CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2.6 Các phương pháp trích ly pectin
Q trình thu nhận pectin gồm 3 cơng đoạn chính như sau:
Chiết tách pectin trong nguyên liệu → Kết tủa pectin → Hồn thiện sản phẩm pectin
Cơng đoạn chiết tách pectin: pectin trong nguyên liệu bao gồm pectin hịa tan và
protopectin khơng tan. Protopectin nằm dưới dạng liên kết với các thành phần khác của thành tế bào thực vật, vì vậy cơng đoạn đầu tiên trong qui trình thu nhận pectin là làm đứt các liên kết để chuyển protopectin từ thành tế bào ra bên ngồi dưới dạng pectin hịa tan.
isopropanol, methanol, ethanol. Ngồi ra có thể dùng các tác nhân kết tủa khác như nhôm clorua, nhôm hydroxide và sunfate. Theo Ranajit K.S. và cộng sự (2013), các pectin mang điện tích âm sẽ liên kết với keo mang tích điện dương tạo kết tủa, sau đó tạo thành các mạng liên kết hình giống cái lược nổi lên trên bề mặt. Trong thực tế, người ta thường sử dụng rượu vì pectin có chỉ số DE cao (>70%) không kết tủa tốt với các muối và hơn nữa khi kết tủa bằng muối, phải có cơng đoạn rửa và loại bỏ muối ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi pectin.
1.2.6.1 Chiết bằng phương pháp ngâm chiết
Chiết tách trong nước
Bằng cách gia nhiệt nguyên liệu trong nước có thể chiết tách pectin. Phương pháp này khơng được sử dụng trong cơng nghiệp vì phải thực hiện trong thời gian dài và nhiệt độ cao. Hai yếu tố này sẽ dẫn đến sự thủy phân pectin trong quá trình chiết tách và rất tốn kém vì nhu cầu năng lượng cao.
Chiết tách trong dung dịch acid
Hiện nay sản xuất pectin công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp ngâm chiết trong dung dịch acid. Protopectin trong nguyên liệu sẽ chuyển thành pectin hòa tan dưới tác dụng của acid (Khodzhaev M.A., 1993). Pectin có chỉ số este hóa cao được chiết tách hiệu quả bằng dung dịch acid yếu vì các liên kết hóa học của protopectin yếu. Để thúc đẩy quá trình thủy phân của protopectin và tách pectin, người ta thường dùng dung dịch acid vô cơ (HC1, H2SO3, H2SO4, HNO3) và một số acid hữu cơ có khối lượng phân tử thấp (acetic; oxalic, citric, tartaric, v.v) (Shelukhina N.P., 1998). Trong môi trường acid mạnh liên kết glycosidic của pectin bị thủy phân nhiều.
1.2.6.2 Chiết tách bằng enzyme
Chiết bằng enzyme sẽ tạo được sản phẩm xanh và sạch nhưng giá thành cao. Hơn nữa, chiết bằng phương pháp này kéo dài thời gian xử lí nguyên liệu (khoảng 20 giờ) và pectin thu được có khả năng tạo gel thấp (Sakai T., 1980). Kết quả nghiên cứu của tiến sĩ của Oni Yuliarti năm 2011 cho thấy pectin thu nhận bằng hỗn hợp chế phẩm enzyme thương mại (Cellulast 1,5L, Cellullyve TR 400 và Cytolase CL) có khối lượng phân tử thấp hơn so với pectin thu nhận bằng phương pháp acid và nước.
Thành tế bào thực vật được cấu tạo bởi một mạng lưới chằng chịt polysaccharid bao gồm pectin. Hai cách tiếp cận được phân biệt trong chiết tách pectin bằng enzyme: (a) sử dụng enzyme phân hủy và cô lập các đoạn pectin cụ thể, (b) sử dụng các enzyme có khả năng phân giải cấu trúc thành tế bào thực vật và cơ lập tồn bộ phân tử pectin (Sandarani MDJC, 2017).
