Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Tối ưu hóa quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy chân không đến thành phần hóa học và hoạt tính chống oxy hóa trong rễ Đương Quy (Angelica sinensis Oliv.)

Vì vậy trong khoá luận này, việc đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy chân không đến khối lượng nước mất đi so với mẫu tươi ban đầu có trong rễ đươn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: PGS TS NGUYỄN VINH TIẾN SVTH: PHẠM THU HUYỀN

TP Hồ Chí Minh, tháng 8/2024

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THẨM THẤU

VÀ SIÊU ÂM TRƯỚC KHI SẤY CHÂN KHÔNG ĐẾN

THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ

THẨM THẤU VÀ SIÊU ÂM TRƯỚC KHI SẤY

SVTH: Phạm Thu Huyền MSSV: 20128120

GVHD: PGS TS Nguyễn Vinh Tiến

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

CHÂN KHÔNG ĐẾN THÀNH PHẦN HOÁ HỌC

VÀ HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HOÁ TRONG

RỄ ĐƯƠNG QUY (Angelica sinensis Oliv.)

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THẨM THẤU VÀ SIÊU ÂM TRƯỚC KHI SẤY

CHÂN KHÔNG ĐẾN THÀNH PHẦN HOÁ HỌC

VÀ HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HOÁ TRONG

RỄ ĐƯƠNG QUY (Angelica sinensis Oliv.)

SVTH: Phạm Thu Huyền MSSV: 20128120

GVHD: PGS TS Nguyễn Vinh Tiến

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

i

TÓM TẮT KHOÁ LUẬN

Đương quy (Angelica sinensis Oliv.) là một loại thảo dược quý sống lâu năm thuộc họ

Apiaceae Rễ của chúng chứa nhiều hợp chất mang đến nhiều công dụng về dược lý

chẳng hạn là điều hoà kinh nguyệt, hỗ trợ sức khoẻ sinh sản, chống viêm, chống khuẩn,

cải thiện tuần hoàn máu và chống oxy hoá Trong y học cổ truyền, cây này được sử dụng

để sắc thuốc, dùng ở dạng thuốc bột hoặc viên nang và thường được kết hợp với các loại

thảo dược khác để tăng cường hiệu quả điều trị

Sấy chân không là một phương pháp sấy để bảo quản dược liệu với nhiều ưu điểm nên

được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, thời gian sấy có thể được giảm để tiết kiệm năng

lượng bằng cách làm giảm một phần nước trước khi sấy Vì vậy trong khoá luận này,

việc đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy chân

không đến khối lượng nước mất đi so với mẫu tươi ban đầu có trong rễ đương quy

(Angelica sinensis Oliv.) đã được thực hiện Kết quả khảo sát thu được mô hình bậc nhất

có giá trị p < 0,05, do đó phương pháp xử lý này có ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng

nước mất đi so với rễ tươi ban đầu

Thực hiện khảo sát sàng lọc được 3 yếu tố đầu vào và xác định điều kiện tối ưu theo

thiết kế Box – Behnken, có 17 thí nghiệm, được thiết kế bằng phần mềm Design Expert

Kết quả điều kiện tối ưu là: nồng độ dung dịch sucrose là 44,69%, thời gian siêu âm là

25 phút, tỉ lệ giữa dung dịch thẩm thấu và nguyên liệu thô là 5 mL/g Với điều kiện tối

ưu này thu được tổng hàm lượng flavonoid là 658,89 mg RE/100 g dm Tính tương thích

giữa mô hình tối ưu hoá và thực nghiệm đã được kiểm tra

So sánh 2 mẫu độ ẩm xấp xỉ nhau là mẫu NOS – 8h (6,79%) và OS – 7h (6,47%) lần

lượt có: TFC là 635,34 mg RE/100 g dm và 640,60 mg RE/100 g dm; TPC là 375,68 mg

GAE/100 g dm và 380,36 mg GAE/100 g dm; % ức chế gốc tự do DPPH là 60,92% và

62,30% Từ kết quả cho thấy quá trình xử lý thẩm thấu – siêu âm trước khi sấy chân

không rễ đương quy (A sinensis) làm giảm khối lượng nước đáng kể so với mẫu không

có xử lý, giúp thời gian sấy ngắn hơn và bảo quản được hàm lượng flavonoid, hàm lượng

phenolic và hoạt tính chống oxy hoá Do đó, việc xử lý thẩm thấu – siêu âm trước khi

sấy mang tính kinh tế và có thể ứng dụng rộng rãi trong quy mô công nghiệp

ii

LỜI CẢM ƠN

Để trải qua một hành trình không quá ngắn cũng không quá dài trong suốt 4 năm, bản thân em trân trọng khi mình là một sinh viên của Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TPHCM, đặc biệt là dưới mái nhà của khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm và nhất

là chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hoá hữu cơ mà em đã được đồng hành

Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp đại học này, em trân trọng gửi lời cảm ơn đến thầy PGS TS Nguyễn Vinh Tiến – giảng viên hướng dẫn rất nhiệt tình Thầy luôn trả lời những câu hỏi khi em thắc mắc, chỉ dạy em những chỗ em chưa hiểu

và động viên em mỗi khi bản thân em làm chưa tốt Lời cảm ơn kế tiếp, em xin phép gửi đến tất cả các thầy cô ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học nói chung và chuyên ngành Hóa hữu cơ nói riêng Em cảm thấy mình may mắn khi nhận được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô Em biết bản thân mình không phải là một cá thể xuất sắc nhưng thầy

cô vẫn nhẫn nại với sinh viên chúng em Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô KS Nguyễn Thị Mỹ Lệ đã hỗ trợ những hóa chất, dụng cụ và thiết bị khi chúng em cần Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên khóa K20 ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học và đặc biệt là các bạn chuyên ngành Hóa hữu cơ Các bạn đã đi cùng em qua những ngày khó khăn, có cả những đêm không ngủ trên phòng thí nghiệm B314, B315 để có thể kịp hoàn thành khóa luận này Các bạn vừa là áp lực vừa là động lực để chúng em cùng nhau vượt qua khoảng thời gian đầy gian nan này

Và cuối cùng không thể thiếu trong suốt hành trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp đó là chính là gia đình của em Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình của mình Gia đình là động lực thúc đẩy em hoàn thành tốt nhất có thể để em vững bước trong hành trình sắp tới mà

bản thân còn phải đối mặt

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 08 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Phạm Thu Huyền

iii

LỜI CAM ĐOAN

Em tên là Phạm Thu Huyền, mã số sinh viên 20128120, là sinh viên khoá K20 chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hoá hữu cơ Em xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bài khoá luận tốt nghiệp này là của riêng bản thân em và được thực hiện đầy

