CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.5. Tối ưu hó aq trình lên men nước dứa có bổ sung phức chất puerarin-maltose
4.5.3. Tối ưu hó aq trình lên men nước dứa-sắn dây (khảo sát ảnh hưởng của pH, Bx,
lượng Puerarin
4.5.3.1. Đánh giá sự phù hợp của mơ hình
Dịch sắn dây sau giai đoạn thủy phân bằng enzyme β-amylase và BSMA được đem đi gia nhiệt ở 100°C trong 15 phút để dừng các phản ứng thủy phân bởi các enzyme trên đồng thời tiêu diệt các vi sinh vật gây hại có thể ảnh hưởng đến q trình lên men.
Sau khi gia nhiệt, dịch sắn dây được để nguội đến nhiệt độ phòng và tiến hành phối chế với nước dứa ứng với các tỷ lệ khảo sát sao cho thể tích cuối đạt được là 500 mL. Bổ sung dịch nấm men đã được ni cấy với thời gian thích hợp vào mơi trường dịch nước dứa-sắn dây (thí nghiệm 4.5.1) ở tỷ lệ 10%. Điều chỉnh Bx, pH với các giá trị tương ứng 20, 4, 5 và tiến hành lên men ở nhiệt độ thường.
Ba yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men đã được xác định từ kết quả thí nghiệm đơn yếu tố là pH, Brix và tỷ lệ nấm men. Phương pháp bề mặt đáp ứng được áp dụng để tối ưu hóa các điều kiện của quá trình lên men nước dứa - sắn dây với hàm mục tiêu là lượng puerarin, độ cồn và giá trị cảm quan sản phẩm. Dựa trên thiết kế Box-Behnken, mơ hình bậc hai biểu thị mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào được thiết kế với ba mức độ như Bảng 3.7.
Hàm lượng puerarin phụ thuộc chặt chẽ vào các nhân tố pH, Brix và tỷ lệ nấm men. Các kết quả thực nghiệm của 15 thí nghiệm và kết quả dự đốn từ mơ hình bởi phần mềm Design-Expert 11 được thể hiện trong Bảng 4.10. Hàm lượng puerarin cao nhất đạt được là 7,484 mg/g (STT 8) và thấp nhất là 6,917 mg/g (STT 4).
Bảng 4.10: Bố trí thí nghiệm theo mơ hình Box-Behnken và hàm lượng puerarin thu được theo thực tế và mơ hình STT pH Bx Tỷ lệ dịch nấm men (%) Puerarin (mg/g) Độ cồn Thực tế Dự đoán Phần dư 1 3,5 20 10 7,1130 7,1030 0,0105 5,47 2 3,5 24 10 6,9500 6,9900 -0,0395 6,29 3 3,5 22 5 7,2050 7,1820 0,0235 5,39 4 3,5 22 15 6,9170 6,9120 0,0055 6,46 5 4,5 20 5 7,0100 7,0440 -0,0340 6,65 6 4,5 20 15 7,1630 7,1790 -0,0160 6,11 7 4,5 22 10 7,4680 7,4400 0,0280 5,70 8 4,5 22 10 7,4840 7,4400 0,0440 6,08 9 4,5 22 10 7,3680 7,4400 -0,0720 6,57 10 4,5 24 5 7,2090 7,1930 0,0160 6,07 11 4,5 24 15 7,0570 7,0230 0,0340 5,93 12 5,5 20 10 7,2740 7,2340 0,0395 5,59 13 5,5 24 10 7,3300 7,3410 -0,0105 6,12 14 5,5 22 5 7,1650 7,1710 -0,0055 5,70 15 5,5 22 15 7,3820 7,4050 -0,0235 6,08
Để xác định tầm quan trọng của mỗi hệ số, giá trị F-value và “Prob. >F” (p-value) được tính tốn thơng qua phần mềm xử lý số liệu phân tích phương sai (ANOVA). Bảng 4.11 trình bày kết quả phân tích ANOVA của mơ hình cùng với kết quả thống kê của từng yếu tố.
Mơ hình có giá trị F là 15,67 cho thấy mơ hình thiết kế Box-Behnken có ý nghĩa thống kê. Trong đó, với giá trị p = 0,0037, mơ hình thể hiện chỉ có 0,37% khả năng giá trị F có thể xảy ra nhiễu.
