Hội nghị Khoa học lần thứ 21 - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Phân ban Dệt May TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH CHIẾT TÁCH CHẤT MÀU TỪ BẮP CẢI TÍM BẰNG DUNG MƠI ETANOL CĨ SỰ HỖ TRỢ CỦA SÓNG SIÊU ÂM Optimization of ultrasound-assisted extraction of natural pigment from red cabbage using ethanol solvent Nguyễn Thị Ly, Nguyễn Ngọc Thắng*, Bùi Thị Thanh Xuân, Phạm Thị Điệp, Phạm Đức Dương Viện Dệt may - Da giầy & Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt Trong nghiên cứu này, chất màu anthocyanin bắp cải tím chiết tách dung mơi hữu etanol với hỗ trợ sóng siêu âm Q trình chiết tách khảo sát thơng qua yếu tố độc lập bao gồm nhiệt độ (35-65ºC), thời gian (5-45 phút) nồng độ etanol (10-80 %) Để lập kế hoạch thực nghiệm, phân tích xử lý kết quả, tác giả sử dụng mơ hình Box-Behnken phần mềm Design Expert 10 Kết thu điều kiện tối ưu cho hàm lượng chất màu anthocyanin nhiệt độ 63,45ºC, thời gian 34,44 phút nồng độ etanol 10,14 % với hàm lượng anthocyanin cực đại đạt 74,67 mg/l dịch chiết Lặp lại thí nghiệm điều kiện chiết tối ưu thu giá trị hàm lượng chất màu anthocyanin tương hợp với giá trị thu từ phần mềm quy hoạch thực nghiệm Sử dụng phương pháp cất quay chân không để cô đặc dung dịch chất màu thu hồi dung môi Từ khóa: Bắp cải tím; Sóng siêu âm; Anthocyanin; Box-Behnken; Tối ưu hóa Abstract In this paper, the anthocyanin compounds from Red cabage were extracted by ultrasound-assisted extraction (UAE) technology using acid-ethanol solvent Three independent variables including temperature (35-65°C), sonication time (5-45 min), and ethanol concentration (10-80 %) were investigated The Box-Behnken design (BBD) with the help of Design Expert 10 was used to investigate the effect of process variables on the colorant extraction process Second-order mathematical regression model was developed and matched well with observed data Response surface methodology (RSM) was performed to find out the optimal conditions for total anthocyanin content as follows: extraction temperature of 63.45 °C, sonication time of 34.44 and ethanol condition of 10.14 % At this optimal condition, the total anthocyanin content was 74.67 mg/l extract The experimental value under optimal condition was in good consistent with the predicted value A rotary evaporator was employed for concentrating anthocyanin solution and recovering ethanol solvent Keywords: Red cabage; Ultrasound-assisted; Anthocyanin; Box-Behnken; Optimisation Tổng quan Hiện nay, việc sử dụng sóng siêu âm để hỗ trợ cho trình chiết tách hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học mang màu từ nguyên liệu thực vật để ứng dụng cho lĩnh vực dược phẩm, thực phẩm, nhuộm vật liệu dệt Đang nhận nhiều quan tâm [1-4] Hiệu phương pháp việc tăng hiệu suất chiết, giảm thời gian chiết tác động xấu đến hợp chất cần trích ly chứng minh sóng siêu âm tạo nhiều dịng chất lỏng nhỏ, chứa bọt khí siêu nhỏ, có áp suất lớn, tác động trực tiếp lên bề mặt vật liệu chiết Khi vi bọt khí nổ tạo áp lực lớn, tác động vào vị trí gần kề, làm vỡ tế bào thực vật, tạo động lực cho hợp chất tự nhiên dễ dàng khuyếch tán môi trường chiết [1-3] * Corresponding author: