Nghiên cứu này nhằm so sánh hai phương pháp sấy khô truyền thống của enzyme và xác định hiệu quả của mỗi loại và những lợi thế và bất lợi của chúng. Các thí nghiệm đã được thực hiện với một máy sấy phun quy mô phòng thí nghiệm và máy làm đông khô bằng cách sử dụng αamylase làm enzyme mẫu. Thiết kế thực nghiệm mức “sao” cho thấy sấy phun chủ yếu chịu ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và tốc độ dòng cấp, được coi là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt độ enzym và hoạt độ nước; thời gian tiếp xúc vật liệu với nhiệt độ cao dẫn đến mất một phần hoạt độ. Trong thí nghiệm sấy đông khô, ba phương pháp đông đá đã được sử dụng (tủ đông, acetone và nước đá khô, và ni tơ lỏng) và các mẫu sau đó đông khô trong khoảng thời gian từ 024 giờ. Sản phẩm thu được từ hai phương pháp trên cho thấy hoạt độ enzyme cao và hoạt độ nước thấp.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NÔI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TIỂU LUẬN MÔN HỌC KỸ THUẬT THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM “Nghiên cứu so sánh hiệu sấy α-amylase phương pháp sấy phun sấy đông khô” Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Quản Lê Hà PGS.TS Lê Thanh Hà Học viên thực : Nguyễn Hà Trung HÀ NỘI, 2017 Tiểu luận mơn học: Kỹ thuật thu hồi hồn thiện sản phẩm Tóm tắt: Nghiên cứu nhằm so sánh hai phương pháp sấy khô truyền thống enzyme xác định hiệu loại lợi bất lợi chúng Các thí nghiệm thực với máy sấy phun quy mơ phòng thí nghiệm máy làm đơng khơ cách sử dụng α-amylase làm enzyme mẫu Thiết kế thực nghiệm mức “sao” cho thấy sấy phun chủ yếu chịu ảnh hưởng nhiệt độ đầu vào tốc độ dòng cấp, coi yếu tố ảnh hưởng đến hoạt độ enzym hoạt độ nước; thời gian tiếp xúc vật liệu với nhiệt độ cao dẫn đến phần hoạt độ Trong thí nghiệm sấy đông khô, ba phương pháp đông đá sử dụng (tủ đông, acetone nước đá khô, ni tơ lỏng) mẫu sau đơng khơ khoảng thời gian từ 0-24 Sản phẩm thu từ hai phương pháp cho thấy hoạt độ enzyme cao hoạt độ nước thấp Đối với việc sấy enzyme chịu nhiệt, sản phẩm thu khơng có giá trị gia tăng cao, sấy phun mang lại hiệu kinh tế q trình sấy đơng khơ, thời gian thực lâu yếu tố hạn chế lựa chọn kỹ thuật I Giới thiệu Việc sử dụng loại enzyme khử nước cho ứng dụng công nghiệp ngày trở nên phổ biến, đặc biệt công thức dược phẩm thực phẩm (Samborska cộng sự, 2005, Namaldi cộng sự, 2006, Kurozawa cộng sự, 2009 de Jesus Maciel Filho, 2011) Trong số enzyme sử dụng nhiều đề cập đến α-amylase Alpha-amylase (1,4-α-D-Glucan glucanohydrolase, EC 3.2.1.1) endoenzyme phân hủy tinh bột tạo thành maltose thông qua phản ứng thủy phân (Lévêque cộng 2000) Alpha-amylase sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp thực phẩm dược phẩm, chất tẩy giặt việc "rũ hồ" hàng dệt may (Sivaramakrishnan cộng sự, 2006, Biazus et al, 2009 de Jesus Maciel Filho, 