1.2.6.3 Chiết tách bằng dung dịch muối và kiềm
Việc sử dụng muối làm tác nhân chiết tách chủ yếu để thay thế các ion kim loại hóa trị 2 hoặc 3 của pectin hịa tan hoặc muối của pectin. Các tác nhân được sử dụng là muối của kim loại hóa trị 2 hoặc 3 của acid nitric, sulfuric, acid phosphoric, cả polyphosphat và oxalat. Trên quy mô công nghiệp, việc chiết tách pectin này khơng cịn thực hiện vì phải sử dụng một lượng muối rất lớn. Hơn nữa dịch chiết pectin có chứa nồng độ muối lớn do đó rất khó để làm sạch và xử lí chất thải về sau.
Chiết pectin bởi dung dịch kiềm diễn ra hiệu quả ở độ pH 7-12. Tác nhân chiết tách thường sử dụng nhất là các dung dịch của NH4OH. Trong dung dịch kiềm, protopectin bị thủy phân, q trình de-este hóa của pectin diễn ra, mạch pectin bị cắt đứt rất mạnh do đó khả năng tạo gel khơng cao.
1.2.6.4 Chiết tách pectin bằng phương pháp siêu âm
Các phương pháp truyền thống để chiết tách pectin là gia nhiệt trực tiếp khoảng 60-100oC trong khoảng thời gian 20-360 phút và pH 1-3. Q trình chiết này có nhược điểm là thời gian dài (Cibele F.O. et al., 2016). Việc chiết có hỗ trợ siêu âm được thực hiện dựa vào cơ chế là do tác động cơ học, xâm thực khí và những hiệu ứng nhiệt dẫn đến sự tác động đến thành tế bào thực vật, làm phá vỡ thành tế bào, giảm kích thước của các chất và tăng sự chuyển động của các chất qua màng tế bào. Một vài nghiên cứu cho thấy siêu âm làm tăng năng suất hoặc hiệu suất chiết cũng như giảm thời gian chiết tách pectin (Farzin Z.A. et al., 2011).
1.2.7 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng trích ly 1.2.7.1 Kích thước của ngun liệu
Kích thước ngun liệu càng nhỏ thì diện tích về mặt tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung mơi sẽ càng lớn. Do đó, việc trích ly các cấu tử ngun liệu vào dung môi sẽ trở nên dễ dàng hơn (Oana Alexandra Pătrăuţanu, 2018). Tuy nhiên, nếu kích thước của ngun liệu q nhỏ thì chi phí cho q trình nghiền xé ngun liệu sẽ gia tăng.
1.2.7.2 Tỷ lệ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi
Với cùng một lượng nguyên liệu, nếu tăng lượng dung mơi sử dụng thì hiệu suất trích ly sẽ tăng theo. Đó là do sự chênh lệch nồng độ của cấu tử cần trích ly trong nguyên liệu và trong dung môi sẽ càng lớn. Tuy nhiên, nếu lượng dung môi sử dụng q lớn sẽ làm lỗng dịch trích ly. Khi đó, phải thực hiện q trình cơ đặc hoặc xử lý dịch trích ly bằng phương pháp khác để tách bớt dung môi. Như vậy, cần xác định tỷ lệ phù hợp giữa khối lượng và dung mơi.
1.2.7.3 Nhiệt độ trích ly
Về mặt lý thuyết, dưới nhiệt độ cao, các mô thực vật bị mềm đi và các tương tác yếu ảnh hưởng đến màng tế bào. Kết quả là, các hợp chất phenolic có thể được chiết xuất dễ dàng vào dung môi (Shi J và cộng sự, 2003). Tuy nhiên, thời gian chiết kéo dài ở 80°C sẽ làm giảm năng suất chiết vì nhiệt độ cao gây ra quá trình oxy hóa và phân hủy các hợp chất mong muốn (Naczk M., 2004).
1.2.7.4 Thời gian trích ly
Khi tăng thời gian trích ly thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ gia tăng. Tuy nhiên, nếu thời gian trích ly quá dài thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ khơng tăng thêm đáng kể. Theo kết quả nghiên cứu của Mollea và cộng sự (2008), Wai và cộng sự (2009) thì cho thấy hiệu suất thu hồi pectin của ơng cũng đạt cao nhất khi ủ trong 60 phút.
