PHẦN 3: ỨNG DỤNG
3.2.2.Nguyên liệu và phương pháp Nguyên liệu
cũng có tác dụng trong sự phá vỡ các thành tế bào sinh học để tạo thuận lợi cho việc giải phóng dịch bào
Năng lượng siêu âm đã được chứng minh để nâng cao đáng kể tỷ lệ trích ly protein, hợp chất dược liệu và sản phẩm thực phẩm nông nghiệp khác. Các ứng dụng của siêu âm cũng đã cải thiện đáng kể sản xuất pectin và năng suất công nghiệp sản xuất cồn thuốc thuốc từ thảo mộc. Trích ly polysaccharides từ thực vật cũng được tăng cường bởi các ứng dụng của siêu âm.Hromadkova và cộng sự chứng minh rằng 36% của xylan được trích ly từ lõi bắp bằng dung dịch NaOH 5% ở 600C trong 10 phút bằng sóng siêu âm. Xylan được sử dụng trong xét nghiệm miễn dịch, và kết quả cho thấy rằng các tính chất miễn dịch của xylan bị ảnh hưởng bởi sóng siêu âm, nhưng giảm không đáng kể trong các phản ứng sinh học trong các thử nghiệm lâm sàng
Wang và Zhang cũng đã nghiên cứu tác dụng của sóng siêu âm vào trích ly xylan từ lõi bắp. Trong nghiên cứu này, cân lượng NaOH khác nhau so với lõi bắp để hòa tan với tỷ lệ 1:25 sử dụng để trích ly với sóng siêu âm thực hiện ở mức công suất 200 W trong 30 phút ở 600C. Các nghiên cứu gợi ý rằng, tăng thời gian xử lý siêu âm, tỷ lệ trích ly tăng lên cho đến khi đạt 30 phút và quan sát được không tăng đáng kể sau đó. Tỷ lệ trích ly cũng được tăng lên khi công suất sóng siêu âm tăng lên.
Các tài liệu nghiên cứu cho rằng, ứng dụng siêu âm có tiềm năng để cải thiện quá trình trích ly xylan từ phụ phẩm nông nghiệp. Thông thường quá trình xử lý bằng acid loãng được phát hiện bởi Yang và cộng sự cũng thu được tỷ lệ trích ly cao hơn chấp nhận với mức độ mất đường. Do đó, nghiên cứu này đề nghị hiệu quả của kết hợp acid loãng và xử lý siêu âm để nâng cao trích ly xylan
3.2.2. Nguyên liệu và phương phápNguyên liệu Nguyên liệu
Các vật liệu chứa lignocellulosic được sử dụng trong nghiên cứu này là bột lõi bắp.Các bột lõi bắp là sản phẩm của hãng Mt. Pulaski Mỹ, được nghiền mịn 0.8 mm
bằng máy nghiền búa. Theo các nhà cung cấp,qua phân tích HPLC thành phần xylan nguyên chất trong lõi trung bình là 32,6%.
Thiết bị siêu âm và cường độ sóng âm
Bộ hai đầu dò siêu âm:
a. Model S3000 (Misonix Inc, NY) với công suất 350 W, tần số sóng âm dao động tronn khoảng 20 kHz,
b. Model IL 1000-6/2 (công ty TNHH Saint-Petersburg, Nga), làm việc ở tần số 22 kHz,công suất 1000 W
Mật độ năng lượng sóng âm (AED) được khảo sát cho cả hai máy siêu âm sử dụng trong nghiên cứu này. Cường độ siêu âm của máy phụ thuộc vào khối lượng và thể tích mẫu lấy phân tích. Đối với các mẫu phân tích, nhiệt độ (T) được ghi lại bằng một nhiệt kế xem là một hàm của thời gian. Tỷ lệ tăng nhiệt độ (ΔT/Δt) được tính khoảng 30s/lần. Mật độ năng lượng sóng âm cho mỗi máy được tính bằng công suất trung bình chia cho thể tích nước sử dụng trong thử nghiệm. Kết quả Mật độ năng lượng sóng âm cho cả hai máy được tóm tắt trong bảng 2
Bảng 2 : Mật độ năng lượng sóng âm
Xử lý sơ bộ lõi bắp bằng phương pháp thông thường
Mẫu lõi bắp 10g được ngâm trong axít sulfuric loãng (H2SO4 2%, tỷ lệ 1:10 khối lượng / thể tích) ở 50 0C trong 24 giờ (hình 1). Chất trích ly đã được tách bằng
lọc. Lượng acid dư lượng được rửa sạch bằng nước trước khi hấp. Xử lý sơ bộ phá vỡ các liên kết hóa trị giữa lignin và xylan trong lõi bắp, và giải phóng xylan.
