CHƯƠNG 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. PHƯƠNG PHÁP BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM
2.2.3. Bố trí thí nghiệm xác định một số cơng đoạn chính
Mục đích của thí nghiệm này là tìm các thơng số tối ưu cho quá trình chiết inulin từ
củ đẳng sâm bằng kỹ thuật chiết có hỗ trợ sóng siêu âm. Để xác định được các thông số tối
ưu (Nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ NL/DM) ảnh hưởng đến quá trình chiết inulin, Luận án tiến
hành tối ưu hóa q trình chiết inulin bằng phương pháp mặt đáp ứng với thiết kế có tâm (CCD - Cental Composis Design) theo mơ hình Box - Benkehn. Trong đó, thời gian chiết (X1), nhiệt độ (X2), tỷ lệ nguyên liệu/dung môi chiết (NL/DM, X3) là các biến độc lập được
38
chọn để tối ưu hóa với mục tiêu hàm lượng inulin, fructan và tổng chất chiết hòa tan thu
được nhiều nhất. Phạm vi các biến độc lập và mức độ của chúng được trình bày ở bảng 2.2.
Hiệu suất chiết (Yi) là đáp ứng của sự kết hợp của các biến độc lập. Thử nghiệm được chọn ngẫu nhiên để giảm thiểu ảnh hưởng của sự biến đổi bất ngờ.
Bảng 2.2. Mã hóa các biến độc lập đầu vào Biến độc lập đầu vào Mức biến mã Biến độc lập đầu vào Mức biến mã -1 0 1 Nhiệt độ (X2) (oC) -1 0 1 Thời gian (X1) (phút) -1 0 1 Tỉ lệ NL/DM (X3) (g/ml) -1 0 1
Mối tương quan giữa các giá trị mã hóa và giá trị thực (Yi) được biểu diễn:
X là biến mã, Xi là mã thực, Xo là biến tại thí nghiệm trung tâm và X là hiệu số giữa giá trị tuyệt đối cực đại của biến thực và giá trị Xo. Phương trình hồi quy phi tuyến tính có dạng bậc 2: Yi = f(xij)
Trong đó Yi là biến phụ thuộc, βo là hệ số tự do và βi, βii và βij là các hệ số ước tính theo mơ hình. Chúng đại diện cho đường tuyến tính, bậc hai và các hiệu ứng chéo của các
yếu tố X1, X2 và X3 trên đáp ứng tương ứng. Xii, Xj là cấp của các biến độc lập. là sai số.
Sau khi xác định phạm vi ban đầu của các biến thông qua thử nghiệm một yếu tố, phương
pháp mặt đáp ứng (RSM), thiết kế BBD (Box Behnken Design) trong phần mềm Expert
Design (12.0) được thực hiện để tối ưu hóa (Hình 2.4).
Hình 2.4. Mơ hình tối ưu hóa
Cơng đoạn chiết có hỗ trợ siêu âm X1 X2 X3 Y3 Y1 Y2
39 Yêu cầu các hàm mục tiêu (HMT)
Y1 : Hàm lượng Inulin (mg/g): Tối đa Y2 : Hàm lượng Fructan (mg/g): Tối đa
Y3 : Hàm lượng tổng chất chiết hòa tan (TCCHT): Tối đa
Mơ hình chỉ có ý nghĩa và được sử dụng sau khi thỏa mãn các tiêu chuẩn thống kê. Quy hoạch trực giao đối xứng có tâm, bảng ma trận thực nghiệm gồm 17 nghiệm thức và 3 hàm mục tiêu (Y1, Y2,Y3). Phân tích các yếu tố ảnh hưởng, mỗi yếu tố tiến hành tại 3 mức (-1,0,+1). Thí nghiệm được lặp lại 3 lần đối với mỗi đơn vị nghiệm thức. Phân tích thiết kế thử nghiệm và tính tốn dữ liệu dự đốn để ước tính phản ứng của các biến độc lập.
