Nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH ******************* ĐÀO PHAN THOẠI NGHIÊN CỨU TRÍCH LY MÀU HẠT ĐIỀU MÀU (Bixa orellana L.) TẠO CHẾ PHẨM NHŨ ANNATTO Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm đồ uống Mã số: 60.54.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Hướng dẫn khoa học: TS PHAN THẾ ĐỒNG Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 5/2014 i NGHIÊN CỨU TRÍCH LY MÀU HẠT ĐIỀU MÀU (Bixa orellana L.) TẠO CHẾ PHẨM NHŨ ANNATTO ĐÀO PHAN THOẠI Hội đồng chấm luận văn: Chủ tịch: Thư ký: Phản biện 1: Phản biện 2: Ủy viên: ii LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên Đào Phan Thoại, sinh ngày 10 tháng 05 năm 1983 huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa Tốt nghiệp PTTH trường Trung học phổ thông Lam Sơn, tỉnh Thanh Hóa năm 2002 Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ sinh học hệ quy ĐH Khoa học tự nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội Quá trình công tác: Từ tháng 11 năm 2009 đến nay, giảng viên Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh Tháng 10 năm 2010 theo học Cao học ngành Công nghệ thực phẩm đồ uống trường Đại học Nông Lâm, Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh Điạ liên lạc: 32/32, tổ 25A, khu phố 2, phường Trảng Dài, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Điện thoại: 0918 399 477 Email: daophanthoai@gmail.com iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Học viên Đào Phan Thoại iv LỜI CẢM TẠ Luận văn thực Đại học Công nghiệp Tp HCM hướng dẫn TS Phan Thế Đồng Đầu tiên, xin cảm tạ TS Phan Thế Đồng người thầy tạo điều kiện tốt nhất, bảo, giúp đỡ bước suốt trình thức luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô, cán bộ, công nhân viên Khoa Công nghệ thực phẩm phòng Sau đại học, Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM tạo điều kiện thuận lợi cho trình hoàn thành khoá học Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới phận quản lý phòng thí nghiệm trường Đại học Công nghiệp Tp HCM giúp đỡ sở vật chất cần thiết cho nghiên cứu Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn tới người thân bạn bè tạo điều kiện cho suốt trình học tập, nghiên cứu Đồng Nai, ngày 10 tháng năm 2014 Học viên Đào Phan Thoại v TÓM TẮT Đề tài "Nghiên cứu trích ly màu hạt điều màu (Bixa orellana L.) tạo chế phẩm nhũ annatto" tiến hành Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 8/2013 đến tháng 2/2014 Mục tiêu nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến hiệu suất trích ly màu từ hạt điều màu thử nghiệm tạo chế phẩm nhũ annatto ổn định nước có pH thấp nhằm mục đích phối màu cho đồ uống suốt có tính acid Thí nghiệm bố trí theo kiểu ngẫu nhiên yếu tố với ba lần lặp lại phương pháp bề mặt đáp ứng (response surface methodology) với hỗ trợ phần mềm thống kê chuyên dụng JMP 9.0.2 để tối ưu hóa số thông số trình trích ly màu Số liệu thực nghiệm phân tích phương sai (ANOVA) sau so sánh trung bình phương pháp Tukey’s HSD (p < 0,05) Sau sàng lọc ảnh hưởng loại dung môi khác đến hiệu suất trích ly màu, kết cho thấy hỗn hợp dung môi ethanol + ammonia cho hiệu suất cao loại dung môi khác Đồng thời nồng độ ethanol: 630 ammonia: 0,47 M tỷ lệ dung môi / nguyên liệu 10/1 (v/w) trình trích ly màu đạt hiệu suất cao 2,36 % chất khô Đề tài khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu