Q trình vỡ bong bóng dẫn đến việc tích lũy năng lượng tại các điểm, tạo ra nhiệt độ cực cao (5000 K) và áp suất cực lớn (1000 atm), điều này tạo nên một lực cắt lớn và gây nên sự hỗn loạn trong vùng có bong bóng khí. Sự kết hợp của các yếu tố (áp suất, nhiệt độ và sự chuyển động hỗn loạn) gây nên nhiều tác động trong hệ chất lỏng mà sóng siêu âm truyền qua.
Một hiện tượng khác - kết quả từ sự thay đổi kích thước bong bóng và sự vỡ bóng - là sự xuất hiện của các vi dịng (micro-streaming), kết hợp với lực cắt mạnh làm thay đổi
các đặc tính mơi trường (Suslick, 1988).
Một hiệu ứng quan trọng là liên kết trong các phân tử nước có thể bị bẽ gãy tạo ra các gốc tự do hoạt động mạnh (còn gọi là hiện tượng hóa âm). Các gốc tự do này có thể tham gia phản ứng và làm biến đổi các phân tử khác (Riesz và Kondo, 1992).
Điều này mở ra một loạt các cơ chế liên quan trong quá trình xử lý bằng siêu âm, nó
có thể gây ra hiệu ứng vật lý và hóa học với nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp thực phẩm như q trình trích ly, đồng hóa/ nhũ hóa, phá bọt , kết tinh...
1.3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình siêu âm
Tần số
Các sóng siêu âm có tần số lớn thì có mức năng lượng được truyền đi nhỏ và ngược lại.
(Mason và Lorimer, 2002).
Công suất
Công suất siêu âm tăng làm tăng mức năng lượng được truyền vào môi trường, năng lượng này được chuyển thành nhiều dạng, cuối cùng là nhiệt năng (Mason và Lorimer,
2002).
Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của mơi trường truyền sóng, do đó ảnh hưởng
đến q trình truyền năng lượng của sóng siêu âm vào mơi trường (Mason và Lorimer,
2002).
Thời gian
Thời gian siêu âm càng dài, các biến đổi của sóng siêu âm càng sâu sắc (Mason và Lorimer, 2002).
1.3.3. Sóng siêu âm và q trình trích ly
Cơ chế sóng siêu âm hỗ trợ q trình trích ly
- Sóng siêu âm hỗ trợ tốt cho q trình trích ly có thể được giải thích dựa trên các hiệu
ứng khi sóng siêu âm truyền qua một hệ chất lỏng: đó là hiện tượng sủi bong bóng và
hiện tượng vỡ bong bóng. Nó gây ra các hiệu ứng vật lý và hóa học và các hiệu ứng
này có tác động tích cực đến hiệu quả của q trình trích ly.
- Nhìn chung, cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly so với qui trình trích ly truyền thống là dựa trên những nguyên nhân sau:
+ Sóng siêu âm tạo ra một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu: làm bẽ gãy thành tế bào hoặc tạo các rãnh nứt hoặc các lỗ hổng ở bề mặt tế bào giúp q trình phóng thích các cấu tử chất tan vào mơi trường trích ly được dễ dàng và nhanh chóng (Jian-Bing et al., 2006).
+ Tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách, tăng gia tốc độ khuếch tán
nội phân tử và ngoại phân tử đồng thời giúp dịch chuyển các chất cần trích ly ra ngồi
mơi trường trích ly (Jian-Bing et al., 2006).
Ứng dụng siêu âm trong q trình trích ly
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng sóng siêu âm giúp cải thiện đáng kể hiệu quả trích ly và được tóm tắt ở Bảng 1.3
Bảng 1.3. Tóm tắt một số kết quả siêu âm hỗ trợ q trình trích ly
Hợp chất
trích ly Q trình siêu âm Dung môi Hiệu quả Tác giả
Các hợp chất có hoạt tính sinh học từ thảo mộc Bể siêu âm có khuấy trộn, tần số từ 20-2400 kHz Nước và ethanol Hiệu suất trích ly tăng đến 34% trong
điều kiện khuấy
trộn. Vinatoru (2001) Saponin trong nhân sâm Bể siêu âm, 38.5kHz Nước, methanol và n-butanol Tốc độ trích ly gia tăng 3 lần. Wu et al. (2001) Rutin từ cây Chinese Scholar Bể siêu âm, tần số 20kHz Nước và methanol Gia tăng đến 20% trong 30 phút. Paniwynk et al. (2001) Isoflavones đậu nành Bể siêu âm, tần số 24kHz Nước và dung môi ethanol
Hiệu quả trích ly gia
tăng đến 15%.
