Kết quả nghiên cứu cho thấy kappa-carrageenan tự nhiên thu nhận từ rong sú Kappaphycus striatum có sức đông 486g/cm2 , nhiệt độ tan chảy 45,50 C, nhiệt độ đông đặc 33,50 C, hiệu suất thu hồi 30,2%. Tối ưu hóa được công đoạn xử lí kiềm đối với dịch lọc carrageenan bằng dung dịch Ca(OH)2 5% với các thông số như sau: nhiệt độ 700 C, pH 8,6, thời gian 9 phút. Kappa-carrageenan sau khi xử lí kiềm chất lượng cải thiện rõ rệt sức đông tăng gấp đôi (965 g/cm2 ) so với carrageenan tự nhiên, nhiệt độ tan chảy của carrageenan đạt 550 C, nhiệt độ đông đặc đạt 440 C, hiệu suất thu hồi kappa-carrageenan qua xử lí kiềm tăng 25% so với hiệu suất thu hồi kappa-carrageenan chưa qua xử lý kiềm và đạt 37,7%.
Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2015 THÔNG BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU THU NHẬN KAPPA - CARRAGEENAN TỪ RONG SÚ KAPPAPHYCUS STRIATUM TRỒNG TẠI CAM RANH STUDY ON KAPPA - CARRAGEENAN FROM KAPPAPHYCUS STRIATUM CULTIVATED IN CAM RANH Ngơ Thị Ngọc Trình1, Phan Thị Khánh Vinh2 Ngày nhận bài: 29/11/2013; Ngày phản biện thông qua: 08/01/2015; Ngày duyệt đăng: 10/6/2015 TÓM TẮT Kết nghiên cứu cho thấy kappa-carrageenan tự nhiên thu nhận từ rong sú Kappaphycus striatum có sức đơng 486g/cm2, nhiệt độ tan chảy 45,50C, nhiệt độ đông đặc 33,50C, hiệu suất thu hồi 30,2% Tối ưu hóa cơng đoạn xử lí kiềm dịch lọc carrageenan dung dịch Ca(OH)2 5% với thông số sau: nhiệt độ 700C, pH 8,6, thời gian phút Kappa-carrageenan sau xử lí kiềm chất lượng cải thiện rõ rệt sức đơng tăng gấp đôi (965 g/cm2) so với carrageenan tự nhiên, nhiệt độ tan chảy carrageenan đạt 550C, nhiệt độ đông đặc đạt 440C, hiệu suất thu hồi kappa-carrageenan qua xử lí kiềm tăng 25% so với hiệu suất thu hồi kappa-carrageenan chưa qua xử lý kiềm đạt 37,7% Từ khóa: Kappa-carrageenan, xử lý kiềm, tối ưu hóa, Kappaphycus striatum ABSTRACT Results showed that native kappa-carrageenan derived from Kappaphycus striatum had gel strength 486g/cm2, melting temperature was 45,50C, gelling temperature was 33,50C, carrageenan yield was 30,2% Optimized parameters in alkaline treatment of carrageenan extract by Ca(OH)2 5%: temperature 700C, pH 8,6, duration minutes Kappa-carrageenan after alkaline treatment had gel strength 965 g/cm2, melting temperature was 550C, gelling temperature was 440C and carrageenan yield was increased 25% than that without alkaline treatment and reached 37.7% Keywords:Kappa-carrageenan, alkaline treatment, optimization, Kappaphycus striatum I ĐẶT VẤN ĐỀ Hydrocolloid từ rong biển từ lâu ứng dụng rộng rãi công nghiệp thực phẩm với vai trò chất tạo cấu trúc, tăng giá trị cảm quan tính dược liệu (Nussinovitch, 1997; Nagumo et al, 1996) [5] [6] Cùng với gia tăng dân số ổn định kinh tế, nhu cầu sử dụng hydrocolloid ngày tăng (McHugh, 2002) [4] Trong số nhiều loại rong biển, rong đỏ đóng vai trị quan trọng nguồn ngun liệu để sản xuất agar loại carrageenan khác (Zemker-White, 1999) [8] Trong loài rong đỏ carrageenophyte phải kể đến rong sụn Kappaphycus alvarezii rong sú Kappaphycus striatum, loài rong biển vùng nhiệt đới với suất sản lượng trồng cao, chất lượng