đủ dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến Các thông tin tham khảo trong bài đều được tham khảo từ những nguồn đáng tin cậy và đã công bố rộng rãi Em xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khoá luận tốt nghiệp được trích dẫn chính xác theo quy định

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 08 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Phạm Thu Huyền

iv

MỤC LỤC

TÓM TẮT KHOÁ LUẬN i

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặc điểm thực vật và phân bố của đương quy (Angelica sinensis Oliv.) 1

1.2 Thành phần hoá học của đương quy (Angelica sinensis Oliv.) 2

1.2.1 Các hợp chất phthalide 3

1.2.2 Các hợp chất acid phenolic 5

1.2.3 Các hợp chất flavonoid 5

1.2.4 Các hợp chất polysaccharide 7

1.3 Hoạt tính sinh học của đương quy (Angelica sinensis Oliv.) 10

1.3.1 Hoạt động hỗ trợ miễn dịch và tạo máu 10

1.3.2 Tác dụng chống ung thư 11

1.3.3 Hoạt động chống oxy hoá 11

1.4 Tổng quan về sấy chân không 12

1.5 Tổng quan về xử lý thẩm thấu – siêu âm 13

1.6 Phương pháp thiết kế thí nghiệm 14

1.6.1 Giới thiệu về thiết kế thí nghiệm (DoE) 14

v

1.6.2 Phương pháp thiết kế thí nghiệm theo thiết kế giai thừa (Factorial Design) 15

1.7 Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) 17

1.7.1 Sơ lược về phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) 17

1.7.2 Các phương pháp tối ưu hoá trong phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) 17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Nguyên liệu – Hoá chất – Thiết bị 20

2.2 Phương pháp nghiên cứu 21

2.2.1 Khảo sát xử lý thẩm thấu – siêu âm bằng phương pháp thiết kế thí nghiệm theo thiết kế giai thừa đầy đủ (Full Factorial Design) 23

2.2.2 Phương pháp xác định lượng nước mất đi sau xử lý thẩm thấu – siêu âm 25

2.2.3 Xây dựng mô hình tối ưu hoá quá trình xử lý thẩm thấu – siêu âm theo phương pháp thiết kế Box – Behnken 25

2.2.4 Kiểm tra mô hình tối ưu hoá 28

2.2.5 Phương pháp sấy chân không 28

2.2.6 So sánh nguyên liệu không có và có xử lý thẩm thấu – siêu âm 30

2.2.6.1 Phương pháp xác định tổng hàm lượng flavonoid 30

2.2.6.2 Phương pháp xác định tổng hàm lượng phenolic 32

2.2.6.3 Phương pháp xác định hoạt tính chống oxy hoá thông qua khả năng ức chế gốc tự do DPPH 33

2.3 Phương pháp xử lý số liệu thống kê 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36

3.1 Kết quả xử lý thẩm thấu – siêu âm theo thiết kế thí nghiệm giai thừa đầy đủ (Full Factorial Design) 36

3.2 Kết quả xác định các yếu tố xử lý thẩm thấu – siêu âm ảnh hưởng đến tổng hàm lượng flavonoid (TFC) 40

3.3 Xây dựng mô hình tối ưu hoá đối với hàm đầu ra tổng hàm lượng flavonoid 45

vi

3.3.1 Kết quả kiểm tra mô hình tối ưu hoá 50

3.4 Kết quả so sánh mẫu rễ đương quy (A sinensis) không có và có xử lý OS 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 64

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại khoa học 1

Bảng 1.2 Một số hợp chất flavonoid có trong đương quy (A sinensis) 6

Bảng 1.3 Một số hợp chất flavonoid có trong đương quy (A sinensis) (tiếp theo) 7

Bảng 1.4 Một số hợp chất polysaccharide có trong đương quy (A sinensis) 8

Bảng 1.5 Một số hợp chất polysaccharide có trong đương quy (A sinensis) (tiếp theo) 9

Bảng 1.6 So sánh hai phương pháp thiết kế thí nghiệm 15

Bảng 1.7 Thiết kế thí nghiệm khảo sát theo thiết kế giai thừa 2, 3, 4 yếu tố với hai mức độ, mức dưới và mức trên được mã hoá 16

Bảng 2.1 Các hoá chất được sử dụng trong quá trình nghiên cứu 20

Bảng 2.2 Các thiết bị được sử dụng trong quá trình nghiên cứu 21

Bảng 2.3 Giá trị từng mức độ của các yếu tố đầu vào 23

Bảng 2.4 Thiết kế thí nghiệm khảo sát theo thiết kế giai thừa 4 yếu tố hai mức độ 24

Bảng 2.5 Giá trị từng mức độ của các yếu tố đầu vào 26

Bảng 2.6 Thiết kế thí nghiệm tối ưu hoá theo thiết kế Box - Behnken 27

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm thiết kế giai thừa đối với khối lượng nước mất đi trong rễ đương quy (A sinensis) 37

Bảng 3.2 Giá trị F và p cho mô hình đơn yếu tố 38

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm thiết kế giai thừa đối với tổng hàm lượng flavonoid 40

Bảng 3.4 Giá trị ANOVA cho mô hình đơn yếu tố và tương tác giữa 2 yếu tố 41

Bảng 3.5 Giá trị F và p cho mô hình đơn yếu tố 42

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm tối ưu hoá của tổng hàm lượng flavonoid 45

Bảng 3.7 Hệ số hồi quy và giá trị độ tin cậy của phương trình 47

Bảng 3.8 Giá trị TFC dự đoán của mô hình tối ưu hoá 51

Bảng 3.9 Tổng hàm lượng flavonoid giữa dự đoán của mô hình và thực nghiệm 51

Bảng 3.10 Kết quả các thí nghiệm so sánh TFC, TPC, % ức chế 52

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lá cây đương quy và rễ cây đương quy 2

