SAS 610. Tối ưu hóa các yếu tố bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính hợp thành trực giao.
PHẦN 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT LÝ HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU
3.1.1. Tính chất cơ lý của nguyên liệu
Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của một số giống vừng nghiên cứu
Giống vừng Hình dạng hạt Kích thước hạt dày x rộng (mm) Trọng lượng 1000 hạt (g) vỏ (%)Tỉ lệ Vừng đen Nhật Bản Bầu dục, tròn 3,5 x 1,8 4,0 (± 0,2) 16,8 Vừng đen Bình Định Bầu dục, dẹt 3,2 x 1,9 3,7 (± 0,2) 17,6 VừngđenNghệ an Bầu dục, dẹt 3,2 x 2,0 3,7 (± 0,2) 18,3 Vừng đenBắc Giang Bầu dục, hơi
tròn 3,0 x 1,8 3,6 (± 0,2) 17,8
Vừng đen Thanh Hoá Bầu dục, hơi
tròn 2,9 x 1,6 3,2 (± 0,2) 16,5
Kết quả nghiên cứu đặc tính cơ lý của 3 giống vừng đã chọn cho thấy: Các giống vừng trên có hình dáng gần giống nhau, hình bầu dục thon dẹp, hơi nhọn về phía đầu mầm, còn đầu kia tròn. Trong các giống vừng trên thì 3 giống Nhật bản, Bình định và Nghệ an là có kích thước lớn hơn. Riêng giống vừng Nhật Bản hạt tròn và mẩy hơn, tỉ lệ vỏ ít hơn, trọng lượng 1000 hạt cao hơn so với giống vừng khác (Bình định và Nghệ an). Tỷ lệ vỏ của giống vừng Thanh hóa cũng thấp hơn 2 giống vừng Nghệ an và Bình định. Để đánh giá chất lượng của hạt vừng chúng tôi chọn 3 giống vừng có tỷ lệ vỏ thấp nhất để tiến hành đánh giá chất lượng đó là giống vừng Nhật bản, Bình định và Thanh hóa.
3.1.2. Phân tích thành phần hoá học của nguyên liệu
Bảng 3.2. Thành phần hoá học của các giống vừng ( trong 100g hạt)
Thành phần (%) Vừngchưa tách vỏ Vừngđã tách vỏ Nhật Bản Bình Định Thanh Hoá Nhật Bản Bình Định Thanh Hoá Độ ẩm 6,45 6,22 6,17 6,31 6,21 6,15 Protein 21,17 20,82 20,30 20,30 20,01 19,87 Lipit 46,22 46,35 46,37 48,11 48,66 48,69 Gluxit 17,60 17,97 18,03 16,89 17,05 17,34 Axit Linoleic - - - 18,9 - - Vitamin E - - - 0,22 - - Sesamin - - - 357,1 - - Xơ 4,79 4,83 4,83 2,20 2,25 2,26 Tro 3,50 3,54 3,54 3,50 3,54 3,54 N. lượng (calo) 547 531 533 562 554 558 Kết quả phân tích cho thấy giống vừng Nhật Bản có hàm lượng protein đạt 21,17% cao hơn hàm lượng protein của 2 giống vừng Bình Định và Thanh hóa (lần lượt là 20,82% và 20,30%) trong hạt vừng chưa tách vỏ, nhưng hàm lượng lipit và gluxit lại thấp hơn đạt 46,22% so với 46,35% và 46,37% trong hạt vừng chưa tách vỏ. Theo kết quả nghiên cứu của Viện Công nghệ sinh học giống vừng Nhật Bản đã được trồng thử ở một số địa phương như Nghệ An từ năm 1996, cho năng suất cao và chất lượng tốt.
Từ kết quả khảo sát và phân tích trong hai bảng 1 và 2 cho thấy chất lượng của giống vừng Nhật bản là tốt nhất trong số các giống vừng còn lại. Hàm lượng chất dinh dường cao nhất trong cả hai mẫu vừng không tách vỏ và tách vỏ. Vì vậy, để thống nhất trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi chọn giống vừng Nhật Bản làm nguyên liệu đểsản xuất sữa vừng và tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.
3.2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ
LÝ NGUYÊN LIỆU ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SỮA VỪNG
3.2.1. Ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt nguyên liệu
Bảng 3.3. Điểm trung bình về các chỉ tiêu cảm quan đối với sữa vừng được gia nhiệt bằng phương pháp khác nhau
Các chỉ tiêu cảm quan Nhiệt độ rang (0C) 60 70 80 Hấp bằng hơi nước ĐC Màu sắc 4,25 4,38 3,13 4,38 4,25 Mùi 3,13 4,13 4,03 2,63 2,50 Vị 3,50 4,50 4,38 2,63 2,63 Trạng thái 3,75 4,50 4,35 3,75 3,63 Điểm trung bình 3,25 4,00 3,88 2,88 2,75
Điểm trung bình cho bởi các thành viên về chỉ tiêu màu sắc của sữa ở các công thức đều khá cao. Mùi thơm của sản phẩm thay đổi rất nhiều theo chế độ gia nhiệt. Hấp chín vừng hoặc rang vừng ở 600C không tạo được mùi thơmđặc trưngdo ở cả hai chế độ gia nhiệt này không diệt được mùi ngái của nguyên liệu. Nhiệt độ rang càng cao thì mùi thơm càng mạnh. Tuy nhiên điểm trung bình về mùi thơm đối với mẫu vừng được rang ở 700C và 800C là không khác nhau ở mức ý nghĩa α = 5%.
Điểm trung bình về chỉ tiêu vị của mẫu sữa được rang ở nhiệt độ 700C và 800C là rất cao (4,50 và 4,38 điểm), trong khi điểm trung bình của các mẫu sữa được rang ở nhiệt độ 600C, hấp bằng hơi nước và ĐC chỉ đạt điểm tương ứng là 3,50; 2,63 và 2,63. Điều này chứng tỏ vừng nguyên được gia nhiệt cao sẽ làm tăng vị ngậy cho sản phẩm, tạo ra mùi thơm đặt trưng của vừng.
của sữa thấp hơn so với xử lý nguyên liệu ở nhiệt độ cao. Điều này là do những protein đó biến tính khi xử lý nguyên liệu ở nhiệt độ cao trong quá trình chế biến đó bị loại đi và không ảnh hưởng đến trạng thái của sản phẩm cuối cùng.
Như vậy, việc gia nhiệt nguyên liệu ban đầu là rất quan trọng trong việc tạo ra giá trị cảm quan cho sản phẩm. Phương pháp gia nhiệt bằng phương pháp rang ở 700C trong 5 phút cho chất lượng tốt nhất, mặt khác làm tăng hương vị của sản phẩm nhờ diệt được mùi ngái của sản phẩm.
3.2.2. Ảnh hưởng của việc tách vỏ vừng
Bảng 3.4. Điểm trung bình về các chỉ tiêu cảm quan đối với sữa của vừng tách vỏ và không tách vỏ
Chỉ tiêu cảm quan Vừng không tách vỏ Vừng tách vỏ
Màu sắc 2,50 4,38 Mùi 3,13 4,00 Vị 3,75 4,38 Trạng thái 3,13 4,29 Điểm trung bình 2,25 4,00 Nhận xét
Sữa có màu vàng nâu, mùi cháy, có vị chát, khi uống có cảm giác lạo xạo ở lưỡi.
Sữa có màu nâu xám đặc trưng,mùi thơm. Điểm cảm quan của các thành viên đánh giá các chỉ tiêu không có sai khác ở mức ý nghĩa α = 5%. Điểm trung bình về màu sắc của mẫu sữa không tách vỏ hạt rất thấp cho thấy ảnh hưởng xấu của vỏ tới màu sắc của sữa. Sự có mặt của vỏ tạo ra sữa có màu vàng nâu, rất kém đặc trưng cho sữa. Khi hạt vẫn còn vỏ, nhiệt độ rang làm cho nó có mùi hơi cháy, ảnh hưởng xấu đến
chất lượng của sữa. Hơn nữa, chất lượng sữa tương ứng với vừng không tách vỏ có vị hơi chát, khi uống có cảm giác xạo ở đầu lưỡi. Điểm trạng thái cũng cho thấy rằng chất lượng của dịch sữa được chế biến từ hạt không tách vỏ thấp hơn điểm trạng thái của dịch sữa được chế biến từ hạt đã tách vỏ. Như vậy, dịch sữa chế biến từ hạt không tách vỏ kém chất lượng hơn về hầu hết các chỉ tiêu cảm quan dẫn tới mức độ ưa thích cũng thấp hơn. Vì vậy, vừng trước khi đưa đi chế biến nên được tách vỏ.
