạo chế phẩm bột norbixin tan trong nước ... 65
3.5.1. Khả năng hòa tan của bột tủa norbixin trong nước ở pH khác nhau ....... 65

xii


3.5.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất trợ tan Na2CO3 ................................................ 67
3.6. Quy trình và giá thành sản xuất thử nghiệm chế phẩm bột norbixin .......... 68
3.7. Chất lượng của chế phẩm bột norbixin ....................................................... 69
3.7.1. Hàm lượng màu norbixin trong chế phẩm bột norbixin .......................... 69
3.7.2. Hàm lượng kim loại nặng trong chế phẩm bột norbixin .......................... 70
3.7.3. Khả năng hòa tan trong 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



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


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 và bột điều màu (Bixa orellana L.) ........................... 4
Hình 1.2. Hạt điều màu khô nguyên hạt (trái) và bổ đôi (phải) ............................. 7
Hình 1.3. Cấu trúc phân tử của cis–norbixin (a) và cis–bixin (b) .......................... 8
Hình 1.4. Chuyển đổi qua lại giữa các dạng annatto .............................................. 9
Hình 1.5. Phản ứng sinh sắc tố McKeown và metaxilen ..................................... 10
Hình 1.6. Phô mai và snack sử dụng màu norbixin .............................................. 11

Hình 3.13. Sự “thiếu phù hợp” của mô hình toán học ......................................... 58
Hình 3.14. Biểu đồ Pareto thể hiện ảnh hưởng của các yếu tố ............................ 58
Hình 3.15. Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hiệu suất đối với
nhiệt độ ủ và tỷ lệ dung môi / hạt............................................................... 60
Hình 3.16. Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hiệu suất đối
với thời gian ủ và tỷ lệ dung môi / hạt ....................................................... 60
Hình 3.17. Bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hiệu suất đối
với nhiệt độ và thời gian ủ ......................................................................... 61
Hình 3.18. Mặt cắt của bề mặt đáp ứng tại điểm tối ưu ....................................... 62
Hình 3.19. Quá trình trích ly và chuyển đổi màu thành norbixin ........................ 63
Hình 3.20. Ảnh hưởng của thể tích acid HCl 36 % đến hiệu suất thu hồi norbixin
Hình 3.21. Dịch trích ly ban đầu (trái) và dịch trích ly đang kết tủa
sau 30 phút acid hóa (phải) ........................................................................ 65
Hình 3.22. Bột tủa norbixin .................................................................................. 65
Hình 3.23. Tỷ lệ norbixin hòa tan ở pH khác nhau .............................................. 66
Hình 3.24. Khả năng hòa tan của bột tủa norbixin ở pH khác nhau .................... 67
Hình 3.25. Ảnh hưởng của 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 trong nước ............................................................................................ 68
Hình 3.27. Chế phẩm bột norbixin sản xuất thử nghiệm ..................................... 69
Hình 3.28. Sữa chua được phối màu bằng chế phẩm bột norbixin ...................... 71

xvi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

thập kỷ gần đây, trong đó có màu annatto chiết từ hạt điều màu (Bixa orellane L.).
Annatto là màu tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi từ lâu trong các món ăn truyền
thống của nhiều dân tộc trên thế giới. Trong công nghiệp thực phẩm, annatto là màu
tự nhiên quan trọng thứ hai đứng sau caramel và được CODEX công nhận là màu
thực phẩm và màu dược phẩm an toàn. Annatto gồm hai hợp chất tạo màu chính là
bixin và norbixin. Bixin chiếm khoảng 80 % chất màu tổng số, tồn tại tự nhiên
trong hạt điều màu ở dạng đồng phân 9’–cis–bixin, đồng phân này cho màu cam và
không tan trong dầu thực vật. Còn đồng phân trans–bixin cho màu đỏ, tan trong dầu
thực vật và thường thấy trong các loại chế phẩm màu annatto. Riêng norbixin tan
một phần trong nước ở pH cao cho màu vàng đến cam. Như vậy, tuy chiếm tỷ lệ lớn
trong tổng số sắc tố tồn tại tự nhiên trong hạt điều màu nhưng cả bixin và norbixin
đều khó tan trong nước nên màu annatto nguyên thủy không tiện dụng. Mặt khác do
cấu trúc hóa học của bixin có nhóm ester nên có thể chuyển đổi bixin và norbixin
trong hạt điều màu thành muối natri hoặc kali của norbixin để tăng khả năng hòa tan
trong nước, từ đó tăng tính tiện dụng của chế phẩm màu annatto.
Ở Việt Nam, cây điều màu được canh tác hoặc mọc hoang dại ở Nam Bộ,
Tây Nguyên và một số tỉnh miền Trung, chủ yếu để thu hoạch hạt dùng tạo màu cho
thực phẩm. Sản phẩm thương mại liên quan đến cây điều màu phần lớn là hạt khô
hoặc là thành phần trong bột cà ri (chiếm khoảng 50 % khối lượng). Hiện đã có một
số tác giả trong nước điều tra, nghiên cứu về thành phần hóa học và quy trình trích

