Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất pectin từ vỏ quả có múi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA HÓA HỌC _ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT PECTIN TỪ VỎ QUẢ CÓ MÚI Giảng viên hướng dẫn: Ths Trần Phương Chi Sinh viên thực : Nguyễn Thị Thiệu Lớp : 48K - Công nghệ thực phẩm Vinh, tháng 12 năm 2011 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Thiệu Khóa: 48 - Khoa: Hóa Học Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm Tên đề tài: Số hiệu sinh viên: 0752040568 “Nghiên cứu quy trình cơng nghệ sản xuất pectin từ vỏ có múi” Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu quy trình cơng nghệ sản xuất pectin từ vỏ có múi qua thơng số sau: - Ảnh hưởng loại axit dung môi đến lượng pectin thu - Ảnh hưởng tỉ lệ dung môi/vỏ đến lượng pectin thu - Khảo sát thời gian chiết sơ - Khảo sát nhiệt độ chiết sơ - Khảo sát pH chiết sơ Họ tên cán hướng dẫn: - Họ tên: ThS Trần Phương Chi - Đơn vị công Tác: Bộ mơn Hóa Thực Phẩm - Khoa Hóa Học - Trường ĐH Vinh Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày tháng năm 2011 Ngày hoàn thành đồ án: Ngày tháng năm 2011 Ngày tháng năm 2011 Cán hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ, tên) Chủ nhiệm môn (Ký, ghi rõ họ, tên) Sinh viên hoàn thành nộp đồ án tốt nghiệp ngày ii tháng năm 2011 Người duyệt (Ký, ghi rõ họ, tên) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Thiệu Số hiệu sinh viên: 0752040568 Khóa: 48 Ngành: Cơng Nghệ Thực Phẩm Cán hướng dẫn: ThS Trần Phương Chi Cán duyệt: TS Trần Đình Thắng Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu quy trình cơng nghệ sản xuất pectin từ vỏ có múi qua thơng số sau: - Ảnh hưởng loại axit dung môi đến lượng pectin thu - Ảnh hưởng tỉ lệ dung môi/vỏ đến lượng pectin thu - Khảo sát thời gian chiết sơ - Khảo sát nhiệt độ chiết sơ - Khảo sát pH chiết sơ Nhận xét cán hướng dẫn: Ngày tháng năm 2011 Cán hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ, tên) iii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Thiệu Số hiệu sinh viên: 0752040568 Khóa: 48 Ngành: Cơng Nghệ Thực Phẩm Cán hướng dẫn: ThS Trần Phương Chi Cán duyệt: TS Trần Đình Thắng Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu quy trình cơng nghệ sản xuất pectin từ vỏ có múi qua thơng số sau: - Ảnh hưởng loại axit dung môi đến lượng pectin thu - Ảnh hưởng tỉ lệ dung môi/vỏ đến lượng pectin thu - Khảo sát thời gian chiết sơ - Khảo sát nhiệt độ chiết sơ - Khảo sát pH chiết sơ Nhận xét cán duyệt: Ngày tháng năm 2011 Cán duyệt (Ký, ghi rõ họ, tên) iv LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ em suốt 4,5 năm vừa qua Sau em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô giáo ngành Công nghệ Thực Phẩm dạy cho em nhiều kiến thức chuyên môn tạo điều kiện để giúp đỡ em hoàn thành đồ án Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới ThS Trần Phương Chi tận tình hướng dẫn giúp đỡ để em hồn thành đồ án cách tốt Cuối em xin cảm ơn ủng hộ, động viên gia đình, bạn bè suốt 4,5 năm qua v NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT PECTIN TỪ VỎ QUẢ CĨ MÚI TÓM TẮT NỘI DUNG