L ỜI NÓI ĐẦU
2.2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm
Do các nghiên cứu gần đây sử dụng KOH nhưng chưa tối ưu hóa, chỉ mang tính thăm dò, chưa nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng tạo gel. Khi dùng KOH ở nhiệt độ cao thì lúc này mức độ tương tác của carrageenan sẽ rất yếu, còn nếu dùng ở nhiệt độ thấp thì carrageenan sẽ đông tụ lại, do đó cần nấu hòa tan trở lại. Vì vậy việc sử dụng Ca(OH)2 vào trong dịch lọc của carrageenan là một biện pháp tốt để tránh được sự ô nhiễm môi trường, hao phí lượng hóa chất, không cần thiết bị chịu được kiềm, đồng thời chất này hỗ trợ tạo gel cao. [10]
Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình xử lí kiềm
Qua nhiều thí nghiệm , các tài liệu tham khảo, xác định được 3 yếu tố ảnh hưởng đến sức đông của gel và khoảng biến thiên của các yếu tố như sau:
pH: X1 [ 7;9 ]
Nhiệt độ (0C): X2 [ 35;75 ] Thời gian ( phút ): X3 [30;120]
Vì pH của dịch sau khi nấu là 6,3 nên phải chọn pH thấp nhất để tối ưu là 7. pH cao nhất là 9 bởi vì nếu pH cao nữa sẽ làm cắt mạch phản ứng.
Phải chọn nhiệt độ trong khoảng trên bởi vì nếu nhiệt độ cao sẽ làm cho carrageenan bị thủy phân mạnh, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Còn yếu tố thời gian được tham khảo trong tài liệu “Nghiên cứu quy trình thu nhận polysacarit từ rong đỏ Việt Nam” của Trần Thị Thanh Vân.
Mục tiêu cần tối ưu là sức đông của gel (Y) (g/cm2), bởi sức đông là một tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng carrageenan. Y đạt giá trị Max.
Theo phương pháp Box-Willson, quy hoạch thực nghiệm phương án trực giao cấp hai thì số thí nghiệm cần được tiến hành để đánh giá sự tác động của từng yếu tố:
N = 2k
Trong đó: N: Số thí nghiệm
k: Số yếu tố, k = 3
Vậy N = 23 = 8
Từ các điều kiện của các yếu tố quy hoạch thực nghiệm, lập bảng về mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm ở bảng 1.
Bảng 2.1. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm Mức thí nghiệm X1 X2 (0C) X3 ( phút) Mức cơ bản 7 55 75 Khoảng biến thiên 1 20 45 Mức trên (+) 9 75 120 Mức dưới (-) 7 35 30 Bảng 2.2. Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố STT x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 Y 1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 2 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 3 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 4 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 5 +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 6 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 7 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 8 +1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 Trong đó: Y: Sức đông của gel (g/cm2)
Trên cơ sở xác định giá trị Y, Sử dụng phần mềm Excel để tính các hệ số của phương trình hồi quy.
Sau khi thiết lập được phương trình hồi quy, phải tiến hành kiểm định ý nghĩa của các hệ số và kiểm định sự tương thích của mô hình.Để kiểm định lặp lại một số thí nghiệm ở tâm phương án (N0 ≥3). Các thí nghiệm này được tiến hành đồng thời với các thí nghiệm chính để thu được số liệu. Sau khi hoàn tất tiến hành xử lí số liệu đó để rút ra kết luận.
Bảng 2.3. Lặp lại thí nghiệm ở tâm phương án N0 ≥3
N0 U1 U2 U3 Y0
1 U01 U02 U03 Y01
2 U01 U02 U03 Y02
Phương sai tái hiện
N0: Số thí nghiệm ở tâm phương án
Kiểm định ý nghĩa của các hệ số ( theo tiêu chuẩn Student)
Sau khi tính hệ số hồi quy và cần kiểm tra tính có ý nghĩa của chúng theo tiêu chuẩn Student, kết quả thể hiện trên bảng:
Bảng 2.4. Kết quả kiểm tra mức có ý nghĩa của hệ số hồi quy
Hệ số hồi quy (b) Hệ số t So sánh t với tp(f)
b1 t1
b2 t2
b3 t3
Từ số lượng các hệ số có ý nghĩa, lập được phương trình hồi quy, tiến hành kiểm tra sự tương thích của phương trình theo tiêu chuẩn Fisher.
Trong đó:
N: Số thí nghiệm
l: Hệ số có ý nghĩa
Ta tính được F theo công thức:
Tra bảng phân vị phân bố Fisher Fp(f1,f2) với:
p= 0,05
f1= N-l: Bậc tự do của tử
f2= N0 – 1: Bậc tự do của mẫu
Tra bảng phân phối Fisher: Nếu F < Fp(f1,f2) thì kết luận phương trình hồi quy tương thích với thực nghiệm và sau đó tiến hành tối ưu hóa theo phương pháp đường dốc nhất.