2011) Việc sấy khô enzyme thường thực phương pháp sấy phun sấy đông khơ (Çakaloz cộng sự, 1997, Maa cộng sự, 1998, Heller, 1999, McLoughlin cộng sự, 2003, Samborska cộng sự, 2005 Kudra , 2008, Santos Silva, 2008) Sấy phun phương pháp phổ biến để tạo thành bột từ chất lỏng Trong trình này, chất lỏng ban đầu phun vào buồng khơng khí nóng Dung mơi nhanh chóng bốc điều kiện này, tạo thành hạt khô Các hạt sau tách ra, cyclon, vào bình chứa (van Deventer cộng sự, 2013) Một số ưu điểm phương pháp sấy phun bao gồm khả tạo bột nhanh (ví dụ, so với q trình đơng khơ) khả kiểm sốt phân bố kích thước hạt Một số ví dụ hạn chế phương pháp sấy phun bao gồm hiệu thu Tiểu luận môn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm hạt bất ổn tiềm ẩn vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ cao (McLoughlin cộng sự, 2003) Mặc dù vậy, số lượng ngày tăng nghiên cứu xác nhận triển vọng phương pháp sấy phun để sản xuất dược phẩm sinh học khô (Samborska cộng sự, 2005, Namaldi cộng sự, 2006, Sivaramakrishnan cộng sự, 2006, Kurozawa cộng sự, 2009) Phương pháp bảo quản thực phẩm vật liệu sinh học (enzyme, protein, vitamin ), sản phẩm hoa, thuốc toàn động vật gọi sấy thăng hóa hay gọi sấy đơng khơ Phương pháp sử dụng để phục hồi vật bị hư hỏng nước hoả hoạn lụt Trong trình này, nước lấy khỏi vật liệu cách thăng hoa vật liệu đông lạnh Vật liệu đông lạnh làm mát đến khoảng -29 ° C Đơng khơ đòi hỏi áp suất thấp 5,33 mbar (bốc từ trạng thái đông lạnh) thời gian sấy dài, tăng đáng kể chi phí q trình (Drouzas Schubert 1996) Vật liệu đặt khay khoang chân không tủ lạnh, nhiệt dẫn truyền đến cách cẩn thận Kết là, nước vật liệu thay đổi trực tiếp từ băng đá thành nước mà không bị biến đổi thành nước (Douglas cộng sự, 2000 Biazus cộng sự, 2009) Việc sấy khô đông khô sử dụng rộng rãi để tạo loại vật liệu sinh học, enzyme thực phẩm khác phương pháp cho có hiệu để trì hoạt động sinh học vật liệu khoảng thời gian dài (Nakagawa cộng sự, 2013 ) Mục tiêu nghiên cứu để xác minh ưu điểm nhược điểm phương pháp sấy phun làm sấy đông khô việc sấy enzyme dùng công nghiệp, sử dụng α-amylase làm enzym mô hình II Vật liệu phương pháp Enzyme Enzyme sử dụng enzyme α - Amylase thương mại có nguồn gốc từ chủng vi khuẩn Bacillus sp (AQUAZYM® 120L hãng Novo Nordisk) Sấy phun Các thí nghiệm thực với hệ thống sấy phun SD-04 model (Huddersfield, UK) quy mơ phòng thí nghiệm 500g canh trường enzyme dùng cho thí nghiệm sấy Trong suốt q trình, tỉ lệ dòng chảy theo dõi đánh giá là: 0.2, 0.23, 0.31, 0.38, 0.41 mL/phút Bằng máy bơm nhu động đến vòi phun, nơi mà việc phun hoá dung dịch thiết lập cách sử dụng dòng khí nén (Bảng 1) Áp suất khơng khí 0,41 bar (bơm chân khơng hoạt động từ đến 100 vòng / phút) Khơng khí sấy Tiểu luận mơn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm vào buồng sấy hướng với giọt phun giảm dần Biến quy