Bảng 4.11: Phân tích ANOVA cho mơ hình hồi quy
Yếu tố Tổng bình phương Trung bình bình phương Giá trị F Giá trị p Nhận xét Mơ hình 42,98 0,4078 15,67 0,0037* Độ lệch chuẩn = 0,0552 A–pH 11,66 0,1166 38,28 0,0016* Trung bình = 7,2100 B–Bx 0,0000 0,0000 0,0080 0,9320 CV (%) = 0,7660 C-Nấm men 0,0006 0,0006 0,2010 0,6727 R 2 = 0,9658 AB 0,0120 0,0120 3,94 0,1041 R2 (hiệu chỉnh) = 0,9041 AC 0,0638 0,0638 20,93 0,0060* AP = 11,7265 BC 0,0233 0,0233 7,63 0,0397* A² 0,0430 0,0430 14,10 0,0132* B² 0,1010 0,1010 33,14 0,0022* C² 0,1004 0,1004 32,94 0,0022* Residual 0,0152 0,0030 Lack of Fit 0,0073 0,0024 0.6183 0.6662
* Thể hiện các yếu tố có giá trị p có ý nghĩa thống kê
Giá trị p < 0,05 thể hiện yếu tố ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê đối với các kết quả của mơ hình. Nếu mơ hình có nhiều yếu tố có giá trị p > 0,10 thì có thể làm giảm độ chính xác. Khi thiết kế, cần loại bỏ các yếu tố có giá trị p > 0,10 để cải thiện ý nghĩa thống kê của mơ hình. Cụ thể là các yếu tố: A, AC, BC, A2, B2, C2 < 0,05 nên trong quá trình lên men, thay đổi các yếu tố này sẽ ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê đến hàm lượng puerarin thu nhận.
Hệ số hồi quy (R2) tính được 0,9658 cho thấy có 95,58% số liệu thực nghiệm tương thích với số liệu tiên đốn của mơ hình. Theo Kashuap et al. (2019), giá trị R2 > 0,9 thể hiện mơ hình được xây dựng tương thích với thực nghiệm. Ngồi ra, mơ hình bề mặt đáp ứng có độ chính xác thích hợp với adequate precision (AP) = 11,7265. Giá trị AP được sử dụng để định hướng cho không gian thiết kết, nếu lớn hơn 4,0 là mơ hình này có thể được sử dụng. Hệ số biến động (CV%) là thước đo thống kê độ phân tán của các dữ liệu trong một chuỗi dữ liệu so với giá trị trung bình. Giá trị CV (%) của hàm lượng puerarin thu được trong 15 thí nghiệm là 0,7660% < 10% nên độ phân tán của kết quả bề mặt đáp ứng này chấp nhận được.
thí nghiệm (Residuals versus run models). Các dữ liệu ở Hình 4.17 cũng chỉ ra rằng mơ hình có sự tương quan tốt khi các điểm tập trung theo dạng đường thẳng và phân bố của các điểm thí nghiệm là ngẫu nhiên.
Hình 4.17: Biểu đồ giá trị thực nghiệm – dự đoán (A) và phân bố ngẫu nhiên (B) của 15 thí nghiệm.
4.5.3.2. Tối ưu hóa các thơng số của q trình
Mối liên hệ giữa hàm lượng pueratin và các biến độc lập A, B, C từ phần mềm Design-Expert 11 biểu thị theo phương trình (7) thực tế như sau:
Puerarin = 7,44 + 0,1207A – 0,0018B – 0,0087C +0,0548AB + 0,1262AC – 0,7062BC – 0,1079A2 – 0,1654B2 – 0,1649C2 (7)
Với A là pH, B là tổng chất rắn hòa tan (Brix) và C là tỷ lệ dịch nấm men (%). Khi mức ảnh hưởng có giá trị dương, yếu tố khảo sát và hàm lượng Puerarin có tương quan thuận và ngược tại. Từ phương trình trên ta có các yếu tố tương quan thuận với hàm lượng puerarin là pH (A), cặp yếu tố pH và Brix (AB) và cặp yếu tố pH và tỷ lệ nấm men (AC). Khi tăng giá trị ba yếu tố khảo sát trên thì hàm lượng puerarin thu nhận càng tăng. Đồng thời, khi tăng giá trị của các yếu tố như Brix (B), tỷ lệ nấm men (C), cặp yếu tố Brix và tỷ lệ nấm men (BC), pH bình phương (A2), Brix bình phương (B2) và tỷ lệ nấm men bình phương (C2) thì hàm lượng puerarin có xu hướng giảm. Cụ thể khoảng giá trị ảnh hưởng của các yếu tố sẽ được mơ tả trong Hình 4.18.
Ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm lượng Puerarin được mô tả bằng ba đồ thị bề mặt đáp ứng: vùng màu đỏ biểu thị hàm lượng Puerarin cao nhất, trong khi vùng màu xanh biểu thị kết quả thấp hơn.
A
B
C
Hình 4.18: Đồ thị bề mặt đáp ứng thể hiện mối quan hệ của hàm lượng Puerarin và 3 cặp yếu tố (A) pH và Bx, (B) pH và tỷ lệ nấm men và (C) Bx và tỷ lệ nấm men.
Đồ thị (A) trong Hình 4.18 thể hiện sự tương tác của pH và độ Brix đến hàm lượng Puerarin. Dựa vào sự biến thiên của thang màu trong biểu đồ, có thể thấy rằng khi thay đổi giá trị của hai yếu tố này thì hàm lượng Puerarin cũng thay đổi theo. Đầu tiên, xét mối ảnh hưởng của pH đến hàm lượng Puerarin. Tại mốc Brix 22, khi pH tăng từ 3,5
thuận với hàm lượng Puerarin. Đối với ảnh hưởng của Brix, nhân tố này có tương tác vịng so với pH và hàm lượng Puerarin tăng khi độ Brix tăng từ 20 đến 23,5 có xu hướng giảm nếu tăng thêm Brix. Xét về ảnh hưởng của cả hai nhân tố, pH và Brix khi tương tác cùng nhau, hàm lượng Puerarin có xu hướng tăng hoặc giảm cùng chiều với hai nhân tố trên (ngoại trừ Brix > 23,5). Dựa vào đồ thị (A) trong Hình 4.18, hàm lượng Puerarin đạt giá trị cao nhất khi pH trong khoảng 4,4‒5,5 với Brix từ 20,9 ‒ 23,4.
Đồ thị (B) trong Hình 4.18 thể hiện sự tương tác giữa pH và tỷ lệ dịch nấm men lên hàm lượng Puerarin. Tương tự, dựa vào sự biến thiên của thang màu trong biểu đồ, có thể thấy rằng khi thay đổi giá trị của hai nhân tố thì hàm lượng Puerarin cũng thay đổi theo. Từ dữ liệu cho thể thấy rằng pH có mối tương quan thuận với hàm lượng Puerarin. Đối với tỷ lệ dịch nấm men, nhân tố này tăng kéo theo sự gia tăng hàm lượng Puerarin đến giới hạn, nếu tiếp tục tăng tỷ lệ dịch nấm men, lượng puerarin thu đươc sẽ giảm. Cụ thể, tại mốc pH 4,5; hàm lượng Puerarin đạt 7,40 mg/g khi tỷ lệ dịch nấm men tăng đến 12,14% và tiếp tục tăng tỷ lệ nấm men đến phạm vị khảo sát thì hàm lượng Puerarin có xu hướng giảm. Xét về sự tương tác của pH và tỷ lệ nấm men, cả hai yếu tố cùng tăng hay cùng giảm cùng chiều với hàm lượng Puerarin và đến giới hạn sẽ có tương tác ngược lại (pH < 4,5). Các phạm vi ngoài pH 4,5, tương tác của hai nhân tố cùng chiều với hàm lượng Puerarin thu nhận được. Dựa vào đồ thị (B) trong Hình 4.18, hàm lượng Puerarin đạt giá trị cao nhất khi pH trong khoảng 4,4 ‒ 5,5 và tỷ lệ dịch nấm men từ 7,2 ‒ 15.
Tương tự, đồ thị (C) Hình 4.18 thể hiện sự tương tác của độ Brix và tỷ lệ dịch nấm men đến hàm lượng Puerarin. Có thể thấy rằng, cả hai nhân tố khi tương tác cùng nhau có cùng xu hướng, hàm lượng Puerain tăng khi pH và Brix tăng và tăng đến điểm giới hạn thì hàm lượng Puerain có xu hướng giảm. Dựa vào đồ thị (C) Hình 4.18, hàm lượng Puerarin đạt giá trị cao nhất khi Brix trong khoảng 21,1 ‒ 23 và tỷ lệ nấm men đạt từ 7,2 ‒ 12,1.