chế độ hỗ trợ vi sóng đến hiệu suất trích ly màu Kết cho thấy tỷ lệ dung môi / nguyên liệu tối ưu 12/1 (v/w), công suất thời gian hỗ trợ vi sóng tốt 760 W 49 giây Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất trích ly màu hạt điều màu đạt gần 2,58 % Sau hỗ trợ vi sóng, tiếp tục trích ly điều kiện phòng thí nghiệm 30 phút hiệu suất toàn trình trích ly đạt 3,08 % Các loại acid khác gồm sulfuric, chlohydric, citric acetic thử nghiệm để kết tủa annatto từ dịch trích Kết thu nồng độ acetic 2,37 M hay tỷ lệ 15 % thể tích acetic 99,5 % so với thể tích dịch trích tối ưu để thu hồi annatto (96,43 %) Sau sấy khô, bột tủa annatto E thu vi có độ ẩm 7,1 % hàm lượng màu 64,89 %, đạt yêu cầu 35 % chất màu theo QCVN 4–10:2010/BYT FAO JECFA Monographs Tiếp theo, bột annatto E hòa tan propylene glycol kiềm có pH 10 trước phối trộn với chất nhũ hóa Kết khảo sát cho thấy 50 % (w/w) tween 80 so với annatto E thích hợp để điều chế chế phẩm có khả tạo giữ màu tốt pH thấp 5, điều kiện thí nghiệm mô hình nước cam ép Tóm lại, chế phẩm nhũ annatto ổn định pH thấp điều chế cách trước hết trích ly màu hỗn hợp dung môi ethanol ammonia Sau dùng acid acetic để kết tủa thu hồi bột màu annatto từ phối trộn với tween 80 propylene glycol kiềm tạo chế phẩm nhũ annatto ổn định nước có pH thấp Chế phẩm nhũ annatto dễ ứng dụng sản phẩm đồ uống có tính acid vii SUMMARY The subject entitled "Study on extraction annatto (Bixa orellana L.) color to prepare food grade low pH–stable annatto emulsion" was conducted at Industrial University of Ho Chi Minh city from August 2013 to February 2014 This study aimed to investigate the effects of some factors on efficiency of extraction process of annatto color into a food grade low pH–stable annatto emulsion which is highly applicable in beverage industry One–factor complete random design with triplicates was applied for preliminary experiments Response surface methodology based on the software JMP version 9.0.2 was conducted to optimize some parameters of extraction – conversion process The result data was analyzed by Analysis of Variance (ANOVA) following Tukey’s HSD test (p < 0.05) After being considered the effect of solvents on extraction yield of annatto color, the combination of ethanol and ammonia was determined as the most appropriate selection The optimized results showed that when using the mixture of 0.47 M ammonia and 63.40 ethanol with the solvent / material ratio 10/1 (v/w), the annatto extraction yield reached the highest value of 2.36 % by dried weight The effects of solvent / material ratio and microwave-assisted conditions on the efficiency of annatto color extraction were also investigated It was found that the optimal ratio of solvent / material was 12/1 (v/w), and the suitable assisted power and time for extraction of annatto color were 760 W and 49 seconds, respectively Under these optimal conditions, the annatto color extraction yield reached 2,58 % Also, normal extraction process in 30 minutes after microwave assistance increased annatto color extraction yield up to 3.08 % Different acids such as sulfuric, chlohydric, citric and acetic acid were used to precipitate annatto from the extracts The results showed that acetic acid with concentration of 2.37 M or 15 % (v/v) concentrated