Khảo sát nguyên liệu và phân tích một số thành phần để hiểu rõ về nguyên liệu cần nghiên cứu. Trong quá trình chiết không chỉ có những chất cần tách chiết mà còn có những hợp chất khác cũng được tách ra và tan vào dung môi ảnh hưởng đến quá trình chiết, ngoài ra một số kết quả phân tích giúp cho việc tính toán ở những nghiên sau thuận tiện hơn. Kết quả khảo sát nguyên liệu được thể hiện ở bảng 3.1 như sau:
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát nguyên liệu Vùng nguyên
liệu Yêu tố
khảo sát
Lái Thiêu An Bình Cầu Kè Cần Thơ
Độ ẩm (%) 11.55 ± 0.40 7.98 ± 1.09 9.19 ± 0.37 10.43 ± 0.38 Hàm lượng
tinh bột (%
chất khô) 8.45 ± 0.26 9.30 ± 0.18 9.13 ± 0.19 8.93 ± 0.32 Hàm lượng
cellulose (%) 41.76 ± 1.64 43.77 ± 3.70 42.30 ± 1.17 41.22 ± 1.50 Hàm lượng
đường khử (%) 11.39 ± 1.45 10.83 ± 5.28 11.57 ± 2.13 10.40 ± 0.54 Hàm lượng
tanin (%) 2.089 ± 0.00 1.515 ± 0.01 2.75 ± 0.07 1.35 ± 0.07 Hàm lượng
anthocyanin
(% chất khô) 0.241 ± 0.009 0.220 ± 0.020 0.272±0.013 0.226 ± 0.011 Nhận xét:
- Độ ẩm của các nguyên liệu sau sấy là khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α= 5%, có sự khác nhau này là do quá trình sấy, độ chín của quả.
- Hàm lượng tinh bột và hàm lượng đường trong vỏ quả tương đối cao so với một số loại rau củ khác, điều này có ảnh hưởng đến quá trình chiết tách và bảo quản
nguyên liệu, dễ gây hư hỏng nguyên liệu. Từ kết quả này ta có thể sử dụng hỗ trợ enzyme trong quá trình chiết.
- Hàm lượng cellulose trong vỏ quả măng cụt ở các mẫu tương đói cao. Nếu hàm lượng cellulose quá cao thì gây ảnh hưởng đến quá trình chiết tách. Từ đây ta có thể đề xuất sử dụng enzyme cellulase trong quá trình chiết nhằm phá vỡ cấu trúc tế bào, nâng cao khả năng chiết.
- Hàm lượng anthocynin trong vỏ quả măng cụt ở các mẫu khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α=5%, hàm lượng anthocyanin khá thấp nên vì vậy trong quá trình tách chiết cần chú ý để tránh gây tổn thất. Từ kết quả nghiên cứu và xử lý thống kê ở trên ta chọn nguyên liệu tại vùng Cầu Kè cho các nghiên cứu sau.
3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số điều kiện công nghệ đến quá trình chiết tách
3.2.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung môi
Trong nghiên cứu chiết tách lựa chọn dung môi phù hợp là một trong những yếu tố quan trọng nhất vì mỗi loại dung môi có khả năng hòa tan những hợp chất khác nhau cũng như có độ hòa tan khác nhau. Do vậy khảo sát ảnh hưởng của loại dung môi nhằm lựa chọn ra loại dung môi phù hợp để đảm bảo được hiệu suất chiết. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại dung môi được thể hiện ở hình 3.1:
Nước Metanol Etanol
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Loại dung môi
Hiệu suất (%)
Hình 3.1. Ảnh hưởng của loại dung môi đến hiệu suất ngâm chiết
55.19 69.08
Nhận xét:
- Từ hình 3.1 ta thấy được khi sử dụng các loại dung môi khác nhau thì cho hiệu suất chiết khác nhau (nước cho 46.84%, methanol là 69.08%, ethanol là 55.19%), methanol cho hiệu suất chiết cao nhất, tuy nhiên không cao hơn nhiều khi sử dụng ethanol. Theo kết quả xử lý ANOVA theo phụ lục 7 thì khi sử dụng dung môi nước, methanol, ethanol cho hiệu suất khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α=5%.
