Nghiên cứu sản xuất pectin từ vỏ chuối và ứng dụng tạo màng bảo quản thực phẩm”

Việc ra đời một nhà máy mứt chuối, nước chuối trong tương lai tại khu vựcnày là đầy triển vọng và ta có thể sử dụng phế liệu của nhà máy để sản xuất pectin.Nguồn pectin từ chuối với giá

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

1 Tính cấp thiết của đề tài 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1 Tổng quan về pectin 6

1.1 Khái niệm 6

1.2 Cấu tạo 6

1.3 Phân loại 7

1.4 Tính chất 8

1.5 Ứng dụng 10

2 Giới thiệu về chuối 13

2.1 Đặc điểm thực vật học và phân bố 13

2.3 Hệ thống phân loại chuối 14

2.2 Sản lượng 15

2.4 Thành phần hóa học của vỏ chuối 16

3 Các phương pháp chiết pectin 16

3.1 Chiết tách pectin bằng axit 16

3.2 Chiết pectin bằng nước 16

3.3 Chiết pectin dưới tác dụng của enzym 17

4 Tổng quan về màng 17

4.1 Kỹ thuật tạo màng 17

4.2 Tác dụng bảo quản của màng 17

4.3 Màng sinh học phổ biến 18

5 Tình hình nghiên cứu về pectin từ phế liệu quả trên thế giới và trong nước 18

5.1 Tình hình Thế Giới 18

5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 20

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Đối tượng nghiên cứu 21

2.2 Hóa chất và thiết bị 21

2.3 Phương pháp nghiên cứu 23

2.3.1 Phương pháp vật lý 23

2.3.2 Phương pháp hóa học 23

2.3.3 Qui trình chiết pectin từ vỏ chuối 25

2.2.4 Khảo sát các điều kiện chiết pectin 27

2.2.5 Qui hoạch thực nghiệm và tìm kiếm tối ưu 28

2.2.6 Xác định pectin chiết tách bằng phổ hồng ngoại 28

2.2.7 Xác định chỉ số DE bằng phương pháp chuẩn độ 29

2.2.8 Tạo màng bằng hỗn hợp pectin, alginat 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Xác định một số thành phần hóa học của vỏ chuối 31

3.2 Khảo sát lựa chọn dung môi 32

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm lượng pectin thu nhận 33

3.3.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ 33

3.3.2 Khảo sát nồng độ axit xitric 35

3.3.3 Khảo sát thời gian chiết tách 36

3.4 Kết quả quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 1 hai yếu tố ba mức ảnh hưởng 37

3.5 Xác định pectin và chỉ số DE 42

3.6 Đề xuất quy trình sản xuất pectin quy mô phòng thí nghiệm 44

3.7 Thăm dò khả năng tạo màng bảo quản quả mận của pectin thu được 45

DANH MỤC BẢNG

1.2 Sản lượng một số loại trái cây phổ biến trên Thế giới 15

3.1 Thành phần hóa học của bột chuối theo nghiên cứu 31

3.4

Kết quả tổng bình phương độ lệch chuẩn giữa giá trị

3.5 Độ giảm khối lượng trong quá trình bảo quản 46

DANH MỤC HÌNH

Số hiệu

hình

3.1 Biểu đồ ảnh hưởng dung môi đến hiệu suất chiết tách 33

3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả chiết tách 34

3.3 Ảnh hưởng của nồng độ dung môi tới hiệu suất chiết tách 35

3.4 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu nhận pectin 36

3.7 Trạng thái mận sau 6 ngày không bảo quản bằng màng 46

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, khi đời sống ngày càng phát triển thì yêu cầu về thực phẩm ngàycàng cao Thực phẩm cần phải đảm bảo các yếu tố tươi, ngon và an toàn Kỹ thuậtbảo quản hiện nay cho phép nhà cung cấp giữ thực phẩm tươi trong thời gian dài.Trong đó, kĩ thuật tạo màng bảo quản từ các hợp chất polysaccarit đã được nghiêncứu rộng rãi như màng tinh bột, lipit, alginate, pectin Ngoài khả năng tạo màngbảo quản, pectin còn là phụ gia tạo gel tạo đông tốt, an toàn với chỉ số ADI (liềulượng ăn cho phép) không giới hạn [22] Tuy nhiên, giá pectin hiện tại đến 11 đô laÚc/ 1kg [22] Vì vậy, việc nghiên cứu tìm ra nguyên liệu phù hợp trong nước để sảnxuất pectin là vô cùng cần thiết

Trong lúc đó chuối là một cây trồng phổ biến ở Việt Nam Với sản lượng chỉ sau

họ citrus Chuối chủ yếu chỉ được sử dụng ăn và bỏ vỏ, vỏ chuối chiếm tới 40%khối lượng quả (Tchobanoglous et al.1930) Lượng vỏ này hầu hết chỉ sử dụnglàm phân sinh học hay thải ra môi trường Nó chưa đem lại giá trị kinh tế cao và cóthể gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, lượng vỏ này lại chứa tới 10- 21 % pectin[11] Đây chính là nguồn thu nhận pectin rẻ tiền ta có thể hướng tới

Những nghiên cứu về pectin chiết tách từ vỏ chuối trên thế giới vẫn còn ít Đồngthời, ở Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu nào Ngoài ra, với giống chuối tiêu lùn ởQuảng Nam vẫn chưa có nghiên cứu nào được báo cáo Trong lúc đó, Quảng Nam

là địa phương có diện tích trồng chuối lên tới 700 ha với thị trường tiêu thụ không

ổn định Việc ra đời một nhà máy mứt chuối, nước chuối trong tương lai tại khu vựcnày là đầy triển vọng và ta có thể sử dụng phế liệu của nhà máy để sản xuất pectin.Nguồn pectin từ chuối với giá rẻ có tính cạnh tranh trên thị trường pectin.Vì thế, tôi

chọn đề tài “Nghiên cứu sản xuất pectin từ vỏ chuối và ứng dụng tạo màng bảo

quản thực phẩm”.