acetic by extract volume was the most sufficient precipitant and gave the highest separation yield of annatto viii (96.43 %) After dehydration, precipitated annatto E powder contained 7.1 % of moisture and 64.89 % of annatto color by weight, higher than that specified in QCVN 4–10:2010/BYT and FAO JECFA Monographs (35 %) Subsequently, the precipitated annatto E powder was dissolved in alkaline propylene glycol (pH 10), followed by mixing with different emulsifiers It was found that 50 % (w/w) of tween 80 by annatto E powder was suitable to prepare annatto emulsion which had good color intensity and more stable in low pH condition including distilled water and orange juice In conclusion, the low pH-stable annatto emulsion could be prepared by several steps Firstly, extraction of annatto color could be performed by using the mixture of ethanol and ammonia Then, acetic acid could be used to precipitate annatto in the extract to form annatto powder Finally, the precipitated annatto powder was converted into low pH-stable annatto emulsion by mixing with alkaline propylene glycol and tween 80 This product could be used as color additive in low pH beverage products ix MỤC LỤC TRANG Trang tựa i Trang chuẩn y ii Lý lịch cá nhân iii Lời cam đoan iv Cảm tạ v Tóm tắt vi Mục lục x Danh sách chữ viết tắt xiv Danh sách hình xvi Danh sách bảng xviii ĐẶT VẤN ĐỀ 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hạt điều màu 1.1.1 Cây điều màu 1.1.1.1 Tên gọi vị trí phân loại 1.1.1.2 Nguồn gốc, phân bố sản lượng 1.1.1.3 Đặc điểm sinh học 1.1.2 Thành phần hóa học hạt điều màu 1.1.3 Màu annatto 1.1.3.1 Cấu tạo phân tử 1.1.3.2 Tính chất lý hóa 1.1.3.3 Chế phẩm từ annatto dùng làm phụ gia thực phẩm 1.1.3.4 Ứng dụng phẩm màu annatto ngành thực phẩm 10 1.1.3.5 Độc tính liều lượng khuyên dùng 11 x 1.1.3.6 Tiêu chuẩn quy định chế phẩm phụ gia annatto 12 1.2 Vi sóng thiết bị liên quan 13 1.2.1 Bản chất vi sóng 13 1.2.2 Cơ chế hỗ trợ trích ly vi sóng 14 1.2.3 Thiết bị vi sóng 15 1.3 Một số phương pháp nghiên cứu dùng trích ly hợp chất tự nhiên 1.3.1 Phương pháp trích ly dung môi hữu 16 1.3.2 Phương pháp trích ly dung môi có hỗ trợ vi sóng (MASE) 16 1.3.3 Phương quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis 18 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 19 1.4.1 Nghiên cứu nước 19 1.4.2 Nghiên cứu nước 21 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Nội dung nghiên cứu 23 2.2 Thời gian địa điểm nghiên cứu 23 2.3 Vật liệu, hoá chất trang thiết bị 23 2.3.1 Đối tượng nghiên cứu 23 2.3.2 Dụng cụ thiết bị 24 2.3.3 Hóa chất 24 2.4 Bố trí phương pháp tiến hành thí nghiệm 25 2.4.1 Bố trí thí nghiệm 25 2.4.1.1 Phân tích tính chất nguyên liệu hạt điều màu 25 2.4.1.2 Thí nghiệm 1: Lựa chọn dung môi phù hợp cho trình trích ly có hỗ trợ vi sóng 26 2.4.1.3 Thí nghiệm 2: Tối ưu nồng độ dung môi trích ly màu annatto 28 2.4.1.4 Thí nghiệm 3: Tối ưu chế độ hỗ trợ vi sóng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu 29 2.4.1.5 Thí nhiệm 4: Khảo sát thời gian trích ly phụ sau hỗ trợ vi sóng 32 2.4.1.6 Thí nghiệm 5: Khảo sát thể tích acid acetic đậm đặc để kết tủa xi annatto tự 32 2.4.1.7 Thí nghiệm 6: Thử nghiệm sơ khả tạo chế phẩm nhũ annatto ổn định dung môi nước pH thấp 33 2.4.2 Phương pháp phân tích 36 2.4.2.1 Phương pháp xác