2.2.3.2. Tối ưu hóa q trình phối trộn tạo chế phẩm synbiotic
Để có thể xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp của bột củ đẳng sâm sấy phun và vi khuẩn
trong chế phẩm synbiotic, luận án tiến hành khảo sát các tỉ lệ phối trộn bằng phương pháp thiết kế Mixture –Design, mơ hình D-Optimal.
Bột đảng sâm (bột prebiotic), các chủng vi khuẩn L. plantarum (M6), L. acidophillus (M7), B. longum (YK1), B. lactiCs (YK2) là các biến độc lập được chọn để
tối ưu hóa cho việc phối trộn tạo synbiotic. Phạm vi các biến độc lập và mức độ của
chúng được trình bày trong bảng 2.4. Yi là đáp ứng của sự kết hợp của các biến độc lập.
Thử nghiệm được chọn ngẫu nhiên để giảm thiểu ảnh hưởng của sự biến đổi bất ngờ.
Bảng 2.3. Các biến độc lập đầu vào và mức độ được sử dụng trong thiết kế Mixture –Design Mixture –Design Biến độc lập đầu vào Mức biến mã Bột prebiotic (X1) (mg) -1 0 1 L. acidophillus (X2) (mg) -1 0 1 L. plantarum (X3) (mg) -1 0 1 B. longum (X4) (mg) -1 0 1 B. lactiCs (X5) (mg) -1 0 1 Điều kiện tổ hợp: X1+ X2+ X3+ X4 +X5 = 3 0,1 ≤X1≤ 2,6 0,1≤ X2+ X3+ X4 +X5 ≤ 2,9 0,1≤X2≤ 0,9 0,1≤X3≤ 0,9 0,1≤X4≤ 0,9 0,1≤X5≤ 0,9
40
Mối tương quan giữa các giá trị mã hóa và giá trị thực (Yi) được biểu diễn như sau:
X là biến mã, Xi là mã thực, Xo là biến tại thí nghiệm trung tâm và X là hiệu số giữa giá trị tuyệt đối cực đại của biến thực và giá trị Xo. Phương trình hồi quy trình hồi quy tuyến tính có dạng: Yi = f(xij)
𝑌 = 𝑓(𝑥) = 𝛽ii ∑5 𝑋𝑖
𝑛=1 + 𝛽ij ∑5 𝑋𝑖𝑗
𝑛=1 + Ɛ
Trong đó Yi là biến phụ thuộc, βi, βii và βij là các hệ số ước tính theo mơ hình, chúng
đại diện cho đường tuyến tính bậc một và các hiệu ứng chéo của các yếu tố X1, X2 và X3 trên đáp ứng tương ứng. Xii, Xj là cấp của các biến độc lập. là sai số.
Hình 2.5. Mơ hình tối ưu hóa
Sau khi xác định phạm vi ban đầu của các biến, thiết kế tối ưu hóa được thực hiện
(Hình 2.5). u cầu các hàm mục tiêu (HMT): Y1, Y2 , Y3, Y4 có giá trị cực đại. Y1, Y2, Y3, Y4 là số lượng khuẩn lạc vi khuẩn (CFU/g) lần lượt của các chủng vi khuẩn L. acidophillus
L. plantarum, B. longum, B. lactiCs. Mơ hình chỉ có ý nghĩa và được sử dụng sau khi thỏa
mãn các tiêu chuẩn thống kê.
Bảng ma trận thực nghiệm gồm 25 nghiệm thức và 4 hàm mục tiêu (Y1, Y2, Y3, Y4). Phân tích các yếu tố ảnh hưởng, mỗi yếu tố tiến hành tại 3 mức (-1, 0,+1). Thí nghiệm được lặp lại 3 lần đối với mỗi đơn vị nghiệm thức. Phân tích thiết kế thử nghiệm và tính tốn dữ liệu dự đốn để ước tính phản ứng của các biến độc lập.
X5 Phối trộn X1 X2 Y3 Y1 X3 X4 Y2 Y4
41