Hình 16: So sánh 2 phương pháp: xử lý thông thường và xử lý sử dụng sóng siêu âm
Xử lý sơ bộ lõi bắp bằng sóng siêu âm
Cân 10g lõi bắp ngâm trong axít sulfuric loãng (H2SO4 2%, tỷ lệ 1:10 khối lượng / thể tích) vững chắc để tỷ lệ chất lỏng) sau đó chiếu sóng siêu âm trong 10, 20, 30 hoặc 60 phút ở mật độ năng lượng sóng âm là 0,45 W / mL và 0,18 W / ml. Các mẫu đem lọc và rửa sạch bằng vòi nước trước khi hấp (Hình 16).
Hấp mẫu
Mẫu được đặt trong một ống bằng thép không gỉ đem hấp trong nồi hấp. Hấp trong 30 phút tại nhiệt độ 110, 118, hoặc 121 0C (Hình 16). (Yang và cộng sự.) và những khoảng nhiệt độ này được xem trích ly tối đa xylan và giảm thiểu việc giảm đường và các sản phẩm không mong muốn khác. Sau khi hấp, mẫu trộn với 100 ml nước ở 16000 rad/ phút trong 2 phút . Đối với phân tích hóa học, chất lỏng thu được sau khi trích ly đem lọc. Các mẫu lọc đem phân tích hóa học sự hiện diện của xylan.
Phân tích hóa học của các chất trích ly
Xylan thu được dau các quá trình trên đem đi xác định bằng cách đo tổng số đường hòa tan. Theo Yang và cộng giải thích rằng: tổng số đường hòa tan trong chất chiết bao
Ngâm lõi bắp trong 24 giờ bằng dung dịch
H2SO4 2% ở 50OC
Ngâm lõi bắp trong dung dịch H2SO4 2% tại 10,20,30 và 60 phút với mật độ sóng âm lần
lượt 0.18W/mL và 0.45W/mL
Trích ly
Bã đem hấp ở 110,118 và 1210C
gồm xylan hòa tan và xylooligosaccharides, nhưng lượng xylooligosaccharides là rất thấp và cellulose hòa tan trong lõi bắp là không đáng kể trong quá trình xử lý sơ bộ và trích ly, tổng số hòa tan đường là một phương pháp tương đối chính xác định lượng xylan trong mẫu. Mặt khác, xylooligosaccharides cũng sản phẩm thuận lợi của quá trình trích ly, bởi vì sau khi enzyme chuyển đổi xylan, các sản phẩm chủ yếu là
xylooligosaccharides. Do đó, thu được được xylan hoặc xylooligosaccharides như nhau trong quá trình trích ly. Bởi vì điều này, trong nghiên cứu này số lượng nhỏ các (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
xylooligosaccharides được tính vào dịch trích ly để đơn giản khi xác định xylan. Do đó, lượng xylan được tính bằng cách đo hàm lượng đường tổng số hòa tan trong nước lọc, như thể hiện dưới đây :
Lượng xylan có trong dịch trích(%) =
3.2.3. Kết quả và thảo luận
Trích ly xylan này sau khi xử lý sơ bộ (truyền thống) 24 h và hấp 30 phút, lập thí nghiệm như trên ở các nhiệt độ khác nhau (110, 118, và 1210C) như bảng 3. Khoảng, 29,1% xylan đầu tiên bắp được trích ly (Bảng 2). Hấp mang lại hiệu quả trích ly nhiều xylan hơn ví dụ: tỷ lệ trích ly được 7,3%, 8,2% và 8,8% tại 110, 118, và 1210C. Điều này cho thấy hấp nâng cao trích ly xylan, có thể vì hai lý do sau đây:
- Nhiều liên kết cộng hóa trị của lignin và carbohydrate khác bị phá hủy trong quá trình hấp, do đó làm tăng khả năng trích ly
- Mặc dù lõi bắp được rửa sạch bằng nước trước khi hấp nhưng vẫn còn có một số H2SO4 sót lại và ở nhiệt độ cao acid này thủy phân vẫn có thể diễn ra.Tuy nhiên, trước đây phương pháp này có thể đã đóng một vai trò lớn trong trích ly xylan.
