Khối ST lượng mẫu T (g) 1 50 2 50 3 50 4 50 5 50 6 50 7 50 8 50 9 50 10 50 11 50 12 50
14 15 16 17
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến hiệu suất trích ly CGA
80.00 75.00 70.00 %65.00 H , 60.00 55.00 50.00 25 C=50% t = 60 phút
Đồ thị 4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly CGA
Khảo sát nhiệt độ trong q trình trích ly là cần thiết. Bởi vì nhiệt độ làm tăng khả năng hòa tan và khuếch tán của các hợp chất, làm giảm độ nhớt dung môi, tăng khả năng truyền khối và xâm nhập của dung môi vào trong tế bào. Tuy nhiên không phải tăng nhiệt độ càng cao thì q trình trích ly càng tốt.
Từ bảng 4.2 và đồ thị 4.1 ta thấy hiệu suất trích ly CGA tăng dần khi ta tăng dần nhiệt độ. Hiệu suất này đạt được cao nhất tại 65 oC là 74,78% và giảm xuống cịn 69,74% khi thực hiện q trình trích ly ở 75oC. Điều này được giải thích là do khi nhiệt độ tăng đến một mức nhất định có thể sẽ làm phân hủy axit clorogenic.
57
Như vậy có thể chọn nhiệt độ 65oC cho các khảo sát tiếp theo.
4.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung mơi đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phêxanh xanh
Ảnh hưởng của nồng độ Etanol đến hiệu suất trích ly CGA 80.00 75.00 70.00 65.00 60.00 % 55.00 H , 50.00 45.00 40.00 35.00 40 T = 65 oC t = 60 phút
Đồ thị 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung mơi đến hiệu suất trích ly CGA
Từ bảng 4.2 và đồ thị 4.2 ta nhận thấy hiệu suất trích ly CGA lớn nhất khi thực hiện q trình trích ly với nồng độ etanol là 50%. Vậy ta chọn nồng độ C = 50% cho những thí nghiệm tiếp theo.
58
4.2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trích ly CGA
H
, %
C=50%
Đồ thị 4.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trích ly CGA
Từ bảng 4.2 và đồ thị 4.3 cho ta thấy khi tăng thời gian trích ly từ 30, 60, 90, 120(phút) thì hiệu suất trích ly CGA tăng dần và đạt cực đại tại 120 phút với hiệu suất là 80,77%. Khi thực hiện q trình trích ly với thời gian 150 phút thì hiệu suất trích ly CGA giảm cịn 78,70%. Kết quả này được giải thích là vì khi tăng thời gian trích ly thì khả năng thu được CGA sẽ tốt hơn nhưng thời gian quá dài sẽ làm cho CGA bị phân hủy.
4.2.4. Thiết lập mơ hình hồi quy q trình trích ly sử dụng dung mơi etanol.
Q trình trích ly chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố nhiệt độ, thời gian, loại dung môi, nồng độ dung môi sử dụng. Các yếu tố khi kết hợp với nhau lại có tác động ít hay nhiều theo từng mức độ khác nhau, do đó để có được điều kiện tối ưu nhất về kinh tế cũng như thời gian chế biến, cần khảo sát mức độ ảnh hưởng này để có thể chọn chế độ thích hợp nhất.
Ba yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích ly bao gồm: nhiệt độ xử lý (Z1 – oC), thời gian trích ly (Z2 – phút), nồng độ dung mơi etanol (Z3 – %thể tích) .
Hàm mục tiêu cần đạt được là hàm lượng CGA thu được tính trên một đơn vị khối lượng mẫu cà phê.