Chọn bước chuyển động của một yếu tố bất kì δj. Bước chuyển động của các yếu tố khác được tính theo công thức: δi = δ2*( bj*∆j) / (b2*∆2)
Bảng 2.5. Kết quả tối ưu hóa quá trình xử lí kiềm Tên X1 X2 X3 Y Mức cơ sở 8 55 75 Hệ số bj Khoảng biến thiên 1 20 45 bj ∆j Bước δ Bước làm tròn Thí nghiệm 9 Thí nghiệm 10 Thí nghiệm 11 Thí nghiệm 12 2.3 Phương pháp phân tích
Xác định hàm lượng ẩm của rong nguyên liệu và hàm lượng chất khô của gel kappa-carrageenan bằng phương pháp sấy đến khối lượng không đổi theo TCVN 5613:1991. Cách tiến hành được trình bày chi tiết ở phụ lục 1.
Xác định hàm lượng khoáng chất của rong nguyên liệu và hàm lượng khoáng của gel kappa-carrageenan bằng phương pháp nung đến khối lượng không đổi theo TCVN 5613:1991. Cách tiến hành được trình bày chi tiết ở phụ lục 2.
Xác định hàm lượng protein của rong nguyên liệu bằng phương pháp Kjeldall theo TCVN 3705-90. Cách tiến hành được trình bày chi tiết ở phụ lục 3
Xác định hàm lượng carrageenan trong rong nguyên liệu. Cách tiến hành được trình bày chi tiết ở phụ lục 4.
Xác định độ nhớt dung dịch carrageenan ở nhiệt độ phòng, 400C, 800C bằng máy đo độ nhớt Brookfield, Viscometer – DV – I Prime. Cách xác định được trình bày chi tiết ở phụ lục 5.
Xác định hiệu suất thu hồi carrageenan thô. Các xác định được trình bày chi tiết ở phụ lục 7.
Xác định sức đông carrageenan bằng máy đo tính chất lưu biến Sun Rheo Meter, Japan. Cách tiến hành được trình bày ở phụ lục 6.
Nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ tan chảy gel kappa-carrageenan tiến hành theo phụ lục 9.
Đánh giá màu sắc sản phẩm bằng phương pháp đánh giá cảm quan theo TCVN 3215-79. Chi tiết của phương pháp được trình bày ở phần phụ lục 10.
Xác định tổng số vi sinh vật hiếu khí theo TCVN 5165:1990
Xác định tổng số tế bào nấm mốc – nấm men theo TCVN 5166:1990
Coliforms theo TCVN 4882:2001 (ISO 4831:1991)
Salmonella theo TCVN 5153:1990
Các chỉ tiêu vi sinh trên được xác định tại viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường – ĐH Nha Trang.
2.4 Phương pháp xử lý số liệu
lấy trung bình cộng của các lần thí nghiệm.
Xử lý số liệu nghiên cứu bằng phần mềm Microsoft Excel 2007 để tính toán các giá trị tối ưu hóa.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ
THẢO LUẬN
3.1 Kết quả xác định thành phần hóa học của rong nguyên liệu
Sau khi mua nguyên liệu tại nơi trồng, rong được loại bỏ tạp chất và đưa vào tiến hành các thí nghiệm để xác định thành phần hóa học cơ bản. Kết quả được trình bày ở bảng 3.1
Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu
STT Thành phần Hàm lượng (%) 1 Hàm ẩm 24,29 2 Protein * 4,69 3 Khoáng chất * 39,11 4 Carrageenan * 45,58 5 Tạp chất 3,3
* Tính theo trọng lượng rong khô tuyệt đối.
Từ kết quảở bảng 3.1 nhận thấy:
- Hàm lượng ẩm trong rong nguyên liệu chiếm tỷ lệ 24,29% đạt yêu cầu về chỉ tiêu độ ẩm. Vì theo tiêu chuẩn Phillipine thì lượng ẩm không được vượt quá 40% [22].
- Hàm lượng khoáng trong rong chiếm tỷ lệ đáng kể tới 39,11%. Phần lớn hàm lượng khoáng trong rong chủ yếu tập trung ở bề mặt rong với lượng muối cao. Do rong sú là loài ưa nước mặn, chính lớp muối khoáng bên
ngoài sẽ có tác dụng ức chế sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình bảo quản rong nguyên liệu. Hơn nữa, hàm lượng khoáng bám ở lớp tế bào bên ngoài sẽ bị giảm đi nhiều trong quá trình chế biến nhưng rong sú vẫn chứa hàm lượng khoáng đa lượng và vi lượng cao. Do vậy, rong sú là nguyên liệu giàu khoáng, có giá trị dinh dưỡng cao.