1.2.7.5 Nồng độ acid
Sử dụng acid citric để chuẩn hóa do các nghiên cứu trước đã tiến hành khảo sát loại dung mơi cho hiệu suất pectin cao. Bên cạnh đó, acid citric là một acid hữu cơ có tác dụng điều vị trong thực phẩm và an toàn cho người sử dụng. Tuy nhiên, tùy theo loại vỏ nguyên liệu mềm hay cứng như vỏ cà phê, vỏ dưa hấu mà lựa chon sử dụng acid mạnh hơn để phá vỡ tế bào tách pectin mà sử dụng HCl, H2SO4 để trích ly. Khi chuẩn hóa nồng độ acid cao có thể gây ra sự thủy phân một phần pectin (Shaha R.K và cộng sự, 2013) (Domeny J và cộng sự, 2014). Do đó, nó sẽ tạo ra các hạt pectin nhỏ hơn dẫn đến sự tăng độ hịa tan của chúng đến mức khơng có kết tủa được hình thành khi cho cồn vào (Didier Looten, 2013).
Khi nồng độ acid citric tăng từ 3 - 12% hiệu suất trích ly liên tục tăng từ 4,34 - 18,22%. Tuy nhiên, khi nồng độ acid tăng từ 12% - 15% thì hiệu suất trích ly pectin giảm còn 16,03% (Phan Văn Kim Thi và cộng sự, 2016). Có thể nồng độ acid tăng làm cho các liên kết giữa các mạch polysaccharide trong vách tế bào bị phá vỡ giúp pectin được giải phóng dễ dàng hơn. Nhưng khi nồng độ acid citric tăng làm pH giảm có thể làm cho các liên kết trong chuỗi acid polygalacturonic bị phân cắt mạnh, một phần pectin bị phân hủy và dẫn đến hiệu suất trích ly pectin giảm. Xu hướng tương tự cũng được tìm thấy trong các cơng trình của P. Kanmani và cộng sự, (2014) khi nghiên cứu trích ly pectin từ vỏ quả citrus, của Ermias Girma và cộng sự, (2016) khi nghiên cứu trích ly pectin từ vỏ chuối và vỏ xoài.
1.2.7.6 Nồng độ cồn
Hiệu suất pectin tăng theo độ phân cực của dung môi kết tủa, nghĩa là cao hơn đối với metanol, tiếp theo là etanol và 1-propanol (Norziah, Fang và Karim, 2000)
người cũng thu được sản lượng cao hơn với etanol so với 1-propanol. Metanol cho thấy ái lực hóa học cao hơn với các dung dịch pectin, và tốc độ hình thành metyl este cao hơn và dễ dàng hơn từ các nhóm cacboxylic của axit galacturonic (GalA). Do đó, metanol thúc đẩy quá trình kỵ nước tương tác và liên kết hydro cho phép tạo ra polysaccharide từ dung dịch pectic.
1.2.7.7 pH
Do trong môi trường pH thấp, các liên kết giữa các mạch polysaccharide trong vách tế bào và phiến giữa bị phá vỡ, do đó pectin dễ dàng được giải phóng để khuếch tán vào dung môi. Ở môi trường pH thấp hơn (pH 1,5 và pH 2,5) khơng chỉ các chất có phân tử lượng lớn bị thủy phân mà các liên kết trong chuỗi axit polygalacturonic cũng bị phá vỡ dẫn đến hiệu suất thu hồi thấp (Trần Thị Định, 2007). Theo Thakur và cộng sự (2017) và Hoefler (1999) thì gel pectin có độ bền gel cao nhất ở pH 3,2 đến 3,5 và pH tối ưu để chiết xuất pectin trong khoảng pH 2 - 2,8 (Masmoudi và cộng sự (2008), Mollea và cộng sự, 2008, Wai và cộng sự (2009). Tuy nhiên trong nghiên cứu của Tang P.Y., Wong C.J., và Woo K.K (2011) chỉ ra rằng pH 3,5 là pH thích hợp nhất để đạt hiệu suất thu hồi pectin từ vỏ thanh long. Và cũng mâu thuẫn với kết quả nghiên cứu của Wang và cộng sự (2007) và Yujaroen và cộng sự (2008) báo cáo pH tối ưu lần lượt là 1.01 và 6.