4.2.4.1. Quy hoạch thực nghiệm bậc một
Mức trên, mức dưới và khoảng biến thiên các yếu tố được trình bày ở bảng sau:
Bảng 4.3. Giá trị thực nghiệm và giá trị mã hóa của các yếu tố
Các yếu tố
Z1 – oC Z2 – phút Z3 –%thể tích
Lập ma trận quy hoạch: với 3 yếu tố tác động đã nêu, mỗi yếu tố có hai mức là mức trên và mức dưới. Vậy số thí nghiệm được tiến hành là N = 23= 8 thí nghiệm. Phương án tiến hành, ma trận quy hoạch thực nghiệm được trình bày ở bảng dưới đây:
TN
Z1
1 55
2 75
4 5 6 7 8 9 10 11
4.2.4.2. Phân tích sự có nghĩa của mơ hình với thực nghiệm
Phân tích sự phù hợp và có nghĩa của mơ hình được đánh giá qua kết quả phân tích ANOVA (bảng 4.5) và kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm (bảng 4.6)
Bảng 4.5. Kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 1
Yếu tố Mơ hình A B C AB
AC BC ABC Sự thiếu phù hợp
Bảng 4.6. Kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm
Thơng số Độ lệch chuẩn Giá trị trung bình Hệ số biến thiên % Độ chính xác phù hợp
Nhận xét: Từ bảng kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 1 ta thấy giá trị p
của sự thiếu phù của mơ hình bằng 0,0031< 0,05. Có nghĩa là mơ hình này khơng phù hợp với thực nghiệm. Do vậy ta cần phải tiến hành quy hoạch thực nghiệm bậc 2. 4.2.4.3. Quy hoạch thực nghiệm bậc hai
Bảng 4.7. Giá trị thực nghiệm và giá trị mã hóa của các yếu tố
Biến thực (Z1)
55 75 65 51,47 78,53
Số thí nghiệm được tiến hành là N = 2k + 2k + no = 23 + 2*3 + 3 = 17 thí nghiệm. Phương án tiến hành, ma trận quy hoạch thực nghiệm được trình bày ở bảng dưới đây:
Bảng 4.8. Ma trận quy hoạch thực nghiệm cấp 2
Các yếu tố theo tỉ lệ thực TN Z1 1 55 2 75 3 55 4 75 5 55 6 75 7 55 8 75 9 51,45
10 78,53 11 65 12 65 13 65 14 65 15 65 16 65 17 65
4.2.4.4. Phân tích sự có nghĩa của mơ hình với thực nghiệm
Các hệ số quy hồi được kiểm định bởi chuấn F, với các giá trị p < 0,05 cho biết các hệ số hồi quy có nghĩa. Từ kết quả phân tích ANOVA (bảng 4.9) và kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm (bảng 4.10) cho thấy giá trị của mơ hình là F=10,85 và các yếu tố ảnh hưởng là thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ L/R và sự tương tác giữa hai yếu tố có giá trị p<0,05 là có nghĩa với mơ hình (bảng 4.9). Điều này được minh họa rõ hơn khi quan sát bề mặt đáp ứng ở hình 4.1.a, b, c. Kết quả thực nghiệm cho thấy các yếu tố: thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ L/R đều ảnh hưởng q trình trích ly thu hồi CGA. Bảng 4.10 chỉ ra kết quả phân tích sự phù hợp và có ý nghĩa của các hệ số mơ hình với thực nghiệm.
Bảng 4.9. Kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 2
Yếu tố Mơ hình
A B C AB AC BC A2 B2 C2 ABC Sự thiếu phù hợp
Bảng 4.10. Kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm
Thơng số Độ lệch chuẩn Giá trị trung bình Hệ số biến thiên % Độ chính xác phù hợp Từ các giá trị phân tích có ý nghĩa ở trên, giá trị hàm mục tiêu được biểu diễn
theo phương trình cụ thể sau:
Phương trình biến mã hóa: y = 85,26 + 2,81x1 + 4,20x2 + 1,69x3 – 3,83x12 – 3,27x22
– 3,76x32
Phương trình biến thực: y = -316,758 + 5,763Z1 + 1,756Z2 + 4,921Z3 – 0,038Z12 – 0,004Z22 – 0,038Z32
Các hệ số hồi quy đối với các biến Z1, Z2, Z3 từ phương trình đều có giá trị lớn hơn 0, chứng tỏ y là hàm đồng biến đối với Z1, Z2, Z3 hay nói cách khác khi nhiệt độ, thời gian, nồng độ dung mơi tăng thì hiệu suất trích ly CGA tăng, phù hợp với bức tranh thực nghiệm. Nhưng hệ số hồi quy của Z12, Z22 , Z32 lại mang giá trị nhỏ hơn 0, y là hàm nghịch biến đối với Z12
, Z22
, Z32
. Có thể thấy khi nhiệt độ, thời gian, nồng độ etanol tăng thì một phần CGA đã bị phân hủy.