Email: thang.nguyenngoc@hust.edu.vn Trong hợp chất tự nhiên, anthocyanin, thuộc nhóm flavonoid, tập trung nghiên cứu có nhiều đặc tính sinh học quý khả chống oxi hóa, bảo vệ tim mạch, chống viêm, hạn chế phát triển tế bào ung thư [5-7] Hơn nữa, hợp chất mang màu sắc đẹp (màu đỏ, tím màu xanh) nên thường dùng làm chất tạo màu an toàn cho thực phẩm, mỹ phẩm sản phẩm dệt [5-8] Anthocyanin có nhiều loại thực vật với hàm lượng thành phần khác tùy thuộc vào lồi, giống mơi trường sinh trưởng Bắp cải tím nguồn chứa hàm lượng anthocyanin cao với 24 hợp chất phân lập, chủ yếu cyanidin-3,5-diglucoside, cyanidin-3sophoroside-5-glucoside dạng acrylat hóa khác [9] Cơng thức cấu tạo chung chất màu anthocyanin anthocyanin điển hình cyanidin-3-glucozit (C3G) biểu diễn Hình 1a Hình 1b Do chất màu anthocyanin bền với tác động môi trường pH, ánh sáng, nhiệt độ, oxy, ion kim loại nên có nhiều phương pháp áp dụng để chiết ISSN 0866 - 7056 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 10 năm 2016 www.cokhivietnam.vn 103 Hội nghị Khoa học lần thứ 21 - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tách hợp chất Trong đó, phương pháp chiết có sử dụng dung môi hữu axeton, clorofom ancol dùng phổ biến [5-13] Khi chiết ancol, lượng nhỏ axit khoáng axit hữu thêm vào để phá vỡ thành tế bào thực vật, nơi chứa hợp chất anthocyanin Do tính chất bền chất màu anthocyanin nên phương pháp chiết đại cố gắng giảm thời gian chiết trì hiệu suất chiết cao [10] Một số phương pháp chiết đại sử dụng trợ giúp sóng siêu âm [1-3] Theo khảo sát chúng tôi, nước giới có cơng trình nghiên cứu để chiết tách chất màu anthocyanin từ bắp cải tím Tuy nhiên, chưa có cơng trình cơng bố việc sử dụng sóng siêu âm để chiết tách chất màu từ bắp cải tím dung mơi etanol axit hóa axit formic Do vậy, thực nghiên cứu nhằm góp phần vào việc khai thác hiệu chất màu tự nhiên từ nguồn nguyên liệu sẵn có nước ta Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.2 Phương pháp nghiên cứu Nguyên liệu bắp cải tím làm sạch, cắt lát nghiền nhỏ máy xay Philips HR2100 Cân lượng xác định bắp cải tím nghiền (4.0 g) tiến hành chiết tách chất màu với 20 ml dung môi etanol axit hóa axit fomic 1%, bể rửa siêu âm công suất 750W (S70H Elmasonic, Đức) Điều kiện chiết bao gồm nhiệt độ, thời gian nồng độ etanol trình bày Bảng OH HO O b) R2 OH O+ O OH OH nghiền OH HO OR3 OH O OH OH OH Etanol Chiết siêu âm Bắp cải tím Dịch chiết c) Cất quay chân khơng Chiết mẫu lớn Đo UV/Vis Hình (a) Cơng thức cấu tạo chung anthocyanin; (b) Công thức cấu tạo cyanidin-3-glucozit; (c) Sơ đồ quy trình chiết tách chất màu từ bắp cải tím 104 Tổng lượng anthocyanin có dịch chiết xác định phương pháp pH vi sai, sử dụng hai dung dịch đệm có pH =1 (KCl + HCl) pH = 4,5 (KHC8H4O4 + HCl) Độ hấp thụ anthocyanin dịch chiết xác định bước sóng 520 nm 700 nm Hàm lượng anthocyanin có dịch chiết bắp cải tím quy đổi theo mg C3G/lít dung dịch tính theo cơng thức (1) [14] A = (Aλmax.pH=1 - A700nm.pH=1) - (Aλmax.pH= 4,5 - A700nm.pH= 4,5) M: khối lượng phân tử C3G, g/mol DF: hệ số pha loãng ε = 26900: hệ số hấp thụ phân tử, mol-1.cm-1 L: chiều dày cuvet, cm Bảng Bảng mã hóa khoảng biến thiên yếu tố nghiên cứu - Phương pháp chiết chất màu