Lượng xylan trong dịch trích ly
Bảng 3: Các thông số của phương pháp trích ly truyền thống
Thống kê Turkey chỉ ra rằng tỷ lệ trích ly do hấp tại 118 and 121 0C khác nhau đáng kể với tỷ lệ trích ly tại 110 0C (p <0,05). Tuy nhiên, không có khác biệt giữa tỷ lệ trích ly tại 118 và 1210C. Tương tự như vậy, tổng mức trích ly (hấp + tiền xử lý) để xử lý thông thường tại 118 0C and 1210C nhiệt độ hấp chênh lệch đáng kể từ 110 0C (p <0,05), và không có khác biệt đáng kể trong tỷ lệ trích ly giữa 118 và 121 0C. Chênh lệch nhiệt độ đủ lớn cần thiết để phá vỡ các liên kết cộng hóa trị và tăng khả năng trích ly .Tỷ lệ trích lý mức trung bình ở phương pháp tiền xử thông thường và hấp đạt được 37,2% (Bảng 3). Giá trị này được sử dụng để so sánh các mức trích ly bởi sóng siêu âm.
Như đã thảo luận trước đó, Yang và cộng sự. Nghiên cứu tác động của nhiệt độ hấp lên tỷ lệ trích ly xylan từ lõi bắp sử dụng H2SO4 1% như ngâm dung môi. Việc ngâm được tiến hành ở nhiệt độ nước ấm 600C trong 12h, dẫn đến tỷ lệ trích ly tổng cộng 20% khi hấp ở 135 0C. Trong nghiên cứu này, tỷ lệ trích ly tăng lên đáng kể bằng cách ngâm dung môi H2SO4 2% ở nhiệt độ ấm 50 0C trong 24h. Ví dụ, tỷ lệ trích ly trong khoảng 38% thu được ở hấp 1210C (Bảng 3). Do đó, việc sử dụng nồng độ H2SO4 cao hơn trong khoảng thời gian dài có thể phá vỡ nhiều hơn liên kết cộng hóa trị và giải phóng nhiều xylan hơn. Tuy nhiên, việc lạm dụng dung môi có tính axit có thể sản xuất một số lượng lớn xylose dịch thủy phân đó là không mong muốn.
Trích ly xylan bằng sóng siêu âm
Tỷ lệ trích ly bằng sóng siêu âm ở giai đoạn tiền xử lý và hấp trong Bảng 3. Kết quả cho thấy xử lý bằng sóng siêu âm ở AED 0,45 W/mL dẫn đến tăng khả năng trích ly xylan. Ví dụ, tỷ lệ trích ly tại 110, 118, và 1210C lần lượt là 36,4%, 37,3%, 37,9%
ở tiền xử lý thông thường trong 24 giờ, trong khi đó khi xử lý bằng sóng siêu âm ở AED 0,45 W/m trong 60 phút là 39,3%, 39,9% và 40,7%. Ngoài ra, tỷ lệ trích ly cũng tăng khi tăng mức độ siêu âm. Ví dụ, tỷ lệ trích ly là 10,0%, 14,6%, 22,2% và 29,1% đạt được tương ứng trong thời gian 10, 20, 30, và 60 phút khi xử lý siêu âm tại AED 0,18 W / mL (Bảng 4). Xử lý sóng âm sẽ tăng hiệu ứng cavitation (xâm thực+sủi bọt), có thể dẫn đến tăng phá vỡ các liên kết cộng hóa trị giữa xylan và lignin, qua đó trích ly được nhiều xylan hơn
Bảng 4: Sử dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý và hấp để trích ly xylan
Tuy nhiên, ứng dụng của sóng siêu âm có thể giảm mức độ trùng hợp và sinh ra olygomers và monome (ví dụ, xylose). Ví dụ, sóng siêu âm có thể dẫn đến vỡ cấu trúc xylan, làm cho thay đổi cấu trúc hóa học hoặc trung tâm hoạt động của enzyme.
Tăng mức AED dẫn đến tăng trích ly xylan.Ở mức AED cao hơn dẫn đến tăng hiệu ứng cavitation và kết quả có thể dẫn đến nhiều hơn hiệu quả phá vỡ các liên kết cộng hóa trị cho phép trích ly nhiều hơn xylan. Điều này là hiển nhiên từ tỷ lệ trích ly 30,3% và 40,7% thu được ở mức AED 0,18 và 0,45 W / ml, tương ứng ở 1210C sau 60 phút. Tại tất cả các điều kiện thử nghiệm cho thấy mức độ AED 0,45 W/mL mang lại kết quả trích ly cao hơn mức AED 0,18 W/ml. Tăng mức AED 0,45 W/ml, có thể dẫn đến tăng khả năng trích ly.