trình nhiệt độ đầu vào máy sấy (130, 145, 180, 215 230°C) Nhiệt độ đầu kiểm sốt trực tiếp, hàm nhiệt độ đầu vào khơng khí tốc độ nạp dung dịch Nhiệt độ khí thải đầu quan sát 78, 85, 90, 111, 117, 120, 140, 145, 156oC tương ứng với tốc độ thức ăn nhiệt độ đầu vào khí (Bảng 1) Các thí nghiệm máy sấy phun tối ưu hóa thơng qua thiết kế thực nghiệm mức có hai biến để khảo sát tác động tốc độ dòng chảy dung dịch nhiệt độ đầu vào lên hoạt độ enzym hoạt độ nước (Bảng 1) Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) sử dụng để ước lượng hiệu ứng (Barros Neto cộng sự, 2007) Việc tính tốn cho hai giá trị mã hóa khảo nghiệm thiết kế sau α = (2n)1/4, n số biến độc lập Một thiết kế thực nghiệm đầy đủ 22 giai thừa áp dụng để phân tích hai biến (bốn thí nghiệm), với điểm trục cho α = ± 1,41 (bốn thí nghiệm) ba thí nghiệm điểm trung tâm, cho tổng cộng mười thí nghiệm (Barros Neto et al , 2007) Các biến lựa chọn nhiệt độ khí đầu vào (T, ° C) tốc độ dòng chảy thức ăn (Q, mL.s-1) hoạt động enzym hoạt động nước phản ứng Dữ liệu phân tích sử dụng gói phần mềm Statistica 7.0 (Statsoft, Tulsa, USA) Đông khô Các thí nghiệm tiến hành với thiết bị sấy đông khii Telstar, Cryodos - 80 (Terrassa, Tây Ban Nha) Trong suốt trình thăng hoa, nhiệt độ trì 90oC áp suất 0,05 mbar Ban đầu, canh trường có enzyme đơng lạnh ni tơ lỏng, băng khô axeton, tủ đá lạnh Bảng Ma trận thí nghiệm yếu tố, hoạt độ enzyme hoạt độ nước thu q trình sấy phun Tiểu luận mơn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm Đối với thí nghiệm sấy, ống thủy tinh có đường kính 40 mm chứa 5,0 mL canh trường enzyme nhúng ni tơ lỏng băng khô axeton tủ đơng thơng thường Nhiệt độ đóng băng đo thiết bị ghi liệu nhiệt độ (OMRON E5CN, Illinois, USA) kết hợp với cặp nhiệt độ K Tốc độ làm mát thu cách biểu sau: Trong đó: W tốc độ làm mát [oC/min], T nhiệt độ [oC] Δt thời gian đóng băng [min] Các mẫu sấy khô với thời gian khác (từ đến 24 giờ) Vật liệu thu được phân tích để xác định hoạt độ enzyme (EA), hoạt độ nước (aw) hàm lượng độ ẩm Hoạt độ enzyme Hoạt độ alpha-amylase kiểm tra dung dịch ban đầu có chứa tinh bột hòa tan 7% (m/v) pH 6, NaCl 0,05% (w/v) KCl 0,6 % (w/v) Dung dịch để 37oC phút Lấy 12 µl/mẫu sau bổ sung thêm vào 2,0 mL chuẩn hỗn hợp phản ứng (Laborlab S.A., São Paulo, Brazil) ủ 37oC 10 phút Hoạt độcủa alpha-amylase xác định phương pháp quang phổ cách tăng hấp thụ tốc độ 505 nm (quang phổ UV / VIS Sintra 10e GBC, Australia) (de Jesus Maciel Filho, 2011) Vật liệu sấy ngưng lại nước cất đưa vào bồn nước để đạt độ tan hồn tồn sau hoạt tính enzym xác định theo phương pháp nói Đường chuẩn tuyến tính thiết lập cách phân tích dung dịch chuẩn glucose khoảng từ 0,13 đến 0,2 μmol/mL Một đơn vị hoạt độ enzyme (U) định nghĩa μmol glucose sản xuất phút điều kiện định (37oC pH6) Hoạt độ nước Các phép đo thực máy đo hoạt độ nước (Aqua Lab Model