Hình 1.2 Một số hợp chất phthalide có trong đương quy (A sinensis) 3

Hình 1.3 Một số hợp chất phthalide có trong đương quy (A sinensis) (tiếp theo) 4

Hình 1.4 Một số hợp chất acid phenolic có trong đương quy (A sinensis) 5

Hình 1.5 Khung cơ bản của hợp chất flavonoid 6

Hình 1.6 Thiết bị sấy chân không 13

Hình 1.7 Mô hình 3D của thiết kế giai thừa ba cấp độ 3 yếu tố 18

Hình 1.8 Mô hình 3D của thiết kế tổng hợp trung tâm (CCD) 3 yếu tố 18

Hình 1.9 Mô hình 3D của thiết kế Box – Behnken (BBD) 3 yếu tố 19

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình thực hiện 22

Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động thiết bị sấy chân không 29

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình xác định tổng hàm lượng flavonoid 31

Hình 2.4 Sơ đồ quy trình xác định tổng hàm lượng phenolic 33

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình xác định khả năng ức chế gốc tự do DPPH 34

Hình 3.1 Ảnh hưởng của các yếu tố (a): nồng độ dung dịch thẩm thấu; (b): thời gian siêu âm; (c): nhiệt độ siêu âm; (d): tỉ lệ giữa dung dịch thẩm thấu và nguyên liệu thô đến khối lượng nước mất đi trong rễ cây 39

Hình 3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố (a): nồng độ dung dịch thẩm thấu; (b): thời gian siêu âm; (c): nhiệt độ siêu âm; (d): tỉ lệ giữa dung dịch thẩm thấu và nguyên liệu thô đến hàm đầu ra (TFC) 43

Hình 3.3 Biểu đồ 3D (trái); biểu đồ đường đồng mức 2D (phải) phân tích bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa nồng độ dung dịch thẩm thấu và thời gian siêu âm 48

Hình 3.4 Biểu đồ 3D (trái); biểu đồ đường đồng mức 2D (phải) phân tích bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa nồng độ dung dịch thẩm thấu và tỉ lệ giữa dung dịch thẩm thấu và nguyên liệu thô 49

Hình 3.5 Biểu đồ 3D (trái); biểu đồ đường đồng mức 2D (phải) phân tích bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa thời gian siêu âm và tỉ lệ giữa dung dịch thẩm thấu và nguyên liệu thô 50

ix

DANH MỤC VIẾT TẮT

ABTS 2,2'-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) -

AE – AS Acetone Extract – Angelica Sinensis Chiết xuất đương quy từ acetone

CFU – GM The colony forming unit – granulocyte macrophage Đơn vị hình thành khuẩn lạc – đại thực bào bạch cầu

FRAP Ferric reducing ability of plasma Khả năng khử sắt của huyết tương

gallic

x

lách

xi

MỞ ĐẦU

Trong kho tàng y học cổ truyền, nhiều loại thảo dược đã được sử dụng từ lâu để hỗ trợ

và cải thiện sức khoẻ con người Trong số đó không thể không kể đến là đương quy

(Angelica sinensis Oliv.), một loại thảo dược quý báu và nổi tiếng với nhiều công dụng

hữu ích Với nguồn gốc từ vùng núi cao của Trung Quốc và được biết đến như một “nhân

sâm cho phụ nữ”, đương quy (Angelica sinensis Oliv.) đã trở thành một phần không thể

thiếu trong các bài thuốc đông y [1]

Nhờ có các thành phần hoá học phong phú trong rễ như là các hợp chất acid phenolic (acid chlorogenic và acid ferulic), flavonoid, polysaccharide và phthalide (ligustilide,

3-butenylphthalide),… [2] nên đương quy (Angelica sinensis Oliv.) không chỉ giúp điều

hoà kinh nguyệt, giảm đau bụng kinh mà còn có tác dụng chống viêm, chống ung thư

và cải thiện tuần hoàn máu

Trước đây đã có những nghiên cứu về các phương pháp sấy đương quy (A sinensis),

trong đó sấy chân không thể hiện nhiều ưu điểm với khả năng ngăn ngừa quá trình oxy hoá và tiết kiệm năng lượng do quá trình sấy nhanh hơn và nhiệt độ thấp hơn Tuy nhiên,

mẫu rễ đương quy (A sinensis) có thể được giảm một phần nước bằng cách xử lý trước

khi sấy chân không Vì vậy, đề tài: “Tối ưu hoá quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm

trước khi sấy chân không đến thành phần hoá học và hoạt tính chống oxy hoá của

rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.)” được chọn để thực hiện khoá luận tốt nghiệp,

với mục đích đánh giá về ảnh hưởng của các yếu tố xử lý đến sản phẩm sau khi sấy Từ

đó, tiềm năng về công dụng của rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.) đối với sức khoẻ

con người có thể được phát triển

Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá phương pháp xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy chân không đến khối

lượng nước mất đi so với mẫu rễ tươi ban đầu của đương quy (Angelica sinensis Oliv.)

Đánh giá và chọn lọc các yếu tố của quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy

chân không đến tổng hàm lượng flavonoid của rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.)

xii

Tối ưu hoá các điều kiện đã chọn lọc của quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy chân đến tổng hàm lượng flavonoid theo thiết kế Box – Behnken (BBD)

Đánh giá tổng hàm lượng flavonoid, tổng hàm lượng phenolic và hoạt tính chống oxy

hoá của rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.) không có và có xử lý thẩm thấu và siêu

âm trước khi sấy chân không

Đối tượng nghiên cứu

Rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.) được thu thập từ thành phố Đà Lạt, tỉnh Lâm

Đồng vào tháng 12 năm 2023

Phạm vi nghiên cứu

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy

chân không đến tổng hàm lượng flavonoid của rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.)

Xây dựng mô hình tối ưu hoá quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy chân

không đến tổng hàm lượng flavonoid của rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.)

So sánh tổng hàm lượng flavonoid, phenolic và hoạt tính chống oxy của rễ đương quy

(Angelica sinensis Oliv.) không có và có quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi

sấy chân không

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: kết quả là cơ sở khoa học, minh chứng về việc khảo sát các yếu tố

ảnh hưởng trong quá trình xử lý thẩm thấu và siêu âm trước khi sấy chân không đến

tổng hàm lượng flavonoid của rễ đương quy (Angelica sinensis Oliv.), định hướng hạn

chế các yếu tố làm mất mát đáng kể các thành phần hoá học của cây

Ý nghĩa thực tiễn: tìm được các điều kiện xử lý thẩm thấu – siêu âm để đạt được hàm

lượng flavonoid tối đa Từ cơ sở trên, việc phát triển những nghiên cứu chuyên sâu có thể được thực hiện về việc vận dụng quá trình xử lý trước khi sấy các mẫu dược liệu để giữ các hoạt tính tiềm năng của cây trong quá trình sấy chân không làm ra các dược phẩm có chất lượng cao

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặc điểm thực vật và phân bố của đương quy (Angelica sinensis Oliv.)