Hấp đã có một ảnh hưởng đáng kể tỷ lệ trích ly xylan. Tăng nhiệt độ hấpdẫn đến tăng cường trích ly xylan đối với cả hai mức AED. Ví dụ, tỷ lệ trích ly đạt được 14,6%, 16,7% và 17,4% tương ứng ở 110, 118, và 1210C khi cho mẫu xử lý bằng siêu âm trong 10 phút ở 0,45 W / mL AED. Tương tự, tỷ lệ khai thác đạt 10,0%, 11,6%,
và 12,3% sau khi xử lý siêu âm 10 phút tại 0,18 W / mL tương ứng ở 110, 118 và 1210C.
Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp đến xử lý mẫu bằng sóng siêu âm trong Bảng 4. Kết quả thống kê cho thấy rằng không có chênh lệch đáng kể trong tỷ lệ trích ly ở 1100C và 1180C và giữa 1180C và 1210C khi hấp. Tuy nhiên, chênh lệch giữa ở 1100C và 1210C trong tỷ lệ trích ly ở cả mức AED
Điều này cho thấy rằng gradient nhiệt độ đã được đủ lớn có một tác động đáng kể để cung cấp năng lượng cần thiết cho phá vỡ các liên kết cộng hóa trị.
Bảng 5 : Tỷ lệ trích ly xylan sau khi hấp 30 phút Giảm đáng kể thời gian xử lý bằng sóng siêu âm
Để tiết kiệm thời gian xử lý khi siêu âm sử dụng để tăng cường trích ly xylan, thiết lập nhiệt độ hấp dưới 1210C, và xử lý siêu âm trong 60 phút (Bảng 5) để tính toán. Áp dụng nội suy để tính tỷ lệ trích ly đối với các khoảng siêu âm giữa 30 phút (31,0%) và phút 60 (40,7%) để xác định thời gian siêu âm khi tỷ lệ khai thác đạt 37,2%. Kết quarkhoarng thời gian siêu âm đạt được ở 49.2 phút. Đó là thời gian xử lý tăng cường bằng sóng siêu âm trái ngược với thời gian xử lý thông thường trong nghiên cứu này (24 h). Hơn nữa, mức AED ở 0,45 W/ml cấp giúp giảm thời gian xử lý trích ly xylan khoảng 97% trong dung dịch acid sulfuric loãng 2%.
Bằng cách nào để đạt tỷ lệ trích ly thông thường trong 49,2 phút giống như sử dụng sóng siêu âm (tức là 37,2%) ở cùng thời gian xử lý? Mặc dù trong nghiên cứu này tỷ lệ trích ly thông thường là không đo được tại nhiều thời điểm khác hơn 24 h, một ước tính có thể thu được từ (Hình 16) đo tỷ lệ trích ly thông thường mức 0 đến 360
phút trong điều kiện tương tự (ví dụ, ngâm trong dung dịch acid sulfuric 1% ở 600C, hấp 1250C trái ngược với ngâm trong dung dịch acid sulfuric 2% ở 500C, hấp 1210C trong nghiên cứu này). Tỷ lệ trích ly thông thường đối với 49,2 phút trong khoảng 12,5%, là thấp hơn nhiều so với sóng siêu âm (tức là 37,2%).
3.2.4. Kết luận
Năng lượng sóng siêu âm mang lại hiệu quả trích ly xylan từ lõi bắp. Nhiệt độ hấp (trong khoảng 110-1210C như thử nghiệm trong nghiên cứu này) và mật độ năng lượng sóng siêu âm (0,18 và 0,45 W/mL) đã có một tác động đáng kể trong tỷ lệ trích ly xylan. Có thể thấy rằng tăng cường công suất siêu âm phần lớn tăng tỷ lệ trích ly xylan. Sử dụng năng lượng sóng siêu âm ở mức độ 0,45 W / mL giảm đáng kể việc trích ly xylan thời gian từ 24h ở quá trình thông thường để đạt được 49 phút trong quá trình xử lý siêu âm, giảm tới khoảng 97% thời gian xử lý. Sóng siêu âm được sử dụng để giảm thời gian xử lý và tăng năng suất trích ly xylan trong công nghiệp.