rong tốt (Critchley et al, 1998) [3] Ở nước ta nay, đa phần cơng trình nghiên cứu thu nhận carrageenan tập trung vào đối tượng rong sụn Kappaphycus alvarezii, quy trình thu nhận carrageenan tinh chế thực xử lý bã rong trước trình nấu chiết với nồng độ kiềm cao – 10% Điều đòi hỏi đầu tư thiết bị nấu chiết phải chịu tính kiềm axit cần để trung hịa lượng kiềm dư, đầu tư xử lý hệ thống nước thải Bên cạnh đó, bã rong sau xử lý kiềm hạn chế khả ứng dụng Để khắc phục nhược điểm này, Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nha Trang đề xuất quy trình sản xuất carrageenan xử lý kiềm KOH dịch lọc sau nấu chiết Tuy nhiên nghiên cứu mang tính chất thăm dị chưa tối ưu hóa thơng số Bên cạnh Ngơ Thị Ngọc Trình: Phịng Quản lý cơng nghiệp - Sở Cơng thương tỉnh Khánh Hịa TS Phan Thị Khánh Vinh: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang 72 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản việc sử dụng KOH trình xử lý dịch lọc làm tăng nhiệt độ đông đặc gel carrageenan, dẫn đến khó khăn cho cơng đoạn trung hịa axit địi hỏi phải có thêm khâu gia nhiệt để hòa tan gel trở lại Đồng thời nhiệt độ cao việc bổ sung axit dẫn đến giảm sức đông thạch carrageenan [2] Để giải vấn đề cần nghiên cứu tối ưu hóa công đoạn xử lý dịch lọc kiềm, cụ thể sử dụng dung dịch Ca(OH)2 sau nấu chiết, lọc mơi trường trung tính nhằm nâng cao chất lượng kappa-carrageenan, giảm thiểu lượng hóa chất quy trình công nghệ thu nhận kappa-carrageenan Số 2/2015 II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu a Rong sú Kappaphycus striatum: Rong trồng Cam Ranh thu hoạch sau tháng trồng (thời gian thu hoạch tháng 03/2013) Rong sú thu mua dạng khô Trong trường hợp độ ẩm vượt 40%, cần tiếp tục phơi nắng để giảm hàm ẩm 40% theo tiêu chuẩn rong khô nguyên liệu Philippines b Carrageenan thương phẩm: Dạng bột, sản phẩm tinh chế (food grade) từ Eucheuma cottonii sản xuất Philippine c Hóa chất: KCl, Ca(OH)2, KOH hóa chất đạt tiêu chuẩn phân tích Trung Quốc sản xuất Phương pháp nghiên cứu 2.1 Sơ đồ nghiên cứu Sơ đồ nghiên cứu trình bày hình Nguyên liệu rong sú Dịch chiết carrageenan đem tủa KCl Dịch chiết carrageenan xử lý KOH với tỉ lệ 1%, sau tủa KCl Dịch chiết carrageenan xử lý Ca(OH)2, sau tủa KCl Đánh giá tiêu hoá lý Đánh giá tiêu hóa lý carrageenan - Phân tích so sánh Xác định pH, nhiệt độ, thời gian tối ưu xử lý Ca(OH)2 – Đề xuất quy trình Hình Sơ đồ nghiên cứu quy trình thu nhận carrageenan từ rong sú Kappaphycus striatum Để khảo sát gía trị tối ưu, áp dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp hai với yếu tố hàm mục tiêu theo sơ đồ sau: X1 X2 Công đoạn xử lý Ca(OH)2 Y X3 Ta có biến đầu vào: X1 : pH 7-9 X2 : Nhiệt độ xử lý 35-75 (0C) X3 : Thời gian 30-120 (phút) Hàm mục tiêu: Y : Sức đông carrageenan, g/cm2 Các yếu tố ảnh hưởng n = số thí nghiệm N = 2k = Phương trình hồi quy có dạng: Y = b0 + b1x + b2x + b3x + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 73 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2015 Bảng Khoảng biến đổi yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý kiềm Mức thí nghiệm X1 X2 (0C) Khoảng biến thiên 20 45 Mức (+1) 75 120 Mức sở (0) 55 75 Mức (-1) 35 30 2.2 Phương pháp phân tích - Độ nhớt dung dịch carrageenan xác định máy đo độ nhớt Viscometer, Brookfield DV–I Prime - Sức đông carrageenan xác định máy đo tính chất lưu biến Sun Rheo Meter CR500 - Nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ tan chảy gel kappa-carrageenan xác định theo tiêu chuẩn LB Nga (GOST 26185-84) [9] Hiệu suất thu hồi = mcarrageenan mr mcarrageenan = Trong đó: X3 (phút) - pH dịch lọc carrageenan đo máy pH-meter Winlab - Hàm lượng ẩm, khoáng rong nguyên liệu xác định theo TCVN 5613:1991 - Hàm lượng protein rong nguyên liệu phương pháp Kjeldall theo TCVN 3705-90 - Hàm lượng carrageenan rong xác định theo phương pháp tác giả Podkorytova (Подкорытова, 2009) tính theo công thức sau [11]: x 100 (100 - Wr) x 100 (mdịch x W) 100 mcarrageenan: Khối lượng carrageenan thô (g) mr : Khối lượng rong đem nấu chiết (g) Wr : Độ ẩm rong (%) mdịch : Khối lượng dịch gel sau lọc (g) W : Hàm lượng chất khô gel sau lọc (g) 2.3 Phương pháp xử lý số liệu Kết thí nghiệm xử lý phần mềm Microsoft Excel 2007 Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa thơng số theo Box-Willson Kết trình bày trung bình lần thực III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết xác định thành phần hóa học rong nguyên liệu Kết thành phần hố học rong sú trình bày bảng Từ kết cho thấy hàm lượng ẩm rong nguyên liệu chiếm tỷ lệ 24,3% đạt yêu cầu tiêu độ ẩm Vì theo tiêu chuẩn Philippine rong ngun liệu lượng ẩm khơng vượt 40% [7] Bảng Thành phần hóa học nguyên liệu STT Chỉ tiêu Hàm lượng, % Hàm ẩm 24,3 ± 1,2 Protein * 4,7 ± 0,3 Khoáng chất * 39,1 ± 2,4 Carrageenan * 45,6 ± 1,1 Tạp chất 3,3 ± 0,5 Chú thích: * Tính theo chất khơ tuyệt đối Hàm lượng khống rong chiếm tỷ lệ đáng kể tới 39,1% Phần lớn hàm lượng khoáng rong chủ yếu tập trung bề mặt rong với lượng muối cao Do rong sú loài ưa nước mặn, lớp muối khống bên ngồi có tác dụng ức chế 74 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG phát triển vi sinh vật trình bảo quản rong nguyên liệu Hàm lượng protein rong chiếm tỷ lệ 4,7%, thấp so với hàm lượng rong sú trồng Ninh Thuận (Фан и др., 2012) [13] Hàm lượng protein tùy thuộc vào vùng trồng, chế độ Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2015 chăm sóc, bổ sung muối amoni thời gian trồng Hàm lượng protein ảnh hưởng đến độ tinh carrageenan tinh chế Hàm lượng carrageenan rong chiếm tỷ lệ cao 45,6% thu hái thời gian sau 45 ngày trồng Rong đạt chất lượng lượng carrageenan 30% so với tiêu chuẩn Philippine rong nguyên liệu Tạp chất rong nguyên liệu chiếm 3,3% bao gồm phần lớn dây nhựa, động vật kí sinh Đây tiêu chí quan trọng cần xác định để định giá thành nguyên liệu kiểm soát chất lượng đầu vào Tỉ lệ tạp chất rong nguyên liệu không nên vượt 8% theo tiêu chuẩn rong khô nguyên liệu Philippine Kết xác định tính chất lý hóa kappa-carrageenan từ rong sú Dịch chiết từ rong sú sau tiến hành nấu 85 ÷ 900C, mođun thủy áp 1: 60, đem lọc ly tâm với tốc độ 4000 vịng/phút, thời gian 30 phút với mục đích loại bỏ bã rong, tạp chất có kích thước nhỏ phần chất màu, dịch chiết dùng để xác định độ nhớt hàm