CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. Nghiên cứu chiết tách pectin
3.2.2. Khảo sát các điều kiện chiết tách pectin bằng phương pháp ngâm chiết
3.2.2.1. Khảo sát đơn biến các điều kiện chiết tách pectin
Để nghiên cứu quá trình chiết tách pectin bằng phương pháp ngâm chiết, tiến hành khảo sát đơn biến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách pectin như mục 2.2.2.2.
các điều kiện để chiết tách pectin từ các nguồn nguyên liệu được trình bày ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát đơn biến về các điều kiện chiết tách pectin
Mẫu Vỏ dưa hấu Vỏ chuối Vỏ bưởi Lá sương sâm Nhiệt độ, oC 80 80 90 90 Thời gian, phút 80 80 90 70 Nồng độ AC, % 5 7 5 5 Hàm lượng pectin, g/100g nguyên liệu 5,33±0,26 9,43±0,02 16,14±0,62 14,46±0,81 Dựa vào kết quả ở bảng 3.3, có thể nhận thấy rằng điều kiện thích hợp để chiết pectin từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, điều này có thể do thành tế bào của các loại thực vật có cấu tạo khác nhau.
3.2.2.2. Tối ưu hóa q trình chiết tách pectin
Kết quả khảo sát đơn biến quá trình chiết tách pectin cho thấy hàm lượng pectin thu được vẫn còn thấp hơn so với hàm lượng tổng pectin trong nguyên liệu. Vì vậy cần nghiên cứu tối ưu hóa q trình chiết tách pectin để tìm ra các điều kiện tốt nhất với hàm lượng pectin thu được cao nhất. Q trình tối ưu hóa được thực hiện như tiểu mục 2.2.11.1.
a) Tối ưu hóa q trình chiết tách pectin từ vỏ bưởi
Để tối ưu hóa q trình chiết tách pectin, chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2.
Từ kết quả khảo sát đơn biến, đã chọn được dung mơi thích hợp cho việc chiết tách pectin từ vỏ bưởi là acid citric 5%, nhiệt độ 90oC và thời gian 90 phút. Các điều kiện thí nghiệm, các mức yếu tố được mô tả ở phụ lục 3.
Thiết kế trên phần mềm Design expert 7.1, thu được ma trận thực nghiệm và tổ chức thí nghiệm thì thu được kết quả như ở phụ lục 3. Sử dụng phần mềm Design expert để phân tích phương sai ANOVA của mơ hình hồi quy bậc hai đối với hàm lượng pectin ta thu được kết quả được trình bày ở phụ lục 3. Từ các kết quả phân tích của phần mềm DX 7.1, tìm được phương trình hồi quy có dạng như sau:
Y = 15,89 + 2,17x1 + 0,82x2 + 0,75x3 – 1,75x12 – 1,9x22 (1)
nồng độ AC (%) và x1, x2 và x3 là các biến mã hóa.
Giá trị “Lack of Fit” là 0,1291 > p = 0,05 cho thấy mơ hình đã chọn là phù hợp với thực nghiệm khi tiến hành thí nghiệm.
Hệ số xác định tương quan (R2) tìm được là 0,98. Kết quả này cho thấy rằng có 98% số liệu thực nghiệm tương thích với số liệu tiên đốn theo mơ hình.
Kết quả phân tích hồi quy ở phương trình (1) cho thấy nhiệt độ, thời gian và nồng độ acid citric đều ảnh hưởng đến quá trình chiết tách pectin từ vỏ bưởi, trong đó nhiệt độ được xem là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến quá trình chiết tách pectin vì hệ số tuyệt đối b tương ứng của nó trong phương trình (1) là lớn nhất. Kết quả này cũng đúng với lý thuyết và có thể được giải thích như sau: Khi ta tăng nhiệt độ thì khả năng hịa tan pectin sẽ tăng lên do đó hàm lượng pectin thu nhận được sẽ tăng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu chiết tách pectin từ các nguồn như chanh, trái cây họ cam quýt của các tác giả Kim và Lee (2004), M. Masmoudi và cộng sự (2008). Tuy nhiên, nhiệt độ tăng quá giới hạn làm phân hủy pectin do đó sẽ làm giảm hiệu suất thu hồi pectin và đồng thời còn làm tăng chi phí trong q trình sản xuất.
Để tối ưu hóa hàm lượng pectin từ vỏ bưởi, sử dụng phương pháp hàm kì vọng trên phần mềm quy hoạch thực nghiệm Design expert 7.1. Kết quả, đã tìm được điều kiện tối ưu để chiết tách pectin là nhiệt độ 96,89oC, thời gian 98,16 phút, nồng độ AC là 7%. Các đồ thị ở hình 3.1 thể hiện sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng pectin thu nhận.