Đương quy (Angelica sinensis Oliv.) là một cây thân thảo lâu năm, được trồng chủ yếu

vùng Tây Bắc, Trung Quốc Rễ của nó là một trong những loại thuốc thô quan trọng nhất trong y học cổ truyền Trung Quốc và được sử dụng như một chất bổ, tạo máu, tăng cường lưu thông máu để điều trị rối loạn kinh nguyệt [3, 4] Ở Việt Nam, cây đương quy

(A sinensis) nhập trồng vào những năm 60, hiện nay được trồng nhiều ở Sapa (Lào Cai),

Ngọc Lĩnh (Kontum) và Đà Lạt (Lâm Đồng)

Phân loại khoa học chi tiết của cây đương quy (Angelica sinensis Oliv.) được đưa ra

trong bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1.1 Phân loại khoa học

Chi (genus) Angelica

Loài (species) A sinensis

Đương quy (Angelica sinensis Oliv.) sinh trưởng nhiều ở vùng có khí hậu ôn đới, mát

mẻ, đặc biệt là vùng núi cao 2000 – 3000 m Chúng là cây thân thảo lớn, chiều cao từ

40 – 100 cm, sống lâu năm với thân cây có hình trụ, phân nhánh, nhiều rễ con, mọng nước, có mùi thơm nồng Lá cây có hình mác dài màu xanh tía, có viến màng, xẻ lông

2

chim 3 lần, mọc so le, mép lá có viền răng cưa còn đầu lá nhọn như hình 1.1 [1] Hoa

của cây đương quy (A sinensis) là hoa nhỏ có màu xanh trắng, chúng thường mọc thành

chùm 10 – 40 hoa ở ngọn cây, quả dẹt, có màu tím nhạt

Hình 1.1 Lá cây đương quy và rễ cây đương quy

1.2 Thành phần hoá học của đương quy (Angelica sinensis Oliv.)

Những nghiên cứu trước đây đã cho thấy đương quy (A sinensis) có nhiều thành phần

hợp chất như: acid phenolic (acid chlorogenic và acid ferulic), flavonoid, polysaccharide

và phthalide (ligustilide, 3-butenylphthalide) [2] Z-ligustilide, Z-butylidenephthalide,

polysaccharide và acid ferulic là những thành phần nổi bật về hoạt tính sinh học của

đương quy (A sinensis) Đặc biệt, acid ferulic, các hợp chất phthalide thường được sử

dụng để theo dõi, kiểm soát chất lượng và nghiên cứu dược động học của cây này đem đến lợi ích về sức khoẻ đối với con người [5]

3

1.2.1 Các hợp chất phthalide

Phthalide là hợp chất có chứa nhân gốc là phthalide và thành phần chính là ligustulide

(E và Z) Chúng được tìm thấy nhiều trong đương quy (A sinensis) và hầu như các chi

Angelica Một số hợp chất phthalide đặc trưng có trong hình 1.2, hình 1.3 [6] được sử

dụng để kiểm soát chất lượng của đương quy (A sinensis) Những nghiên cứu trước đây

chỉ ra rằng hợp chất ligustilide là những thành phần hoạt tính được sử dụng chủ yếu để

ức chế co bóp tử cung [7] và có tác dụng giảm đau [8], tác dụng chống viêm [9] Phần lớn các hợp chất phthalide tương đối không phân cực, nên chúng thường được chiết xuất bằng các phương pháp liên quan đến dung môi không phân cực hoặc chưng cất hơi nước

Senkyunolide I (1) E-Ligustilide (2) Tokinolide B (3)

Senkyunolide H (4) Z-Ligustilide (5) Z-Ligustilide dimer E-232 (6)

Hình 1.2 Một số hợp chất phthalide có trong đương quy (A sinensis)

4

Levistolide A (7) E-Butylidenephthalide (8) Z,Z-6.8,7.3-Diligustilide (9)

Senkyunolide F (10) Z-Butylidenephthalide (11) Ansaspirolide (12)

Z,Z-3.3,8.8-Diligustilide (13) Senkyunolide P (14) Angelicide (15)

Senkyunolide P (16) Senkyunolide A (17) Riligustilide (18)

Hình 1.3 Một số hợp chất phthalide có trong đương quy (A sinensis) (tiếp theo)

5

1.2.2 Các hợp chất acid phenolic

Acid phenolic là một acid hữu cơ có chứa một hoặc nhiều nhóm hydroxyl (−OH) gắn với một vòng benzen Cấu trúc phổ biến của chúng bao gồm một hoặc nhiều nhóm phenol gắn với một hoặc nhiều acid carboxylic Acid ferulic là một hợp chất phenolic

có hoạt tính chống oxy hoá, chống viêm, phòng ngừa hoá học đối với chất gây ung thư

và được tìm thấy chủ yếu trong cây đương quy (A sinensis) [1] Tuy nhiên hàm lượng

acid ferulic khác nhau tuỳ thuộc vào dung môi chiết xuất Ngoài ra, các acid phenolic

trong hình 1.4 của đương quy (A sinensis) cũng chiếm ưu thế bao gồm: acid

hydroxybenzoic (acid protocatechuic, acid vanillic) và acid hydroxycinnamic (acid

caffeic, acid p-coumaric, acid cinnamic) [10]

Acid phthalic: R1 = R2 = H, R3 = COOH

Acid protocatechuic: R1 = R2 = OH, R3 = H

Acid vanillic: R1 = OMe, R2 = OH, R3 = H

Acid caffeic: R1 = R 2 = OH Acid ferulic: R1 = OMe, R2 = OH

carbon (vòng C) được mô tả trong hình 1.5 [12] Flavonoid là nhóm chất phytochemical,

có nguồn gốc từ thực vật chịu trách nhiệm tạo ra màu sắc khác nhau cho các bộ phận

6

của cây như sắc thái màu vàng, cam và đỏ Ngoài ra, chúng có đặc tính sinh hoá và dược

lý có lợi, chủ yếu có trong thực phẩm có nguồn gốc thực vật chẳng hạn như trái cây, rau, trà, thảo mộc [13]

Hình 1.5 Khung cơ bản của hợp chất flavonoid

Qua những nghiên cứu trước đây, họ đã tìm ra các hợp chất flavonoid có trong 2 giống