Từ các dữ liệu của mơ hình, điều kiện tối ưu cho quá trình lên men để thu được hàm lượng Puerarin tối đa được rút ra như sau: pH 5,21; nồng độ chất tan 22,12°Brix và tỷ lệ dịch nấm men 11,16%. Quá trình lên men với những điều kiện tối ưu như trên, hàm lượng Puerarin thu được là 7,40 mg/g. Kết quả này khơng khác biệt có ý nghĩa so với kết quả dự đốn của mơ hình, ở đó hàm puerarin thu được là 7,4820 mg/g, với độ tin cậy 95%, với độ cồn thu được là: 6,02. Trong một báo cáo của De-yan et al. (2020), kết quả tương tự được công bố với hàm lượng flavonoid puerarin thu được lên đến 81,67 μg/mL, gần đúng với giá trị dự đốn (81,91 μg/mL) theo mơ hình gồm các nhân tố khác nhau trong quá trình lên men (nhiệt độ > pH ban đầu > thời gian lên men > lượng chất cấy).
a. Đánh giá cảm quan 3 chỉ tiêu chất lượng
Hình 4.19: Ảnh hưởng của điều kiện lên men đến điểm cảm quan không trọng số Kết quả đánh giá cảm quan chất lượng sản phẩm lên men được thể hiện ở Hình Kết quả đánh giá cảm quan chất lượng sản phẩm lên men được thể hiện ở Hình 4.19. Mẫu mã hóa đầu số 4.5 được đánh giá có điểm số thấp. Với chỉ tiêu màu sắc/độ trong không trọng số, các mẫu 4.5 ‒ 20 ‒15, 4.5 ‒ 24 ‒ 5, 4.5 ‒ 20 ‒ 5 đều có điểm số nhỏ hơn 3 trên thang 5 điểm (0 ‒ 5), chỉ tiêu mùi đạt mức 3,03, 2,85 và 2,59 lần lượt với mẫu đã liệt kê ở trên, và chỉ tiêu vị không trọng số với kết quả đạt 2,70, 2,71, 2,51. Có sự khác khơng biệt ý nghĩa (p < 0,05) ở chỉ tiêu mùi giữa các mẫu 4.5 ‒ 22 ‒ 10 (đạt 3,99±0,79), 3.5 ‒ 22 ‒ 5 (đạt 4,00±0,88), 5.5 ‒ 22 ‒ 5 (đạt 4,04±0,76), 5.5 ‒ 24 ‒ 10 (đạt 4,07±0,83) và hầu hết các mẫu mã hóa đầu số 4.5 ở chỉ tiêu vị. Điều này cho thấy tính chất mẫu trong chỉ tiêu đang xét, sản phẩm có tính tốt đặc trưng và rõ rệt cho chỉ tiêu đó, sản phẩm khơng có sai lỗi và khuyết tật nào. Theo các thuật ngữ mô tả được thiết kế trước, các mẫu có điểm đánh giá nằm trong khoảng mơ tả sản phẩm trong, khơng đục, màu vàng nhạt, có mùi thơm nhẹ, đặc trưng của sắn dây – dứa, thơm mùi rượu tương đối hài hồ, sản phẩm có vị tương đối hài hồ, dễ chịu, hậu vị vừa phải.
,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 Màu sắc, độ trong Mùi Vị 3.5-20-10 3.5-24-10 3.5-22-5 3.5-22-15 4.5-20-5 4.5-20-15 4.5-22-10 4.5-22-10 4.5-22-10 4.5-24-5 4.5-24-15 5.5-20-10 5.5-24-10 5.5-22-5 5.5-22-15
Hình 4.20: Điểm cảm quan có trọng số mẫu lên men 3 nhân tố
Kết quả được xác định với quy ước trọng số 2,0 cho chỉ tiêu vị, 1,2 cho mùi và 0,8 cho chỉ tiêu màu sắc/độ trong thể hiện trong Hình 4.20. Màu sắc/độ trong được đánh giá thấp với thang điểm cho các mẫu có trọng số nhỏ hơn 4, trong đó mẫu 3.5 ‒ 22 ‒ 15, mẫu 4.5 ‒ 22 ‒ 10 và mẫu 5.5 ‒ 22 ‒ 5 có giá trị cao nhất đạt 4,40, 3,85 và 4,22, tương ứng. Ba mẫu được liệt kê cũng cho giá trị cao trong xem xét chỉ tiêu mùi, đạt lần lượt là 4.00, 3.99, và 4.03. Các mẫu tổng điểm thấp hơn 11,2 (không đạt mức chất lượng quy định trong tiêu chuẩn