ứng dụng sóng siêu âm để xử lý dứa trong sản xuất nước ép trái cây

Ảnh hưởng của năng lượng sóng siêu âm, thời gian xử lý và nhiệt độ sonication đến hiệu suất trích ly sẽ được khảo sát.. Cho đến nay, không có nghiên cứu nào ứng dụng của sóng siêu âm tro

1

MỤC LỤC

1.TỔNG QUAN 2

2.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 13

2.1 Quy trình công nghệ 13

2.2.Giải thích quy trình công nghệ 14

3 TÍNH TOÁN- NHẬN XÉT 18

3.1.Các số liệu thí nghiệm: 18

3.2.Kết quả: 18

3.3.Đề nghị: 20

2

1.TỔNG QUAN

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM ĐỂ XỬ LÝ DỨA TRONG SẢN XUẤT

NƯỚC ÉP TRÁI CÂY Tóm tắt: Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng của sóng siêu âm để xử lý dứa trong

quy trình sản xuất nước ép quả Ảnh hưởng của năng lượng sóng siêu âm, thời gian xử lý

và nhiệt độ sonication đến hiệu suất trích ly sẽ được khảo sát Kỹ thuật sonication với dứa trong quy trình nước trái cây làm tăng hiệu suất trích ly 10.8% so với không xử lý bằng sóng siêu âm Ngoài ra, sử dụng sóng siêu âm xử lý dứa làm tăng hàm lượng đường, acid tổng, hợp chất phenolic và vitamin C trong nước dứa thành phẩm

Từ khóa: Ananas comosus, juice, mash, treatment, ultrasound

Giới thiệu:

Dứa (Ananas cosmosus) là một trong các loại trái cây nhiệt đới phổ biến nhất Loại quả

này có thể sử dụng tươi hoặc chế biến với nhiều hình thức khác nhau và nước dứa là một

sản phẩm phổ biến bởi vì hương vị dễ chịu của nó (Rattanathanalerk et al.,2005) Trong

quy trình sản xuất nước trái cây, hiệu suất trích ly là một thông số công nghệ quan trọng (McLellan và Padilla-Zakour, 2005) Nó là tỷ lệ giữa hàm lượng chất hòa tan trích ly trong nước dứa thu được và hàm lượng tổng chất rắn trong nguyên liệu thực vật sử dụng

để sản xuất Về nguyên tắc, hiệu suất trích ly cao thì mất mát thấp trong quá trình sản xuất và hiệu quả kinh tế cao hơn trong quy trình sản xuất

Chất hòa tan trích ly trong nước trái cây chủ yếu nằm ở tế bào chất của trái cây tươi (Rutledge, 1996) Bắt đầu quy trình với quá trình nghiền, đó là bước phá vỡ cấu trúc và thành tế bào Sau đó tách dịch bào bằng cách ép (McLellan và Padilla-Zakour, 2005) Xử

lý enzyme được biết đến như là một phương pháp làm tăng cường sự phá vỡ của mô trái

và cải thiện hiệu suất thu dịch bào (Kashyap et al., 2001) Tuy nhiên, xử lý enzyme với

trái cây không thể sử dụng cho sản phẩm chất lượng cao, đồng nhất, nước dứa đục và trong, bảo tồn hương vị tươi là yêu câu bắt buộc (McLellan và Padilla-Zakour, 2005)

3

Trong thập niên vừa qua, ứng dụng sóng siêu âm trong trích ly được quan tâm ngày càng nhiều Sóng siêu âm được sử dụng trong trích ly nguyên liệu thực vật nhờ nâng cao hiệu

suất trích ly và giảm thời gian trích ly (Tome et al., 2001; Kamaljit et al., 2008) Có rất

nhiều nghiên cứu về ứng dụng của sóng siêu âm trong trích ly, tuy nhiên nhiều tác giả chỉ

chú ý đến các thành phần có giá trị chắc chắn trong thực vật như saponin (Wu et al., 2001), anthocyanin (Chen et al., 2007), rutin ( Paniwynk et al., 2001), isoflavone (Lee và Lin, 2007), lycopene (Chemat et al., 2004), dầu (Sharma và Gupta, 2006), xyloglucan (Caili et al., 2006) Trong quy trình sản xuất nước trái cây, thành phần chất hòa tan trong

thịt quả phải được thu hồi hoàn toàn nhằm cải thiện hiệu suất trích ly Gần đây, một nghiên cứu đã công bố rằng việc áp dụng kỹ thuật sonication trên nho làm tăng hiệu suất thu dịch bào do khả năng trích ly đồng thời nhiều hợp chất hòa tan từ tế bào thực vật (Lieu và Le, 2010)