- Hàm lượng protein trong rong chiếm tỷ lệ 4,69%, thấp hơn so với hàm lượng rong sú trồng tại Ninh Thuận. Hàm lượng protein tùy thuộc vào vùng
trồng, chế độ chăm sóc, bổ sung NH4+ (muối amoni) và thời gian trồng. Hàm lượng protein càng cao thì khả năng tỷ lệ protein còn lại trong carrageenan càng lớn và ảnh hưởng đến độ tinh sạch của carrageenan tinh chế.
- Hàm lượng carrageenan trong rong chiếm tỷ lệ khá cao 45,58% do thu hái ở thời gian sau 45 ngày trồng. Rong đạt chất lượng vì lượng carrageenan trên 30% so với tiêu chuẩn Philippine về rong nguyên liệu [22].
- Tạp chất trong rong nguyên liệu chiếm 3,3%, do đó hao hụt là không đáng kể. Tuy nhiên đây là một tiêu chí quan trọng cần xác định để định giá thành nguyên liệu và kiểm soát chất lượng đầu vào.
3.2 Kết quả xác định tính chất lý hóa của kappa-carrageenan từ rong
sú
Dịch chiết từ rong sú sau khi tiến hành nấu ở 85 ÷ 900C, mođun thủy áp 1: 60, đem lọc ly tâm với tốc độ 4000 vòng/phút, thời gian 30 phút với mục đích loại bỏ bã rong, tạp chất có kích thước nhỏ và một phần chất màu, thu được các thông số kỹ thuật. Kết quả được trình bày ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. Bảng các thông số kỹ thuật của dung dịch carrageenan sau khi
lọc ly tâm
STT Chỉ tiêu Kết quả
1 Hàm lượng chất khô (%) 0,7
2 Hiệu suất thu hồi carrageenan dạng thô (%) 38,8
3 Độ nhớt, cP ở 280C 313,9
4 Độ nhớt, cP ở 400C 299,9
5 Độ nhớt, cP ở 600C 234,0
6 Độ nhớt, cP ở 800C 139,0
Theo kết quả bảng 3.2 cho thấy, độ nhớt của dịch carrageenan sau lọc
có độ nhớt cao, ở nhiệt độ phòng (280C) độ nhớt là 313,9 cP. Đây là tiêu chí đánh giá khả năng tạo gel, nếu dịch có độ nhớt càng cao chứng tỏ khối lượng trung bình carrageenan càng cao và sức đông cao. Bên cạnh đó, khi
tăng nhiệt độ thì độ nhớt giảm. Ở nhiệt độ 800C, độ nhớt giảm 2,3 lần so với ban đầu. Đây là thông số kỹ thuật quan trọng, qua đó lựa chọn được máy bơm hút dịch trong thiết kế nhà máy, cơ sở sản xuất cho phù hợp.
Tỷ lệ chiết carrageenan chiếm 85% lượng carrageenan có trong rong sú (45,58%) tỷ lệ này nhỏ hơn tỷ lệ chiết rong theo quy trình chuẩn của VNIRO là 95% do trong quy trình sử dụng ở phòng thí nghiệm, quá trình ly tâm sử dụng máy ly tâm với tốc độ chỉ tối đa 3400-4000v/phút (trong khi theo quy trình VNIRO là 6000 v/phút), thời gian 40-50 phút, chưa tách triệt để carrageenan khỏi bã rong, vì thế hiệu suất thu hồi carrageenan thô giảm, dẫn đến tỷ lệ chiết giảm, chỉ còn 85%.
Kết quả xác định hàm lượng chất khô của dịch carrageenan qua các công đoạn được thể hiện ở hình 3.1.
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn hàm lượng chất khô của dịch carrageenan qua
các công đoạn
Nhận xét:
Nhìn chung hàm lượng chất khô của dịch carrageenan đều tăng qua các công đoạn. Trong đó tăng mạnh nhất là từ công đoạn lọc li tâm đến công đoạn tủa KCl, hàm lượng chất khô tăng 2,87 lần là do khi bổ sung KCl, chất tạo tủa thì lúc này sức đông của carrageenan tăng đồng nghĩa với lượng nước ít thì tương ứng hàm lượng chất khô tăng. , tăng yếu nhất là từ công đoạn tủa KCl đến công đoạn rã đông 1, hàm lượng chất khô tăng 1,36 lần.
Qua mỗi công đoạn rã đông thì lượng nước sẽ được tách ra đáng kể, do đó hàm lượng chất khô tăng từ rã đông lần 1 lên rã đông lần 2 là 1,72 lần.