Pectin thu nhận chủ yếu từ thực vật Trong pectin từ có múi có lợi khả tạo gel cao, phụ gia quan trọng ngành công nghệ thực phẩm nguồn thu nhận phong phú Vì báo cáo đề cập đến phương pháp thu nhận pectin thô từ nguồn phế liệu bưởi Trong đồ án này, em trình bày kết nghiên cứu điều kiện tối ưu thu nhận chất pectin thô từ phế liệu bưởi, môi trường axit, thông số: loại axit làm dung môi, tỉ lệ dung môi/vỏ, thời gian, nhiệt độ pH chiết Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa hàm mục tiêu hàm lượng pectin thu cao tìm điều kiện công nghệ chiết để thu chất pectin có hàm lượng cao bao gồm: dung môi chọn axit HCl với tỉ lệ dung mơi/vỏ 3/1, nhiệt độ trích ly 93 0C, thời gian trích ly 1,6 pH=1,3 Lượng pectin thu điều kiện tối ưu khảo sát 13,52% tương ứng với lượng pectin thô 19,89% so với nguyên liệu vi MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .i NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT PECTIN TỪ VỎ QUẢ CÓ MÚI TÓM TẮT NỘI DUNG vi MỤC LỤC vii DANH MỤC SƠ ĐỒ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài 2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PECTIN 1.1 Nguồn gốc, cấu tạo tính chất pectin 1.1.1 Nguồn gốc 1.1.2 Cấu tạo 1.1.3 Tính chất pectin 1.2 Phân loại pectin 1.2.1 Theo % nhóm methoxyl có phân tử 1.2.2 Theo khả hòa tan nước 10 1.3 Cơ chế tạo gel pectin yếu tố ảnh hưởng 10 1.3.1 Cơ chế tạo gel pectin 10 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả tạo gel 13 1.4 Khả ứng dụng, liều lượng số lưu ý sử dụng pectin công nghệ thực phẩm 15 1.4.1 Ứng dụng pectin công nghệ thực phẩm [5], [8], [15], [16] 16 1.4.2 Lượng pectin sử dụng sản phẩm thực phẩm 23 1.4.3 Một số lưu ý sử dụng pectin chế biến thực phẩm 23 1.5 Ứng dụng pectin công nghệ dược phẩm 25 vii 1.6 Tình hình sản xuất tiêu thụ 26 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Vật liệu 28 2.1.1 Mẫu thí nghiệm 28 2.1.2 Hoá chất 28 2.1.3 Thiết bị 28 2.2 Phương pháp nghiên cứu 29 2.2.1 Một số phương pháp xác định tính chất vật liệu 29 2.2.2 Phương pháp chiết, làm thu nhận pectin 33 2.2.3 Phương pháp toán học [4], [6] 34 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Thành phần hoá học chủ yếu phế liệu bưởi 36 3.2 Ảnh hưởng loại axit dung môi đến lượng pectin 37 3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ dung môi/vỏ đến hiệu chiết pectin 38 3.4 Khảo sát thời gian chiết sơ 39 3.5 Khảo sát nhiệt độ chiết sơ 40 3.6 Khảo sát pH chiết sơ 41 3.7 Tối ưu hoá điều kiện chiết pectin từ phế liệu bưởi 42 3.7.1 Các bước thực toán quy hoạch 43 3.7.2 Xây dựng mơ tả tốn học tối ưu hóa hàm mục tiêu hàm lượng pectin 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined Kết luận 51 Kiến nghị 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 viii DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Pectin cấu trúc thành tế bào thực vật Hình 1.2: Cấu tạo đơn vị chuỗi pectin Hình 1.3: Pectin tinh chế Hình 1.4: Pectin methoxyl cao Hình 1.5: Pectin methoxyl thấp Hình 1.6: Low methoxyl amidated pectin Hình 1.7: Cơ chế tạo gel liên kết hydro 11 Hình 1.8: Cơ chế tạo gel Ca2+ 12 Hình1.9: Các sản phẩm mứt có sử dụng phụ gia pectin 