1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Pectin lần đầu tiên được chiết tách và mô tả bởi Braconnot H. (1825) để sử dụng làm chất phụ gia tạo gel và ổn định. Ngày nay, pectin đã được thương mại hoá ở dạng bột từ màu trắng đến màu nâu nhưng chủ yếu chỉ được sản xuất từ trái cây chi Citrus và được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực thực phẩm.
Whister & BeMiller (1973) đưa ra phương pháp chiết tách pectin bằng acid lỗng nóng, NaOH lạnh lỗng, kết tủa pectin bằng rượu etylic. Việc kết tủa pectin
cũng được Norziah, Fang, và Abd Karim (1999) nghiên cứu bằng các dung môi khác nhau như etanol, muối nhôm và axeton.
Trong những năm gần đây, ứng dụng pectin rất đa dạng, phong phú và bao gồm nhiều lĩnh vực như sản xuất các sản phẩm truyền thống như là mứt và thạch, sản xuất rau quả, công nghiệp chế biến các sản phẩm sữa, bánh kẹo, những loại nước giải khát trong đó có sữa lên men và sữa acid hóa, nước uống từ đậu nành, sản xuất bánh mì, thực phẩm chức năng và cả trong cơng nghiệp dược. Vì vậy rất nhiều nghiên cứu về chiết tách pectin được thực hiện, sau đây là một số cơng trình nghiên cứu:
Asseel M.R. (2008) đã nghiên cứu điều kiện tốt nhất để chiết pectin từ vỏ dưa hấu bằng các khảo sát đơn biến. Kết quả khảo sát cho thấy điều kiện thích hợp để chiết tách pectin là nồng độ acid citric 5g/100ml và thời gian chiết 110 phút được thực hiện ở nhiệt độ cố định là 97oC và đã xác định được chỉ số DE của pectin thu nhận là 44,37%.
Tạ D.T. và cộng sự (2008) đã nghiên cứu chiết pectin từ lá dây hoàng thanh
Cocculus sarmentosus (Lour.) Diels, hàm lượng pectin thu được cao nhất là 9,63%
trong điều kiện tách chiết là dung mơi nước có pH = 3 ở 850C. Sản phẩm nhận được có hàm lượng pectin khoảng 78,51%, với tỷ lệ este hóa là 77,51%.
Bùi A.V. và Nguyễn Đ.L. (2009) đã chiết tách pectin từ vỏ cà phê, kết quả thu được lượng pectin thô khoảng 16,25% so với nguyên liệu, dung môi dùng để chiết tách là H2SO4, nhiệt độ chiết tách là 1000C, pH = 1, thời gian là 1 giờ.
Nghiên cứu của Piriyaprasarth và Sriamornsak (2011) cho thấy điều kiện để chiết pectin từ bưởi tốt nhất là 80oC trong 3 – 5 giờ. Ngồi ra cũng có những nghiên cứu khác như khai thác pectin bằng nước sôi trong 1 giờ, 1% amoni oxalat trong điều kiện pH = 6,5; 30oC, 1 giờ hoặc bằng HCl loãng (pH 3,5, 100oC, 1 giờ).
Một phương pháp để sản xuất pectin từ vỏ cam quýt là sử dụng loại enzyme hòa tan protopectin được phân lập từ Trichosporon penicillatum. Bằng phương pháp này, có thể thu được 20-25 g pectin trên mỗi kg vỏ. Phương pháp này có nhược điểm là thời gian chiết tách dài và phải thực hiện nhiều công đoạn phụ khác gây tốn nhiều
năng lượng và thời gian. Trong luận án tiến sĩ của Yuliarti O. (2011), tác giả đã nghiên cứu chiết pectin từ vỏ kiwi bằng những dung môi khác nhau như nước, acid, enzym, v.v. trong những điều kiện công nghệ khác nhau về nhiệt độ, pH, nồng độ enzym, thời gian, v.v. Kết quả cho thấy khi sử dụng dung mơi là nước thì pectin thu nhận có khối lượng phân tử lớn nhất 3,75.106g/mol, cao hơn so với mẫu chiết bằng acid 2,2.106
g/mol và pectin chiết bằng enzyme có khối lượng phân tử thấp nhất 1,65.106 g/mol. Nghiên cứu này cũng đưa ra kết luận là các pectin thu nhận bằng những phương pháp khác nhau có tính chất hố lý, tính chất chức năng khác nhau.