4.2.4.5. Bề mặt đáp ứng
4.1a. Thời gian và nhiệt độ 4.1b. Nồng độ và thời gian
4.1c. Nồng độ và nhiệt độ
Hình 4.1. Bề mặt đáp ứng của từng cặp yếu tố ảnh hưởng q trình trích ly thu hồi
CGA với dung mơi etanol
66
4.2.4.6. Tối ưu hóa hàm mục tiêu
Bằng cách sử dụng công cụ tối ưu số học của phần mềm Design Expert V7 dựa trên mơ hình đề xuất, phần mềm đưa ra các giải pháp nhằm xác định điều kiện tối ưu cho quá trình. Dựa trên những số liệu của phần mềm ta sẽ đưa ra được giải pháp tối ưu cho quá trình chiết tách CGA.
Bảng 4.11. Các tiêu chí tối ưu đối với q trình trích ly CGA bằng etanol
Thông số
Nhiệt độ Thời gian
Nồng độ y-Hiệu suất
Bảng 4.12. Các giải pháp tối ưu đối với q trình trích ly CGA bằng etanol
STT
1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Kết quả cho thấy, tổ hợp yếu tố nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ L/R có số thứ tự 9 thu được hiệu suất trích ly CGA mong đợi cao nhất. Để kiểm tra tính đúng đắn của mơ hình tối ưu, ta tiến hành thí nghiệm kiểm chứng. Kết quả thu được dưới đây:
Bảng 4.13. Kết quả kiểm tra hiệu suất trích ly CGA với dung mơi etanol từ mơ hình và
thực tế
STT Nhiệt độ
mơ (oC)
hình
MH 12
MH: thơng số của mơ hình; TN: thơng số trong thực nghiệm.
Kết quả cho thấy sai số giữa mơ hình và thực nghiệm là 1,44% (<5%). Từ kết quả kiểm chứng này, mơ hình thống kê thu được hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. Do đó giá trị tối ưu cho các biến như sau: nhiệt độ 68oC, thời gian 134 phút, nồng độ etanol 56 %thể tích thu được hiệu suất trích ly CGA cao nhất là 85,639%.
4.3. Ảnh hưởng của dung mơi nước đến hiệu suất trích ly CGA
Bảng 4.14. Kết quả thí nghiệm trích ly CGA từ hạt cà phê xanh với dung môi nước
Khối lượng STT mẫu (g) 1 50 2 50 3 50 4 50 5 50 6 50 7 50 8 50 9 50 10 50
11 12 13 14 15 16
4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến hiệu suất trích ly CGA
H
,
Đồ thị 4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly CGA
Khi tăng nhiệt độ thì khả năng hịa tan và khuếch tán của các hợp chất sẽ tăng lên, làm giảm độ nhớt dung môi, tăng khả năng truyền khối và xâm nhập của dung môi vào hạt cà phê.
Từ bảng 4.14 và đồ thị 4.4 ta thấy hàm lượng CGA thu được tăng dần khi ta tăng dần nhiệt độ và hàm lượng CGA đạt được cao nhất tại 65 oC với 70,35% và giảm
70
xuống cịn 65,98% khi thực hiện q trình trích ly ở 75oC. Kết quả này được giải thích là do khi nhiệt độ tăng đến một mức nhất định có thể sẽ làm phân hủy CGA mà ta mong muốn.
Như vậy có thể chọn nhiệt độ 65oC cho các khảo sát tiếp theo.
4.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung mơi trên ngun liệu đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
%
H
,
Đồ thị 4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu đến hiệu suất trích ly CGA
Động lực của q trình trích ly là do sự chênh lệch gradient nồng độ giữa cấu tử trích ly trong ngun liệu và dung mơi. Sự vận chuyển chất tan từ bên trong tế bào thực vật ra bên ngồi dung mơi qua con đường khuếch tán là chủ yếu. Sự khuếch tán này sẽ giúp cho quá trình chiết rút các cấu tử cần trích ly từ trong ngun liệu vào dung mơi xảy ra nhanh và triệt để hơn. Do đó lượng dung mơi khác nhau sẽ dẫn đến hàm lượng chất tan được chiết rút ra là khác nhau. Vì vậy ta cần khảo sát tỉ lệ nguyên liệu và dung mơi để chọn tỉ lệ thích hợp nhất cho ra hiệu suất trích ly cao nhất.