đương quy (A sinensis) được thể hiện trong bảng 1.2 và bảng 1.3 [14]

Bảng 1.2 Một số hợp chất flavonoid có trong đương quy (A sinensis)

1 Quercetin-3-O-(6-O-arabinosyl) glucoside (19) C26H28O16

2 Quercetin-3-O-arabinoside (Guaijaverin) (20) C20H18O11

3 Quercetin-3-O-apiosyl(1→2)galactoside (21) C26H28O16

5 Quercetin-3-O-xyloside (Reynoutrin) (23) C20H18O11

6 Quercetin-3-O-rhamnoside (Quercitrin) (24) C21H20O11

8 Quercetin-4-O-glucoside (Spiraeoside) (26) C21H20O12

9 Quercetin-3-O-galactoside (Hyperin) (27) C21H20O12

10 Quercetin-3-O-glucoside (Isoquercitrin) (28) C21H20O12

Polysaccharide là thành phần có trong đương quy (A sinensis) được sử dụng chủ yếu để

điều trị bệnh thiếu máu, rối loạn phụ khoa và bệnh gan [1] Các đặc tính vật lý, hoá học

và cấu trúc của một polysaccharide được xác định bởi nhiều yếu tố, bao gồm trọng lượng phân tử, thành phần monosaccharide, thứ tự các monosaccharide, cấu hình và vị trí của các liên kết glycosidic, loại và bậc độ polymer hoá của các nhánh, cấu hình không gian, kích thước của hạt, tính tan, tính chất đàn hồi và độ nhớt [15] Cho đến thời điểm hiện

tại, có khoảng 36 hợp chất polysaccharide được xác định từ rễ đương quy (A sinensis)

Các báo cáo khoa học đã ghi nhận hầu hết các polysaccharide được phân lập từ

8

đương quy (A sinensis) là các polysaccharide dị thể Các đơn vị tạo thành chúng bao

gồm fucose (Fuc), galactose (Gal), glucose (Glc), arabinose (Ara), rhamnose (Rha), mannose (Man), xylose (Xyl), galacturonic acid (GalA) và glucuronic acid (GlcA) [16]

Một số hợp chất polysaccharide được phân lập từ rễ đương quy (A sinensis) thể hiện

trong bảng 1.4 và bảng 1.5 [15]

Bảng 1.4 Một số hợp chất polysaccharide có trong đương quy (A sinensis)

STT Tên hợp chất Thành phần monosaccharde

2 As-IIIb (46) Glc, Man, Ara (10,0:10,0:4,0)

3 X-C-3-II (47) Glc, Gal, Ara, Rha, GalA (56,0:22,1:18,9:1,9:1,1)

4 X-C-3-III (48) Gal, Ara, Rha, GlcA, GalA (24,3:15,8:4,2:3,1:52,6)

5 X-C-3-IV (49) Gal, Ara, Rha, GlcA, GalA (12,6:10,7:7,2:8,3:61,2)

7 A sinensis polysaccharide (51) Fuc, Gal, Glc, Ara, Rha, Xyl (1,0:13,6:15,0:8,7:21,3:3,7)

8 ASP1 (51) GalA, Ara, Glc, Gal (5,35:9,15:65,00:3,66)

9 ASP2 (52) GalA, Rha, Ara, Man, Glc, (35,38:1,11:16,31:0,89:26,96:15,75)

10 ASP3 (53) GalA, Rha, Ara, Man, Glc, Gal

(58,27:1,87:10,50:0,37:0,94:24,93)

11 APF1 (54) Rha, GalA, Glc, Gal, Ara (1,00:2,65:2,02:3,45:10,64)

12 APF2 (55) Man, Rha, GalA, Glc, Gal, Ara (0,44:1,00:10,52:7,52:8,19:14,43)

13 APF3 (56) Man, Rha, GlcA, GalA, Glc, Gal, Ara

(0,74:1,00:0,25:9,06:8,62:5,94:9,28)

14 W-ASP11 (57) Ara, Glc, Gal (0,5:26,0:0,6)

15 W-ASP12 (58) Ara, Man, Glc, Gal (21,1:1,6:16,3:1,3)

16 W-ASP-2 (59) Rha, Ara, Man, Glc, Gal (1,0:14,7:0,8:24,3:14,2)

17 W-ASP-3 (60) Rha, Ara, Man, Glc, Gal (1,0:5,6:0,2:0,5:13,3)

22 ASDII-3-3 (65) Rha, Ara, Xyl, Man, Gal (0,3:1,0:0,1:0,2:5,0)

23 APF1 (66) Ara, Glc, Rha, Gal, GalA (11,0:2,6:1,0:3,5:2,5)

24 APF2 (67) Ara, Glc, Rha, Gal, Man, GalA (18,2:7,4:1,0:8,4:0,5:12,3)

25 APF3 (68) Ara, Glc, Rha, Gal, GlcA, GalA

(9,4:8,7:1,0:6,0:0,3:12,1)

26 APF1 (69) Rha, Ara, Glc, Gal (1,00:2,27:7,80:2,69)

27 APF2 (70) Rha, Ara, Man, Glc, Gal

(1,00:5,29:3,66:9,11:5,17)

28 APF3 (71) Rha, Ara, Man, Glc, Gal

(1,00:4,54:2,98:11,09:7,45)

29 APS-2a (72) Glc, Gal, Ara, Rha, GalA (1,0:7,5:38,2:2,6:4,9)

30 ASP (73) Man, Rha, GlcA, GalA, Glc, Gal, Ara, Fuc

(1,2:4,5:1,0:10,5:17,8:37,5:8,7:4,9)

31 Angelica polysaccharide (74) Rha, GalA, Glc, Gal, Ara

(0,05:0,26:14,47:1,00:1,17)

32 APS-bII (75) Glc, Gal, Xyl, Ara (8,4:2,7:1,8:1,0)

33 APS-3a (76) Glc, Gal, Ara, Rha, Man (3,2:1,7:2,5:1,3:1,0)

34 APS-3b (77) Glc, Gal, Ara, Rha, Man (2,3:5,4:6,8:1,0:1,2)

35 APS-3c (78) Glc, Gal, Ara, Rha, Man, Xyl (6,3:4,7:6,7:6,5:1,6:1,0)

36 ASP3 (79) Rha, Ara, Man, Glc, Gal (1,9:10,5:0,4:0,9:24,9)

10

1.3 Hoạt tính sinh học của đương quy (Angelica sinensis Oliv.)

Các loại thảo dược là một khía cạnh quan trọng của y học cổ truyền, đồng thời cung cấp

các loại hoá chất cần thiết Trong số các dược liệu, đương quy (A sinensis) được sử

dụng rất phổ biến trong y học [17] Các nhà thảo dược Trung Quốc đã tìm ra những lợi