anthocyanin: + - Phương pháp xác định hàm lượng anthocyanin: Trong đó: Bắp cải tím Đà Lạt cung cấp siêu thị VinMart, Việt Nam Các hóa chất sử dụng nghiên cứu bao gồm etanol, axit fomic, axit clohidric, kali clorua kali hidro phtalat cung cấp cơng ty hóa chất Xilong, Trung Quốc Các thí nghiệm phân tích thực Trung tâm thí nghiệmVật liệu Dệt may-Da giầy PTN dự án JST - JICA ESCANBER R1 Sau chiết, dung dịch chất màu phân tách qua giấy lọc Một phần dung dịch chiết đo mật đo quang thiết bị Unico 4802 Double Beam UV/Vis Spectrophotometer để xác định giá trị độ hấp thụ; phần cịn lại cất quay chân khơng (Buchi Rotavapor R-210) để đặc dịch chiết Quy trình chiết tách chất màu từ bắp cải tím trình bày Hình 1c Ta = AxMxDFx1000/(εxL), mg/l (1) 2.1 Đối tượng nghiên cứu a) Phân ban Dệt May Biến nghiên cứu Nhiệt độ (A) Đơn vị Mã hóa Giá trị -1 +1 C X1 35 50 65 Thời gian (B) phút X2 25 45 Nồng độ etanol (C) % X3 10 45 80 o - Phương pháp thống kê: Các thí nghiệm thiết kế theo mơ hình BoxBehnken (BBD- Box-Behnken Design) với ba biến số độc lập (nhiệt độ, thời gian nồng độ etanol) hàm mục tiêu hàm lượng chất màu anthocyanin Mỗi biến số tiến hành mức (-1, 0, +1) trình bày Bảng Các thí nghiệm lặp lại lần Tính tốn độ tin cậy số liệu, phân tích ANOVA, tìm phương trình hồi quy phần mềm Design Expert 10 Phương trình hồi quy có dạng: Y = βo + β1X1 + β2X2 + β3X3 + β11X1X1 + β22X2X2 + β33X3X3 + β12X1X2 + β13X1X3 + β23X2X3 (2) Trong đó: Y: hàm mục tiêu; βi: hệ số hồi quy; Xi: giá trị mã hóa yếu tố thứ i ISSN 0866 - 7056 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 10 năm 2016 www.cokhivietnam.vn Hội nghị Khoa học lần thứ 21 - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Phân ban Dệt May Bảng Bảng ma trận mã hóa theo mơ hình hợp tâm CCD kết thực nghiệm hai hàm mục tiêu STT Nhiệt độ (A,°C) Thời gian (B, phút) Thời gian (B, phút) Độ hấp thụ (A) Hàm lượng anthocyanin (Ta mg/l) 50 25 45 0,753 62,871 65 45 0,838 69,968 50 25 45 0,753 62,871 65 45 45 0,884 73,809 65 25 10 0,893 74,561 50 25 45 0,753 62,871 35 25 10 0,809 67,547 50 45 10 0,869 72,557 50 45 80 0,867 72,390 10 35 45 0,853 71,221 11 50 25 45 0,753 62,871 12 35 25 80 0,832 69,467 13 50 25 45 0,753 62,871 14 50 10 0,864 72,139 15 65 25 80 0,819 68,382 16 35 45 45 0,835 69,718 17 50 25 45 0,753 62,871 18 50 80 0,854 71,304 Kết thảo luận Bảng Kết phân tích hồi quy theo mơ hình đa thức bậc hai cho hàm lượng anthocyanin 3.1 Phương trình hồi quy Áp dụng mơ hình Box-Behnken (BBD) để thiết kế thí nghiệm với trợ giúp phần mềm DX10 18 thí nghiệm thực hiện, thí nghiệm lặp lại lần, kết độ hấp thụ cực đại hàm lượng anthocyanin trình bày Bảng Sử dụng phần mềm DX10 để xử lý phân tích kết thực nghiệm chúng tơi nhận mơ hình phù hợp để biểu diễn phụ thuộc hàm lượng anthocyanin biến thực nghiệm mơ hình hồi quy bậc hai có hệ số xác định cao Giá trị hệ số R2xác định R2hiệu chỉnh hàm lượng anthocyanin 99,19% 98,27% (Bảng 3) Hệ số xác định cho biết có 99,19% biến thiên hàm lượng anthocyanin chiết tác động biến độc lập nhiệt độ chiết, thời gian siêu âm nồng độ etanol, có 0.81% yếu tố bên ngồi khơng xác định mơ hình gây (sai số ngẫu nhiên) Nguồn Hàm lượng anthocyanin SS DF MS F P Mơ hình 7,82 0,87 40,21