Đang tải... (xem toàn văn)
Tối ưu hóa úa trình chiết tách chất màu từ bắp cải tím trong môi trường trung tính
Tối Ưu Hoá Quá Trình Chiết Tách Chất Màu Anthoyanin Từ Bắp Cải Tím Trong Môi Trường Trung Tính THE OPTIMAL PROCESS OF PIGMENT ANTHOCYANIN EXTRACTION FROM VIOLET CABBAGE IN NEUTRAL ENVIROMENT Huỳnh Thị Kim Cúc Trường Cao đẳng Lương thực Thực phẩm Đà Nẵng Nguyễn Thị Lan, Châu Thế Liễu Trang Trường Đại Học Bach Khoa TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu điều kiện chiết tách chất màu anthocyanin từ bắp cải tím, trong môi trường trung tính. Bằng phương pháp tối ưu hóa hàm đa mục tiêu đã tìm được các điều kiện công nghệ chiết tách để thu được chất màu anthocyanin có hàm lượng và độ màu cao, bao gồm: Nhiệt độ chiết 29 0 C; Thời gian chiết 54 phút; Hệ dung môi nước/ethanol có tỷ lệ nước 72%. Với điều kiện này thu được: hàm lượng anthocyanin 1,110%; độ màu 4,967. ABSTRACT In this paper, we present the research results of the condition for pigment anthocyanin extraction from violet cabbage in neutral enviroment. Using the optimal method of multi- target function, we determined the extracting conditions to receive pigment anthocyanin with high colour degree and content, which include extracting temperature 30 0 C; extracting time 54 minutes and using solven water/ethanol having 72 percent of water. Under these conditions, we obtain anthocyanin with content 1,110%; colour degree 4,967. 1. Mở đầu Bắp cải tím có xuất xứ từ Địa Trung Hải, hiện nay đã được nhân rộng khắp thế giới. Được trồng phổ biến ở Nhật Bản, hằng năm thu được khoảng 150 triệu tấn. Trong những năm gần đây, bắp cải tím đã du nhập vào nước ta và được trồng phổ biến ở Đà Lạt. Theo nghiên cứu của tác giả [2] bắp cải tím có chứa hàm lượng chất màu anthocyanin tương đối cao, vì vậy chúng không những dùng làm một loại rau dùng cho bữa ăn hàng ngày, mà còn có thể là một nguồn nguyên liệu dồi dào để thu nhận và sử dụng chất màu tự nhiên anthocyanin. Vì vậy chúng tôi tiến hành nghiên cứu tìm điều kiện chiết tách tối ưu để thu được chất màu anthocyanin có hàm lượng và độ màu cao từ loại nguyên liệu này. 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1. Nguyên liệu Bắp cải tím mua ở chợ Hàn - Đà Nẵng đem rửa sạch, thái nhỏ, cân mỗi phần 10 g bảo quản ở nhiệt độ -20 0 C dùng làm mẫu nghiên cứu. 2.2.Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp chiết tách, làm sạch anthocyanin 2.2.2. Phương pháp hóa lý Xác định hàm lượng anthocyanin bằng phương pháp pH vi sai [2] [5] Xác định độ màu của anthocyanin [3]: Tiến hành đo mật độ quang A ở pH = 1 tại bước sóng λ max và bước sóng 420 nm, độ màu tính theo công thức: Độ màu = 420 A A maxλ (2.1) 2.2.3. Phương pháp toán học * Chọn phương pháp qui hoạch trực giao cấp I [1]: Tổ chức thí nghiệm TYT2 k ; Với 2 mức của các yếu tố; k là các yếu tố ảnh hưởng, k = 3. Chọn mô tả toán học: Y = b 0 +b 1 x 1 +b 2 x 2 + b 3 x 