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu là tìm ra qui trình chiết tách pectin từ vỏ chuôivới hàm lượng pectin thu được cao nhất và ứng dụng tạo màng bảo quản thực phẩm

- Năm 1930, Meyyor và Mark phát hiện thấy cấu trúc thẳng của pectin [26].

- Năm 1937, cấu trúc của Pectin chính thức được Shneider và Boek xác định[27]

- Nghiên cứu hoàn chỉnh của Pectin xác định: Pectin là hợp chất cao phân tửpolygalactoronic có đơn phân tử là galactoronic và rượu metylic Trọng lượng phân

 Phân loại dựa vào mức độ metyl hóa, pectin được chia làm hai loại:

 Pectin methoxyl hóa cao (High Methoxyl Pectin – HMP): DE >50 %hay MI > 7% Chất này có thể làm tăng độ nhớt cho sản phẩm Muốntạo đông cần phải có điều kiện pH = 3,1 – 3,4 và nồng độ đường trên

60 %

 Pectin methoxyl hóa thấp (Low Methoxyl Pectin – LMP): DE < 50 %hay MI < 7% được sản xuất bằng cách giảm nhóm methoxyl trongphân tử pectin Pectin methoxy thấp có thể tạo đông trong môi trườngkhông có đường Chúng thường được dùng làm màng bao bọc các sảnphẩm

 Theo trạng thái, ta có:

 Pectin dạng lỏng cô đặc

 Chiết suất pectin sấy khô

 Pectin dạng bột

 Theo tốc độ tạo gel

 Pectin có tốc độ tạo gel thật nhanh (Ultra Rapid Set)

 Pectin có tốc độ tạo gel nhanh (Rapit Set)

 Pectin có tốc độ tạo gel trung bình (Medium Set)

 Pectin có tốc độ tạo gel chậm (Slow Set)

 Pectin có tốc độ tạo gel cực chậm (Ultra Slow Set)

 Theo lính vực ứng dụng

 Pectin thực phẩm

 Pectin dược phẩm: pectin táo, pectin quả múi biến tính

 Theo nguồn nguyên liệu

 Pectin táo

 Pectin quả múi

 Pectin nho

 Pectin củ cải đường

 Pectin hướng dương

1.4 Tính chất

1.4.1 Tính chất chung

- Dạng bột màu trắng hoặc hơi vàng, hơi xám, hơi nâu

- Có khả năng tạo gel bền

- Pectin không tan trong dung dịch ethanol Trong cồn và dung dịch muối thìpectin bị kết tụ

- Bị phá hủy khi đun nóng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài làm giảm tínhđông của sản phẩm khi cô đặc

- Pectin tan trong nước tạo thành dung dịch có tính keo cao Keo pectin có độnhớt và độ bền rất lớn nên gây khó khăn trong quá trình làm trong khi cô đặcnước quả

- Trong quá trình chín, dưới tác dụng của enzim pectinaza hoặc với sự thamgia của axit hữu cơ, protopectin bị thủy phân thành pectin hòa tan cường lựcliên kết giữa các tế bào giảm

- Khi quả chín pectin hòa tan thành axit pectic

- Các dạng pectin trong trái cây tồn tại cùng một lúc

- Tính chất quan trọng của pectin là có thể tạo đông ở nồng độ thấp (1-1,5%)khi có mặt đường 60-70% và axit 1% Khả năng tạo đông phụ thuộc vàonguồn pectin, mức độ methoxyl hóa và phân tử lượng của pectin

- Pectin lấy từ nguồn gốc khác nhau thi khả năng tạo gel khác nhau.

1.4.2 Khả năng tạo gel

- Các pectin và axit pectinic có các nhóm hydroxyl ( -OH) nên có khả nănghydrat hóa cao [24]

- Các phân tử pectin mang điện tích âm nên chúng có khả năng đẩy lẫn nhau, do

đó làm giãn mạch và làm tăng độ nhớt của dung dịch Vì vậy khi làm giảm độ tíchđiện và độ hydrat hóa sẽ làm cho các phân tử pectin xích lại gần nhau và tương tácvới nhau tạo nên một mạng lưới 3 chiều rắn chứa pha lỏng ở bên trong

Tính chất tạo đông của pectin được xác định phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tốsau:

 Chiều dài mạch phân tử pectin: Chiều dài mạch pectin quyết định độ cứngcủa gel [24]

 Nếu phân tử pectin quá ngắn thì nó sẽ không tạo được gel dù sử dụngvới hàm lượng lớn

 Nếu phân tử pectin quá dài thì gel tạo thành có độ cứng

Chiều dài phân tử pectin quyết định độ cứng của gel, chỉ có pectin có khốilượng phân tử không bé hơn 10000 mới có khả năng tạo gel, nếu chiều dài quá thấpthì nó không tạo gel được mặt dù dùng với liều lượng cao

 Mức độ methoxyl hóa qui định cơ chế tạo gel [24]

 Khi pectin có cùng khối lượng phân tử thì khả năng tạo gel phụ thuộcvào mức độ este hóa các gốc của mach galacturonic tại các nhómmetoxyl (-OCH3)

 Nhóm metoxyl tăng từ 8 -11% thì độ bền đông tụ của nó tăng, ngượclại khả năng đông tụ giảm

Trong thành phần của phân tử pectin có thể có nhóm axetyl CH3CO, hàm lượngnhóm CH3CO có trong pectin, este hóa cao không quá 0,8% thì không ảnh hưởngđến khả năng tạo đông của pectin, song cao hơn thì khả năng đông tụ giảm

1.4.3 Cơ chế tạo gel

1.4.3.1 HMP : Tạo gel bằng liên kết hidro

- Điều kiện tạo gel : [đường] > 60%, pH = 3 - 3,5; [pectin] = 0,5 -1%.