Kết quả này là do mỗi loại dung môi có độ phân cực khác nhau, nên khả năng hòa tan và khả năng chiết khác nhau.
- Methanol cho hiệu suất cao tuy nhiên nó gây độc hại, giá thành đắt. Sử dụng dung môi là nước và ethanol có giá thành rẻ, an toàn cao trong việc định hướng ứng dụng trong thực phẩm và phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm do vậy chọn hệ dung môi là nước và ethanol cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.2.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung môi
Theo kết quả của mục 3.2.1 thì ethanol và nước là hệ dung môi phù hợp cho nghiên cứu, nồng độ ethanol quá cao sẽ hòa tan thêm nhiều tạp chất khác có chứa trong vỏ quả măng cụt, ngoài ra thì mỗi một nồng độ thì ethanol có khả năng hòa tan anthocyanin khác nhau, do vậy cần tiến hành thí nghiệm khảo sát nồng độ dung môi, kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.2:
40o 50o 60o 70o
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Nồng độ dung môi
Hiệu suất (%)
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung môi đến hiệu suất ngâm chiết
61.60 53.98
67.31 57.25
Nhận xét: Từ hình 3.2 cho ta thấy, nồng độ dung môi 40o, 50o, 60o, 70 o lần lượt cho hiệu suất 53,89%; 57,25%; 67,31; 61,6%. Khi tăng nồng độ dung môi từ 40o đến 60o thì hiệu suất tăng nhưng khi tăng nồng độ lên 70o thì hiệu suất chiết giảm đi. Nguyên nhân là do anthocyanin có nhiều nhóm chức phân cực (-OH, đường) nhưng có phân tử lượng khá lớn nên chúng chỉ có độ phân cực trung bình, do đó chỉ tan tốt trong các dung môi phân cực trung bình.
Qua kết quả xử lý ANOVA được thể hiện ở phụ lục 8 nhận thấy các giá trị hiệu suất ở 4 nồng độ ethanol khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α = 0.05 và giá trị hiệu suất chiết ở ethanol 60 o là cao nhất.
Do vậy, để đảm bảo điều kiện chiết thích hợp nên chọn ethanol có nồng độ 60o sử dụng cho nghiên cứu tiếp theo.
3.2.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axit
Các anthocyanin bền trong môi trường acid hơn trong môi trường kiềm. Khi pH thay đổi, cấu trúc phân tử anthocyanin thay đổi theo, do đó màu sắc của các anthocyanin thay đổi theo pH (Brouillard, 1982; von Elbe and Schwartz, 1996). Vì vậy mà pH có ảnh hưởng đến chất lượng cũng như hiệu suất chiết, thay đổi nồng độ axit mục đích chính là thay đổi pH của dịch chiết. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit được thể hiện ở hình 3.3:
1% Clohidric 1,5% Clohidric 2% Clohidric 2,5% Clohidric 56
58 60 62 64 66 68 70 72 74 76
Loại axit
Hiệu suất (%)
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất ngâm chiết
66.23
73.47
62.89 66.66
Nhận xét:
- Từ hình 3.3 ở cùng điều kiện chiết khi thay đổi nồng độ axit clohidric bổ sung cho kết quả hiệu suất khác nhau và sử dụng 1,5% axit clohidric cho hiệu suất chiết cao nhất, còn ở các nồng độ 1%, 2%, 2,5% thì hiệu suất chênh lệch không đáng kể.
- Qua kết quả xử lý số liệu được thể hiện ở phụ lục 9 thấy được hiệu suất chiết khi sử dụng 1,5% axitclohidric là khác biệt về mặt thống kê (ở mức ý nghĩa 5%) với hiệu suất khi sử dụng các nồng độ axit khác.