Cho đến nay, không có nghiên cứu nào ứng dụng của sóng siêu âm trong sản xuất nước dứa cho việc cải thiện hiệu quả quá trình trích ly Mục tiêu của nghiên cứu này là khảo sát sự ảnh hưởng bởi các tính chất của sóng siêu âm đến hiệu suất trích ly của quá trình sản xuất nước dứa nhằm tối ưu hoá hiệu suất trích ly và các chất hóa lý của nước trái cây thu được bằng việc ứng dụng sóng siêu âm

Nguyên liệu và phương pháp

Nguyên liệu:

Dứa (Ananas comusus, Cayen variety) sử dụng trong nghiên cứu có nguồn gốc từ nông

trại ở Bến Lức, Việt Nam Dứa được phân loại, rửa và nghiền trong thiết bị xay (National, T1GN, Hồ Chí Minh, Việt Nam) Sau đó, dứa xay nhuyễn được sử xử lý bằng

sóng siêu âm

Phương pháp thí nghiệm

Mẫu 100g dứa đã xay nhuyễn được sử dụng trong thí nghiệm Mẫu được cho vào cốc 250mL Xử lý bằng sóng siêu âm được tạo bởi một cảm biến sóng siêu âm (Sonics và Materials Inc., VC 750, Newtown, USA) Thiết bị này thường hoạt động ở tần số 20kHz

4

với nguồn sóng siêu âm có công suất tối đa là 750W Nhiệt độ được hiệu chỉnh bằng cách đặt cốc chứa mẫu vào trong bể nước điều nhiệt (Memmert, WNB 45, Yogyakarta, Indonesia)

Ảnh hưởng của các đặc tính sóng siêu âm đến hiệu suất trích ly khi sản xuất nước dứa

Ảnh hưởng này được khảo sát qua 3 thí nghiệm:

Thí nghiệm 1: Công suất sóng siêu âm được thay đổi từ 0 đến 300W Việc xử lý thực hiện ở nhiệt độ thường Thời gian xử lý được ấn định là 1 phút

Thí nghiệm 2: Thời gian xử lý được thay đổi từ 0 đến 5 phút Công suất sóng siêu âm ấn định ở 225W Tiến hành ở nhiệt độ thường

Thí nghiệm 3: Nhiệt độ sonication thay đổi trong khoảng từ 30 đến 800C Công suất sóng siêu âm và thời gian xử lý tương ứng là 225W và 2 phút

Sau khi xử lý bằng sóng siêu âm, huyền phù được ly tâm 6,500 vòng trong 10 phút bằng máy ly tâm lạnh (Sartorius, Sigma 3K30, Geneva, Switzerland) và phần nổi trên bề mặt

có thể thu thập để phân tích thêm Trong tất cả các thí nghiệm, mẫu chuẩn là mẫu không

xử lý bằng sóng siêu âm 100g dứa đã qua nghiền được ép trong máy ép trục vít (Oekotec, CA59G, Monchengladbatch, Germany) để tách dịch quả Dịch quả thu được sẽ được ly tâm 6500 vòng trong 10 phút bằng máy ly tâm lạnh và phần bã sẽ được thu thập

để phân tích thêm

Xác định hiệu suất trích ly tối đa trong sản xuất nước dứa ứng dụng sóng siêu âm bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

Phương pháp bề mặt đáp ứng được sử dụng để ước tính hiệu suất trích ly lớn nhất trong quy trình sản suất nước dứa ứng dụng sóng siêu âm Bề mặt đáp ứng được biểu diễn bởi một phương trình bậc hai để từ đó xác định năng lượng sóng siêu âm và thời gian xử lý nhằm thu được hiệu suất trích ly tối đa Ta thí nghiệm ở 5 mức , sử dụng phần mềm Modde phiên bản 5.0 để quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu Mô hình thiết kế thực