ích của đương quy (A sinensis) rất nhiều đối với sức khoẻ con người Nó được sử dụng

chủ yếu để điều trị các vấn đề y khoa liên quan đến phụ nữ, thiếu máu, bệnh tim mạch…

Một số chiết xuất hoặc các hợp chất từ đương quy (A sinensis) giúp tăng lưu lượng máu

đến cơ tim, giảm tổn thương từ tia xạ và cải thiện chức năng thận Polysaccharide, thành phần chính của cây này, được chứng minh bảo vệ đường ruột và gan khỏi tổn thương,

hỗ trợ miễn dịch đồng thời tạo máu [18] Do đó, các thành phần hoá học đa dạng từ cây này có các hoạt động dược lý mang lại nhiều công dụng đối với sức khoẻ con người

1.3.1 Hoạt động hỗ trợ miễn dịch và tạo máu

Thiếu máu là một vấn đề sức khoẻ cộng đồng phổ biến, đặc biệt là ở phụ nữ Trong số các loại thảo dược được sử dụng cho các bệnh liên quan đến huyết học thì đương quy

(A sinensis) là một loại thuốc thảo dược từ Trung Quốc thường được sử dụng để bổ

sung máu và điều trị rối loạn kinh nguyệt, bệnh liên quan đến phụ khoa và các bệnh khác của phụ nữ [19] Tạo máu là quá trình tế bào gốc tạo máu hoặc tế bào tiền thân trong tuỷ xương chuyển thành tế bào máu trưởng thành bằng cách điều hoà thông qua việc tiết ra

nhiều yếu tố tăng trưởng máu Để xác định đương quy (A sinensis) có hoạt động tạo

máu và các thành phần chịu trách nhiệm cho hoạt động tạo máu, các nhà nghiên cứu đã nuôi cấy các thành phần lên tế bào tuỷ xương của chuột lần lượt là PBS – SCM (nhóm đối chứng), AS – SCM, ASPS – SCM và hoạt động tạo máu được ước tính bằng xét nghiệm hình thành khuẩn lạc CFU – GM thì khả năng hình thành khuẩn lạc GM của tế bào tuỷ xương chuột tăng lên đáng kể khi tăng nồng độ AS – SCM và ASPS – SCM so với nhóm đối chứng [20] Chính vì vậy, polysaccharide đã được xác định là phần chính

chịu trách nhiệm về công dụng tạo máu của đương quy (A sinensis) [20, 21]

11

1.3.2 Tác dụng chống ung thư

Ung thư là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu, căn bệnh này đe doạ nhân loại qua nhiều thế kỷ Mặc dù hiện nay, hiệu quả của các phương pháp điều trị ung thư theo y học phương Tây bao gồm phẫu thuật, xạ trị, hoá trị đối với phần lớn các loại ung thư đã được cải thiện nhưng việc tạo ra những tác dụng phụ vẫn còn là vấn đề chưa thể giải quyết [22] Vì vậy, gần đây một vài sự chú ý đã chuyển qua việc áp dụng thuốc

đông y để chống ung thư Để kiểm tra tác dụng chống ung thư từ đương quy (A sinensis),

Cheng và cộng sự đã sử dụng các xét nghiệm dựa trên sinh học với các dòng tế bào ung

thư khác nhau đối với cơ thể người [23] Ba hợp chất phthalide gồm (5), (11), (17) thể

hiện tác dụng gây độc tế bào chọn lọc và chống tăng sinh trong các tế bào ung thư ruột

kết HT – 29 ở người từ dược liệu đương quy (A sinensis) Nhờ vào việc chiết xuất từ rễ đương quy (A sinensis) có chứa phthalide và do sự tương tác đáng kể giữa ba hợp chất

phthalide trên mà dược liệu này có độc tính tế bào đối với các tế bào ung thư ruột kết

Ngoài ra, ba hợp chất polysaccharide có tính acid từ rễ đương quy (A sinensis) gồm

(76), (77), (78) được nghiên cứu cho hoạt động chống khối u Kết quả cho thấy chỉ có (77), (78) có tác dụng chống khối u, còn (76) không có tác động đáng kể Sự khác biệt

của các hoạt động phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc khác nhau của chúng Tác dụng chống khối u có liên quan đến việc kích thích khả năng miễn dịch, điều này có thể là kết

quả của việc kích hoạt tế bào lách và đại thực bào Từ đó, có thể đề xuất rằng (77), (78)

được xem là chất chống khối u điều hoà miễn dịch tốt

1.3.3 Hoạt động chống oxy hoá

Các gốc tự do oxy được công nhận là đóng vai trò kép trong các hệ thống sinh học, bởi

vì chúng có thể gây hại hoặc có lợi cho hệ thống sống Tuy nhiên, nồng độ các loại oxy phản ứng cao (ROS) có thể gây tổn thương cấu trúc tế bào, bao gồm lipid, màng, protein

và acid nucleic Do đó, chúng dẫn đến một số bệnh chẳng hạn như ung thư, xơ vữa động mạch, các bệnh về tim mạch, rối loạn chức năng miễn dịch và rối loạn phát sinh thần

kinh [24] Đã có những nghiên cứu trước đây cho thấy chiết xuất đương quy (A sinensis)

thể hiện các hoạt động chống oxy hoá phụ thuộc vào nồng độ [25] Chiết xuất RAS có khả năng chống oxy hoá và loại bỏ nám da gây ra bởi bức xạ cực tím, cơ chế này liên

12

quan đến việc tăng cường khả năng chống oxy hoá, ức chế sự tăng sinh melanocyte [26]

Ngoài ra, lactone của A sinensis (LAS) có tác dụng ức chế gốc tự do DPPH đáng kể

phụ thuộc vào nồng độ peroxy hoá lipid trong acid linoleic và tan máu hồng cầu chuột

do H2O2 gây ra với khả năng khử mạnh Nghiên cứu này cho thấy, LAS có khả năng ức chế gốc tự do và tác dụng chống oxy hoá [27]

1.4 Tổng quan về sấy chân không

Dược liệu thường được tiêu thụ dạng tươi hoặc khô Sấy khô là một quy trình hiệu quả