lượng chất khô Kết trình bày bảng Bảng Thơng số kỹ thuật dung dịch carrageenan sau lọc ly tâm STT Chỉ tiêu Gía trị Hàm lượng chất khơ (%) 0,7 ± 0,03 Hiệu suất thu hồi carrageenan dạng thô (%) Độ nhớt (28 C), cP 313,9 ± 67,3 Độ nhớt (400C), cP 299,9 ± 72,5 Độ nhớt (600C), cP 234,0 ± 49,7 Độ nhớt (80 C), cP 139,0 ± 57,1 38,83 ± 0,15 0 Qua kết bảng cho thấy độ nhớt dịch carrageenan sau lọc tương đối cao, nhiệt độ phịng 280C độ nhớt trung bình dịch lọc đạt 313,9 cP Đây tiêu chí đánh giá khả tạo gel khối lượng phân tử trung bình carrageenan tỷ lệ thuận với độ nhớt sức đông (Toại cộng sự, 2006) [1] Tuy nhiên, độ nhớt cao cản trở trình bơm dịch chiết Vì cần điều chỉnh nhiệt độ dịch lọc thích hợp cho máy bơm Kết thí nghiệm cho thấy tăng nhiệt độ dịch lọc độ nhớt giảm đáng kể, giảm 2,3 lần nhiệt độ 800C so với ban đầu Đây thông số kỹ thuật quan trọng qua lựa chọn máy bơm dịch chiết thiết kế nhà máy, sở sản xuất cho phù hợp đánh gía chất lượng carrageenan Kết nghiên cứu tối ưu hóa q trình xử lý dịch lọc carrageenan Ca(OH)2 Quy hoạch thực nghiệm gồm thí nghiệm, kết trình bày bảng Bảng Ma trận trực giao cấp 2, ba yếu tố hàm mục tiêu N x0 1 1 1 1 x1 1,00 -1,00 1,00 -1,00 1,00 -1,00 1,00 -1,00 x2 1,00 1,00 -1,00 -1,00 1,00 1,00 -1,00 -1,00 x3 1,00 1,00 1,00 1,00 -1,00 -1,00 -1,00 -1,00 x 1x 1,00 -1,00 -1,00 1,00 1,00 -1,00 -1,00 1,00 x 1x 1,00 -1,00 1,00 -1,00 -1,00 1,00 -1,00 1,00 x 2x 1,00 1,00 -1,00 -1,00 -1,00 -1,00 1,00 1,00 Y 439,0 45,0 45,0 254,0 954,0 509,0 398,0 448,0 Chú thích: Hàm mục tiêu Y: Sức đơng gel (g/cm2) Sau tính hệ số hồi quy kiểm tra tính có ý nghĩa chúng theo tiêu chuẩn Student, kết cho thấy tất hệ số phương trình hồi quy có ý nghĩa giá trị t lớn tp(f) = 4,3 Vây phương trình hồi quy có dạng: y = 386,5 + 72,5x1 + 100,3x2 – 190,8x3 + 137,3x1x2 – 26,3x1x3 – 54,0x2x3 (*) Phương trình hồi quy hồn tồn tương thích với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher theo bảng phân phối F (0,05;1; ) = 18,5 > F = 12,8 Theo phương trình hồi quy (*) nhận thấy: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 75 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 Hệ số b1 = 72,5 > 0: Trong vùng quy hoạch thực nghiệm tăng giá trị pH dịch lọc Ca(OH)2 sức đông carrageenan so với ban đầu tăng Điều phù hợp tăng pH (tăng nồng độ ion OH- ), nhờ khả khử gốc 6-sunfat cao hơn, giúp tạo gốc 3,6-anhydro galactose làm tăng độ đặn cấu trúc luân phiên 3,6-anhydrogalactose galactose, sức đơng tăng lên (Подкорытова, 2005) [10] Hệ số b2= 100,3 > 0: Khi tăng nhiệt độ trình xử lý dịch lọc kiềm, sức đông tăng lên nhiệt độ thúc đẩy gia tăng vận tốc trình khử gốc 6-sunfat Tuy nhiên, nhiệt độ vượt vùng biên (> 750C), trình thuỷ phân cắt mạch phân tử carrageenan xảy mạnh mẽ, sức đơng giảm đáng kể Kết phù hợp với kết nghiên cứu trước tác giả Talabaeva cộng Kết phân tích khối lượng phân tử trung bình carrageenan chiết từ Chondrus armatus phương pháp sắc kí lỏng hiệu cao cho thấy khối lượng trung bình đạt 2000 kDa Khi nhiệt độ chiết 800C diễn trình thủy phân mạch polisaccarit, xuất phân đoạn với khối lượng trung bình 1100 kDa (Талабаева, 2007) [12] Hệ số b3 = -190,8