CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.5. TỐI ƯU HÓA CÔNG ĐOẠN LÊN MEN
Từ các kết quả nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ cồn cho thấy tất cả 07 yếu tố hàm lượng đường, nấm men, pH, thời gian, nhiệt độ, oxy, CO2 đã ảnh hưởng đến hàm lượng cồn sau quá trình lên men. Tuy nhiên, qua kết quả phân tích tại mục 3.4 cho thấy các yếu tố tỉ lệ nấm men, pH lên men, nhiệt độ lên men có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình lên men vì nấm men tham gia chủ yếu vào quá trình chuyển hóa đường thành cồn, pH không những ảnh hưởng đến khả năng sống và tăng trưởng của nấm men mà còn tác động sâu sắc đến quá trình trao đổi chất, còn nhiệt độ lên men không những chỉ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ lên men, khả năng sinh trưởng của nấm men mà còn ảnh hưởng đến độ cồn đạt được và sự tạo thành các sản phẩm phụ. Do đó, các yếu tố đó góp phần quan trọng quyết định chất lượng của rượu vang.
Do vậy, mục đích của việc tối ưu hóa công đoạn lên men là tìm ra các điều kiện tối ưu về nhiệt độ lên men, pH lên men, tỉ lệ nấm men để thu nhận độ cồn của rượu là cao nhất.
Qua kết quả nghiên cứu ở mục 3.4, Luận văn chọn miền nghiên cứu của các yếu tố đầu vào công đoạn lên men: Nhiệt độ Z1(28 ÷ 32 0C); pH: Z2(4,3 ÷ 4,7); tỉ lệ nấm men Z3(5 ÷ 7%); với hàm mục tiêu là độ cồn cần đạt được là Y% max. Tiến hành 17 thí nghiệm lên men theo sơ đồ ma trận quy hoạch thực nghiệm tại bảng 2.3. Các kết quả nghiên cứu được thể hiện trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Nồng độ Ethanol tại các điều kiện khác nhau
Số TN Z1 Z2 Z3 X1 X2 X3 (%)
1 28 4,3 5 -1 -1 -1 7,91
2 32 4,3 5 1 -1 -1 7,89
3 28 4,7 5 -1 1 -1 7,88
4 32 4,7 5 1 1 -1 8,16
5 28 4,3 7 -1 -1 1 7,98
6 32 4,3 7 1 -1 1 8,02
7 28 4,7 7 -1 1 1 9,39
8 32 4,7 7 1 1 1 9,51
9 28 4,5 6 -1 0 0 9,31
10 32 4,5 6 1 0 0 9,45
11 30 4,3 6 0 -1 0 8,71
12 30 4,7 6 0 1 0 9,29
13 30 4,5 5 0 0 -1 8,58
14 30 4,5 7 0 0 1 9,29
15 30 4,5 6 0 0 0 9,47
16 30 4,5 6 0 0 0 9,45
17 30 4,5 6 0 0 0 9,49
Giải bài toán quy hoạch thực nghiệm bằng phần mềm Modde 5.0, thu nhận được các kết quả trình bày ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của các biến độc lập đến nồng độ Ethanol
Yếu tố Hệ số Sai số chuẩn P
Hằng số 9,4773 0,025936 3,04E-16
X1 0,056 0,0191673 0,0222878
X2 0,372 0,0191673 2,40E-07
X3 0,377 0,0191673 2,19E-07
X1×X1 -0,103 0,03703 0,0274329
X2×X2 -0,483 0,03703 3,64E-06
X3×X3 -0,548 0,03703 1,54E-06
X1×X2 0,0475 0,0214296 0,0621961
X1×X3 -0,013 0,0214296 0,577982
X2×X3 0,3325 0,0214296 1,12E-06
N = 17 Q2 =0,961
DF = 7 R2 =0,992
Theo kết quả bảng 3.4 (căn cứ vào trị số p<0,05), phương trình hồi quy của quá trình lên men rượu vang trái cây từ nước dừa được thể hiện như sau:
Y = 9,477 + 0,056X1 + 0,372X2 + 0,377X3 – 0,103X12 – 0,483X22 – 0,548X32 + 0,333X2X3 (3.2)
Trong đó: X1, X2, X3, Y lần lượt là nhiệt độ (0C), pH, tỉ lệ nấm men (%) và độ cồn (%v/v).
Từ phương trình hồi quy nồng độ cồn cho thấy 3 yếu tố nhiệt độ (0C), pH, tỉ lệ nấm men (%) có ảnh hưởng nồng độ cồn sau quá trình lên men (R2>0,9). Sự biến thiên nồng độ cồn tuân theo mô hình bậc 2 (phương trình 3.2). Theo đó, X1 , X2, X3, X2X3 có ảnh hưởng dương và các yếu tố còn lại (X12
, X22
, X32
) có ảnh hưởng âm đến nồng độ cồn (bảng 3.4 và hình 3.21).
Kết quả phân tích ANOVA cho yếu tố nồng độ cồn được thể hiện trong bảng 3.6.