5

nghiệm ( Bảng 1) có 11 điểm thử nghiệm bao gồm 4 điểm thừa, 4 điểm trục và 3 điểm trung tâm

Trong thí nghiệm này, nhiệt độ xử lý bằng sóng siêu âm cố định ở 400C Ta tiến hành chuẩn bị mẫu, sau đó chia mẫu thành 2 phần Một phần mẫu có sử dụng kỹ thuật sonication đề trích ly và một phần không xử lý với sóng siêu âm dùng làm mẫu đối chứng

để so sánh hiệu suất trích ly trong sản xuất nước dứa ép khi có và không có trích ly bằng sóng siêu âm

Bảng 1 Mô hình thí nghiệm và hiệu suất trích ly trong sản xuất nước dứa với sự hỗ trợ

của sóng siêu âm

Lần thực hiện X1 – Năng lượng

sóng siêu âm W

X2 - Xử lý thời gian ( phút )

Y - Hiệu suất (%)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

187.5 262.5 187.5 262.5 171.975 278.025

225

225

225

225

225

1

1

3

3

2

2 0.59 3.41

2

2

2

78.6 81.3 82.9 84.9 79.6 84.9 79.2 84.6 84.5 84.5 84.6

Đánh giá một số tính chất hóa lý của nước dứa thu được bằng sự hỗ trợ vi sóng trong quá trình trích ly

Trong phần thí nghiệm này, các thông số được cố định là: Năng lượng sóng siêu âm 247.4W, nhiệt độ xử lý 400C, và thời gian thực hiện là 2.7 phút Sau khi xử lý bằng sóng siêu âm, huyền phù được ly tâm Mẫu thu được đem phân tích cụ thể về đường tổng, acid tổng, phenolic tổng và vitamin C Một mẫu chuẩn không có xử lý sóng siêu âm được thực hiện đồng thời với cùng các điều kiện khác

6

Phương pháp phân tích:

Hiệu suất trích ly trong phương pháp trích ly có và không có sử dụng sóng siêu âm (Y,

%w/w) được tính toán theo công thức sau:

Với m1 là khối lượng dứa ban đầu, W là thành phần ẩm (%) trọng lượng dứa ban đầu; m2

là khối lượng (g) nước dứa thu được sau khi ly tâm, và C là hàm lượng chất hòa tan trích

ly (g) trong nước dứa thu được sau khi ly tâm

Ẩm và chất hòa tan trích ly được định lượng bằng phương pháp sấy (Bradley, 2003) Tổng hàm lượng đường của nước dứa được xác định bằng phương pháp quang phổ, sử dụng thuốc thử 3,5 – dinitrosalicylic acid (BeMiller, 2003) Acid tổng được thể hiện tương đương với hàm lượng acid citric (g/L), và xác định bằng phương pháp chuẩn độ, sử

dụng dung dịch NaOH 0.1N (Cliff et al.,2007) Phenolic tổng được đánh giá bằng phương pháp quang phổ, sử dụng thuốc thử Folin-Ciocalteu (Luque-Rodriguez et

al.,2007) Vitamin C trong dịch quả được định lượng bằng phương pháp chuẩn độ với

dung dịch iot (Suntornsuk et al., 2002)

Phân tích thống kê

Tất cả các thí nghiệm được tiến hành 3 lần Các số liệu được thống kê theo phương pháp chuẩn để kiểm định sự khác biệt có ý nghĩa (p<0.05) của các thông số giữa các thí nghiệm Phân tích phương sai được thực hiện trên phần mềm Statgraphics plus, phiên bản 3.2

KẾT QUẢ - THẢO LUẬN:

Ảnh hưởng của biện pháp xử lý bằng sóng siêu âm đến hiệu suất trích ly nước quả dứa

7

Sự phụ thuộc của công suất sóng siêu âm đến hiệu suất trích ly nước quả dứa được thể hiện ở hình 1:

