3.4 Nghiên cứu quy trình chiết xuất chất cay từ bã gừng ở quy mô phòng thí nghiệm
3.4.4 Tối ưu hóa quy trình chiết xuất bằng RSM
Quá trình chiết xuất chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, các yếu tố này đồng thời tác động qua lại lẫn nhau ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình, do vậy cần phải tiến hành thực nghiệm tối ưu đa yếu tố nhằm tìm ra điều kiện tối ưu khi có sự tương tác của các yếu tố này. Qua các kết quả nghiên cứu thăm dò ở trên chúng tôi xây dựng điều kiện thí nghiệm với hàm mục tiêu là hiệu suất chiết gingerol, chúng tôi sử dụng phần mềm Design expert 11.0 trong thiết kế và phân tích kết quả thí nghiệm (bảng 3.8 và 3.9).
Bảng 3.8. Nhân tố và các mức độ bố trí theo mô hình CCD Ký
hiệu
Nhân tố
Đơn vị
Mức độ
-α -1 0 1 α
A Độ cồn % 55 60 70 80 85 B DL/DM Kl/tt 17,5 20 25 30 32,5
C Thời
gian H 8,25 9 10.5 12 12,75
Bảng 3.9. Thiết kế thí nghiệm theo mô hình CCD TT Độ cồn
%
Tỉ lệ
dung môi/dược liệu (ml/g)
Thời gian (h)
Hiệu suất (%)
1 70 25 10,5 71,13
2 80 20 9 74,05
3 60 30 9 64,19
4 60 20 12 65,11
5 55 25 10,5 63,48
62 Số liệu thu được sau quá trình thực nghiệm được sử dụng để xây dựng mô hình tương quan giữa hiệu suất với độ cồn, tỷ lệ DM/DL và thời gian. Ngoài ra phân tích phương sai ANOVA được sử dụng để xây dựng và đánh giá tính tương thích của mô hình đạt được (Bảng 3.10).
Phân tích kết quảthu được cho thấy mô hình có ý nghĩa thống kê (đồng thời thỏa mãn các tiêu chí như Pmodel < 0,05; độ chính xác thích hợp AP (adequate precision) = 11,16 >4; PLOF = 0,732 >0,05; R2 = 0,9415 >0,8; Adj R-Squared- Pred R-Squared > 0,2) [78]. Bên cạnh đó cũng chỉ ra tác động đáng kể của thời gian, cũng như độ cồn lên hiệu suất của quá trình chiết (P<0,0001), trong khi đó các tác nhân khác có tác động không đáng kể, có thể lược bỏ nhằm rút gọn phương trình [81-84].
Bảng 3.10. Phân tích thống kê ANOVA
Nguồn
Tổng bình phương
Bậc tự
Bình phương
Trung bình
Giá trị F
Giá trị P
do P> F
Model 279,90 9 31,10 12,52 0,0015 significant A-Do con 176,76 1 176,76 71,13 < 0,0001
B-Ty le 11,31 1 11,31 4,55 0,0703 C-Thoi gian 5,19 1 5,19 2,09 0,1916
AB 9,34 1 9,34 3,76 0,0937
6 80 30 9 78,14
7 60 30 12 66,87
8 70 25 8,25 72,18
9 80 20 12 67,23
10 85 25 10,5 74,01
11 70 25 10,5 70,29
12 70 17.5 10,5 66,65
13 80 30 12 72,85
14 60 20 9 64,89
15 70 25 12,75 72,95
16 70 32.5 10,5 67,40
17 70 25 10,5 73,89
63
AC 28,13 1 28,13 11,32 0,0120
BC 2,00 1 2,00 0,8044 0,3996
A² 12,01 1 12,01 4,83 0,0639
B² 32,55 1 32,55 13,10 0,0085
C² 2,26 1 2,26 0,9111 0,3716
Lack of Fit 10,27 5 2,05 0,5765 0,7322 not significant
R² 0,9415
Adjusted R² 0,8663 Predicted R² 0,6856 Adeq Precision 11,1640
Do vậy mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa hiệu suất chiết với các biến mã hóa được biểu diễn như sau:
Y = 71,65 + 3,76 × A + 0,951 × B−0,6445 × C + 1,08 × AB−1,88 × AC + 0,4998 × BC−1,18 × A2−1,95 × B2+ 0,514 × C2
Trong đó, Y là hiệu suất (%), A là nồng độ cồn (%), B là tỉ lệ DL/DM (kl/tt) và C là thời gian (giờ).
Thêm đó, phân tích biểu đồ đồ thực nghiệm và dự đoán, cũng như biểu đồ phân bố ngẫu nhiên của các lần thí nghiệm cho thấy mô hình tương thích tốt với kết quả thực nghiệm (Hình 3.16).
Hình 3.16. (A) Biểu đồ thực nghiệm và dự đoán; (B) Biểu đồ phân bố ngẫu nhiên của các lần thí nghiệm.
B A
64 Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn bề mặt đáp ứng của hiệu suất chiết. (a) Dưới tác động của độ cồn với tỉ lệ DM/DL; (b) Dưới tác động của độ cồn với thời gian
chiết; (c) Dưới tác động của thời gian với tỉ lệ DM/DL.
Phân tích bề mặt đáp ứng đại diện cho từng cặp các tác động của nồng độ cồn, tỉ lệ dược liệu/ dung môi, và thời gian tới hiệu suất chiết (Hình 3.17) cho thấy sự phù hợp của mô hình với các khảo sát đơn biến:
Các giá trị tối ưu của các biến độc lập trong quá trình chiết được xác định từ phần mềm design expert 11 thu được như sau:
a
b
c
65 Bảng 3.11. Các thông số tối ưu của quá trình chiết xuất chất cay
Factor Name Level Low Level High Level
A Độ cồn 80,00 60,00 80,00
B Tỉ lệ DM/DL 26,79 20 30
C Time 9,00 9,00 12,00
Response Predicted Mean Predicted Median Observed Std Dev
HS 77,5584 77,5584 1,57634
Bảng 3.12. Hiệu suất chiết từ mô hình và thực nghiệm ở điều kiện tối ưu Chỉ tiêu theo dõi Đơn vị Giá trị thực nghiệm Giá trị lý thuyết
Hiệu suất chiết % 75,38 ± 2.27 77,56
Để kiểm chứng kết quả hàm lượng dự đoán theo mô hình, tiến hành thực hiện thí nghiệm với điều kiện tối ưu lặp lại 3 lần. Trong đó điều chỉnh các thông số cho phù hợp thực tế: cồn 80%, tỷ lệ dung môi/ dược liệu: 1/27, thời gian chiết là 9 giờ.
Kết quả kiểm định được thể hiện ở bảng 3.12
Hiệu suất chiết (77,56 %) theo lý thuyết sai khác không đáng kể so với thực tế (75,38 %). Kết quả kiểm định một lần nữa khẳng định tính chính xác của mô hình đã được xây dựng.