19 Hình1.10: Các sản phẩm bánh có sử dụng pectin 20 Hình 1.10: Các sản phẩm bánh kẹo có sử dụng phụ gia pectin 21 Hình 1.11: Các sản phẩm sữa có sử dụng phụ gia pectin 22 Hình 1.12: Các sản phẩm nước giải khát 22 Hình 2.1 Quả bưởi 28 Đồ thị 3.1 Ảnh hưởng loại axit đến lượng pectin 37 Đồ thị 3.2 Ảnh hưởng tỉ lệ dung môi/vỏ đến lượng pectin thu 38 Đồ thị 3.3 Ảnh hưởng thời gian chiết đến lượng pectin thu 40 Đồ thị 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ chiết đến lượng pectin 41 Đồ thị 3.5 Ảnh hưởng pH chiết đến lượng pectin thu 42 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Phần trăm pectin phần phế liệu bưởi Bảng 1.2: Tác dụng DE pectin lên tạo gel 14 Bảng 1.3: Tóm tắt ứng dụng pectin 16 Bảng 1.4 Các loại thực phẩm có sử dụng phụ gia pectin 17 Bảng 1.5 Lượng pectin sử dụng sản phẩm thực phẩm 23 Bảng 1.6: Tiêu chuẩn độ tinh pectin sử dụng chế biến 24 Bảng 3.1: Thành phần hoá học phế liệu bưởi 36 Bảng 3.2 Ảnh hưởng loại axit dung môi đến lượng pectin thu 37 Bảng 3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ dung môi/vỏ đến lượng pectin thu 38 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian chiết đến lượng pectin thu 39 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ chiết đến lượng pectin thu 41 Bảng 3.6 Ảnh hưởng pH chiết đến lượng pectn thu 42 Bảng 3.7 Điều kiện thí nghiệm chọn 43 Bảng 3.8 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k=3 kết 44 Bảng 3.9 Kết thí nghiệm thu tâm 46 Bảng 3.10 Kết tính bước chuyển động δj cuả yếu tố 49 Bảng 3.11 Kết thí nghiệm theo hướng leo dốc 49 Bảng 3.12 Ma trận theo quy hoạch thực nghiệm TYT 23 50 x % pectin/nguyên liệu Ảnh hưởng thời gian 25 19.82 19.52 20 15 13.97 16.26 13.71 11.41 10 % tủa pectin khô thô so với nguyên liệu % pectin thu từ nguyên liệu 1h 1.5h 2h Thời gian Đồ thị 3.3 Ảnh hưởng thời gian chiết đến lượng pectin thu Thời gian chiết cần phải đủ để chiết pectin vượt khoảng thời gian tối ưu, lượng pectin thu bị phân huỷ nhiệt độ cao thời gian dài Qua kết nghiên cứu trên, chọn khoảng thời gian từ 1-2 để khảo sát quy hoạch thực nghiệm 3.5 Khảo sát nhiệt độ chiết sơ Đối với việc chiết pectin, cần tiến hành nhiệt độ cao, khảo sát thăm dò nhiệt độ từ 50-1000C điểm: 500C, 700C, 900C để xem xét khuynh hướng nhiệt độ tối ưu chiết pectin phế liệu bưởi Giữ điều kiện khác nghiệm thức thí nghiệm tối ưu thời gian sơ bộ, cố định thời gian chiết Đánh giá hàm lượng pectin tủa thô hàm lượng pectin thực thu so với nguyên liệu theo mục 2.2.2 Ta thu kết bảng 3.5 40 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ trích ly đến lượng pectin thu Nhiệt độ Nghiệm thức 500C 700C 900C % tủa pectin khô thô so với nguyên liệu 15,46 17,64 19,43 % pectin tủa khô thô 70,53 70,23 70,35 % pectin thu từ nguyên liệu 10,91 12,39 13,67 % pectin/nguyên liệu Ảnh hưởng nhiệt độ 25 20 15 15.46 10.91 17.64 12.39 19.43 13.67 % tủa pectin khô thô so với nguyên liệu % pectin thu từ nguyên liệu 10 50 70 90 Nhiệt độ Đồ thị 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ chiết đến lượng pectin Nhiệt độ chiết cần phải đủ lớn tách nhiều pectin, ba điểm nhiệt độ 900C điểm nhiệt