Tính chất của gel kappa-carrageenan 2% sau khi rã đông lần 1 được thể hiện qua bảng 3.3.
Bảng 3.3. Tính chất của gel kappa-carrageenan tự nhiên sau khi rã đông lần 1 STT Chỉ tiêu Kết quả 1 Hàm lượng chất khô (%) 2,74 2 Hàm lượng tro (%) 1,18 3 Sức đông (g/cm2) 486 4 Nhiệt độ nóng chảy (0C) 45,5 5 Nhiệt độ đông đặc (0C) 35,5 6 Hiệu suất thu hồi sản phẩm (%) 30,20
3.3 Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm dịch lọc
carrageenan
Tối ưu hóa công đoạn xử lí kiềm theo phương pháp Box- Willson.
Bảng 3.4. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm
Mức thí nghiệm X1 X2 (0C) X3 ( phút) Mức cơ bản 7 55 75 Khoảng biến thiên 1 20 45 Mức trên (+) 9 75 120 Mức dưới (-) 7 35 30
Bảng 3.5. Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố N x0 X1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 Y 1 1 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 439,00 2 1 -1,00 1,00 1,00 -1,00 -1,00 1,00 45,00 3 1 1,00 -1,00 1,00 -1,00 1,00 -1,00 45,00 4 1 -1,00 -1,00 1,00 1,00 -1,00 -1,00 254,00 5 1 1,00 1,00 -1,00 1,00 -1,00 -1,00 954,00 6 1 -1,00 1,00 -1,00 -1,00 1,00 -1,00 509,00 7 1 1,00 -1,00 -1,00 -1,00 -1,00 1,00 398,00 8 1 -1,00 -1,00 -1,00 1,00 1,00 1,00 448,00
Từ bảng kết quả 3.5 ta tính được các hệ số của mô hình như sau:
Sau khi tiến hành 3 thí nghiệm ở tâm phương án ta thu được kết quả như ở bảng 3.6.
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm ởtâm phương án
N0 Y0u Ŷ0u Ŷ0u – Y0u A 16 626 11,67 17 640 -2,33 18 647 637,67 -9,33 228,67
Phương sai tái hiện
N0: Số thí nghiệm ở tâm phương án
Kiểm định ý nghĩa của các hệ số ( theo tiêu chuẩn Student)
Tra bảng phân vi phân bố Student tρ (f) với:
ρ = 0,05
f = No – 1 = 3-1 = 2 Suy ra: tρ (f) = 4,30.
Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra mức có ý nghĩa của hệ số hồi quy
S T b GT So sánh t với tp(f)=4.3 3,78 102,10 b0 386,5 Lớn hơn 3,78 19,18 b1 72,5 Lớn hơn 3,78 26,52 b2 100,25 Lớn hơn 3,78 50,46 b3 -190,75 Lớn hơn 3,78 36,30 b12 137,25 Lớn hơn 3,78 6,94 b13 -26,25 Lớn hơn 3,78 14,28 b23 -54 Lớn hơn
Ta thấy các giá trị của t đều lớn hơn tp(f) nên các hệ số b0, b1, b2, b3, b12, b23, b13 có ý nghĩa.
Vậy phương trình hồi quy có dạng:
y= 386,5 + 72,5x1 + 100,25x2 – 190,75x3 + 137,25x1x2 – 26,25x1x3 – 54x2x3 Kiểm định sự tương thích của phương trình theo tiêu chuẩn Fisher.
Bảng 3.8. Các số liệu dùng để kiểm định sự tương thích
N y y^i y^i-yi (y^i-yi)2
1 439 425 -14 196 2 45 58 13 169 3 45 58 13 169 4 254 240 -14 196 5 954 967 13 169 6 509 495 -14 196 7 398 384 -14 196 8 448 461 13 169 1460 N= 8: Số thí nghiệm l =7: Hệ số có ý nghĩa
S2tt: Phương sai tương thích Ta tính được F theo công thức:
Tra bảng phân vị phân bố Fisher Fp(f1,f2) với: p= 0,05
f1= N-l=1: Bậc tự do của tử
f2= N0 – 1=2: Bậc tự do của mẫu
Tra bảng phân phối Fisher → F (0,05;1;2 ) = 18,5
Ta thấy F = 12,77 < F (0,05;1;2 ) = 18,5 Vậy phương trình hồi quy:
y = 386,5 + 72,5x1 + 100,25x2 – 190,75x3 + 137,25x1x2 – 26,25x1x3 – 54x2x3 là tương thích với thực nghiệm.
Nhận xét:
Hệ số b3 = -190,75 < 0, nên yếu tố thời gian tỉ lệ nghịch với sức đông của carrageenan, có nghĩa là khi tăng thời gian (X3) thì sức đông của carrageenan sẽ giảm và ngược lại.