TE Series, Decagon, USA) Hoạt độ nước tất mẫu sấy khô đo 25oC Hàm lượng ẩm Tiểu luận môn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm Hàm lượng độ ẩm enzyme xác định phương pháp phân tích nhiệt lượng, thiết bị TGA 50 (Shimadzu, Nhật Bản) III Kết thảo luận Canh trường có enzyme ban đầu có hoạt độ enzyme (EA) 0,93 U/mL, độ ẩm (X0) 4,42 kg-H2O/kg d.b hoạt độ nước (aw) 0,93 25oC pH (de Jesus Maciel Filho, 2011) Quá trình sấy phun Bảng trình bày kết thu cho hoạt độenzym hoạt độ nước cho 11 thí nghiệm q trình sấy phun hồn thành nghiên cứu Thiết kế thí nghiệm cho thấy nhiệt độ ban đầu tốc độ bơm ảnh hưởng đến hoạt động enzyme Các nghiên cứu cho thấy mát hoạt độ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ khí đầu vào phân bố nhiệt độ máy sấy (Heller 1999, Samborska cộng sự, 2005) Một biến quan trọng trình sấy phun nhiệt độ đầu Nhiệt độ đầu thấp cần thiết để tránh hoạt độ Để có chế độ hoạt động thích hợp, điều quan trọng phải ý nhiệt độ đầu tăng với nhiệt độ đầu vào ngày tăng giảm với tốc độ bơm (Bảng 1) (Maa cộng sự, 1998, Arpagaus 2012) Tương tự, nhiệt độ đầu nên để mức thấp để đạt sản phẩm α-amylase khô có hoạt độ enzym cao Thực tế là, nhiệt độ đầu vào cao tốc độ bơm thấp, nhiệt độ đầu ảnh hưởng đến hoạt độ enzyme Đồ thị bề mặt đáp ứng cho thấy, tốc độ bơm cao nhiệt độ đầu vào thấp, hoạt độ enzyme thu tăng đáng kể (Hình 1) Khi trình thực điểm trung tâm (T = 180 ° C Q = 0,31 mL/s), có mát đáng kể hoạt độ enzyme ban đầu, theo thứ tự 24%; nhiên, trình thực nhiệt độ thấp hơn, hoạt độ enzyme giữ lại tốt hơn, chủ yếu thí nghiệm số (Bảng 1) Đối với nhiệt độ đầu vào cao tốc độ bơm thấp, hoạt độ enzyme có giảm đáng kể (Hình 1a) Bằng cách đo hoạt độ nước, dự đốn vi sinh vật có phải nguồn gây hỏng sản phẩm hay không Hoạt độ nước sản phẩm khô thấp có nghĩa khả bảo quản tốt Các giá trị aw thu thí nghiệm tiến hành với tốc độ bơm thấp, chủ yếu nhiệt độ cao (Hình 1b) Trong trường hợp này, thời lưu canh trường có enzyme xem yếu tố làm giảm hoạt độ nước, tăng nhiệt độ khí vào, dẫn đến phân bố nhiệt độ tốt bên máy sấy, vật liệu sấy khử nước tốt Hơn nữa, nhiệt độ tăng làm giảm đáng kể hoạt độ enzyme (Hình 1a); việc tìm mối quan hệ tốt Tiểu luận môn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm hoạt độ enzyme/hoạt độ nước vấn đề liên quan đến q trình sấy enzyme Bằng cách phân tích bề mặt phản ứng (Hình 1a 1b), kết tốt thu trình thực nhiệt độ khoảng 145°C dòng chảy 0,23 mL/s Trong trường hợp bảo quản 83% hoạt độ enzyme ban đầu hoạt độ nước 0,47 Tăng nhiệt độ khơng khí đầu vào làm tăng nhiệt độ khơng khí đầu tăng cung cấp lượng nhiệt; với tốc độ bơm tăng, nhiệt độ khơng khí giảm đáng kể tốc độ bay nước tăng lên (Samborska cộng sự, 2005) Q trình sấy đơng khơ Làm đơng lạnh trước tiến hành thăng hoa ảnh hưởng cấu băng hình thành, dòng nước trình sấy sơ cấp chất lượng sản phẩm sấy cuối