độ cho hàm lượng pectin chiết cao Do chúng tơi chọn lân cận điểm tức nhiệt độ từ 80 0C-1000C cho khảo sát quy hoạch thực nghiệm 3.6 Khảo sát pH chiết sơ Đối với việc chiết pectin, cần tiến hành pH axit Chúng khảo sát thăm dò khoảng pH từ 1-5 ba điểm: 1, 3, Để xem xet khuynh hướng chiết pectin phế liệu bưởi Cố định điều kiện khác thí nghiệm khảo sát nhiệt độ, cố định nhiệt độ 900C, thay đổi ba điểm pH chiết [16] 41 Đánh giá hàm lượng pectin thô hàm lượng pectin thực thu so với nguyên liệu theo mục 2.2.2 So sánh tìm khoảng pH tối ưu cho việc quy hoạch thực nghiệm chiết pectin Kết thu ghi bảng 3.6 sau Bảng 3.6 Ảnh hưởng pH trích ly đến lượng pectn thu Độ pH Nghiệm thức % tủa pectin khô thô so với nguyên liệu 18,92 14,25 11,28 % pectin tủa khô thô 70,35 7,.11 70,17 % pectin thu từ nguyên liệu 13,31 9,98 7,92 % pectin/nguyên liệu Ảnh hưởng pH trích ly đến lượng pectin thu 20 15 18.92 13.31 14.25 11.28 9.98 10 7.92 % tủa pectin khô thô so với nguyên liệu % pectin thu từ nguyên liệu pH Đồ thị 3.5 Ảnh hưởng pH trích ly đến lượng pectin thu Chúng tơi thấy, pH mạnh lượng pectin thu nhiều, chọn khoảng lân cận pH=1, cụ thể chọn pH từ 1-2 để khảo sát quy hoạch thực nghiệm 3.7 Tối ưu hoá điều kiện chiết pectin từ phế liệu bưởi Với mục đích đề tài thu nhận pectin từ phế liệu bưởi, chúng tơi tiến hành tối ưu hố điều kiện chiết để thu nhận pectin có hàm lượng cao 42 3.7.1 Các bước thực toán quy hoạch  Chọn yếu tố ảnh hưởng Trong trình chiết pectin phải chịu tác động nhiều yếu tố công nghệ, song chọn yếu tố thăm dò phần trên: - Z1: Nhiệt độ chiết, 0C - Z2: pH chiết - Z3: Thời gian chiết, - Y: Hàm lượng pectin , % Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y=f (Z1, Z2, Z3) Y →Max  Chọn miền khảo sát Theo nghiên cứu [13] chọn miền khảo sát yếu tố là: -Nhiệt độ chiết từ 80-1000C - pH chiết 1-2 - Thời gian chiết 1-2 Từ xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 3.7 Bảng 3.7 Điều kiện thí nghiệm chọn Các yếu tố ảnh hưởng Các mức o Nhiệt độ ( C) (Z1) 100 pH (Z2) Thời gian (giờ) (Z3) Mức sở (0) 90 1,5 1,5 Mức thấp (-) 80 1 Khoảng biến thiên 10 0,5 0,5 Mức cao (+)  Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp I (TYT 2k) Thực nghiệm yếu tố toàn phần mức, k yếu tố ảnh hưởng Phương trình hồi quy (2.7) có dạng: Y  b0  b1 x1  b2 x2  b3 x3  b12 x1 x2  b13 x1 x3  b23 x2 x3  b123x1 x2 x3 43 Trong đó: b0: Hệ số tự b1, b2, b3: Hệ số tuyến tính b12, b23, b13: Hệ số tương tác đôi b123: Hệ số tương tác ba Y: Hàm đáp ứng, hàm lượng pectin thô thu so với nguyên liệu (%) Mỗi hệ số b đặc trưng cho ảnh hưởng yếu tố đến q trình chiết  Tổ chức thí nghiệm trực giao cấp I Để nhanh chóng tiến tới miền tối ưu chúng tơi tiến hành số thí nghiệm phương án 2k=8 (k=3) điều kiện thí nghiệm ghi bảng 3.8 Chuyển từ hệ toạ độ thực Z1, Z2, … Zk0 sang hệ toạ độ không thứ nguyên (biến mã) ta sử dụng công thức xj  Z j  Z 0j Z j ;  j=1, 2, …k (3.1) Từ cách chọn phương án điều kiện thí nghiệm, chúng tơi xác định ma trận thực nghiệm theo biến mã tiến hành thí nghiệm theo ma trận Kết ghi bảng 3.8 Bảng 3.8 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k=3 kết Số thí