- Từ kết quả trên ta nên chọn bổ sung 1,5% axit clohidric cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.2.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi và nguyên liệu
Tỉ lệ dung môi/nguyên liệu cũng là một trong những yếu tố quyết định tới hiệu suất chiết anthocyanin. Chất lượng của dịch chiết phụ thuộc vào tỉ lệ dung môi/nguyên liệu. Chính vì vậy ta cần xác định tỉ lệ dung môi/nguyên liệu phù hợp.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/nguyên được thể hiện ở hình 3.4:
1:15 1:20 1:25 1:30
59 60 61 62 63 64 65 66 67
Tỷ lệ dung môi và nguyên liệu
Hiệu suất (%)
Hình 3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi và nguyên liệu đến hiệu suất ngâm chiết
65.70 65.58
65.26
61.54
Nhận xét:
- Từ hình 3.4 thấy được khi chiết ở cùng một hệ dung môi, thời gian, nhiệt độ thì càng tăng dung môi thì hiệu suất chiết càng tăng, ở tỷ lệ nguyên liệu:dung môi là 1:15 cho hiệu suất thấp nhất, còn ở những tỷ lệ 1:20, 1:25, 1:30 hiệu suất tăng dần và tăng không đáng kể.
- Theo như kết quả xử lý ANOVA thể hiện ở phụ lục 10 thì ở các ngưỡng tỷ lệ 1:20, 1:25, 1:30 (nguyên liệu:dung môi) cho kết quả hiệu suất tính được không khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α=5%. Nguyên nhân là do lúc này lượng chất màu tan vào dung môi đã đạt tối đa và sự tăng lượng chất màu là không đáng kể khi tăng lượng dung môi chiết xuất. Vì vậy, tỷ lệ 1:20 (nguyên liệu:dung môi) sẽ được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.2.5. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi tăng nhiệt độ chiết, các phân tử dung môi và chất tan xảy ra sự chuyển động hỗn độn làm tăng vận tốc khuếch tán từ nguyên liệu vào dung môi, ngoài ra thì nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến độ bền của anthocyanin. Vì vậy cần xác định nhiệt độ thích hợp để phù hợp cho nghiên cứu. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ được thể hiện ở hình 3.5:
40 45 50 55 60
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Nhiệt độ (oC)
Hiệu suất (%)
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất ngâm chiết Nhận xét:
63.13
62.74 71.04 67.85
57.60
- Từ hình 3.5 thấy được giá hiệu suất tăng dần khi tăng nhiệt độ chiết (57,6% ở 40oC; 62,74% ở 45oC; 63.13% ở 50oC; 71.04% ở 55oC) và khi tăng đến 60oC thì hiệu suất có dấu hiệu giảm. Nguyên nhân là do khi tăng nhiệt độ chiết, các phân tử dung môi và chất tan xảy ra sự chuyển động hỗn độn làm tăng vận tốc khuếch tán từ nguyên liệu vào dung môi, nhờ vậy mà khả năng chiết đạt hiệu quả cao. Hơn nữa, nhiệt độ càng cao sự thay đổi cấu trúc mô tế bào càng lớn, làm cho vách tế bào bị phá hủy nên dịch bào dễ dàng thoát ra ngoài, hiệu suất tăng. Hiệu ứng này cho thấy khi tăng nhiệt độ thì làm giảm độ nhớt và tăng khuếch tán, dẫn đến hiệu suất ngâm chiết tăng. Tuy nhiên khi tăng lên đến 60oC thì hiệu suất chiết giảm là do anthocyanin khi chịu tác động của nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian dài thì sẽ bị phân hủy.
- Theo kết quả xử lý thống kê được thể hiện ở phụ lục 11 thì hiệu suất ngâm chiết ở nhiệt độ 40oC và 45oC khác nhau nhau về mặt thông kê ở mức ý nghĩa α= 5%, hiệu suất ngâm chiết ở nhiệt độ 45oC, 50oC là không khác nhau ở mức ý nghĩa α= 5%, ở các mức nhiệt độ 50oC, 55oC, 60oC cho kết quả hiệu suất chiết là khác nhau ở mức ý nghĩa α= 5%.