Rostagno et al. (2003)
Dầu quả hạnh Bể siêu âm, tần số 20kHz
CO2 siêu tới hạn
Hiệu suất trích ly
tăng 30% so với mẫu đối chứng.
Riera et al. (2004)
Carnosic acid từ
cây hương thảo
Bể siêu âm, tần số 20 và 40kHz Butanol và ethyl acetate Rút ngắn thời gian trích ly Albu et al. (2004) Geniposide từ quả dành dành
Siêu âm ở cường
độ 0.15W.cm-2
Ethanol Hiệu suất trích ly của Geniposide tăng 16.5%, so sánh với qui trình tĩnh sử dụng 40 mL dung môi/ g nguyên liệu
Jian-Bing et al. (2006)
Polysaccharide từ cơm nhãn sấy khô
Năng lượng siêu âm 680W, thời gian 4.5 phút, tỷ
lệ nước/nguyên
liệu 25 mL/g
Nước Hiệu suất trích ly
polysaccharide đạt 4.5%. Kui Zhong, Quiang Wang (2010)
1.3.4. Sóng siêu âm và hoạt tính enzyme
Hầu hết các nghiên cứu về tác động của sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme đều cho
thấy rằng, ở cường độ cao sóng siêu âm có thể gây cắt mạch, cắt đứt liên kết một số nhóm chức ở trung tâm hoạt động hoặc làm phá hủy các bậc cấu trúc của enzyme dẫn
đến sự vô hoạt một phần hay hồn tồn hoạt tính của enzyme (Mawson et al., 2011).
Tuy nhiên trong một số trường hợp, sóng siêu âm có thể làm tăng hoạt tính enzyme. Các tác động hóa học và vật lý của sóng siêu âm để làm vơ hoạt hay hoạt hóa những enzyme khác nhau cũng phụ thuộc vào trạng thái của enzyme và điều kiện xử lý
(Huihua Huang, 2008).
1.3.4.1. Sóng siêu âm làm giảm hoạt tính enzyme
Sóng siêu âm có thể gây ra sự bất hoạt ở nhiều enzyme. Sự vô hoạt enzyme bởi sóng siêu âm chủ yếu là do các ảnh hưởng vật lý và hóa học của hiện tượng sủi bong bóng. Q trình vỡ bóng được đồng hành với việc gia tăng cục bộ của áp suất (1000 MPa) và nhiệt độ (5000oK). Thêm vào đó, sóng siêu âm làm các bong bóng khí chuyển động,
tạo ra các sóng dừng gây nên lực cắt mạnh và các vi dòng ngay trong chất lỏng. Khi đó, sóng siêu âm có thể bẻ gãy các liên kết hydro trong chuỗi polypeptide, dẫn đến làm
thay đổi cấu trúc bậc 2 và bậc 3 của phân tử protein. Với sự thay đổi cấu trúc bậc 2 và
bậc 3, hoạt tính sinh học của enzyme thường bị mất đi (Mawson et al., 2011).
1.3.4.2. Sóng siêu âm làm tăng hoạt tính enzyme
Sóng siêu âm khi xử lý ở chế độ thích hợp có thể làm tăng hoạt tính enzyme (Choi &
Kim, 1994). Đó là do sóng siêu âm có thể ảnh hưởng lên cấu trúc của enzyme, tác động đến trung tâm hoạt động của enzyme và sự thay đổi này diễn ra theo chiều hướng
có lợi cho sự tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất (HuiHua Huang, 2008). Một số nghiên cứu cho thấy sóng siêu âm làm tăng hoạt tính enzyme:
Đối với -amylase, Maryam Yaldagard et al. (2008) ghi nhận sóng siêu âm làm gia
tăng hoạt tính của enzyme này trong các hạt đại mạch. Các tác giả đã tiến hành xử lý
siêu âm các hạt đại mạch khô ở nhiệt độ 30oC, tần số 20 kHz với ba mức năng lượng khác nhau (92W, 276W, và 460W) trong thời gian 5, 10 và 15 phút. Sau đó, tiến hành trích ly enzyme α-amylase từ các hạt đại mạch này và cho chúng thực hiện phản ứng
hoạt tính α-amylase tăng từ 177,74 U/g malt (ở mẫu đối chứng không qua xử lý) lên 190,431 U/g malt (ở mẫu xử lý siêu âm với công suất 460W ) sau 15 phút.