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm và nhiệt độ nước ngâm vừng
3.2.3.1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm vừng đến hàm lượng chất khô và hàm lượng protein của sữa
Vừng sau khi được rang ở 700C, tách vỏ trước. Tiến hành ngâm vừng trong điều kiện nhiệt độ phòng khoảng 250C. Chọn tỷ lệ vừng:nước ngâm là 1:2,5. Tỷ lệ nguyên liệu:nước là 1:7. Sáu công thức ngâm vừng được tiến hành ở các thời gian khác nhau. Sau các khoảng thời gian thí nghiệm, sữa vừng được đưa đi xác định hàm lượng chất khô và hàm lượng protein. Kết quả thể hiện trong bảng 3.5, đồ thị 3.1 dưới đây.
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian ngâm vừng đến hàm lượng chất khô và hàm lượng protein của sữa
Chỉ tiêu Thời gian ngâm vừng
ĐC 1 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ 5 giờ 6 giờ
Chất khô (%) 3,85 4,98 6,18 6,89 7,80 6,46 6,04 Protein (%) 1,12 1,82 2,00 2,05 2,11 1,98 1,92
Biến đổi hàm lượng chất khô và protein trong sữa theo thời gian ngâm
0 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 5 6 7 Thời gian (h) Chất khô Protein
Đồ thị 3.1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm vừng đến hàm lượng chất khô và protein của sữa
Theo bảng 3.5, đồ thị 3.1, hàm lượng chất khô trong sữa tăng dần khi tăng thời gian ngâm vừng. Khi thời gian ngâm tăng đến 4 giờ thì hàm lượng chất khô trong sữa đạt cực đại 7,8%. Nếu tiếp tục kéo dài thời gian ngâm vừng thì hàm lượng chất khô lại giảm xuống. Kết quả cũng cho thấy protein cũng biến đổi theo quy luật tương tự, đạt cao nhất là 2,11% ở 4 giờ và giảm xuống 1,92% ở 6 giờ. Điều này có thể lý giải như sau: thời gian ngâm vừng ngắn, sự biến đổi trạng thái của hạt vừng chỉ dừng lại ở trạng thái keo đông, liên kết của các thành phần trong hạt chưa bị phá vỡ. Khi lọc, các thành phần này khó được tách ra khỏi bã gây hao phí chất khô. Trong khi đó, thời gian ngâm vừng kéo dài 5 - 6 giờlàm cho nước ngâm bị chua do quá trình lên men lactic do đó cũng làm cho hàm lượng chất khô thấp giảm. Vì vậy, khi ngâm hạt sao cho hàm lượng nước trong hạt đạt khoảng 55-65% là vừa đủ và ngâm vừng trong thời gian 4 giờ đủ để các phân tử nước tấn công và phá vỡ các liên kết của các phân tử trong hạt vừng làm cho chúng ở trạng thái keo linh động như vậy sẽ dễ dàng tách chúng ra khỏi bã trong quá trình xay lọc.
3.2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước ngâm vừng đến hàm lượng chất khô và hàm lượng protein của sữa
Tiến hành ngâm vừng ở nhiệt độ khác nhau trong cùng thời gian là 4 giờ. Tỷ lệ vừng:nước ngâm là 1:2,5. Tỷ lệ nguyên liệu:nước khi xay lọc là 1:7. Sữa vừng tương ứng với các công thức đó được đưa đi phân tích hàm lượng chất khô và hàm lượng protein. Kết quả thu được thể hiện qua bảng 3.6, đồ thị 3.2.