- Căn cứ vào kết quả và điều kiện thí nghiệm cho thấy nhiệt độ 55oC là nhiệt độ phù hợp để áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.2.6. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian
Thời gian là yếu tố cần thiết trong nghiên cứu chiết tách do thời gian chiết càng dài càng ảnh hưởng đến chất lượng cũng như làm biến tính anthocyanin trong dịch chiết. Do vậy cần chọn thời gian phù hợp cho nghiên cứu. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian được thể hiện ở hình 3.6:
30 50 70 90 56
58 60 62 64 66 68 70 72
Thời gian (phút)
Hiệu suất (%)
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất ngâm chiết Nhận xét:
- Từ hình 3.6 thấy được thời gian chiết càng lâu thì hiệu suất chiết càng tăng. Chiết trong 30 phút cho hiệu suất thấp nhất 61,52%, khi tăng thời gian chiết lên 50 phút thì hiêu suất tăng lên 65,3%. Khi tiếp tục tăng thời gian chiết lên 70 phút và 90 phút thì hiệu suất tính được tăng không đáng kể 69,42% và 69,77%. Nguyên nhân là do thời gian ngâm chiết càng dài thì anthocynin càng tan nhiều trong dung môi, tuy nhiên đến một thời gian nào đó anthocyanin khuếch tán trong dung môi sẽ không tăng nữa.
- Qua kết quả xử lý thống kê thể hiện ở phụ lục 12, hiệu suất tính được khi ngâm chiết ở 30 phút và 50 phút khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α=5%, còn ở 70 phút và 90 phút cho hiệu suất không khác nhau ở mức ý nghĩa α=5%. Căn cứ vào kết quả thí nghiệm và kết quả xử lý ANOVA cho thấy 70 phút là thời gian ngâm chiết phù hợp để tách chiết anthocyanin từ vỏ quả măng cụt.
Dựa vào kết quả khảo sát trên lựa chọn được ra các yếu tố để chiết anthocyanin là: hệ dung môi ethanol 60o, 1,5% HCl, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu là 20:1, nhiệt độ 60oC, thời gian 70 phút.
3.2.7. Kết quả cải tiến và áp dụng một số kỹ thuật tăng hiệu suất chiết anthocyanin
65.30 61.52
69.77 69.42
Hiện nay thì một số phương pháp hiện đại cũng như một số phương pháp cải tiến đang được áp dụng trong chiết tách nhằm nâng cao hiệu suất chiết cũng như làm tăng chất lượng của dịch chiết.
Bảng 3.2: Kết quả ngâm chiết có bổ sung enzyme Tỷ lệ enzyme so
với nguyên liệu 1% 1,5% 2% 2,5%
Hiệu suất (%) 82.91a 84.22a 88.92b 88.94b
Ghi chú: Các số liệu theo cột có chữ số mũ khác nhau là có giá trị khác nhau có ý nghĩa ở mức ý nghĩa α = 5%
Theo kết quả thể hiện ở bảng 3.2 thì khi bổ sung 2%, 2,5% enzyme amylase cho hiệu suất cao hơn so với khi bổ sung 1%; 1,5%. Kết quả hiệu suất tính được khi bổ sung 2% và 2,5% enzyme amylase không khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α=5%. Do vậy, ta chọn tỷ lệ enzyme amylase là 2% bổ sung vào quá trình ngâm chiết.
Kết quả cải tiến và áp dụng một số kỹ thuật hỗ trợ ngâm chiết được thể hiện ở hình 3.7:
Ngâm chiết thường
Ngâm chiết có hỗ trợ khuấy
Ngâm chiết hỗ trợ siêu âm
Ngâm chiết bổ sung 2% enzyme 0
30 60 90
Hiệu suất (%)
Hình 3.7: So sánh ngâm chiết thường với ngâm chiết áp dụng một số kỹ thuật hỗ trợ
88.94 71.59
69.53 65.63
Nhận xét: Từ hình 3.7 thấy được khi ngâm chiết có bổ sung enzyme cho hiệu suất cao nhất sau đó đến siêu âm và hỗ trợ khuấy, ngâm chiết thường cho hiệu suất thấp nhất. Enzyme amylase thủy phân tinh bột do đó phá vỡ tế bào và giải phóng ra nhiều anthocyanin hơn. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng siêu âm có khả năng phá vỡ màng tế bào của nguyên liệu, do đó giúp cho xâm nhập của dung môi vào bên trong tế bào dễ dàng hơn. Ngoài ra, siêu âm còn có tác dụng khuấy trộn mạnh dung môi, do đó gia tăng sự tiếp xúc của dung môi với chất cần chiết. Vì vậy mà khi ngâm chiết có hỗ trợ một số kỹ thuật sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất chiết.