1


ly để sản xuất chế phẩm màu từ hạt điều màu nhưng vẫn chưa có một quy trình
công nghệ sản xuất nào có thể triển khai ở quy mô công nghiệp.
Nhằm góp phần xây dựng quy trình sản xuất đơn giản, hiệu quả và dễ triển
khai thực tế cho ra chế phẩm bột norbixin tan trong nước, tiện sử dụng cho nhiều
sản phẩm thực phẩm, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu trích ly và chuyển đổi màu
hạt điều màu (Bixa orellana L.) thành norbixin tạo chế phẩm bột norbixin tan trong


Thực vật (Plantae)

Ngành (Division):

Thực vật có hoa (Angiospermae)

Lớp (Class):

Hai lá 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 ở vùng nhiệt đới, lá xanh quanh năm, có thể sống
tới 50 năm. Thân cây dạng cây bụi hoặc gỗ nhỏ, có nhiều cành, chiều cao 3 – 10 m

Colombia, Ecuador, Jamaica, Mexico, Puerto Rico và Dominica. Cây điều màu du
nhập vào Ấn Độ và khu vực Đông Nam Á từ thế kỷ 17 bởi người Tây Ban Nha đưa
tới để làm chất nhuộm màu thực phẩm. Sau đó được du nhập vào Hoa Kỳ và Châu
Phi. Một số nước Châu Âu như Anh, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy cũng đã thuần
hóa thành công loài cây này nhưng chúng phát triển kém hơn so với vùng nhiệt đới.
Loại cây này cũng được trồng ở Hawaii và một số đảo thuộc khu vực biển Thái
Bình Dương.
Ở Việt Nam cây điều màu được nhập nội để trồng vào thời kỳ Pháp thuộc,
hiện nay loài cây này mọc hoang dại hoặc được trồng rải rác ở vùng đồng bằng
Nam Bộ, Tây Nguyên và miền Trung để thu hoạch hạt, làm cảnh hoặc làm thuốc
(Võ Văn Chi, 1969). Loại cây này có thể trồng vào bất kỳ thời điểm nào trong năm
và thường ra 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 chỉ đạt 3 000 tấn hạt khô nhưng đến
nay đạt khoảng 14 500 tấn với giá trung bình 1 100 USD/tấn. Theo nhiều báo cáo
khác nhau, sản lượng hạt dao động trong khoảng 300 – 600 kg/ha tuỳ tuổi cây, điều
kiện khí hậu và chế độ canh tác. Châu lục đóng góp sản lượng annatto nhiều nhất là
châu Mỹ, khu vực Nam Mỹ có Brazil là nước sản xuất nhiều nhất tới 5 000 tấn;
Peru xuất khẩu 4 000 tấn với khách hàng lớn nhất là Nhật Bản; nước có sản lượng ít
hơn là Ecuador. Khu vực Trung Mỹ có các nước Dominicana, Honduras, Colombia,
Bolivia, Guatemala và Costa Rica. Vùng Carribean gồm có Jamaica, Tobago và
Trinidad. Còn khu vực Bắc Mỹ chỉ có đại diện là Mexico. Châu Phi đóng góp nhiều
nhất là Kenya, hàng năm nước này xuất khẩu 1 500 tấn hạt khô và chế phẩm, ngoài
ra phải kể đến Nam Phi, Zimbabwe và Ivory Coast. Các nước có sản lượng ít hơn là
5


Ấn Độ, Sri Lanka, Philippine, Thổ Nhĩ Kỳ và Angola. Mỹ là nước nhập khẩu
annatto nhiều nhất (3 000 tấn/năm), kế sau là châu Âu (2 500 tấn/năm) trong đó
Anh chiếm tỷ lệ nhiều nhất và Đan Mạch là nước chế biến màu annatto hàng đầu

khi trích ly không cần thiết phải nghiền hạt. Năm 2006, Nobre et al. đã so sánh và
thấy rằng hàm lượng annatto trích nguyên hạt và hạt nghiền mịn cho kết quả không
khác biệt. Trích ly nguyên hạt còn có ưu điểm hơn đó là hạn chế tạp chất lẫn với
chất màu, gây khó khăn và tốn kém cho công đoạn tinh sạch tiếp theo.
Theo khảo sát của Bùi Thị Mỹ Lệ (2012), hàm lượng màu trong hạt điều màu
tăng dần trong quá trình sinh trưởng và phát triển của hạt. Do đó, hạt điều màu chín
có hàm lượng màu cao nhất.

Hình 1.2. Hạt điều màu khô nguyên hạt (trái) và bổ đôi (phải)
1.2. Phẩm màu annatto
1.2.1. Danh pháp, cấu tạo của bixin và norbixin
Màu annatto có bản chất là carotenoid, gồm hai thành phần tạo màu chính là
bixin và norbixin, công thức cấu tạo của bixin là C25H30O4 (Mw = 394,5) và
norbixin là C24H28O4 (Mw = 380,5). Ở trong hạt điều màu, chất màu bixin tồn tại ở
dạng đồng phân cis với tên đầy đủ là methyl (9–cis)–hydrogen–6,6'–diapo–Ψ,Ψ–
carotenedioate. Còn cis–norbixin tên đầy đủ là 6,6'–diapo–Ψ,Ψ–carotenedioic acid
(Haque, 2011). Mạch carbon của bixin và norbixin có các nối đôi xen kẽ đều đặn
giữa các nối đơn. Như vậy, norbixin là một hợp chất dicarboxylic có hai gốc
carboxyl tự do còn bixin là methyl ester của acid norbixin, nên bixin chỉ còn một
nhóm carboxyl tự do (Hình 1.3).
7