Kiểm soát giải pháp đơng lạnh rút ngắn chu kỳ đơng khơ tạo công thức ổn định (Santana et al., 2010) Một số protein bị biến tính lạnh q trình đơng lạnh làm lạnh nhanh có tác động nguy hại đến chất lượng sản phẩm pha lỗng Hình 1: (a) Bề mặt đáp ứng: hoạt độ enzyme sản phẩm hàm số biến tốc độ bơm nhiệt độ đầu vào; (b): Bề mặt đáp ứng: Hoạt độ nước sản phẩm hàm số biến tốc độ bơm nhiệt độ đầu vào Các phương pháp đông lạnh làm thay đổi diện tích bề mặt qua tỷ lệ lỗ khí/rắn đối tượng sấy Diện tích bề mặt tăng lên tương quan với giảm tính ổn định sản phẩm khơ số protein (Santana cộng sự, 2010) Việc đông lạnh cách nhúng ống thủy tinh vào nitơ lỏng làm tăng kết tụ protein (Santana cộng sự, 2010) giảm hoạt độn enzyme (Sadikoglu cộng sự, 2006) so sánh với mẫu làm lạnh tủ đông Tiểu luận môn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm Các phương pháp đông lạnh sử dụng nghiên cứu đông lạnh nitơ lỏng, băng khô axeton, tủ đông (tủ lạnh) Bảng cho thấy tỷ lệ đóng băng thu ba phương pháp đông lạnh Với nitơ lỏng -195°C cho thấy tốc độ làm lạnh nhanh Hình cho thấy tổn thất lớn so với thời gian sấy nhận thấy rằng, sau 16 sấy, độ ẩm lại khơng đổi Khi q trình đơng lạnh thực với nitơ lỏng, người ta thấy khoảng thời gian sấy đủ để đạt sản phẩm có độ ẩm thấp Khảo sát sơ sấy sơ cấp chứng minh áp suất buồng sấy nhiệt độ hai thông số quan trọng (Pirozzi cộng sự, 1996, Alzamora cộng sự, 2003) Trong cơng trình này, áp suất buồng trì khoảng 0,05 mbar nhiệt độ -90°C sử dụng cho tất thí nghiệm Bảng 2: Tốc độ làm mát với nito lỏng, đá lạnh aceton, đông đá tủ Hình Đường biểu diễn trình thăng hoa sau đông lạnh với (Δ) ni tơ lỏng ;(o) đá lạnh aceton; (□) tủ đơng Hình cho thấy hoạt độ enzyme hoạt độ nước hàm biến thời gian sấy Tiểu luận mơn học: Kỹ thuật thu hồi hồn thiện sản phẩm Các động học đông khô cho thấy hoạt độ enzyme (Hình 3a) hoạt độ nước (Hình 3b) giảm theo thời gian sấy Sau giờ, khoảng 98% hoạt độ enzyme ban đầu bảo quản, hoạt độ nước giảm không đáng kể, cho thấy độ ẩm cao hơn, trừ khi vật liệu đông lạnh với nitơ lỏng Đây chứng cho thấy trình thăng hoa ưa chuộng tốc độ làm mát nhanh Kết thu sau 16 trình, vật liệu sấy cho hoạt độ nước khoảng 0,2; trừ vật liệu đông lạnh tủ đá, lúc hoạt độ nước cao (gần 0,4) Quan sát thấy đóng băng vật liệu thực với ni tơ lỏng thu hoạt độ enzym cao Sau 20 q trình, thấy độ ẩm khơng đổi đóng băng với nitơ lỏng Kết tương tự thu sau 24 trình cho ba kỹ thuật Trong nghiên cứu này, phương pháp đông lạnh có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt độ enzym hoạt độ nước sau trình sấy Trong q trình sấy đơng khơ với enzyme α-amylase, hoạt độ enzyme đạt lớn trình phun Hoạt độ kết thúc q trình có độ bảo quản xấp xỉ 95% với hoạt độ nước trung bình 0,25 Tuy nhiên, cần 12 để đạt điều kiện (Hình 3) Hình 3: Ảnh hưởng thời gian sấy (a) hoạt tính enzym (b) hoạt động nước; ban