Hình 1: Ảnh hưởng của công suất sóng siêu âm đến hiệu suất trích ly nước dứa Hiệu suất thu hồi ở các mẫu được xử lý bằng sóng siêu âm cao đáng kể hơn so với mẫu chuẩn Trong suốt quá trình xử lý, các bọt li ti được hình thành, phát triển và vỡ ra trong dung dịch nhờ vào sự biến đổi áp suất Chính sự tạo ra và phá vỡ bọt này khiến cho thành

tế bào, mô thịt của quả bị phá vỡ, việc giải phóng các hợp chất hoà tan vì thế cũng dễ dàng và nhanh chóng hơn Những quan sát tương tự gần đây cũng được báo cáo khi trích

ly nước nho bằng sóng siêu âm

Tăng công suất sóng siêu âm từ 0 lên 225W trên 100g dứa, hiệu suất thu được tăng 5.9%

Về mặt lý thuyết, công suất siêu âm càng lớn thì sự tạo thành và vỡ bọt càng nhiều, hiện tượng này làm tăng khả năng phá vỡ tế bào và tốc độ chuyển khối sẽ cao hơn Nhiều nhà nghiên cứu khác cũng chứng minh tương tự trên các tế bào rau quả khác nhau Tuy nhiên, khi công suất sóng siêu âm lớn hơn 225W, số liệu thống kê cho thấy hiệu suất trích ly tăng không đáng kể Càng tăng về sau, lượng dịch quả giải phóng ra không nhiều, chi phí năng lượng lại tăng, mặc khác ta còn vô tình tạo điều kiện trích ly những hợp chất cao phân tử khác như pectin và hemicellulose trong tế bào quả, tăng độ nhớt, dẫn đến giảm

8

hiệu suất quá trình ép phía sau Do vậy, với mỗi loại quả khác nhau, cần chọn công suất phù hợp, hài hoà giữa mặt kinh tế và hiệu suất quá trình

Tác động của thời gian siêu âm đến hiệu suất trích ly được thể hiện ở hình 2

Hình 2: Khả năng tăng hiệu suất trích ly nước dứa trong suốt quá trình xử lý bằng sóng

siêu âm Sau 2 phút xử lý bằng sóng siêu âm, hiệu suất tăng 9.8% Khi kéo dài thời gian hơn 2 phút thì hiệu suất thay đổi không mấy đáng kể Vì vậy, trong bài nghiên cứu này, thời gian tối thích để trích ly nước dứa là 2 phút Ở những nguyên liệu khác, thời gian trích ly dài hơn, như đối với Penggan (Citrus reticulata), việc trích ly hesperidin trong thịt quả mất 60 phút, anthraquinone trong rễ Morinda citrifolia phải mất 15 phút Nói chung, tuỳ vào khối lượng nguyên liệu ta sử dụng trong thí nghiệm, nhiệt độ và công suất sóng siêu

âm mà thời gian xử lý tối thích sẽ khác nhau

Hình 3, thể hiện tác động của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly nước dứa Khi nhiệt độ tăng

từ 30 lên 400C, hiệu suất quá trình tăng nhẹ, 84-84.5%, nhiệt độ trong khoảng 40-600C, theo như khảo sát thì hiệu suất đạt ổn định Trái lại, khi nhiệt độ cao hơn, tức 70-800C, hiệu suất giảm dần

9

Hình 3: Tác động của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly nước dứa Theo Patist and Bates (2008), nhiệt độ cao làm suy giảm khả năng vỡ bọt do áp suất khí cao Tuy nhiên, nhiệt độ càng cao thì số lượng bọt hình thành và vỡ càng nhiều, chưa kể

độ nhớt dung dịch giảm, dẫn đến hiện tượng vỡ bọt càng mãnh liệt Vì vậy, cần chọn nhiệt độ tối thích, trong thí nghiệm này, hiệu suất cao nhất khi nhiệt độ xử lý trong khoảng 40-600C, vậy 400C được xem là nhiệt độ tối thích Ứng dụng siêu âm trên các nguyên liệu khác nhau thì nhiệt độ tối thích để đạt được hiệu suất cao nhất sẽ khác nhau,

do cấu trúc tế bào chúng khác nhau về thành phần hoá học, tính chất vật lý Bên cạnh đó, nhiệt độ khi xử lý bằng sóng siêu âm thấp, một số mặt lợi cũng được chú ý như chi phí năng lương thấp, các chất nhạy cảm với nhiệt sẽ không bị ảnh hưởng nhiều

Xác định hiệu suất trích ly tối đa trong sản xuất nước dứa ứng dụng sóng siêu âm bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