định thành phần 36 2.4.2.2 Phương pháp tính hiệu suất trích ly hiệu suất thu hồi annatto 38 2.4.2.3 Phương pháp tiến hành thí nghiệm 39 2.5 Thiết kế xử lý số liệu 39 2.5.1 Phương pháp thống kê 39 2.5.2 Phần mềm xử lý số liệu 40 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Tính chất vật liệu hạt điều màu dùng cho nghiên cứu 41 3.2 Lựa chọn dung môi phù hợp cho trình trích ly có hỗ trợ vi sóng 43 3.3 Tối ưu nồng độ dung môi để trích ly annatto 45 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ ethanol đến hiệu suất trích ly màu annatto 45 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ ammonia đến hiệu suất trích ly màu annatto 46 3.3.3 Tối ưu hóa nồng độ dung môi chất hỗ trợ 47 3.4 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu chế độ hỗ trợ vi sóng đến hiệu suất trích ly annatto 52 3.4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất trích ly annatto 3.4.2 Ảnh hưởng công suất vi sóng đến hiệu suất trích ly màu annatto 53 3.4.3 Ảnh hưởng thời gian hỗ trợ vi sóng đến hiệu suất trích ly annatto 54 3.4.4 Tối ưu hóa tỷ lệ dung môi / nguyên liệu chế độ hỗ trợ vi sóng 55 3.5 Ảnh hưởng thời gian trích ly phụ sau hỗ trợ vi sóng 62 3.6 Ảnh hưởng nồng độ acid acetic dùng để kết tủa annatto 63 3.7 Chỉ tiêu chất lượng, quy trình thử nghiệm tính toán giá thành 65 3.7.1 Chỉ tiêu chất lượng 65 3.7.2 Quy trình thử nghiệm tính toán giá thành 66 3.8 Thử nghiệm sơ khả tạo chế phẩm nhũ annatto xii ổn định dung môi nước pH thấp 67 3.8.1 Lựa chọn chất nhũ hóa thích hợp 67 3.8.2 Khảo sát tỷ lệ chất nhũ hóa tween 80 69 3.8.3 Khảo sát ổn định chế phẩm nhũ annatto dung môi nước có pH khác 71 3.8.4 Sử dụng chế phẩm nhũ annatto phối màu cho nước cam ép 72 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 82 xiii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT A Absorption ADI Acceptable Daily Intake ANN Artificial Neural Network ANOVA Analysis of Variance BHT butylated hydroxytoluene cm centimet EDTA Ethylen Diamin Tetraacetic Acid FCC Food Chemical Codex FDA U.S Food and Drug Administration FSCJ Ủy ban An toàn thực phẩm Nhật Bản g gram GRAS Generally Recognized as Safe HPLC High Performance Liquid Chromatography HS hiệu suất INS International Numbering System for Food Additives JECFA Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives hecta HDPE high–density polyethylene kg kilogram MASE Microwave-assisted Solvent Extraction nm nanomet PEG 400 MS polyethylene glycol 400 monostearate RSM Response Surface Methodology s second SSL sodium stearoyl lactate xiv TCN tiêu chuẩn ngành TCVN tiêu chuẩn Việt Nam Tukey’s HSD Tukey’s Honestly Significant Difference UV – Vis Ultraviolet – Visible Spectroscopy v/p vòng / phút W Watt WHO World Health Organization w/v weight / volume xv DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Cây, hoa trái điều màu (Bixa orellana L.) Hình 1.2 Quả hạt điều màu lúc thu hoạch Hình 1.3 Cấu trúc phân tử norbixin (A) bixin (B) Hình 1.4 Chuyển đổi qua lại dạng annatto Hình 1.5 Phản ứng sinh sắc tố McKeown metaxilen Hình 1.6 Chế phẩm bột annatto huyền phù dầu Hình 1.7 Màu annatto đồ uống có pH thấp 10 Hình 1.8 Phân tử phân cực xếp lại vị trí trường điện từ 13 Hình 1.9 Cơ chế vi sóng tác động lên mô động – thực vật 14 Hình 1.10 Cấu tạo lò vi sóng dân dụng 15 Hình 1.11 Thiết bị MASE dạng mẻ liên tục quy mô công nghiệp 15 Hình 1.12 Phổ hấp thụ bixin norbixin chloroform 19 Hình 2.1 Hạt điều màu khô đóng gói bao PE kín miệng 24 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình trích ly để chọn dung môi 27 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình thí nghiệm kết tủa annatto acid acetic 33 Hình 3.1 Mẫu hạt điều màu sấy khô 41 Hình 3.2 Hiệu suất trích ly annatto nồng độ ethanol khác 45 Hình 3.3 Hiệu suất trích ly annatto nồng độ ammonia khác 46 Hình 3.4 Độ tương thích số liệu thực nghiệm với mô hình toán học (a) phân bố phần dư số liệu thực nghiệm so với số liệu dự đoán (b) 48 Hình 3.5 Biểu đồ Pareto thể ảnh hưởng yếu tố 49 Hình 3.6 Bề mặt đáp ứng thể quan hệ hiệu suất trích ly nồng độ hai thành phần dung môi 50 Hình 3.7 Mặt cắt bề mặt đáp ứng điểm tối ưu 51 Hình 3.8 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi / nguyên liệu đến hiệu suất trích ly annatto xvi Hình 3.9 Ảnh hưởng công suất vi sóng đến hiệu suất trích ly annatto 53 Hình 3.10 Ảnh hưởng thời gian hỗ trợ vi sóng đến hiệu suất trích ly annatto Hình 3.11 Độ tương thích số liệu thực nghiệm với mô hình toán học (a) phân bố phần dư số liệu thực nghiệm so với số liệu dự đoán (b) 57 Hình 3.12 Biểu đồ Pareto thể ảnh hưởng yếu tố 58 Hình 3.13 Bề mặt đáp ứng thể tương quan hiệu suất tỷ lệ dung môi / hạt công suất vi sóng 59 Hình 3.14 Bề mặt đáp ứng thể tương quan hiệu suất tỷ lệ dung môi / hạt thời gian hỗ trợ vi sóng 60 Hình 3.15 Bề mặt đáp ứng thể tương quan hiệu suất công suất thời gian hỗ trợ vi sóng 60 Hình 3.16 Mặt cắt bề mặt đáp ứng điểm tối ưu 61 Hình 3.17 Ảnh hưởng thời gian trích ly phụ sau hỗ trợ vi sóng đến hiệu suất trích ly annatto 62 Hình 3.18 Dịch trích ly ban đầu (trái) dịch trích ly kết tủa sau 20 phút bổ sung acid acetic (phải) 63 Hình 3.19 Ảnh hưởng tỷ lệ acid acetic đến hiệu suất thu hồi annatto 64 Hình 3.20 Bột annatto E điều chế phòng thí nghiệm 65 Hình 3.21 Quy trình điều chế thử nghiệm chế phẩm bột annatto E 66 Hình 3.22 Bột annatto E hòa tan propylene glycol kiềm 67 Hình 3.23 Nhũ tương annatto propylene glycol nhũ hóa với chất nhũ hóa khác pha loãng nước cất pH (dãy trái) pH (dãy phải) 68 Hình 3.24 Nhũ tương annatto propylene glycol nhũ hóa với tween 80 tỷ lệ khác pha loãng nước cất pH (dãy trái) pH (dãy phải) 70 Hình 3.25 Nhũ annatto ổn định pH thấp 71 Hình 3.26 Nước cam ép phối nhũ annatto 72 xvii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1 Các loại chế phẩm annatto chủ yếu Bảng 1.2 Yêu cầu độ tinh khiết chế phẩm phụ gia annatto 12 Bảng 1.3 Vài dung môi sử dụng phương pháp MASE 17 Bảng 1.4 Nghiên cứu sử dụng lò vi sóng dân dụng 18 Bảng 2.1 Các loại dung môi khảo sát 26 Bảng 3.1 Các tiêu hạt điều màu nguyên liệu 42 Bảng 3.2 Hiệu suất trích ly màu annatto dung môi khác 43 Bảng 3.3 Mức khảo sát yếu tố 47 Bảng 3.4 Kết thí nghiệm RSM kiểu CCD yếu tố 47 Bảng 3.5 Sự “thiếu phù hợp” mô hình toán học 49 Bảng 3.6 Các hệ số phương trình hồi quy 50 Bảng 3.7 Dự đoán điểm tối ưu giá trị hai yếu tố tương ứng 51 Bảng 3.8 Mức khảo sát yếu tố 55 Bảng 3.9 Kết thí nghiệm RSM kiểu Box-Behnken yếu tố 56 Bảng 3.10 Sự “thiếu phù hợp” mô hình toán học 57 Bảng 3.11 Các hệ số phương trình hồi quy 59 Bảng 3.12 Dự đoán điểm tối ưu giá trị yếu tố tương ứng 61 Bảng 3.13 Giá thành sản xuất thử nghiệm kg chế phẩm bột annatto E 67 xviii