Từ bảng 4.14 và đồ thị 4.5 ta nhận thấy hàm lượng CGA thu được tăng lên khi ta tăng dần tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu và tại ba điểm trên đồ thị ta thấy hàm lượng
71
CGA không thay đổi nhiều. Điều này được giải thích rằng : khi lượng dung mơi ít dẫn đến q trình trích ly chưa triệt để và khi tăng lượng dung mơi thì sự chênh lệch gradiant nồng độ càng lớn làm cho các cấu tử trích ly bên trong nguyên liệu tiếp xúc với dung môi nhiều hơn dẫn đến khả năng khuếch tán tăng cao. Tuy nhiên, khi q trình trích ly đạt trạng thái cân bằng, sự chênh lệch gradient nồng độ giữa chất tan và dung mơi khơng cịn nhiều cho nên hàm lượng CGA khơng có sự thay đổi nhiều nữa.
4.3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hiệu suất trích ly CGA % H , T = 65oC TL = 16 ml/g
Đồ thị 4.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trích ly CGA
Thời gian trích ly cũng gây ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly CGA. Từ bảng 4.13 và đồ thị 4.6 cho ta thấy hàm lượng CGA tăng dần khi ta tăng thời gian trích ly lên. Hàm lượng CGA đạt được cao nhất khi ta thực hiện thí nghiệm với thời gian là 120 phút đạt hiệu suất 78,49%, thí nghiệm với 150 phút thì hàm lượng CGA bị giảm xuống cịn 77,23%. Điều này được giải thích là vì khi tăng thời gian trích ly thì khả năng thu được CGA sẽ tốt hơn nhưng thời gian quá dài sẽ làm cho CGA bị phân hủy.
72
4.3.4. Thiết lập mơ hình hồi quy q trình trích ly sử dụng dung mơi nước.
Q trình trích ly chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tỉ lệ dung môi và nguyên liệu,nhiệt độ, thời gian, loại dung môi. Các yếu tố khi kết hợp với nhau lại có tác động ít hay nhiều theo từng mức độ khác nhau, do đó để có được điều kiện tối ưu nhất về kinh tế cũng như thời gian chế biến, cần khảo sát mức độ ảnh hưởng này để có thể chọn chế độ thích hợp nhất.
Ba yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích ly bao gồm: nhiệt độ xử lý (Z1 – oC), thời gian trích ly (Z2 – phút), tỷ lệ dung môi/nguyên liệu (Z3 – ml/g) .
Hàm mục tiêu cần đạt được là hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh.
4.3.4.1. Quy hoạch thực nghiệm bậc một
Mức trên, mức dưới và khoảng biến thiên các yếu tố được trình bày ở bảng sau:
Bảng 4.15. Giá trị thực nghiệm và mã hóa của các yếu tố
Các yếu tố
Z1 – oC Z2 – phút
Z3 –ml/g
Lập ma trận quy hoạch: với 3 yếu tố tác động đã nêu, mỗi yếu tố có hai mức là mức trên và mức dưới. Vậy số thí nghiệm được tiến hành là N = 23= 8 thí nghiệm. Phương án tiến hành, ma trận quy hoạch thực nghiệm được trình bày ở bảng dưới đây:
Bảng 4.16. Ma trận quy hoạch thực nghiệm cấp 1
TN Z1 1 55 2 75 3 55 4 75 5 55 6 75 7 55 8 75 9 65 10 65 11 65
4.3.4.2. Phân tích sự có nghĩa của mơ hình với thực nghiệm
Phân tích sự phù hợp và có nghĩa của mơ hình được đánh giá qua kết quả phân tích ANOVA (bảng 4.17) và kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm (bảng 4.18)
Bảng 4.17. Kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 1
Yếu tố
A B C AB AC BC ABC Sự thiếu phù hợp
Bảng 4.18. Kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm
Thơng số Độ lệch chuẩn Giá trị trung bình Hệ số biến thiên % Độ chính xác phù hợp
Nhận xét: Từ bảng kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 1 ta thấy giá trị p
của sự thiếu phù hợp của mơ hình bằng 0,0027< 0,05. Có nghĩa là mơ hình này khơng