- Đường có khả năng hút ẩm và vậy nó làm giảm mức độ hydrat hóa của phân tửpectin trong dung dịch

- pH axit trung hòa gốc COO- làm giảm độ tích điện của các phân tử Vì vậy cácphân tử có thể tiến lại gần nhau để tạo thành liên kết nội phân tử và tạo gel Liên kếthydro được hình thành giữa các phân tử pectin có thể hydroxyl-hydroxyl, carboxyl-carboxyl hoặc hydroxyl-carboxyl Kiểu liên kết này không bền do đó gel tạo thành

sẽ mềm dẻo bởi tính linh động của các phân tử trong khối gel [24]

Cấu trúc của gel phụ thuộc vào hàm lượng đường, hàm lượng axit, hàm lượngpectin, hoặc pectin và nhiệt độ 30 – 35 oC Đường thêm vào pectin là sacaroza Do

đó cần duy trì pH axit để khi đun nấu sẽ gây ra quá trình nghịch đảo đườngsacaroza Tuy nhiên cũng không nên dung qua nhiều axit vì pH quá thấp sẽ gây ranghịch đảo một lượng lớn sacaroza sẽ gây kết tinh gluco và hoá gel nhanh gây rahiện tượng vón cục Khi nồng độ pectin vượt quá lượng thích hợp sẽ gây ra gel quacứng Khi sử dụng một lượng cố định bất cứ một loại pectin nào pH & nhiệt độcàng thấp và hàm lượng đường cao thì gel tạo thành càng nhanh [24]

1.4.3.2 LMP : Tạo gel bằng liên kết với ion Ca 2+

- Vai trò của Ca2+ và ion kim loại khác trong việc tạo gel là: các nhóm carboxyl

tự do liên kết lại nhờ các ion Ca2+ nên các phân tử axit pectic tác dụng tương hỗ lẫnnhau tạo thành khung bền vững [24]

- Dạng cation và anion có ảnh hưởng đến độ bền đông tụ các cation Ca2+, Al2+làm tăng độ bền gel còn cation hóa trị I như Na+ ở điều kiện xác định có tác dụngngược lại

1.5 Ứng dụng

1.5.1 Ứng dụng cho sản xuất mứt

Pectin trong sản xuất mứt là chất tạo gel Mứt làm từ pectin có ưu điểm là khảnăng giữ nước rất cao, không có mùi lạ [25]

Khả năng tạo gel của nó còn được sử dụng ở những thực phẩm cần có sự ổnđịnh của nhiều pha, hoặc trong sản phẩm cuối hoặc ở một giai đoạn tức thời trongquy trình sản xuất.

- HMP dùng trong mứt trái cây và mứt đông:

Vai trò của pectin là nhằm tạo ra một cấu trúc cho mứt đông và mứt trái cây đểcho những sản phẩm này khi được vận chuyển vẫn không bị thay đổi cấu trúc, tạo ramùi thơm ngon cho sản phẩm, và giảm thiểu tối đa sự phân rã Quá trình sản xuấtmứt đông và mứt trái cây phải đảm bảo tạo ra sự phân bố đồng đều của các phân tửtrong pha liên tục ngay từ khi quá trình khuấy trộn ngừng lại Hàm lượng pectin sửdụng trong mứt đông thường trong khoảng từ 0,2-0,4%

Pectin có khả năng tạo gel nhanh có giá trị đặc biệt trong sản xuất mứt vì yêucầu của sản phẩm phải được tạo gel, tạo đặc trước khi đóng hộp Còn mứt đông tráicây tốt nhất khi chúng không bị tác đọng trong suốt quá trình tạo gel Đó là lí dopectin tạo gel chậm được sử dụng, và cấc khâu hộp, đóng nắp, dán nhãn, xếp chồngphải thực hiện trước khi quá trình tạo gel diễn ra

- LMP thường được ứng dụng trong mứt trái cây

Sử dụng với mứt trái cây có hàm lượng chất khô hòa tan < 55%:

Loại LMP được chọn lựa trên hàm lượng chất khô và pH trong sản phẩm Trongnhững sản phẩm có hàm lượng chất khô rất thấp, ví dụ như mứt trái cây khôngđường cho người tiểu đường Nếu LMP không tạo đủ liên kết với nước, trong một

số trường hợp người ta có thể sử dụng cả pectin và carrageenan

1.5.2 Ứng dụng trong sản xuất bánh nướng

Pectin đóng vai trò là chất tạo gel cho chế phẩm trái cây Chế phẩm trái câydùng trong sản xuất bánh nướng được chia làm 2 loại:

Loại thứ nhất là fruit filling (FF), có nghĩa là trái cây: FF được rót, phủ lên bềmặt hay tiêm vào bánh sau khi nướng, được cho vào bột nhào trước khi nướngbánh Loại này có trải qua quá trình nướng với bánh nên yêu cầu phải bền nhiệt.Pectin đã chứng tỏ khả năng đặc biệt của mình trong công nghệ sản xuất bánh

Nó có vai trò quan trọng trong việc chống lại sự biến tính và biến dạng của các

thành phần làm từ trái cây trong quá trình nướng bánh trong các loại bánh rán, bánhhấp, bánh gừng, bánh trộn

Pectin đảm bảo cho chế phẩm có những tính chất sau: kết cấu láng mịn, có độvững chắc cao, khả năng chống chịu áp lực cơ học cao, khả năng phục hồi cao saukhi xử lí áp lực, ít bị chảy nước, ổn định với các sản phẩm khác nhau, tạo được bềmặt bóng láng cho bánh, mùi vị thơm ngon và khả năng giải phóng mùi tốt