Bảng 3.6. Biến đổi hàm lượng chất khô và hàm lượng protein của sữa theo nhiệt độ ngâm vừng khác nhau
Chỉ tiêu Nhiệt độ nước ngâm vừng (0C)
15 20 25 30 35
Chất khô (%) 6,98 7,88 7,56 6,48 5,18
Protein (%) 2,0 2,1 2,09 2,01 1,89
Kết quả của bảng 3.6 và đồ thị 3.2 cho thấy: Khi ngâm vừng ở nhiệt độ khác nhau sẽ thu được hàm lượng chất khô và hàm lượng protein khác nhau. Nhiệt độ càng tăng thì tỷ lệ thu hồi chất khô càng thấp. Ngâm vừng ở 200C thu được 7,88% chất khô và 2,1% protein, trong khi ngâm ở 350C chỉ thu được hàm lượng chất khô là 5,18% và 1,89% protein. Ngược lại, ngâm vừng ở nhiệt độ quá thấp (150C) thì hạt vừng hút nước chậm, lượng nước không đủ làm cho hạt vừng trương lên làm cho hiệu suất thu hồi cũng giảm.
Biến đổi hàm lượng chất khô và protein theo nhiệt độ ngâm 0 2 4 6 8 10 10 15 20 25 30 35 40 Nhiệt độ (0C) chất khô protein
Đồ thị 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước ngâm vừng đến hàm lượng chất khô và protein của sữa vừng
Hàm lượng chất khô thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ ngâm, ở thời gian ngâm 4 giờ thì hàm lượng chất khô cao nhất ở nhiệt độ ngâm khoảng 200C. Tuy nhiên, hàm lượng protein trong dịch sữa không thay đổi nhiều theo nhiệt độ nước ngâm. Kết quả trên có thể lý giải bởi ở nhiệt độ cao đã thúc đẩy quá trình trương của các tế bào hạt làm tăng nhanh hòa tan của các thành phần chất khô vào trong nước ngâm, mặt khác ở nhiệt độ cao thích hợp cho quá trình lên men lactic do đó thúc đẩy quá trình lên men diễn ra sớm làm giảm hàm lượng đường có trong hạt. Như vậy ngâm vừng ở 200C trong 3 – 4 giờ cho hàm lượng chất khô và protein trong dịch sữa cao nhất. Trong trường hợp nhiệt độ cao thì cần giảm thời gian ngâm và tiến hành thay nước, tuy nhiên nhiệt độ ngâm không được cao quá 350C vì như vậy sẽ kích thích quá trình lên men và một phầngây sự keo tụ của một số thành phần hòa tan trong hạt.
* Tối ưu hóa quá trình ngâm vừng đến hàm lượng chất khô trong dịch sữa vừng.
Nhiệt độ ngâm và thời gian ngâm vừng là hai thông số này có liên quan mật thiết đến nhau và đến hàm lượng chất khô trong dịch sữa. Vì vậy, một thí nghiệm đa yếu tố được tiến hành để xác định điểm điều kiện tối ưu cho quá trình ngâm vừng. Các thông số đầu vào là thời gian ngâm (giờ) và nhiệt độ ngâm (0C) với hàm mục tiêu là hàm lượng chất khô (%).
Tối ưu hoá được thực hiện theo phương pháp kế hoạch hoá tập trung hợp thành trực giao với các thông số đầu vào là hai thông số như sau. Theo kết quả nghiên cứu đơn yếu tố, khoảng thời gian ngâm tối ưu là 4±1 (giờ) và khoảng nhiệt độ ngâm tối ưu là 20±5 (0C).
Bảng 3.7. Các biến của ma trận và giới hạn của chúng
STT Giới hạn biến Tên biến
X1 (Nhiệt độ 0C) X2 (Thời gian giờ)
1 Mức trên (+) 15 3
2 Mức giữa (0) 20 4
3 Mức dưới (-) 25 5
Yếu tố mục tiêu là hàm lượng chất khô trong dịch sữa Y(%). Bố trí thí nghiệm tối ưu theo ma trận thực nghiệm. Kết quả thí nghiệm đa yếu tố được trình bày trong bảng 3.8 dưới đây.