nhưng còn khả năng bán được) viện dẫn TCVN 3215-79 được thể hiện 4.5 ‒ 20 ‒ 5 (10 điểm tổng), mẫu 4.5 ‒ 20 ‒ 15 (11,07 điểm tổng), mẫu 4.5 ‒ 24 ‒ 5 (11 điểm tổng), và mẫu 5.5 ‒ 22 ‒ 15 (11 điểm tổng). Mẫu cảm quan 3.5 ‒ 22 ‒ 5 và 3.5 ‒ 22 ‒ 15 (đạt 15 điểm tổng), 4.5 ‒ 22 ‒ 10 (đạt 16,09 điểm tổng), mẫu 5.5 ‒ 24 ‒ 10 (đạt 15,39 điểm tổng), và mẫu 5.5 ‒ 22 ‒ 5 (đạt 16,30 điểm tổng) nằm trong khung chất lượng loại khá. Mặc dù có sự chênh lệch trong điểm tổng giữa mẫu 4.5 ‒ 22 ‒ 10 (thấp hơn) so với 5.5 ‒ 22 ‒ 5, tuy nhiên không đáng kể, về tổng thể đánh giá kết hợp cảm quan và kết quả đánh giá hàm lượng Puearin trong nước bằng phương pháp RSM, lựa chọn phù hợp cho các thiết kế này là mẫu 4.5 ‒ 22 ‒ 10. Mẫu có điểm tổng số cảm quan cao được thể hiện trong Hình 4.23, với chỉ tiêu màu sắc/độ trong đạt 3,85±0,57, mùi đạt 3,99±0,74 và vị đạt 4,11±0,79 cho mẫu 4.5 ‒ 22 ‒ 10, có tính chất được mơ tả so với mức điểm đánh giá là sản phẩm trong, không đục, màu vàng nhạt có vị tương đối hài hồ, dễ chịu, hậu vị vừa phải, sản phẩm có mùi thơm nhẹ, đặc trưng của sắn dây – dứa, thơm mùi rượu tương đối hài hoà. Với điều chỉnh pH 4,5, bổ sung nồng độ chất rắn hòa tan 22 Bx và 10% dịch nấm men trong quá trình lên men cho kết quả đánh giá khả quan.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Màu sắc, độ trong Mùi Vị Tổng điểm
Đ iểm có hệ số Chỉ tiêu cảm quan 3.5-20-10 3.5-24-10 3.5-22-5 3.5-22-15 4.5-20-5 4.5-20-15 4.5-22-10 4.5-22-10 4.5-22-10 4.5-24-5 4.5-24-15 5.5-20-10 5.5-24-10 5.5-22-5 5.5-22-15
Sau lên men sản phẩm đạt điểm tổng số 16,09 (lớn hơn mức chấp nhận thị trường) cho thấy tiềm năng thương mại.
Hình 4.21: Điểm cảm quan mẫu 4.5 ‒ 22 ‒ 10 không trọng số
b. Đánh giá cảm quan thị hiếu so sánh nước lên men sắn dây với các sản phẩm thị trường bằng phương pháp Check-All-That-Apply (CATA)
i. Phân nhóm người tiêu dùng theo mức độ ưa thích sản phẩm
Phân nhóm người tiêu dùng bằng phương pháp CLV bắt đầu bằng việc xác định số nhóm người tiêu dùng (K). Căn cứ vào tiêu chuẩn Δ, kết quả cho thấy giá trị này sẽ thay đổi lớn khi số nhóm người tiêu dùng từ 2 thành 1 nhóm. Điều đó cho thấy có các nhóm “khơng tự nhiên” được gộp lại với nhau, do đó 2 nhóm người tiêu dùng (K = 2) sẽ được lựa chọn cho các phân tích tiếp sau. Nhóm sai số (noise cluster) được xác định theo ngưỡng ρ. Về nguyên tắc, giá trị ngưỡng ρ được xác định khi cân bằng số lượng người tiêu dùng bị loại bỏ và các giá trị khác của nhóm sai số. Cụ thể, giá trị này được lựa chọn nhằm đảm bảo giá trị nhỏ nhất của sự đồng nhất trong nhóm (Hk) và sự khác biệt gữa các nhóm (dk). Dựa vào tiêu chuẩn này, ρ = 0.56 được lựa chọn. Với 2 nhóm người tiêu dùng (K = 2) và giá trị ngưỡng (ρ = 0.56), các nhóm cuối cùng được tạo thành, bao gồm nhóm 1 (n = 21), nhóm 2 (n = 48), và nhóm sai số (n =16). Sau đó, nhóm 1 và 2 được sử dụng cho các phân tích sau. Mức độ ưa thích của các sản phẩm khác