Trong sản xuất người ta thường sử dụng pectin táo, Pectin táo có ưu điểm là cóthể tạo thành kết cấu gel nhớt và khả năng liên kết nước cao Gel tạo thành từ HMPtáo cũng bền cơ học vào ít chảy nước hơn MHP quả múi

1.5.3 Ứng dụng của pectin trong sản xuất kẹo

Kẹo pectin có ưu điểm là khả năng giải phóng mùi tốt, có thể đổ khuôn trực tiếp

ở nồng độ chất khô 80%, làm nguội nhanh và tách khuôn sau 30 phút Kẹo có hàmlượng chất khô khoảng 80%, pH khoảng 3,5

Pectin tăng tính hấp dẫn, tạo cấu trúc đàn hồi, tăng mùi vị trái cây tự nhiên vàtạo bề mặt bóng loáng cho sản phẩm Pectin là chất tạo gel tốt, tan nhanh, ổn định

Vì vậy, pectin được ứng dụng nhiều trong công nghiệp sản xuất kẹo như kẹo dẻo,kẹo mềm

1.5.4 Ứng dụng pectin trong các sản phẩm từ sữa

Pectin bổ sung hương trái cây cho các sản phẩm từ sữa chua Cho pectin vào sữalên men với liều lượng vừa đủ, trộn đều để được dung dịch đồng nhất Trong yaourttrái cây, pectin tạo cấu trúc mịn, giúp phân bố đều các mẫu trái cây nhỏ trong sữa và

Pectin dùng để làm tăng độ bền keo của các sản phẩm nước uống từ dứa, chanhdây, xoài cô đặc Các loại nước này thường dễ bị sa lắng, tách lớp làm mất tính chấtcảm quan của sản phẩm Khi sử dụng pectin methoxyl hóa cao bổ sung với liềulượng rất nhỏ chúng đã có khả năng phân tán đều trong thời gian dài.

1.5.6 Tác dụng dược lý

- Pectin được dùng chế thuốc ống, thuốc tiêm trước và sau phẫu thuật Chữachảy máu đường tiêu hóa, tiết niệu Dung dịch pectin 5% còn được sử dụng nhưthuốc sát trùng oxy già trong phẫu thuật răng hàm mặt

- Kéo dài thời gian tiêu hóa thức ăn trong ruột, có tác dụng tăng hấp thu dinhdưỡng trong thức ăn Tác dụng giảm cân cho người béo phì do nó không có giá trịdinh dưỡng nhưng vẫn tạo cảm giác no bụng

- Giảm hấp thu lipid, giảm cholesterol toàn phần trong máu tốt cho người rốiloạn lipid máu Giảm béo phì và xơ vữa động mạch

- Khống chế tăng cường huyết trước và sau khi ăn ở người bị bệnh tiểu đường

- Chống táo bón

- Cầm máu, sát trùng

Hoa quả chứa nhiều pectin giúp cơ thể hấp thu tốt các axit hữu cơ và là chấttrung gian thúc đẩy sự chuyển hóa, tăng cường khả năng sử dụng các chất dinhdưỡng trong thức ăn

1.5.7 Ứng dụng tạo màng bảo quản thực phẩm

Pectin đã được sử dụng để tạo màng bảo cho một số loại trái cây, nó được biếtđến là loại màng ăn được Màng pectin có thể bọc trái cây bằng cách phun, nhúnghay có thể dung để gói như bao bì trong của bánh kẹo

2 Giới thiệu về chuối

2.1 Đặc điểm thực vật học và phân bố.

Phân loại khoa học của chuối được trình bày ở bảng 1.1[27]

Bảng 1.1 Phân loại khoa học của chuối

Chi (genus) Chuối (Musa L )

Quả chuối ra thành nải treo, mỗi tầng (gọi là nải) có tới 20 quả, và mỗi buồnggồm nhiều nải Các nải nhìn chung gọi là một buồng, nặng 30–50 kg Một quảtrung bình nặng 125 g, trong số đó vào khoảng 75% là nước và 25% là chất khô.Mỗi quả riêng có vỏ dai chung quanh thịt mềm ăn được Vỏ và thịt đều ăn được ởdạng tươi hay đã qua chế biến (nấu) Những người phương Tây thường ăn thịt chuốicòn tươi và vứt vỏ, trong khi một số nước Á Đông nấu rồi ăn cả vỏ và thịt Quảchuối thường có nhiều sợi (gọi là bó libe) nằm giữa vỏ và thịt Chuối chứa nhiềuvitamin B6, vitamin C và kali [26]

Chi chuối (Musa) có nguồn gốc từ vùng Châu Á nhiệt đới và được thuần hóa rất

sớm ở vùng Đông Nam Á Nhiều loài chuối dại vẫn còn mọc lên ở New Guinea,Malaysia, Indonesia, và Philippines

Hiện nay trên thế giới có ít nhất 107 quốc gia trồng chuối với nhiều mục đíchkhác nhau: chủ yếu dùng làm trái cây, kế đến là dùng để lấy sợi, sản xuất rượuchuối và làm cây cảnh

Vào năm 2013 chuối đứng hàng thứ tư về giá trị tài chính trong các cây lươngthực chính trên thế giới (sau gạo, lúa mì và ngô)

2.3 Hệ thống phân loại chuối

Họ Chuối (Musaceae) thuộc thực vật một lá mầm (Monocots) có 2 chi Bao gồm chi chuối ăn (Musa) có nguồn gốc ở Đông Nam Á và chi chuối cảnh (Ensete) có nguồn

gốc ở Đông Phi

Chi Chuối ăn (Musa) bao gồm hai nhóm:

- Nhóm chuối mềm (banana) là những loài chuối khi chín quả mềm, bốc vỏđược và dùng để ăn tươi Trong tiếng Anh từ “Banana” (chuối) để chỉ các loài chuốimềm được cho là bắt nguồn từ ngôn ngữ Wolof do từ “banaana” [27].