Theo như các thí nghiệm trước, sử dụng nguồn sóng siêu âm 225W và trong thời gian 2 phút là điều kiện chính của việc mô hình hóa Bảng 1 cho thấy hiệu suất trích ly mỗi lần thực hiện tuân theo quy hoạch thực nghiệm Phân tích hàm hồi quy đa biến thể hiện qua các dữ liệu thực nghiệm và các hệ số của mô hình được đánh giá có ý nghĩa theo kiểm

định Student Kết quả thu được cho thấy rằng hệ số tuyến tính (X1, X2) và hệ số bậc hai

(X12, X22) là có ý nghĩa (P <0.05) Hệ số tích có hướng bị loại ở phương trình rút gọn vì ảnh hưởng của nó là không đáng kể

10

Phân tích phương sai của mô hình đã được trình bày ở trên Hệ số hồi quy (R2) của mô hình là 0.968 cho thấy mô hình đã biểu diễn được mối liên hệ thực sự giữa các biến số đã chọn Phương trình cuối cùng thu được là:

2 2 2

1 2

525 1 533

Trong đó Y, X1, X2 lần lượt là hiệu suất nước dứa trích ly được nhờ sóng siêu âm (%), nguồn sóng siêu âm (W), thời gian sonication (phút) Đồ thị bề mặt đáp ứng có được sử dụng mô hình theo phương trình (1) có dạng như hình 4

Hình 4: Diện tích bề mặt đáp ứng cho thấy ảnh hưởng của năng lượng sóng siêu âm (W)

và thời gian thực hiện ( phút) đối với hiệu suất trích ly (%) trong sản xuất nước dứa với

sự hỗ trợ của sóng siêu âm

Theo phương trình (1), sự thay đổi năng lượng siêu âm hoặc thời gian sonication ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất trích ly Bên cạnh đó, ảnh hưởng của thời gian sonication là

11

lớn hơn so với cường độ sóng siêu âm Theo phương trình (1), hiệu suất trích ly đạt giá trị tối đa là 85.7% khi năng lượng sóng siêu âm là 247.4W và thời gian thực hiện là 2.7 phút

Để xác minh tính chính xác của mô hình, ta tiến hành 3 lần thí nghiệm độc lập ở điều kiện tối ưu Hiệu suất trích ly khi sử dụng sóng siêu âm là 831.8 % Còn trong điều kiện bình thường, hiệu suất thu được là 74.9% Như vậy, việc sử dụng sóng siêu âm đã tăng hiệu suất trích ly thêm 10.8% so với phương pháp trích ly thông thường

Đánh giá một số tính chất hóa lý của nước dứa thu được nhờ phương pháp trích ly có sử dụng sóng siêu âm

Các tính chất hóa lý của nước dứa thu được theo phương pháp trích ly thông thường được thể hiện trong bảng 2 Thành phần đường và acid hữu cơ trong nước ép trái cây (McLellan and Padilla-Zakour, 2005) Hàm lượng đường và acid hữu cơ thu được ở phương pháp có sử dụng sóng siêu âm lần lượt là 9.9% và 14.3% , cao hơn so với phương pháp thông thường Hơn nữa, lượng phenolic và vitamin C thu được trong nước dứa bằng phương pháp dùng sóng siêu âm tăng lần lượt là 45.3% và 17.2% Kết quả này phù hợp với những nghiên cứu trước đó về khả năng cải thiện lượng đường ( Lieu và Le, 2010), lượng acid hữu cơ (Palma và Barroso, 2002) và hợp chất phenolic (Kamaljit et al.,2008) trích ly được nhờ sóng siêu âm Điều đó có thể được giải thích là do sóng siêu âm tạo nên một tác dụng cơ học, cho phép dung môi xâm nhập tốt hơn vào bên trong mẫu, làm tăng

bề mặt tiếp xúc pha giữa pha rắn và pha lỏng, kết quả là chất tan dễ hòa vào dung môi hơn (Rostagno et al.,2003) Có thể kết luận rằng việc sử dụng sóng siêu âm làm tăng giá trị dinh dưỡng của dịch trích thu được Kết quả tương tự cũng thu được khi áp dụng đối với sản xuất nước ép nho (Lieu và Le, 2010)