Kiểm định Fisher cho thấy kết quả có ý nghĩa thống kê ở mức p<0,05 vì giá trị F từ kết quả quy hoạch thực nghiệm (228,292) lớn hơn nhiều so với giá trị F từ hàm
“finv(0,05;9,7) = 3,677” (với = 0,05, bậc tự do f1 = 9, f2 = 7).
Bảng 3.5. Kết quả phân tích phương sai ANOVA nồng độ cồn (Ethanol)
Nồng độ Ethanol DF SS MS F
Total 17 1327,22 78,072
Constant 1 1319,65 1319,65
Total Corrected 16 7,5741 0,473381
Regression 9 7,54838 0,838709 228,292
Residual 7 0,025717 0,003674
N = 17 Q2 = 0,961
DF = 7 R2 = 0,997
Trong đó: SS - tổng bình phương (sum of squares); DF - bậc tự do (degrees of freedom); MS - trung bình bình phương (mean square); F: F-value. Giá trị F có độ tin cậy ở 95%.
Hai giá trị Q2 và R2 cho biết mức độ tin cậy của mô hình thí nghiệm, R2 là độ biến thiên thực, còn Q2 là độ biến thiên ảo. Giá trị trong thí nghiệm này, R2 = 0,997 và Q2 = 0,961 thỏa mãn tất cả những điều kiện để các giá trị hồi quy có ý nghĩa và mô hình đáng tin cậy [19]. Bề mặt đáp ứng được thể hiện ở hình 3.20.
Kết quả tại hình 3.21 cho thấy có sự tương tác của các yếu tố khảo sát lên hàm mục tiêu nồng độ cồn, giá trị nồng độ cồn càng gần vòng tròn đỏ trên đỉnh bề mặt đáp ứng càng bị tác động mạnh mẽ bởi các yếu tố khảo sát được thể hiện ở màu đỏ đậm trên bề mặt đáp ứng 3D. Giá trị hàm mục tiêu càng xa vòng tròn đỏ trung tâm càng ít bị tác động bởi các yếu tố khảo sát.
Tại giá trị tỉ lệ nấm men 6%, nồng độ cồn đạt được giá trị 9,5 % v/v là cao nhất trong vùng tối ưu pH từ 4,52 ÷ 4,65 và nhiệt độ từ 29,1 ÷ 320C. Với giá trị nhiệt độ 300C, vùng tối ưu của tỉ lệ nấm men từ 6,15 ÷ 6,80 % và pH trong khoảng 4,55 ÷ 4,67 nồng độ cồn đạt 9,63% v/v. Với pH 4,5, nồng độ cồn đạt được giá trị 9,46 % v/v trong vùng tối ưu nhiệt độ 28,60C ÷ 320C và tỉ lệ nấm men 5,9 ÷ 6,7 %.
Tỉ lệ nấm men: 6%
Ethanol
Ethanol
Nhiệt độ: 300C
Ethanol
Ethanol
pH = 4,5
Ethanol
Ethanol
Hình 3.21. Mặt đáp tối ưu thực nghiệm của các yếu tố đến nồng độ cồn
Kết quả tối ưu được luận giải dựa trên kết quả thực nghiệm và lý thuyết về mô hình tối ưu được trình bày bởi Dimitri (2009) [18].
Tối ưu hóa công đoạn lên men trên phần mềm Modde 5.0 với kết quả từ 17 thí nghiệm thu được các điều kiện tối ưu cho quá trình lên men: nhiệt độ (X1) 310C; pH (X2) 4,6; tỉ lệ nấm men (X3) 6,5% với nồng độ cồn theo dự đoán của phần mềm là 9,7%.
Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm kiểm tra kết quả tối ưu Nồng độ cồn (%)
STT Dự đoán Thực nghiệm
1 9,70 9,57
2 9,70 9,64
3 9,70 9,73
4 9,70 9,66
5 9,70 9,59
6 9,70 9,69
7 9,70 9,75
Xtb 9,7 ± 0,00 9,68 ± 0,06
P P=0,16>0,05
Kết quả thực nghiệm lên men cho thấy nồng độ cồn thực tế tính trung bình của 7 thí nghiệm lặp lại trong điều kiện tối ưu hóa thu được là (9,68 ± 0,06)%, so với giá trị theo dự đoán của phần mềm (9,7%) thì giá trị nồng độ ethanol giữa dự đoán và thực nghiệm không có sự sai khác mang ý nghĩa thống kê (p=0,16>0,05) (bảng 3.6) tức là giá trị thực nghiệm phù hợp với tiên đoán lý thuyết.
Từ kết quả tối ưu hóa và kết quả thực nghiệm kiểm tra tối ưu hóa đã xác định được điều kiện tối ưu của quá trình lên men từ nước dừa là: Nhiệt độ 310C, pH 4,6 và tỉ lệ nấm men 6,5%.
Với nồng độ cồn thu được trong thực nghiệm 9,68 ± 0,06 %v/v là tương đối thấp so với kết quả nghiên cứu của Sunil S. Joshi và cộng sự (2013) [52] nồng độ cồn đạt được là 12,2% và hàm lượng đường còn lại 0%. Điều này có thể là do chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae chưa lên men triệt để chuyển hết đường thành ethanol.