- Nhóm chuối cứng (Plantains) là những loài chuối có quả khi chín vẩn cứngrắn, không bốc vỏ được, phải dùng dao để gọt Chuối cứng trước khi ăn phải nấuhoặc chiên, là nguồn cung cấp tinh bột quan trọng ở các nước nhiệt đới đang pháttriển như Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ [27]

 Phân loại theo hệ thống gen

Theo hệ thống gen, hai loài là tổ tiên của tất cả giống chuối ngày nay là:

- Musa acuminata (loài chuối hột hoang dại), ký hiệu là “A”.

- Musa balbisiana (một loài chuối hột hoang dại khác, ký hiệu là “B”.

Theo đó, tất cả các loài chuối hiện nay thuộc thể đơn bội hay đa bội của hai kiểugen trên

Hiện nay các nhà khoa học công nhận khoảng 50 loài chuối thuộc chi Musa vớinhiều công dụng khác nhau đối với con người như lấy quả, lấy lá, lấy sợi, làm rau,làm cây cảnh [27]

Đánh giá của các chuyên gia nước ngoài về chuối ở Việt Nam: "Việt Nam làmột trong những trung tâm xuất xứ của các giống chuối Musa spp., có nhiều loài,giống, và nhân bản "(Persley, GJ và Pamela George (1996) ) [18]

2.2 Sản lượng

Sản lượng một số loại trái cây trên Thế Giới năm 2007 [12]

Bảng 1.2 Sản lượng một số loại trái cây phổ biến trên Thế giới

Qua bảng 1.2 ta thấy sản lượng chuối trên thế giới chiếm tới 16.26%, chỉ đứngsau họ cam chanh Chính vì vậy đây là nguyên liệu dồi dào có thể đáp ứng cho quátrình sản xuất pectin liên tục và chủ động.

2.4 Thành phần hóa học của vỏ chuối

Theo nghiên cứu của Anhwange (2009) [10], chuối sấy khô tới độ ẩm 6,7 % cóthành phần hóa học như bảng 1.3

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của vỏ chuối (tính theo khối lượng nguyên liệu ở độ

3 Các phương pháp chiết pectin

3.1 Chiết tách pectin bằng axit

Phương pháp này dựa trên sự thủy phân protopectin dưới tác dụng của axit Nóbao gồm ba giai đoạn: Sự thủy phân protopectin của pha rắn trong dung dịch axit

Sự khuếch tán pectin trong các mao quản từ trong ra ngoài Sự di chuyển pectinqua các lớp màng mỏng và thoát ra khỏi vật liệu [21]

Petin trong vỏ cam và bã táo được chiết tách trong dung dịch axit nóng tại pH =1– 3 bởi Rolin 2002 Điều kiện chiết tách như thời gian, nhiệt độ tỷ lệ dung môi ởcác nghiên cứu khác nhau phụ thuộc vào tỷ lệ loại pectin và pectin thu nhận mongmuốn Tuy nhiên, thông thường nhiệt độ dao động từ 50 đến 100 oC trong thời gian0,5h đến 5h ( Wang và cộng sự 2002) [21]

3.2 Chiết pectin bằng nước

Trong thành tế bào thực vật tồn tại các pectin tự do, chính vì vậy ta có thể dễdàng chiết tách nó bằng nước Hiệu quả của quá trình tăng khi ta kết hợp chiết

pectin trong nước nóng trong thời gian dài Tuy nhiên, nếu chiết với nhiệt độ caotrong thời gian dài ta cần quan tâm đến vấn đề suy thái pectin và yếu tố năng lượng(Simpson, Egyakor 1984) [21].

3.3 Chiết pectin dưới tác dụng của enzym

Sử dụng hỗn hợp enzyme cenlluloza và pectinaza để chiế tách pectin Trong đó,enzym cenlulaza có nhiệm vụ phá hủy cenlulose trong thành tế bào để giải phóngpectin và để lộ protopectin cho enzyme pectinasa tương tác và thủy phân thànhpectin Đây là phương pháp thân thiện với môi trường [21]

4 Tổng quan về màng

Trong bối cảnh ngày càng tăng các vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm, đặc biệtvấn đề sử dụng hóa chất không cho phép, không rõ nguồn gôc để kéo dài thời gianthương mại nông sản đã làm tăng lên nỗi bất an trong người tiêu dùng Chính vì vậycác nhà nghiên cứu đã cho ra đời nhiều phương pháp bảo quản an toàn hơn như : sửdụng chiếu xạ, màng sinh học, Hiện nay, phương phá bảo quản an toàn, phù hợptính kinh tế đó là bảo quản thực phẩm bằng màng sinh học có nguồn gốc tự nhiên

4.1 Kỹ thuật tạo màng

Kĩ thuật tạo màng sinh học là phương pháp tạo ra một dịch lỏng hay nhũ tươngsau đó phủ lên bề mặt từng quả bằng cách phun, nhúng hoặc xoa Khi dịch lỏngkhô sẽ tạo ra một lớp màng mỏng trong suốt trên bề mặt quả Nhờ tính bán thấmđiều chỉnh sự trao đổi khí và hơi nước của màng mà quả được giữ tươi lâu hơn.Qủa sử dụng màng bao sẽ làm giảm sự hao hụt khối lượng và mất hơi nước Màngtạo ra vùng khí quyển điều chỉnh xung quanh nó do đó làm thay đổi sự trao đổi khívới môi trường bên ngoài

4.2 Tác dụng bảo quản của màng

Làm giảm tổn thất khối lượng và giảm biến dạng do sự mất hơi nước trong quátrình bảo quản Thay thế màng sáp tự nhiên trên mặt quả

Làm giảm sự trao đổi khí dẫn tới làm chậm quá trình chin hay già quá

Cải thiện hình thức bên ngoài

Tăng độ tươi của quả do chống mất nước

Phòng ngừa tổn thương cơ học và nhiễm bệnh trong quá trình vận chuyển.