để quản lý và lưu trữ sau khi thu hoạch [28] Ngoài ra, dược liệu được sấy khô làm giảm khối lượng, dễ dàng vận chuyển và giảm thiểu quy trình đóng gói Có nhiều phương pháp sấy dược liệu được sử dụng trong ngành dược phẩm, y học để bảo quản và chế biến các loại dược liệu [29] Việc lựa chọn phương pháp sấy hiệu quả phụ thuộc vào các yếu tố như: thành phần hoá học của cây, cấu trúc của nó, yêu cầu về chất lượng cuối cùng và điều kiện sản xuất cụ thể [30] Tuy nhiên, phương pháp được ưa chuộng cho

việc sấy rễ đương quy là sấy chân không Rễ đương quy (A sinensis) là một dạng cây

có cấu trúc phức tạp và chứa các thành phần hoạt tính như flavonoid, phenolic, polysaccharide… Sấy chân không được sử dụng vì nó giữ được hàm lượng chất hoạt động của cây một cách tốt nhất, đồng thời giảm nguy cơ oxy hoá và mất chất dinh dưỡng Sấy chân không là một phương pháp sấy khô mà trong quá trình này không khí được hút ra khỏi môi trường làm việc để tạo ra một áp suất thấp và hầu như không có không khí [31] Do không có không khí trong hệ thống nên sấy chân không cho phép sản phẩm khô nhanh hơn so với các phương pháp sấy khác, giúp tiết kiệm thời gian sản xuất, giảm chi phí và bảo quản chất lượng sản phẩm đáng kể [32] Ngoài ra, trong môi trường không khí, việc tiếp xúc với oxy có thể gây ra sự oxy hoá của các sản phẩm, giảm chất lượng sản phẩm sau khi sấy nên sấy chân không sẽ giảm thiểu nguy cơ oxy hoá Hơn thế nữa, phương pháp sấy này có thể làm giảm hoặc loại bỏ vi khuẩn và vi sinh vật từ môi trường, giúp tăng cường vệ sinh và an toàn cho dược liệu Mặc dù quá trình sấy chân không đòi hỏi năng lượng để tạo ra và duy trì áp suất thấp, nhưng do tiết kiệm thời gian và tăng tốc

độ sấy nên nó sẽ tiết kiệm năng lượng hơn so với các phương pháp sấy khác trong thời gian dài

13

Bên cạnh những ưu điểm thì máy sấy chân không thường có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với các phương pháp sấy khác như sấy bằng không khí nóng Để hoạt động hiệu quả, máy sấy chân không đòi hỏi kiểm soát chính xác áp suất buồng sấy, điều này có thể làm chi phí vận hành cao, đặc biệt là đối với các máy sấy lớn hoặc phức tạp Một số vật liệu nhất định có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình sấy chân không, chẳng hạn như các chất

dễ bay hơi hoặc dễ phân huỷ trong điều kiện chân không

Hình 1.6 Thiết bị sấy chân không

1.5 Tổng quan về xử lý thẩm thấu – siêu âm

Qua những nghiên cứu trước đây, quá trình xử lý thẩm thấu (OD) cho phép loại bỏ một phần nước bằng cách tiếp xúc trực tiếp sản phẩm với môi trường ưu trương [33] Tại đó, xảy ra quá trình truyền khối với hai dòng ngược nhau, đó là dòng nước từ sản phẩm sang dung dịch thẩm thấu và dòng còn lại là truyền chất tan vào sản phẩm Sự thất thoát các chất hoà tan tự nhiên của sản phẩm (đường, acid hữu cơ, khoáng chất) không thể bỏ qua

về mặt định lượng nhưng có thể quan trọng đối với giá trị cảm quan và dinh dưỡng của

14

sản phẩm Tác nhân thẩm thấu được sử dụng dẫn đến trọng lượng phân tử hoặc tính chất ion của nó ảnh hưởng mạnh mẽ đến động học của quá trình loại bỏ nước Hiện nay, các chất thẩm thấu được sử dụng phổ biến nhất là sucrose và natri clorua [34] Một số loại dược liệu sẽ bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của nước, đặc biệt là quá trình lưu trữ hoặc vận chuyển, nên loại bỏ bớt một phần nước giúp tăng độ ổn định và kéo dài tuổi thọ của sản phẩm Trong các quy trình xử lý tiếp theo như sấy, chiết thì việc loại bỏ nước giúp tăng hiệu quả chiết xuất hoặc quá trình chuyển đổi hoá học Ngoài ra, nước thường là điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc Bằng cách loại bỏ nước, nguy cơ ô nhiễm và hỏng sản phẩm có thể giảm đi

Các hợp chất hoạt tính sinh học của thực vật là nguồn quan trọng cho sự phát triển của thực phẩm, dinh dưỡng, mỹ phẩm và dược phẩm Việc áp dụng công nghệ siêu âm trước quá trình sấy khô hoặc tiền xử lý thực vật đã được nghiên cứu từ đầu những năm 2000 Ngoài ra, sử dụng siêu âm kết hợp hỗ trợ mất nước bằng thẩm thấu sẽ tăng cường những thay đổi gây ra trong quá trình tiền xử lý Quá trình xử lý thẩm thấu có sự hỗ trợ siêu

âm (OS) diễn ra khi chất lỏng chứa mẫu được siêu âm là dung dịch thẩm thấu Trong quá trình thẩm thấu diễn ra, nước di chuyển từ dược liệu đã xử lý vào dung dịch thẩm thấu và các chất hoà tan di chuyển theo hướng ngược lại [35] Sóng siêu âm lúc này được sử dụng để tăng cường vận chuyển khối lượng cả về việc loại bỏ nước và tăng lượng đường từ dung dịch thẩm thấu vào bên trong dược liệu [36] Nó làm tăng sự biến dạng của cấu trúc mô do sóng siêu âm và áp suất thẩm thấu tạo ra các kênh nhỏ làm giảm ranh giới khuếch tán và tăng cường truyền khối lượng đối lưu của mẫu

1.6 Phương pháp thiết kế thí nghiệm

1.6.1 Giới thiệu về thiết kế thí nghiệm (DoE)

Thiết kế thí nghiệm (DoE) là một quy trình có hệ thống các điều kiện thí nghiệm nhằm xác định mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào và kết quả đầu ra [37, 38] Các bước để thực hiện DoE bao gồm: lập kế hoạch, thực hiện thí nghiệm và phân tích dữ liệu thu được Trong bước lập kế hoạch, các yếu tố và mức độ cần thiết được xác định cùng với việc thiết lập các mục tiêu rõ ràng và phương pháp tiến hành [38, 39] Bước thực hiện