đầu đóng băng (Δ) ni tơ lỏng; (○) băng khô axeton; (□) tủ đơng thơng thường Q trình sấy đơng khơ làm khơ hồn tồn bảo quản hoạt tính enzyme tốt so với phương pháp lại, nhiên, sản xuất quy mô lớn, trở nên khơng có giá trị kinh tế, nên dùng cho q trình đòi hỏi phải sử dụng enzyme dạng khơ có hoạt tính xúc tác cao, chẳng hạn ngành dược phẩm, nơi chuyển đổi chất thành sản phẩm mong muốn tạo sản phẩm phụ tỷ lệ chuyển đổi phải 100% Tuy nhiên, quy trình có giá trị gia tăng vừa phải thấp, có nhu cầu sử dụng chất phản ứng Tiểu luận môn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm chất rẻ hơn, việc sử dụng enzyme sấy khô sấy phun trở nên khả thi mặt kinh tế Tuy nhiên, cần lưu ý enzyme α-amylase enzyme nhiệt, có khả chịu nhiệt độ cao Do đó, thí nghiệm với việc sấy phun, chí với nhiệt độ cao khơng khí đầu vào tỷ lệ dòng chảy thức ăn thấp, 70% hoạt tính ban đầu bảo quản IV Kết luận Trong nghiên cứu này, tác giả so sánh hiệu trình sấy phun sấy đông khô sấy α-amylase Sản phẩm khử nước hai kỹ thuật phân tích hoạt độ enzym hoạt độ nước Một thiết kế thực nghiệm mức “sao” cho thấy sấy phun chủ yếu chịu ảnh hưởng nhiệt độ đầu vào tốc độ bơm nhập liệu, coi yếu tố ảnh hưởng đến hoạt độ enzym hoạt độ nước; thời gian tiếp xúc vật liệu với nhiệt độ cao dẫn đến phần hoạt tính Cuối cùng, kết luận phương pháp đông lạnh ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối sau q trình đơng khơ, việc đơng lạnh với nitơ coi thích hợp Sản phẩm thu từ hai kỹ thuật cho thấy hoạt độ enzym cao hoạt độ nước thấp Đối với việc sấy enzyme chịu nhiệt, sản phẩm thu khơng có giá trị gia tăng cao, việc sấy phun mang lại hiệu kinh tế hơn, trình sấy đông, thời gian sấy lâu tiêu thụ lượng cao coi nhược điểm kỹ thuật Thông qua nghiên cứu này, tác giả kết luận q trình sấy khơ khuyến cáo để làm khô enzyme chịu nhiệt q trình đòi hỏi phải sử dụng enzyme khử nước với hoạt độ enzym cao, sản phẩm cuối có giá trị gia tăng cao 10 Tiểu luận môn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm Tài liệu tham khảo S S de Jesus and R Maciel Filho, Drying of α-amylase by spray drying and freeze-drying – a comparative study Brazilian Journal of Chemical Engineering, Vol 31, No 03, pp 625 - 631, July - September, 2014 11 ... lượng ẩm Tiểu luận môn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm Hàm lượng độ ẩm enzyme xác định phương pháp phân tích nhiệt lượng, thiết bị TGA 50 (Shimadzu, Nhật Bản) III Kết thảo luận Canh... giả kết luận q trình sấy khơ khuyến cáo để làm khô enzyme chịu nhiệt q trình đòi hỏi phải sử dụng enzyme khử nước với hoạt độ enzym cao, sản phẩm cuối có giá trị gia tăng cao 10 Tiểu luận môn... 1) Áp suất khơng khí 0,41 bar (bơm chân khơng hoạt động từ đến 100 vòng / phút) Khơng khí sấy Tiểu luận mơn học: Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm vào buồng sấy hướng với giọt phun giảm dần