Màng vi nhũ từ dung dịch nhũ tương có khả năng chống mất nước tuy nhiên sảnphẩm có độ bóng kém Nhiều chất nhũ hóa sử dụng trong dung dịch tạo màng sápđều có nguồn gốc glycerol

5 Tình hình nghiên cứu về pectin từ phế liệu quả trên thế giới và trong nước

5.1 Tình hình Thế Giới

Thomas Happy Emaga và cộng sự (2007) đã tiến hành chiết pectin từ vỏ chuối

(Musa AAA) và khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt độ, thời gian pH Với

các khoảng khảo sát là nhiệt độ (80- 90), pH ( 1- 4) và thời gian (1- 4h) Kết quảnghiên cứu các điều kiện chiết tách tối thích là ở pH = 1.5 nhiệt độ 80 0C và trongthời gian 1h [13]

Shaila, Zaharia và cộng sự đã chiết được 12% pectin trong vỏ chuối ở điều kiệndung môi HCl, nhiệt độ chiết 75 oC trong thời gian 1h [15]

Debabandya Mohapatra và cộng sự đã nghiên cứu khai thác nguồn lợi từ câychuối Trong đó có nghiên cứu thành phần và ứng dụng từ vỏ chuối với thành phầnpectin chiếm tới 10- 21 [16]

Theo Canteri- Schemin( 2005) trong nghiên cứu sử dụng các loại dung môi chiếtxuất pectin từ bã táo Các dung môi được khảo sát bao gồm cả axit hữu cơ lẫn vô cơnhư axit xitric, nitric phosphoric,sunfuric, axit clohidric Kết quả là với dung môiH2SO4 11.27%, HCl 12.31%, H3PO4 cho 9.44% và HNO3 cho 14.07% Trong khi đóaxit xitric cho hàm lượng pectin cao nhất với 15.19% pectin [11]

Năm 2012 Manel Masmoud đã tiến hành chiết tách pectin từ chanh dây bằngaxit Ông khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách như nhiệt độ, thờigian, pH Kết quả thu được tại 84,34 oC thời gian 3 giờ và pH = 2,8 [17].

Yamina Zouambia (2014) đã nghiên cứu chiết tách pectin trong vỏ citrus vớiphương pháp gia nhiệt cảm ứng từ trong điều kiện pH 1,2 nhiệt độ 80oC tại cáckhoảng thời gian khác nhau Kết quả nếu gia nhiệt ở 90 phút thì hàm lượng pectinthu được là 29% không lớn hơn nhiều so với phương pháp gia nhiệt thông thường là24% Tuy nhiên, khi thời gian gia nhiệt giảm thì phương pháp cảm ứng từ cholượng pectin lớn hơn nhiều so với làm nóng thông thường Đặc biệt, khi thời giangia nhiệt bằng cảm ứng từ là 2,94 phút thì đã tạo ra một nửa lượng pecin chiết vớiphương pháp thong thường trong 90 phút Đây là một nghiên cứu rất có giá trị kinh

tế trong sản xuất pectin [19]

Ranjit Kumar Shaha, Yoga Nayagi( 2012) nghiên cứu chiết tách pectin trên họCitrus và khảo sát các loại dung môi (HCl, xitric và nitric) và các điều kiện nhiệt độ(45, 65, 95 oC, pH= 1.5 trong vòng 1h trên hai nguyên liệu được làm khô bằng nắng

và lò vi song Kết quả cho dung môi Xitric, nhiệt độ 90 oC và làm khô bằng lò visóng cho hàm lượng pectin cao nhất Nilesh R Khule*, Nitin B Mahale, Dipak S.Shelar, Manisha M Rokade chiết xuất pectin trên vỏ citrus khô thu được 18.21%[15]

Hanna Salminen & Jochen Weiss (2014) nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH vàchỉ số DE tới sự ổn định phức hợp protein- pectin Sự ổn định là tốt nhất với pectin

có DE 50% (Ổn định ở pH 3,5-6,0) và với 62% DE (ổn định ở pH 3.0- 6.0) [14].Nghiên cứu thành phần hóa học của vỏ chuối Musa sapientum, vỏ chuối đượcphân tích khoáng chất, dinh dưỡng Kết quả của hàm lượng khoáng chất cho thấynồng độ (mg / g) kali, canxi, natri, sắt, mangan, brôm, rubidium, stronti, zirconi vàniobium là 78,10, 19,20, 24,30, 0,61, 76,20, 0,04, 0,21, 0,03, 0,02 và 0,02 tươngứng Nồng độ phần trăm của protein, lipid thô, carbohydrate và chất xơ thô là 0,90,1,70, 59,00 và 31,70 tương ứng [10]

Sabina và cộng sự đã nghiên cứu tạo màng với hỗn hợp pectin/ alginat ở các tỷ

lệ khác nhau 100: 0, 75: 25, 50: 50, 25: 75, 0: 100 và theo dõi các tính chất củamàng [9]

5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu khả năng tạo gel của pectin và ứng dụng trong công nghiệp thựcphẩm Trương Thị Minh Hạnh(1997) [8]

Huỳnh Thị Diễm Uyên (2010) nghiên cứu đặc tính và ứng dụng của pectin chiếttách từ vỏ bưởi [4]

Nghiên cứu chiết tách pectin từ vỏ cà phê được Bùi Anh Võ – Nguyễn ĐứcLượng trường ĐH Tôn Đức Thắng, trường Đại học Bách khoa Hồ Chí Minh báocáo năm 2009[1]

Nghiên cứu chiết tách pectin từ phế liệu bưởi và ứng dụng sản xuất mứt xoàiđông đã được thực hiện bởi sinh viên Võ Thị Xuân Hạ- Trương Thị Thu Hà trườngcao đẳng công nghệ năm 2010