Li Chengzhou et al. (2005) đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm (tần số
20 kHz, mức biên độ sóng 30W) lên q trình đường hóa các loại giấy thải (nồng độ cơ chất ban đầu 7.5 g/L) bằng enzyme cellulase (Meicelase, 238 FPU/g) với nồng độ enzyme ban đầu không đổi là 0.4 g/L. Quá trình xử lý siêu âm được diễn ra liên tục và
hiệu quả được đánh giá thông qua hàm lượng glucose và hàm lượng đường tổng tạo
thành. Kết quả cho thấy việc xử lý siêu âm liên tục đã làm gia tăng q trình đường
hóa bằng enzyme cellulase ở tất cả các mẫu giấy thải.
Aliyu et al. (2000) kết hợp sóng siêu âm và enzyme cellulase từ T. viride (hoạt tính
5000U, Sigma Chemicals) để thủy phân cellulose tinh thể. Hỗn hợp cellulose tinh thể và enzyme cellulase được xử lí siêu âm liên tục với công suất siêu âm 80W, tần số 38 kHz trong 2 giờ. Kết quả cho thấy hiệu quả thủy phân khi có xử lý siêu âm cao hơn từ
7 đến 8 lần so với khi khơng có sử dụng sóng siêu âm.
Stephen Barton (1996) tiến hành xem xét ảnh hưởng của sóng siêu âm lên khả năng
xúc tác phản ứng thủy phân sucrose của chế phẩm invertase. Kết quả cho thấy, đối với mẫu không xử lý siêu âm, tốc độ phản ứng chỉ đạt cực đại khoảng 0,2µmol/phút ở
nồng độ sucrose là 0.7 M; trong khi đối với mẫu được xử lý siêu âm thì giá trị cực đại của tốc độ phản ứng là 0,3 µmol/phút ở nồng độ sucrose 1 M. Điều này chứng tỏ sóng
siêu âm đã làm gia tăng khả năng xúc tác của enzyme invertase, gia tăng mức nồng độ cơ chất trong dung dịch phản ứng.
Một nghiên cứu khác của tác giả Liu et al. (2008) trên đối tượng lipase xúc tác cho
phản ứng thủy phân dầu đậu nành (ở điều kiện nhiệt độ, pH tối ưu, cường độ chiếu
siêu âm là 1.64 W.cm-2) cũng cho thấy sóng siêu âm có thể tác động lên hoạt tính
enzyme và nhờ đó nồng độ enzyme tối ưu sử dụng giảm đi so với thí nghiệm đối
- 23 -
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên liệu
2.1.1. Sơ ri
- Nghiên cứu này sử dụng giống sơ ri chua nhập nội từ Brazil Malpighia emarginata
DC.) được lấy từ hợp tác xã sơ ri Gị Cơng, ấp xóm Dinh, xã Long Thuận, thị xã Gị Cơng, tỉnh Tiền Giang.
- Chúng tơi chọn những quả sơ ri có màu cam sáng, không sâu bệnh, không hư hỏng
hay bị dập úng để sử dụng cho thí nghiệm này.
2.1.2. Nguồn enzyme
- Sử dụng chế phẩm enzyme Viscozyme L được sản xuất bởi công ty Novozymes Corp
(Đan Mạch).
- Đặc tính (Novozymes A/S, 2011):
+ Hoạt tính tổng : 100 FBG/mL
+ Enzyme chủ yếu : endo-1,3(4)-β-glucanase. + Nhiệt độ tối ưu : 55oC
+ pH tối ưu : 4.5
+ Nhiệt độ bảo quản : 2-8oC
+ Tỷ trọng : 1.2 g/mL ở 25oC
2.2. Phương pháp nghiên cứu
- 24 -