Ashtiani F.Z. và cộng sự (2011) nghiên cứu so sánh các phương pháp chiết pectin từ vỏ bưởi: phương pháp vi sóng, sóng siêu âm và phương pháp chiết bằng nhiệt thông thường. Kết quả cho thấy, hàm lượng pectin thu nhận được lớn nhất khi chiết bằng phương pháp vi sóng là 27,81% (w/w). Hàm lượng acid galacturonic và chỉ số este hóa (DE) tăng khi cơng suất và thời gian gia nhiệt tăng. Điều kiện siêu âm để thu được hàm lượng pectin cao nhất 17,92% có độ nhớt 3,23 dL/g là 25 phút, nhiệt độ siêu âm 70oC. Chiết bằng phương pháp gia nhiệt ở 90oC; 90 phút; pH = 1,5 thì hàm lượng pectin thu được 19,16% có độ nhớt 3,98 dL/g. Như vậy chiết bằng phương pháp thông thường thu được hàm lượng pectin tương đối cao mà lại đảm bảo độ nhớt, khối lượng phân tử cao.
Ranajit K.S. và cộng sự (2013) nghiên cứu chiết tách pectin từ vỏ chanh Kaffir sử dụng ba loại acid khác nhau (acid citric, nitric, hydrochloric) ở ba nhiệt độ khác nhau (45, 65 và 90°C). Kết quả phân tích cho thấy điều kiện chiết tách tốt nhất là sử dụng acid citric ở 90°C, pectin từ vỏ chanh có chỉ số methoxyl hóa thấp.
Trong nghiên cứu của Trình L.V. và Trần T.X. đã xác định được một số thành phần hóa học của lá cây sương sâm thu hái tại Quảng Nam có hàm lượng pectin 15,87% với dung môi chiết là nước và acid citric 5% và pectin chiết tách được thuộc nhóm pectin metoxyl thấp với độ este hóa là 39,92%.
Việc sử dụng các phương pháp hiện đại nhằm rút ngắn thời gian chiết tách pectin ở trong nước vẫn cịn rất ít. Nhóm tác giả Lê T.K.P. và Trần.T.T.A. (2013) thực hiện nhằm đưa ra quy trình với các thơng số chiết tách pectin từ vỏ cóc bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng. Kết quả nghiên cứu cho thấy: điều kiện tối ưu cho việc
chiết tách pectin từ vỏ cóc bằng phương pháp chiết thơng thường là dùng tác nhân chiết là HCl 0,01N, pH=2, tỷ lệ nguyên liệu: dung môi là 1:20 v:w, đun 60 phút; trong điều kiện chiết pectin bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng thì điều kiện tối ưu khi sử dụng công suất 400 W, xử lý 10 phút. Tuy phương pháp này không nâng cao hàm lượng pectin nhưng làm giảm thời gian chiết tách đến 6 lần, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất pectin.
Xin và cộng sự (2014) đã chiết pectin từ vỏ quýt và bã táo bằng nước tới hạn ở những khoảng nhiệt độ 130oC, 150oC, 170oC đối với bã táo và 100oC, 120oC, 140oC đối với vỏ quýt. Kết quả cho thấy nhiệt độ tốt nhất để thu được hàm lượng pectin cao nhất từ vỏ bưởi là 120oC và 150oC đối với bã táo và hàm lượng pectin thu được lần lượt là 16,68% và 21,95%. Tuy nhiên, khối lượng phân tử của pectin bã táo khi chiết ở 150oC đã giảm đi nhiều còn khối lượng phân tử của pectin vỏ bưởi khi chiết ở 120oC