Nghiên cứu pectin và xây dựng quy trình sản xuất bột thạch từ lá sương sâm,luận văn thạc sĩ của Trình Liên Vy [7]

Từ những thông tin trên, tôi thấy nghiên cứu về pectin trên thế giới rất đượcquan tâm và đã có nhiều nghiên cứu công bố Tuy nhiên, ở Việt Nam nghiên cứu vềpectin vẫn còn ít Ngoài ra, vẫn chưa có nghiên cứu nào về nguồn pectin từ vỏchuối Trong lúc đó, theo số liệu tham khảo từ các tài liệu nước ngoài cho thấytrong vỏ chuối có thể chứa tới 20% pectin đây chính là nguồn pectin rẻ tiền tôihướng tới

Với những lí do trên tôi tiến hành nghiên cứu chiết tách pectin từ vỏ chuối vàứng dụng tạo màng bảo quản thực phẩm Hy vọng nghiên cứu này sẽ mở ra hướng

đi mới cho công nghiệp sản xuất pectin và giải quyết được vấn đề môi trường từ phếliệu vỏ chuối

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tương nghiên cứu là vỏ Chuối tiêu lùn có nguồn gốc từ Quảng Nam Vỏchuối sau khi thu nhận được làm sạch, sấy trong 24h sau đó nghiền mịn và bảo quảntrong lọ thủy tinh

- Tủ sấy

- Cân phân tích

- Máy lọc chân không

Các thiết bị, dụng cụ thủy tinh thông thường tại phòng thí nghiệm Trường Caođẳng Công nghệ

(a) (b)

© (d)

(e) (f)

Hình 2.1 Các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu (a) Thiết bị xác định độ ẩm, (b) Thiết bị

sấy, (c) Thiết bị phá mẫu, (d) Thiết bị cất đạm, (e) Thiết bị lọc, (f) Bếp cách thủy.

2.3 Phương pháp nghiên cứu

NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4

- Dùng kiềm mạnh NaOH để đẩy NH3 từ muối (NH4)2SO4 hình thành ra thể tựdo

(NH4)2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2 H2O + 2 NH3

- NH3 sinh ra được chưng cất vào dung dịch axit boric có chứa chất chỉ thịmethylene xanh và methyl đỏ

2 NH4OH + H3BO3 (NH4)2B4O7 + 7 H2O

- Định phân lượng (NH4)2B4O7 tạo thành bằng dung dịch H2SO4 0,01N

(NH4)2B4O7 + H2SO4 + 5 H2O (NH4)2SO4 + 4 H3BO3Các bước tiến hành và tính toán kết quả được trình bày ở mục 1.1.3 phụ lục 1

CuSO4 + 2 NaOH = Cu(OH)2 + Na2SO4

Cu2O + Fe2(SO4)3 + H2SO4 → 2CuSO4 + 2FeSO4 + H2O

- Fe2+ sinh ra có tính khử lại tác dụng với KMnO4 là chất oxy hóa nên dùngKMnO4 để chuẩn độ Fe2+ trong môi trường axit:

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 → K2SO4 + 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + 8 H2O

- Dựa vào lượng KMnO4 sử dụng ta có thể tính được lượng Cu2O và từ đó tínhđược lượng đường khử trong dung dịch bằng cách tra bảng tỉ lệ giữa dung dịchKMnO4 và đường khử của Bertrand

- Các bước tiến hành và tính toán được trình bày cụ thể ở phần 1.1.2 phụ lục 1

2.3.2.3 Xác định thành phần Pectin

Trong môi trường kiềm, pectin hòa tan sẽ giải phóng ra nhóm methoxyl thànhrượu methylic và axit pectin tự do Định lượng axit pectic sinh ra bằng cách kết tủavới Ca2+ tạo canxi pectat Rửa sạch, sấy khô và cân lượng tủa tạo thành từ đó tính rahàm lượng axit pectic [5]

Cách tiến hành

- Cân khoảng 10g mẫu vào bình, cho thêm 100ml NaOH 0,1N Để hỗn hợp quađêm để xà phòng hóa hoàn toàn pectin

- Lọc hỗn hợp qua giấy lọc và thêm 50ml CH3COOH 1N vào dịch lọc

- Sau 5 phút, thêm 50ml CaCl2 2N và giữ 1 giờ

- Đun sôi hỗn hợp trong 5 phút rồi lọc qua giấy lọc đã được sấy đến khối lượngkhông đổi (m1)

- Rửa kết tủa canxi pectat bằng nước cất nóng đến khi không còn ion Cl- (thử nướcrửa bằng dung dịch AgCl 1% đến khi không có tủa trắng)

- Cho giấy lọc có kết tủa vào tủ sấy, sấy đến khối lượng không đổi và cân (m2)

Tính kết quả

Hàm lượng pectin trong mẫu được tính theo công thức:

Trong đó:

m: khối lượng mẫu phân tích (g)

m1: khối lượng giấy lọc (g)

m2: khối lượng giấy lọc và tủa pectate canxi (g)

0,92: hệ số chuyển đổi từ canxi pectat về pectin

2.3.3 Qui trình chiết pectin từ vỏ chuối

Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành chiết theo quy trình chuẩn có sửa đổi

(Ranganna S, 2001), (Joye and Luzio, 2000) như hình 2.2

Hàm lượng phần trăm pectin xác định theo công thức:

ypec (%) = 100 (P / Bi)Trong đó:

- ypec = pectin chiết xuất được, tính bằng phần trăm (%),

- P = Lượng pectin chiết xuất được, g

- Bi = Khối lượng mẫu ban đầu, g

LọcChiết, trích li

Hình 2.2 Sơ đồ chiết tách pectin

Thuyết minh quy trình

 Nguyên liệu:

Vỏ chuối được nghiền mịn, sau đó trộn lẫn với dung môi theo tỷ lệ 1: 20, khuấytrộn để nguyên liệu phân tán đều trong dung môi Ba loại dung môi sử dụng khảosát trong nghiên cứu là nước, HCl và axit xitric

Nhiệt độ cao làm tăng các phản ứng sinh hóa, cùng với tác dụng của axit sẽ cắtđứt các mạch protopectin thành pectin tự do và giải phóng vào dung môi Qúa trìnhchiết cần đủ thời gian để chuyển hóa protopectin thành pectin.