3 + b 12 x 1 x 2 +b 23 x 2 x 3 +b 13 x 1 x 3 +b 123 x 1 x 2 x 3 (2.2) Trong đó: b 0: Hệ số tự do b 1, b 2, b 3: Hệ số tuyến tính b 12, b 23, b 13: Hệ số tương tác đôi b 123: Hệ số tương tác ba * Tối ưu hoá từng hàm mục tiêu riêng lẻ bằng phương pháp dốc đứng của Box và Wilson Gồm các bước: + Chọn bước chuyển động j δ của các yếu tố có ∆ j .b j max; j δ - (0,3 ÷ 0,7) ∆ j + Bước chuyển động của các yếu tố còn lại được tính theo công thức (2.3) j δ = j δ . (2.3) Trong đó: ∆ j : Khoảng biến thiên của yếu tố thứ j bj: Hệ số tuyến tính trong phương trình hối qui * Tối ưu hoá hàm đa mục tiêu bằng chập tuyến tính: Gồm các bước sau + Xây dựng từng hàm mục tiêu. + Tìm nghiệm tối ưu cho từng hàm mục tiêu + Chọn hệ số quan trọng α cho từng hàm mục tiêu + Thực hiện thí nghiệm leo dốc cho hàm chập tuyến tính và tìm nghiệm tối ưu bi . ∆ i bj . ∆ j 3. Kết quả và thảo luận Với mục tiêu tìm điều kiện chiết tách tối ưu để thu nhận anthocyanin có hàm lượng và độ màu cao. Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa từng hàm mục tiêu riêng biệt sau đó tối ưu hóa hàm 2 mục tiêu (hàm lượng và độ màu của anthocyanin) bằng chập tuyến tính. 3.1. Các bước thực hiện bài toán quy hoạch * Chọn các yếu tố ảnh hưởng: Z 1 : Nhiệt độ chiết, 0 C; Z 2 : Thời gian chiết, phút; Z 3 : Tỷ lệ nước trong hệ dung môi,%. Chọn các hàm mục tiêu Y 1 : hàm lượng anthocyanin, % (Y 1 → Max); Y 2 : độ màu (Y 2 → Max) Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y 1 = f (Z 1 , Z 2 , Z 3) ; Y 2 = (Z 1 , Z 2 , Z 3 ) * Chọn miền khảo sát: Theo nghiên cứu [4] chúng tôi chọn miền khảo sát của các yếu tố là: + Hệ dung môi có tỷ lệ nước: ethanol (phần trăm theo thể tích) từ 70/30÷ 50/50 + Nhiệt độ chiết từ 30÷40 0 C + Thời gian chiết trong khoảng 45÷75 phút Từ đó xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 3.1 Bảng 3.1: Điều kiện thí nghiệm được chọn Các yếu tố ảnh hưởng Các mức Z 1 , 0 C Z 2 , phút Z 3 , %V Mức trên (+1) 40 75 70 Mức cơ sở (0) 35 60 60 Mức dưới (-1) 30 45 50 Khoảng biến thiên 5 15 10 * Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp I (TYT 2 k ) thực nghiệm yếu tố toàn phần 2 mức, k yếu tố ảnh hưởng. Phương trình hồi qui có dạng: Y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 + b 3 x 3 + b 12 x 1 x 2 + b 13 x 1 x 3 + b 23 x 2 x 3 + b 123 x 1 x 2 x 3 (3.1) Trong đó: x 1 : Nhiệt độ chiết; x 2 : Thời gian chiết; x 3 : Tỷ lệ nước trong hệ dung môi. * Tổ chức thí nghiệm trực giao cấp I: Để nhanh chóng tiến tới miền tối ưu, chúng tôi tiến hành 11 thí nghiệm điều kiện đã chọn ở bảng (3.1). Trong đó số thí nghiệm của phương án là 2 k = 8, (k = 3), số thí nghiệm ở tâm là 3. Kết quả thí nghiệm được ghi ở bảng (3.2). Bảng 3.2: Kết quả và điều kiện thí nghiệm ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k=3 Biến mã Hàm mục tiêu STT x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 1 x 2 x 3 Y 1 Y 2 1 + + + + + + + 0,975 3,433 2 - + + - - + - 1,102 4,525 3 + - + - + - - 0,849 4,255 4 - - + + - - + 1,109 4,987 5 + + - + - - - 0,854 2,007 6 - + - - + - + 0,717 3,988 7 + - - - - + + 0,944 3,205 Số thí nghiệm trong phương án 2 k 8 - - - + + + - 0,813 3,767 9 0 0 0 0 0 0 0 0,915 3,834 10 0 0 0 0 0 0 0 0,945 3,991 Số thí nghiệm ở tâm 11 0 0 0 0 0 0 0 0,955 3,773 3.2. Xây dựng mô tả toán học và tối ưu hoá hàm mục tiêu hàm lượng anthocyanin * Chọn phương trình hồi qui (3.1), dựa vào kết quả ở bảng 3.2, sau khi tính toán kiểm định sự phù hợp của phương trình hồi qui với thực nghiệm, ta thu được phương trình hồi qui dạng tuyến tính: Y 1 = 0,9208 - 0,07x 1 + 0,04875x 2 + 0,088x 3 (3.2) * Tiến hành tối ưu hoá thực nghiệm bằng phương pháp dốc đứng + Tính các bước chuyển động j δ : Từ mức cơ sở Z 0 j và phương trình hồi qui tuyến tính chúng tôi tính bước chuyển động cho mỗi yếu tố. Kết quả được ghi ở bảng 3.3. Bảng 3.3. Kết quả tính bước chuyển động j δ của các yếu tố Các chỉ tiêu Z 1 , 0 C Z 2 , phút Z 3 , %V Mức cơ sở 35 60 60 Khoảng biến thiên ( j ∆ ) 5 15 10 Hệ số bj -0,070 0,048 0.088 bj j ∆ -0,350 0,731 0,88 Bước chuyển động ( j δ ) -1,980 4,150 5 Làm tròn bước chuyển động ( j δ ) -2 4 5 Chọn bước chuyển động = 3 δ 0,5 . 3 ∆ = 0,5.10 = 5. Các bước chuyển động của yếu tố x 1 , x 2 được tính theo công thức (3.1) và (3.2): 33 11 31 ∆ ∆ = b b δδ = -1,98 (3.1); 33 22 32 ∆ ∆ = b b δδ = 4,1 (3.2) + Tổ chức thí nghiệm leo dốc: Từ kết quả các bước chuyển động j δ ở bảng (3.3), chúng tôi tổ chức thí nghiệm leo dốc, xuất phát từ tâm thực nghiệm theo hướng đã chọn. Kết quả được biểu diễn ở bảng 3.4. Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc đứng Các yếu tố ảnh hưởng Hàm mục tiêu Thí nghiệm Z 1 Z 2 Z 3 Y 1 Y 2 1(TN tại tâm) 35 60 60 0,927 2 33 64 65 0.962 3 31 68 70 0,985 4 29 72 75 1,113 4,720 5 27 76 80 0,997 Kết quả ở bảng 3.4 cho thấy thí nghiệm 4 có hàm lượng anthocyanin cao nhất (1,113%), tương ứng với nhiệt độ chiết 29 0 C, thời gian chiết 72 phút, tỷ lệ nước trong hệ dung môi là 75%. Tại thí nghiệm này độ màu của anthocyanin là 4,720. Đây chưa phải là độ màu cao nhất, vì thế, chúng tôi tiến hành tìm điều kiện chiết tách tối ưu để thu được anthocyanin có độ màu cao. 3.3. Xây dựng mô tả toán học và tối ưu hoá hàm mục tiêu độ màu * Từ phương trình hồi qui (3.1), dựa vào kết quả ở bảng 3.1, sau khi tính toán kiểm định sự phù hợp của phương trình hồi qui với thực nghiệm, ta thu được phương trình hồi qui (3.3): Y 2 = 3,7709 - 0,55x 1 – 0,2826x 2 + 0,5291x 3 – 0,2224x 1 x 2 (3.3) * Tiến hành tối ưu hoá thực nghiệm bằng phương pháp dốc đứng + Tính các bước chuyển động j δ : Từ mức cơ sở Z 0 j và phương trình hồi qui tuyến tính chúng tôi tính bước chuyển động cho mỗi yếu tố tương tự mục 3.2. Kết quả được ghi ở bảng 3.5. Bảng 3.5: Tính bước chuyển động j δ của các yếu tố Các chỉ tiêu Z 1 , 0 C Z 2 , phút Z 3 , %V Mức cơ sở 35 60 60 Khoảng biến thiên ( j ∆ ) 5 15 10 Hệ số bj -0,55 -0,2826 0,5291 bj j ∆ -2,57 -4,239 5,29 Bước chuyển động ( j δ ) -2,07 -3,2 4 Làm tròn bước chuyển động ( j δ ) -2 -3 4 + Tổ chức thí nghiệm leo dốc: Từ kết quả các bước chuyển động j δ ở bảng (3.5), chúng tôi tổ chức thí nghiệm leo dốc, xuất phát từ tâm thực nghiệm theo hướng đã chọn. Kết quả được biểu diễn ở bảng 3.6. Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc Các yếu tố ảnh hưởng Hàm mục tiêu Thí nghiệm Z 1 Z 2 Z 3 Y 2 Y 1 1(TN tại tâm) 35 60 60 3,991 2 33 57 64 4,403 3 31 54 68 4,927 4 29 51 72 5,001 0,975 5 27 48 75 4,872 Từ kết quả ở bảng 3.6. Chúng tôi nhận thấy tại thí nghiệm 4 cho độ màu cao nhất (5,001), tương ứng với điều kiện công nghệ là nhiệt độ 29 0 C, thời gian 51 phút, tỷ lệ nước trong hệ dung môi 72%. Đồng thời tại thí nghiệm này, chúng tôi xác định hàm lượng anthocyanin là 0,975. 3.4. Tối ưu hoá hàm đa mục tiêu bằng phương pháp chập tuyến tính Quá trình chiết tách chất màu anthocyanin có độ màu cao từ bắp cải tím được đặc trưng bởi hai phương trình (3.2), (3.3). Hai phương trình này thể hiện sự tác động của các yếu tố công nghệ đến hàm lượng và độ màu anthocyanin thu được. Thực tế không thể có một nghiệm chung cho cả hai quá trình để đạt được Y 1max , Y 2max mà chỉ tìm được nghiệm thoả hiệp (x 1 , x 2 , x 3 ) để các giá trị Y 1 , Y 2 nằm gần Y 1max , Y 2max . * Phương pháp chập tuyến tính: Chúng tôi lựa chọn mối quan hệ giữa hàm chập tuyến tính (Y L ) và các hàm Y 1 và Y 2 như sau: Y L = 1 α Y 1 + 2 α Y 2 (3.4) Trong đó: + 1 α là hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu hàm lượng (Y 1 ); Chọn 1 α = 0,6 + 2 α là hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu độ màu (Y 2 ); Chọn 2 α = 0,4 Ta có phương trình hàm đa mục tiêu: Y L = 0,6Y 1 + 0,4Y 2 (3.5) Dựa vào các hàm mục tiêu (3.2) và (3.3) ta có phương trình hồi quy của hàm chập: Y L = 2,06 – 0,262x 1 - 0,08379x 2 + 0,2644x 3 – 0,222x 1 x 2 (3.6) * Tiến hành tối ưu hóa hàm đa mục tiêu + Tính các bước chuyển động j δ : Kết quả được biểu diễn ở bảng 3.7. Bảng 3.7. Tính bước chuyển động của các mức yếu tố Các chỉ tiêu Z 1 , 0 C Z 2 , phút Z 3 , %V Mức cơ sở 35 60 60 Khoảng biến thiên ( j ∆ ) 5 15 10 Hệ số bj -0,262 -0,08397 0,2644 bj j ∆ -1,31 -1,427 3 Bước chuyển động ( j δ ) -1,48 -1,427 3 Làm tròn bước chuyển động ( j δ ) -1,5 -1,5 3 + Tổ chức thí nghiệm leo dốc cho hàm mục tiêu Y L : Từ kết quả 3.7 chúng tôi tổ chức thí nghiệm theo hướng leo dốc để tìm điều kiện công nghệ có giá trị thực tiễn thích hợp cho cả hai hàm mục tiêu hàm lượng và độ màu. Kết quả thể hiện trên bảng 3.8 Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc của hàm chập Y L Các yếu tố ảnh hưởng Các hàm mục tiêu Thí nghiệm Z 1 Z 2 Z 3 Y 1 Y 2 Y L 1 (TN tại tâm) 35 60 60 0,927 3,991 2,149 2 33,5 58,5 63 0,943 4,403 2,287 3 32 57 66 0,972 4,911 2,548 4 30,5 55,5 69 0,983 4,952 2,553 5 29 54 72 1,110 4,967 2,659 6 28,5 52,5 75 0,915 4,500 2,397 Với các