(a) (b) (c)
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng
pectin thu nhận từ vỏ bưởi: (a). Nhiệt độ và thời gian ; (b). Nhiệt độ và nồng độ AC và ( c). Thời gian và nồng độ AC
Sau đó, tiến hành thực hiện thí nghiệm kiểm chứng thì thu được kết quả gần đúng với kết quả dự đốn theo mơ hình với lượng pectin thu được là 17,52% so với hàm lượng pectin dự đoán là 17,43%.
b) Tối ưu hóa q trình chiết tách pectin từ lá sương sâm
H à m l ư ợ n g p e c ti n , % H à m l ư ợ n g p e c ti n , % H à m l ư ợ n g p e c ti n , %
H à m lư ợ n g p e ct in , % H à m lư ợ n g p e ct in , % H à m lư ợ n g p e ct in , %
Theo kết quả khảo sát đơn biến, đã chọn được dung mơi thích hợp cho việc chiết tách pectin từ lá sương sâm là acid acid 5%, nhiệt độ 90oC và thời gian 70 phút. Các điều kiện thí nghiệm, các mức yếu tố được mơ tả ở phụ lục 3. Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp 2 TYT 2k. Thiết kế ma trận thực nghiệm và tổ chức thí nghiệm thì thu được kết quả như ở phụ lục 3.
Phân tích phương sai ANOVA của mơ hình hồi quy bậc một đối với hàm lượng pectin ta thu được kết quả được trình bày ở phụ lục 3.
Dựa vào các kết quả phân tích ở phụ lục 3, tìm được phương trình hồi quy có dạng như sau:
Y = 15,64 – 0,85x1 + 1,84x3 + 1,22x2x3 - 1,71x12 – 1,88x22 – 1,45x32 (2)
Trong đó: Y: hàm lượng pectin, %; x1, Nhiệt độ (oC); x2, Thời gian (phút); x3, Nồng độ AC (%) và x1, x2 và x3 là các biến mã hóa.
Giá trị “Lack of Fit” là 0,0915 > p = 0,05 cho thấy mơ hình đã chọn là phù hợp với thực nghiệm khi tiến hành thí nghiệm.
Hệ số xác định tương quan (R2) tìm được là 0,93. Kết quả này cho thấy có 93% số liệu thực nghiệm tương thích với số liệu tiên đốn theo mơ hình.
Đã tìm được điều kiện tối ưu để chiết tách pectin là nhiệt độ 87,84oC, thời gian 74,81 phút, nồng độ AC là 6,49% và hàm lượng pectin thu nhận là 16,43%.
Sau đó, thực hiện thí nghiệm kiểm chứng thì thu được kết quả gần đúng với kết quả dự đốn theo mơ hình với lượng pectin thu được là 16,69% so với hàm lượng pectin dự đốn là 16,43%.
Các đồ thị ở hình 3.2 thể hiện sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng pectin thu nhận.
(a) (b) (c)
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng
pectin thu nhận từ lá sương sâm: (a). Nhiệt độ và thời gian; (b). Nhiệt độ và nồng độ AC; (c). Thời gian và nồng độ AC
Nhiệt độ Thời gian
Nhiệt độ Nồng độ AC
c) Tối ưu hóa q trình chiết tách pectin từ vỏ chuối
Từ kết quả nghiên cứu khảo sát đơn biến, đã chọn được dung mơi thích hợp cho việc chiết tách pectin từ vỏ chuối là acid citric 7%, nhiệt độ 80oC và thời gian 80 phút. Các điều kiện thí nghiệm, các mức yếu tố được mô tả ở phụ lục 3. Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp 2TYT 2k.
Thiết kế ma trận thực nghiệm và tổ chức thí nghiệm thì thu được kết quả như ở phụ lục 3.
Phân tích phương sai ANOVA của mơ hình hồi quy bậc một đối với hàm lượng pectin ta thu được kết quả được trình bày ở phụ lục 3.
Dựa vào các kết quả phân tích ở phụ lục, tìm được phương trình hồi quy có dạng như sau:
Y= 9,38 + 1,72x1 + 1,24x3– 0,62 x23 + 0,54 x12 (3)
Trong đó: Y: hàm lượng pectin, %; x1, Nhiệt độ (oC); x2, Thời gian (phút); x3, Nồng độ AC (%) và x1, x2 và x3 là các biến mã hóa.
Giá trị F của mơ hình là 38,27 ứng với < 0,0001 cho thấy mơ hình đã chọn là có nghĩa.
Hệ số xác định tương quan (R2) tìm được là 0,95. Kết quả này cho thấy rằng có 95% số liệu thực nghiệm tương thích với số liệu tiên đốn theo mơ hình.