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm theo ma trận kế hoạch TTHTTG
CT Các yếu tố Hàm lượng chất khô (%)
Nhiệt độ (0C) Thời gian (h) Y1 Y2 Y3 Ytb
1 15 3 6,45 6,50 6,55 6,50 2 15 4 6,98 7,00 6,96 6,98 3 15 5 7,02 7,01 7,03 7,02 4 20 3 7,52 7,54 7,56 7.54 5 20 4 7,87 7,88 7,89 7,88 6 20 5 7,71 7,75 7,74 7,73 7 25 3 7,64 7,63 7,65 7,64 8 25 4 7,55 7,56 7,57 7,56 9 25 5 7,38 7,37 7,36 7,37
Kết quả phân tích số liệu ở bảng 3.8 bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm cho phương trình quan hệ giữa hàm lượng chất khô trong dịch sữa và nhiệt độ ngâm, thời gian ngâm vừng là:
Y = 0.021576x12 + 0.1728x22 – 1.09x1 – 2.2464x2 + 0.0395x1x2 + 8.3978 (1) Trong đó, Y – hàm lượng chất khô (%)
X1 – nhiệt độ ngâm (0C) X2 – thời gian ngâm (giờ)
Tìm cực đại của hàm (1) được Y = 7,89% ứng với giá trị x1 = 21,570C, x2 = 4,03 giờ tương ứng với 4 giờ 20 phút. Có nghĩa sự kết hợp hai yếu tố nhiệt độ ngâm là 21,50C và thời gian ngâm là 4 giờ 20 phút sẽ cho hàm lượng chất khô trong dịch sữa là cao nhất, chất lượng sữa là tốt nhất.
3.2.4. Ảnh hưởng của quá trình chần nguyên liệu
3.2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3đến chất lượng của sữa vừng
Trong quá trình chế biến sữa vừng, màu sắc của dịch sữa thường bị tối màu. Để cải thiện chất lượng cảm quan(màu sắc)của dịch sữa, và ổn định pH của dịch sữa chúng tôi tiến hành chần vừng trong dung dịch NaHCO3. Vừng được chần trong dung dịch NaHCO3 ở các nồng độ khác nhau. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.9 dưới đây.
Bảng 3.9. Giá trị pH của dịch sữa ở các nồng độ NaHCO3 khác nhau
Mẫu sữa Nồng độ NaHCO3 (%) pH dịch sữa Chất khô (%) Nhận xét 1 0,0 5,8 6,72 Màu ghi sám. 2 0,1 6,3 6,68 Màu ghi sẫm.
3 0,2 6,5 6,82 Màu ghi hơi sáng, mùi vị tự
nhiên, hơi ngái.
4 0,3 6,7 6,87 Màu ghi hơi sáng, mùi vị tự
nhiên.
5 0,4 7,0 6,65 Màu ghi sáng, mùi hăng ngái
6 0,5 7,3 6,35 Màu ghi sáng, mùi vị hắc,
hăng ngái.
7 0,6 7,7 6,12 Màu ghi sáng, mùi hăng, hắc
rõ rệt
Kết quả thí nghiệm trên cho thấy, pH của dịch sữa tăng lên theo nồng độ của NaHCO3, màu sắc của dịch sữa cũng được cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên, mùi vị của dịch sữa bị ảnh hưởng rõ rệt khi nồng độ NaHCO3tăng cao. Cụ thể khi nồng độ NaHCO3 tăng cao hơn 0,3% thì xuất hiện mùi hăng hắc, khi đó của dịch sữa cũng bắt đầu chuyển sang môi trường kiềm. Đến nồng độ
NaHCO3 = 0,6% thì pH của dịch sữa chuyển hẳn sang môi trường kiềm, khi đó màu của dịch sữa có màu ghi sáng rất đẹp nhưng mùi hăng hắc của dịch sữa rất rõ rệt và khó chịu. Vì vậy, chần vừng ở nồng độ NaHCO3=0,3% cho chất lương dịch sữa tố nhất, mặt khác lại đảm bảo pH của dịch sữa ổn định ở trong khoảng 6,5-7,0 phù hợp với điều kiện pH của dịch sữa nghiên cứu ở