kết quả nghiên cứu phần (3.2), (3.3) và (3.4) chúng tôi biểu diễn hàm lượng anthocyanin và độ màu của các phương án thí nghiệm trên hình 3.1 như sau: Hình 3.1. Hàm lượng anthocyanin và độ màu theo các phương án thí nghiệm Dựa vào kết quả ở hình (3.1), chúng tối thấy khi tối ưu hoá từng hàm mục tiêu riêng biệt thì hàm lượng anthocyanin đạt cao nhất tại thí nghiệm 4 bảng (3.3) là 1,113% nhưng độ màu chỉ đạt 4,72. Thí nghiệm 4 bảng (3.5) thì độ màu cao nhất đạt 5,001, 1,113 0,975 1,11 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 Hàm lượng anthocyanin, % Y1Y2YL Phương án TN theo Y1 4,72 5,001 4,967 4,4 4,6 4,8 5 5,2 Độ màu Y1Y2YL Phương án TN theo Y2 2,556 2,585 2,659 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 Hàm mục tiêu YL Y1Y2YL Phương án TN theo YL nhưng hàm lượng anthocyanin chỉ đạt 0,975%. Theo kết quả ở bảng 3.8, tại thí nghiệm thứ 5 hàm chập Y L đạt giá trị lớn nhất Y Lmax = 2,659, tương ứng với hàm lượng anthocyanin đạt 1,110% (bằng 98,23% Y 1max ), độ màu đạt 4,967 (bằng 99,30% Y 2max ), điều đó có nghĩa là bằng phương pháp tối ưu hàm đa mục tiêu, chúng tôi đã tìm được điều kiện thí nghiệm tương đối tốt thoả mãn với yêu cầu đặt ra là thu được chất màu anthocyanin có hàm lượng và độ màu tương đối cao (Y 1 = 1,110%, Y 2 = 4,967). Vậy điều kiện công nghệ chiết tách được chọn là: chiết trong hệ dung môi nước/ethanol với hàm lượng nước là 72%, nhiệt độ chiết 29 0 C, thời gian chiết 54 phút. 4. Kết luận Qua những nghiên cứu trên chúng tôi nhận thấy: Nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ nước/ethanol là những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hàm lượng và độ màu của anthocyanin chiết từ bắp cải tím. Bằng phương pháp tối ưu hóa hàm đa mục tiêu, chúng tôi đã tìm ra được điều kiện cho quá trình chiết tách trong môi trường trung tính, để thu được chất màu anthocyanin từ bắp cải tím có hàm lượng và độ màu cao là: Nhiệt độ chiết 29 0 C; Thời gian chiết 54 phút; Hệ dung môi nước/ethanol có tỷ lệ nước 72%. Với điều kiện này (tương ứng với thí nghiệm 5 bảng 3.8) thì thu được: hàm lượng anthocyanin 1,1107%; độ màu 4,967. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Cảnh, Quy hoạch thực nghiệm, Trường ĐHBK TP Hồ Chí Minh, 1993. [2] Huỳnh Thị Kim Cúc, Nguyễn Thị Lan, và cộng sự, Xác định hàm lượng anthocyanin trong một số nguyên liệu rau quả bằng phương pháp pH vi sai, Tạp Chí Khoa Học và Công Nghệ, Đại Học Đà Nẵng - Số 3(7)-2004, trang 47÷54. [3] Nguyễn Thị Lan, Trần Thị Xô, Huỳnh Thị Kim Cúc, Độ bền màu anthocyanin từ là tía tô và ứng dụng trong chế biến thực phẩm, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại Học Đà Nẵng số 2/2004. [4] Châu Thể Liễu Trang, Thu nhận và sử dụng chất màu anthocyanin từ bắp cải tím, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2005. Anthocyanin content in violet cabbage colour by pH – Diferenttial Spectrophotometry- INA Method 116.000.