Kết quả ở phương trình hồi quy (3) cho thấy nhiệt độ và nồng độ acid citric đều ảnh hưởng đến quá trình chiết tách pectin từ vỏ chuối. Kết quả này một lần nữa khẳng định nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến quá trình chiết tách pectin vì hệ số tuyệt đối b tương ứng của nó trong phương trình (3) là lớn nhất. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu chiết tách pectin từ chanh của các tác giả M. Masmoudi và đồng tác giả [86].
Đã tìm được điều kiện tối ưu để chiết tách pectin là nhiệt độ 90oC, thời gian 60 phút, nồng độ AC là 9% và hàm lượng pectin thu nhận là 13,4%.
Sau đó, thực hiện thí nghiệm kiểm chứng thì thu được kết quả gần đúng với kết quả dự đốn theo mơ hình với lượng pectin thu được là 13,7% so với hàm lượng pectin dự đoán là 13,4%.
Các đồ thị ở hình 3.3 thể hiện sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng pectin thu nhận từ vỏ chuối.
H à m lư ợ n g p e ct in , % H à m lư ợ n g p e ct in , % H à m lư ợ n g p e ct in , % (a) (b) (c)
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng pectin
thu nhận từ vỏ chuối: (a). Nhiệt độ và thời gian; (b). Nhiệt độ và nồng độ AC; (c). Thời gian và nồng độ AC
d) Tối ưu hóa q trình chiết tách pectin từ vỏ dưa hấu
Theo kết quả nghiên cứu khảo sát đơn biến, đã chọn được điều kiện thích hợp cho việc chiết tách pectin từ vỏ dưa hấu là dung môi acid citric 5%, nhiệt độ 80oC và thời gian 80 phút. Các điều kiện thí nghiệm, các mức yếu tố được mô tả ở phụ lục 3.
Thiết kế ma trận thực nghiệm và tổ chức thí nghiệm thì thu được kết quả như ở phụ lục 3.
Phân tích phương sai ANOVA của mơ hình hồi quy bậc một đối với hàm lượng pectin thu được kết quả được trình bày ở phụ lục 3.
Sử dụng phần mềm DX 7.1 và các kết quả phân tích của phần mềm thì có được bảng phân tích phương sai ANOVA của mơ hình hồi quy bậc một đối với hàm lượng pectin. Giá trị F của mơ hình là 16.4 ứng với p = 0,0006 cho thấy mơ hình đã chọn là có nghĩa. Giá trị p-value Prob > F nhỏ hơn 0,05 cho biết thuật ngữ có nghĩa.
Từ các kết quả phân tích trên phần mềm DX 7.1, tìm được phương trình hồi quy có dạng như sau:
Y = 5,51 + 1,74x1 + 1,03x3 + 0,71 x12 (4)
Y: Hàm lượng pectin (g/100g mẫu nguyên liệu) là khối lượng pectin chiết tách được so với khối lượng mẫu.
x1, x2, x3 là các biến mã hóa lần lượt của nhiệt độ (OC), thời gian (phút) và nồng độ acid citric (g/100g dung dịch).
Phương trình (4) cho thấy nhiệt độ và nồng độ acid citric ảnh hưởng nhiều đến hàm lượng pectin, trong đó nhiệt độ ảnh hưởng nhiều nhất, thời gian thì khơng ảnh
hưởng có nghĩa đến q trình thu nhận pectin.
Để tối ưu hóa hàm lượng pectin, sử dụng phương pháp hàm kì vọng trên phần mềm quy hoạch thực nghiệm Design expert 7.1. Kết quả, đã tìm được điều kiện tối ưu để chiết tách pectin là nhiệt độ 90oC, thời gian 60 phút, nồng độ acid citric là 7g/100g dung dịch. Với điều kiện này, hàm lượng pectin thu nhận được là 8,88 (g/100g nguyên liệu). Sau đó tiến hành thí nghiệm kiểm chứng thì thu được kết quả gần đúng với kết quả dự đốn theo mơ hình với lượng pectin thu được là 9,06 (g/100 nguyên liệu) so với kết quả dự đoán theo mơ hình là 8,88 (g/100g ngun liệu). Các đồ thị hình 3.4 thể hiện ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng pectin thu nhận.
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến hàm lượng pectin
thu nhận từ vỏ dưa hấu: (a). Nhiệt độ và thời gian; (b).Nhiệt độ và nồng độ acid citric; (c). Thời gian và nồng độ acid citric.