- Theo kết quả xử lý thống kê thể hiện ở phụ lục 14 thấy được hiệu suất tính được khi ngâm chiết có hỗ trợ siêu âm, ngâm chiết không hỗ trợ lắc, hỗ trợ lắc và bổ sung enzyme amylase khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa α=5%. Từ kết quả thu được có thể đưa phương pháp ngâm chiết có bổ sung 2% enzyme amylase vào trong quy trình chiết tách anthocyanin.
3.2.8. Xây dựng quy trình chiết tách anthocyanin từ vỏ quả măng cụt Qua việc nghiên cứu lựa chọn các yếu tố công nghệ trong quá trình ngâm chiết anthocyanin trong vỏ quả măng cụt đưa ra quy trình ngâm chiết anthocyanin. Thử nghiệm quy trình với quy mô là 10g mẫu vỏ măng cụt thu được 11ml cao lỏng/10 nguyên liệu, hàm lượng anthocyanin trong cao lỏng là 0,002g/1ml cao lỏng, cho hiệu suất 88,94%. Quy trình chiết tách anthocyanin được thể hiện ở hình 3.8:
Quy trình chiết tách anthocyanin:
NGUYÊN LIỆU
1.1. Bóc lấy vỏ, làm sạch, thái nhỏ 1.2. Sấy bơm nhiệt
1.3.Bảo quản ở điều kiện thoáng mát
1.Xử lý nguyên liệu
2. Chiết trong điều kiện:
Nồng độ cồn 60%
Tỷ lệ nguyên liệu/ dung môi:
1/20
2. Ngâm chiết Anthocyanin
Hình 3.8. Quy trình chiết tách anthocyanin
Thuyết minh quy trình:
Nguyên liệu:
- Nguyên liệu được thu mua ở các vùng Lái Thiêu (Bình Dương), An Bình (Bình Dương), Cầu Kè (Trà Vinh), Cần Thơ vào tháng 8 năm 2016.
Xử lý nguyên liệu:
- Măng cụt sau khi thu mua được tách lấy vỏ, rửa làm sạch, thái nhỏ, sau đó được sấy ở chế độ sấy bơm nhiệt (40oC, 6h), vỏ quả sau sấy được đóng gói trong túi nilong bảo quản ở nhiệt độ thường tránh ánh sáng.
Ngâm chiết anthocyanin:
- Mục đích: tách anthocyanin thô ra khỏi nguyên liệu vỏ quả măng cụt.
- Thiết bị sử dụng: bể ổn nhiệt.
- Ngâm chiết trong ethanol 60o bổ sung 1,5% HCl, tỷ lệ dung môi:nguyên liêu là 20:1, nhiệt độ 55oC, thời gian 70 phút.
Lọc:
- Mục đích: thu lấy dịch chiết
- Thiết bị sửa dụng: lọc chân không 3. Lọc chân không
4. Cô quay trong điều kiện: 60oC, thời gian 3h,
Kết tủa 4. Cô quay dịch chiết
Anthocyanin thô dạng cao
Cô quay dịch chiết:
- Mục đích: đuổi hết cồn và đuổi bớt nước ra khỏi dịch chiết để thu được cao măng cụt có chứa anthocyanin.
- Thiết bị sử dụng: hệ thống cô quay chân không
- Dịch chiết được cô quay trong 3giờ, ở nhiệt độ 60oC, dịch sau cô quay để lắng trong 2giờ thu được anthocyanin dạng cao màu đỏ tím và kết tủa màu vàng nhạt.
Anthocyanin dạng cao:
- Sau cô quay và để lắng ta thu được anthocyanin thô dạng cao
- Cao sau thu được được bảo quản trong lọ thủy tinh tối màu có mút cao su.