 Lọc, rửa bã

Là quá trình tách dung dịch chứa pectin ra khỏi bã nguyên liệu Qúa trình rửa bãđược tiến hành với nước cất mục đích thu hồi triệt để lượng pectin có trong nguyênliệu

 Cô đặc

Tiến hành cô đặc ở nhiệt độ 60oC trong 24h

Qúa trình cô đặc loại bỏ nước tăng nồng độ chất khô giúp tạo điều kiện cho quátrình kết tủa

 Kết tủa, rửa tủa

Dùng cồn 96oC để kết tủa pectin trong dung dịch Tỷ lệ cồn 2:1 so với thể tíchdung dịch sau cô đặc

Đây là quá trình tách pectin ra khỏi hỗn hợp Qúa trình chuyển pectin từ dạnghòa tan sang dạng kết tủa bông xốp

Lọc kết tủa ra khỏi dung dịch, tạo điều kiện cho quá trình sấy

Qúa trình rửa tủa loại bỏ các tạp chất bám dính vào pectin

 Sấy

Sấy tủa ở nhiệt độ 60 oC, trong 24h

Mục đích giảm lượng nước trong sản phẩm để tăng thời gian bảo quản của sảnphẩm

 Nghiền, rây

Mục đích giảm kích thước bán thành phẩm và thu được pectin bột đồng nhất

2.2.4 Khảo sát các điều kiện chiết pectin

2.4.1 Khảo sát lựa chọn dung môi

Tiến hành chiết pectin theo sơ đồ 2.1 lần lượt với các loại dung môi nước, axit HCl0,1 N, axit xitric 5% Các thông số của quy trình là: gia nhiệt lên 60oC, giữ nhiệt 1h

2.4.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đơn biến đến quá trình chiết pectin

a, Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết

Tiến hành chiết pectin theo quy trình 2.2 chiết ở nhiệt độ 60 oC,70 oC, 80 oC, 90

oC, và các thông số kĩ thuật khác được giữ nguyên theo quy trình

b, Ảnh hưởng của thời gian

Tiến hành chiết pectin theo quy trình 2.2 chiết với thời gian 50, 60, 70, 80, 90phút, các thông số kĩ thuật khác được giữ nguyên theo quy trình

c, Ảnh hưởng của nồng độ dung môi

Tiến hành khảo sát nồng độ axit xitric tại các mức khảo sát 3%, 5%, 7%, 9%theo qui trình 2.2 Các thông số kĩ thuật khác giữ nguyên

2.2.5 Qui hoạch thực nghiệm và tìm kiếm tối ưu

Để nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến quá trình chiết pectin ta

tiến hành quy hoạch trực giao cấp một ba yếu tố hai mức ảnh hưởng [6]

Qúa trình tính toán bằng phần mềm Microsoft Excel

2.2.6 Xác định pectin chiết tách bằng phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại là phương pháp đo sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại (IR) khi nó điqua một lớp chất cần thử ở các số sóng khác nhau Vùng bức xạ hồng ngoại sử dụngtrong các máy quang phổ IR hiện nay có thể mở rộng vùng bức xạ(100 cm-1 -

10000 cm-1 ) Trong lúc đó, vùng bức xạ của các nhóm cacbonhydrat trong khoảng

950 -1200 Chính vì vậy phổ hồng ngoại có khả năng hấp thụ các nhóm chức và xácđịnh được mẫu pectin thử [29]

Nguyên tắc:

Khi ánh sáng hồng ngoại truyền qua, các nhóm nguyên tử hấp thụ năng lượng

và thay đổi trạng thái dao động tạo nên một dải hấp thụ trên phổ IR Có mối liênquan giữa nhóm nguyên tử và dải hấp thụ nên có thể dựa vào sự có mặt của dải hấpthụ để nhận biết một nhóm chức nào đó Để xác định pectin ta sử dụng phươngpháp so sánh phổ hồng ngoại của mẫu thử và mẫu chuẩn về vị trí và mức độ hấp thụ

ở các bước sóng Nếu có sự tương đồng ta có thể kết luận mẫu thử à pectin

2.2.7 Xác định chỉ số DE bằng phương pháp chuẩn độ

Nguyên tắc

Dựa vào sự thủy phân liên kết ester trong phân tử pectin trong môi trường kiềm.Pectin dưới tác dụng của kiềm loãng sẽ giải phóng nhóm methoxyl dưới dạng rượumethylic và axit pectic Từ hàm lượng kiềm tiêu tốn trong phản ứng thủy phân cóthể tính được chỉ số DE của pectin [19].

Kết quả: Chỉ số DE được xác định theo công thức

- Sau đó thêm 10ml HCl 0,1 N để trung hòa NaOH, thêm 4 giọt phenolphthalein

và chuẩn độ bằng NaOH 0,1 N đến khi xuất hiện màu hồng nhạt Ghi lại thể tíchNaOH 0,1N tiêu tốn khi chuẩn độ lần 2 (V2)

2.2.8 Tạo màng bằng hỗn hợp pectin, alginat

Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành thăm dò khả năng bảo quản của pectin thuđược bằng cách tạo màng hỗn hợp với Alginat bảo quản quả mận

Cách tiến hành

- Hòa tan riêng biệt pectin và alginate trong nước với nồng độ 3% Để qua đêm ởnhiệt độ phòng cho dung dịch hòa tan triệt để