Như vậy sau khi nghiên cứu tối ưu hóa q trình chiết tách pectin từ bốn nguồn nguyên liệu: vỏ bưởi, lá sương sâm, vỏ dưa hấu và vỏ chuối, hàm lượng pectin thu nhận và hiệu quả của việc chiết tách pectin đã được nâng cao, cụ thể như ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Kết quả tối ưu hóa các điều kiện chiết tách pectin
Mẫu Vỏ dưa hấu Vỏ chuối Vỏ bưởi Lá sương sâm Nhiệt độ, oC 90 90 96,89 87,84 Thời gian, phút 60 60 98,16 74,81 Nồng độ AC, % 7 9 7 6,49 Hàm lượng pectin,
g/100g nguyên liệu khô 9,06 13,4 17,43 16,43
Từ kết quả ở bảng 3.3 và bảng 3.4 có thể thấy khi chiết tách pectin với các điều kiện đã được tối ưu hóa thì hàm lượng pectin thu được cao hơn và thời gian chiết tách
1
ngắn hơn. Do vậy, lựa chọn các điều kiện tối ưu hóa để thực hiện q trình chiết tách pectin.
3.2.2.2. Khảo sát một số tính chất của pectin
Tính chất của pectin chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố trong q trình thu nhận, trong đó cần quan tâm đến là đặc tính nguyên liệu và phương pháp chiết tách. Những tính chất như chỉ số DE, khối lượng phân tử, độ nhớt quyết định đến khả năng tạo màng và ứng dụng tạo màng của pectin. Sau đây là kết quả nghiên cứu xác định một số tính chất của pectin:
a) Kiểm tra cấu trúc của pectin và xác định chỉ số DE
Sau khi tìm được điều kiện tốt nhất để chiết tách pectin bằng phương pháp ngâm chiết bởi nhiệt, tiến hành thực hiện thí nghiệm kiểm chứng và lấy mẫu đi phân tích phổ hồng ngoại, so sánh với mẫu chuẩn là pectin thương mại của hãng HiMedia (Ấn Độ). Kết quả phân tích được biểu diễn ở hình 3.5.
Hình 3.5. Phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu pectin chiết tách
(Mẫu 0: Mẫu pectin chuẩn , Mẫu 1: Pectin vỏ chuối, Mẫu 2: Pectin vỏ dưa hấu, Mẫu 3: Pectin vỏ bưởi, Mẫu 4: Pectin lá sương sâm)
Mẫu chuẩn
1
2
3
Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của mẫu pectin chuẩn và các mẫu pectin thu nhận từ các nguyên liệu cho thấy các mẫu đều hấp thụ ở các số sóng tương tự nhau. Ví dụ như peak xuất hiện ở vùng 3600 – 2900cm-1 thể hiện nhóm chức –OH, peak ở 2930 cm-1 thể hiện nhóm methyl este của acid galacturonic -O-CH3, các peak ở 1760 - 1745 và 1640 - 1620 cm-1 thể hiện nhóm chức este COOCH3 và nhóm carboxylic tự do COOH, các đỉnh peak trong vùng 1400 và 950 cm-1 tương ứng với các nhóm chức điển hình của acid polygalacturonic [138]. Từ các kết quả trên đây có thể khẳng định các mẫu chiết từ vỏ bưởi, lá sương sâm, vỏ chuối, vỏ dưa hấu chính là pectin.
Sử dụng dùng phần mềm Origin 6.0 để xử lí kết quả, xác định được diện tích peak ở các số sóng 1760 - 1745 và 1640 - 1620 cm-1 thể hiện nhóm chức este và nhóm carboxylic tự do tương ứng, từ đó tính giá trị DE của từng loại pectin theo công thức (15) ở mục 2.2.11. Kết quả giá trị DE của các mẫu pectin ở bảng 3.5 cho thấy pectin từ vỏ bưởi, vỏ chuối thuộc nhóm pectin có chỉ số methoxyl cao (HMP) và pectin từ lá sương sâm, vỏ dưa hấu thuộc nhóm pectin có chỉ số methoxyl thấp (LMP).
Bảng 3.5. Số sóng hấp thụ đặc trưng và chỉ số DE của các mẫu pectin
Nguyên liệu Nhóm carbonyl -C=O Nhóm carboxylate COOH DE % Vỏ bưởi 1751 1629 58,93 Vỏ chuối 1733 1637 52,76 Vỏ dưa hấu 1734 1617 47,20 Lá sương sâm 1748 1625 48,36
b) Khảo sát độ nhớt động học của các loại pectin chiết tách
Kết quả xác định độ nhớt động học của các loại pectin chiết tách được trình bày ở phụ lục 3. Từ kết quả thí nghiệm xây dựng mối tương quan giữa độ nhớt động học của pectin tách từ các nguồn nguyên liệu khác nhau với nồng độ dung dịch pectin thể