Biến thực Biến mã hóa Kết nghiệm Z1 Z2 Z3 x1 x2 x3 y 100 2 + + + 12,69 80 2 - + + 12,94 100 + - + 14,10 80 - - + 12,41 100 + + - 12,00 80 - + - 11,03 100 1 + - - 13,96 80 1 - - - 11,98 44 Trong đó: x1: nhiệt độ 0C x2: pH x3: thời gian, Y: hàm mục tiêu, hàm lượng pectin % 3.7.2 Xây dựng mơ tả tốn học tối ưu hóa hàm mục tiêu hàm lượng pectin  Chọn phương trình hồi quy Phương trình hồi quy chọn theo phương trình (2.7) mục 2.2.4 Các hệ số b1, b2, …b123 tính theo số liệu thực nghiệm hàm mục tiêu hàm lượng pectin (Y)  Tính hệ số b Vì phương án chọn quy hoạch trực giao Các hệ số bj phương trình hồi quy (1) xác định theo công thức sau:   u 1  N  bij   xiu x ju y u ; i  j  1,2,3  N u 1  N  bijk   xiu x ju x ku y u ; i  j  k  1,2,3 N u 1  bj  N N x ju y u ; j  1,2,3 (3.2) Từ số liệu thực nghiệm tra bảng 3.8, áp dụng cơng thức (3.2), ta tính hệ số b: b0  x u 1 0i yi  12,69  12,94  14,10  12,41  12,00  11,03  13,96  11,98  12,64 Tương tự ta nhận được: b1 = 0,55; b2 = - 0,47; b3=0,40: b13 = - 0,19 ; b23 = 0,25 ; b123 = - 0,1 Phương trình hồi quy lúc có dạng: Y  12,64  0,55x1  0,47 x2  0,40 x3  0,37 x1 x2  0,19 x1 x3  0,25x2 x3  0,12 x1 x2 x3 (3.3) 45  Kiểm định mức ý nghĩa hệ số b phương trình Các hệ số kiểm định theo tiêu chuẩn Student (t) Mọi hệ số phương trình xác định với độ xác  S121  Sb    N     0,5 (3.4) Ta làm thí nghiệm tâm phương án nhận giá trị Bảng 3.9 Kết thí nghiệm thu tâm Biến thực Số thí Biến mã hóa Kết Nghiệm z1 z2 z3 x1 x2 x3 y0 90 1,5 1,5 0 13,28 90 1,5 1,5 0 13,75 90 1,5 1,5 0 13,38 -Giá trị trung bình thí nghiệm lặp tâm y0  y a 1 a  13,28  13,75  13,38  13,47 (3.5) - Giá trị phương sai lặp tâm  y S121  a 1  a  y0 1  0,06 (3.6) - Độ lệch chuẩn hệ số b theo công thức (3.4) ta có: Sb  S11  N S11  N 0,06  0,09 Ý nghĩa hệ số kiểm định theo tiêu chuẩn Student (t) tj  bj Sb So sánh tj (f) Trong đó: 46 (3.7) (f): chuẩn Student tra bảng ứng với xác suất tin cậy p bậc tự f= n0-1 bj: hệ số phương trình hồi quy chọn Sb: độ lệch chuẩn hệ số bj Nếu tj > (f) hệ số bj có nghĩa Nếu tj < (f) hệ số bj bị loại khỏi phương trình Để kiểm định theo chuẩn Student (t) ta thay hệ số bj, Sbj vào cơng thức (3.7) ta có giá trị tj: t0  12,64 0,09  140,44 Tương tự ta tính được: t1  6,11 ; t  5,22 ; t  4,44 ; t12  4,11 ; t13  2,11 ; t 23  2,78 ; t123  1,33 Tra bảng tiêu chuẩn Student ta có tp(f) với p=0,05; f=2 f  l  : bậc tự thí nghiệm l: số thí nghiệm song song tâm (l=3) t0.052   4,3 Chỉ có hệ số b0; b1; b2; b3 có nghĩa chúng thỏa mãn điều kiện: tb  b Sb t pf2 (3.8) Phương trình lúc có dạng:  Y  12,64  0,55x1  0,47 x2  0,40 x3 (3.9)  Kiểm định mức ý nghĩa hệ số b phương trình Sự tương thích phương trình với thực nghiệm kiểm định tiêu chuẩn Fisher (F) F S du S11 (3.10) Trong đó: N S du  N -số thí nghiệm 47  y i 1 i   yi  N l (3.11) l- số thí nghiệm tâm S du  F 1,9963  0,499 S du 0,499   8,317 0,06 S11 Tra bảng F1 p  f 1, f với p  0,05, f1  4, f   f1 - bậc tự phương sai tương thích f1  N  l N - số thí nghiệm N  l - hệ số có nghĩa phương trình hồi quy l  f2 - bậc tự phương sai tái f  m  m - số thí nghiệm song song tâm F0.054,   19,3 Ta có: F  F1 p  f 1, f2  (8,317