15

thí nghiệm là quá trình tiến hành tất cả các thí nghiệm đã đặt ra, đảm bảo tính nhất quán

và chính xác trong quá trình thu thập dữ liệu Cuối cùng, phân tích dữ liệu thu được bằng việc sử dụng phương pháp thống kê, từ đó đưa ra các kết luận hợp lệ và khách quan DoE thường được áp dụng rộng rãi để nghiên cứu các tác động đa chiều và tương tác phức tạp trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp [40, 41] Có 2 phương pháp DoE chủ yếu trong phần mềm Design Expert 13.0 là: thiết kế ngẫu nhiên hoá (Randomized)

và thiết kế ô phân chia (Split – Plot) Dưới đây là bảng 1.6 so sánh hai phương pháp

thiết kế thí nghiệm trên

Bảng 1.6 So sánh hai phương pháp thiết kế thí nghiệm

Tiêu chí Thiết kế ngẫu nhiên hoá (Randomized) Thiết kế ô phân chia (Split – Plot)

Định nghĩa Các yếu tố và các mức độ của chúng được phân bố ngẫu nhiên

Các yếu tố chính được gán vào ô lớn, các mức độ của yếu tố phụ trong mỗi yếu tố chính được gán vào ô nhỏ

Cho phép kiểm soát tốt hơn các yếu tố

và giảm bớt sự biến thiên ngẫu nhiên trong các ô nhỏ

Nhược điểm Khó kiểm soát khi có nhiều yếu tố và mức độ phức tạp

Phương pháp phân tích số liệu phức tạp hơn, thường cần sử dụng các mô hình thống kê tiên tiến

Ứng dụng Phù hợp cho các thí nghiệm đơn giản Phù hợp cho các thí nghiệm phức tạp, nhiều yếu tố và mức độ khác nhau

1.6.2 Phương pháp thiết kế thí nghiệm theo thiết kế giai thừa (Factorial Design)

Thiết kế giai thừa (Factorial Design) là một phương pháp thiết kế thí nghiệm bao gồm tất cả các mức độ của yếu tố này kết hợp với tất cả các mức độ của yếu tố khác, tạo ra các tổ hợp thí nghiệm khác nhau Phương pháp này cho phép tìm và đánh giá một cách toàn diện sự ảnh hưởng của từng yếu tố cũng như các tương tác của các yếu tố trong một

hệ thống hoặc quy trình [39] Ngoài ra, quá trình này còn cung cấp cơ sở vững chắc cho

16

việc đưa ra các quyết định cải tiến và tối ưu hoá hệ thống [42] Để kiểm tra ảnh hưởng của một số yếu tố và sự tương tác giữa chúng đối với đại lượng đáp ứng, các thí nghiệm cần được thực hiện có hệ thống bằng cách sử dụng các thiết kế giai thừa [39] Thiết kế giai thừa bao gồm tất cả các kết hợp có thể có của các yếu tố và cấp độ đã được chọn Một trong những thiết kế giai thừa bậc nhất phổ biến và đơn giản có thể là thiết kế giai thừa 2k, trong đó k là số yếu tố được thực hiện trong thí nghiệm, mỗi yếu tố có hai mức

độ, mức dưới và mức trên được mã hoá là –1 và +1 Dưới đây là bảng 1.7 thiết kế thí

nghiệm theo thiết kế giai thừa 2, 3, 4 yếu tố với hai mức độ, trong đó A, B, C, D ký hiệu lần lượt là yếu tố 1, 2, 3, 4 [38]

Bảng 1.7 Thiết kế thí nghiệm khảo sát theo thiết kế giai thừa 2, 3, 4 yếu tố với hai

mức độ, mức dưới và mức trên được mã hoá

Hai yếu tố Ba yếu tố Bốn yếu tố

17

1.7 Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM)

1.7.1 Sơ lược về phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM)

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được phát triển vào năm 1951 bởi Box và Wilson

là phương pháp thống kê được sử dụng để thiết kế các thí nghiệm và tối ưu hoá các biến trong quy trình thông qua các tính toán phức tạp [37] Phương pháp này phát triển một thiết kế thí nghiệm tích hợp tất cả các biến độc lập và sử dụng số liệu thu được từ các thí nghiệm để đưa ra phương trình cho phép dự đoán giá trị lý thuyết của đầu ra Số liệu đầu ra được xác định thông qua phân tích hồi quy dựa trên các giá trị kiểm soát của biến độc lập, từ đó xác định các điều kiện tối ưu Số lượng thí nghiệm cần thiết giảm đáng kể

so với thiết kế thực nghiệm toàn phần, vì vậy phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm cả công nghệ thực phẩm

1.7.2 Các phương pháp tối ưu hoá trong phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM)

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) là phương pháp tối ưu hoá phổ biến nhất được sử dụng trong những năm gần đây [43] Trước khi áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), điều đầu tiên cần làm là chọn một thiết kế thí nghiệm phù hợp để xác định các thí nghiệm sẽ thực hiện trong phạm vi nghiên cứu [44] Để ước tính giá trị đầu ra với dữ liệu thực nghiệm không thể biểu diễn bằng hàm tuyến tính, vì vậy các thiết kế bậc hai được lựa chọn Các thiết kế mô hìnhbậc hai trong RSM dùng để xây dựng mô hình tối

ưu hoá sau khi đã sàng lọc các yếu có ảnh hưởng đáng kể đến quy trình là: thiết kế giai thừa ba cấp độ 3k, thiết kế tổng hợp trung tâm (CCD), thiết kế Box – Behnken (BBD)

và thiết kế Doehlert [45]

Thiết kế giai thừa ba cấp độ 3 k

Thiết kế giai thừa ba cấp độ 3k bao gồm tất cả hoán vị với 3 mức độ (thấp, trung bình, cao) của yếu tố đầu vào cần khảo sát k Đối với thiết kế này, số lượng thí nghiệm cần thực hiện là N = 3k được bố trí như trong hình 1.7 Ưu điểm của phương pháp này là

cung cấp thông tin chi tiết về hiệu ứng chính và tương tác giữa các yếu tố, có thể phát hiện các hiệu ứng phi tuyến tính do các mức độ khác nhau của yếu tố nhưng số lượng thí nghiệm lớn khi có nhiều yếu tố làm tăng chi phí và thời gian