điều kiện tối ưu hóa enzyme để làm sạch nước ép chuối bằng cách sử dụng phương pháp phản ứng bề mặt (rsm)

Ảnh hưởng của các phương pháp xử lý enzyme này lên tính lọc, độ trong, độ đục và độ nhớt của nước đã được nghiên cứu bằng cách thiết kế phương trình bậc hai.. Ứng dụng enzyme pectinase v

KHOA CNSH & KTMT

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU HÓA ENZYME ĐỂ LÀM SẠCH NƯỚC ÉP CHUỐI BẰNG CÁCH SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẢN ỨNG BỀ MẶT (RSM).

GVGD: ĐỖ THỊ HIỀN

MỤC LỤC

I. LỜI MỞ ĐẦU

Nước trái cây nhiệt đới đã trở nên quan trọng trong những năm gần đây do sự gia tăng tổng thể tiêu dùng nước trái cây tự nhiên thay thế cho đồ uống truyền thống chứa caffein như cà phê, chè hoặc nước ngọt có ga

Việt Nam là một trong những quốc gia có sản lượng chuối lớn trên thế giới, tuy nhiên chuối chủ yếu được dùng để ăn tươi và một ít xuất khẩu nên thường bị ứ đọng vào lúc chính vụ Với sản lượng lớn do thu hoạch đồng loạt nên vấn đề đặt ra là cần phải xử lý như thế nào để giải quyết tình trạng ứ đọng trên, đồng thời đảm bảo giá trị kinh tế, chất lượng dinh dưỡng, cung cấp thường xuyên cho người tiêu dùng và giải quyết tình trạng giá cả bấp bênh cho người trồng

Chuối, nước chuối hoặc như hỗn hợp với nước trái cây được đánh giá cao về hương

vị, được cạnh tranh rộng rãi trên thị trường Nước ép chuối cải thiện hệ tiêu hóa tuyệt vời vì trong chuối có hàm lượng chất xơ cao giúp tiêu hóa thức ăn tốt hơn, ngừa táo bón cho người lớn và trẻ em Chất pectin có trong chuối là một chất xơ hòa tan có tác dụng tốt trong việc duy trì mức cholesterol của cơ thể, giảm cholesterol xấu Thường xuyên uống nước ép chuối mỗi ngày làm giảm cơ hội của cơn đột quỵ Đặc biệt, hàm lượng kali cao trong chuối còn cải thiện và cân bằng huyết áp của bạn, rất tốt cho người huyết áp cao Uống nước ép chuối đều đặn hàng ngày sẽ cải thiện não bộ của bạn, đặc biệt là ở trẻ em Tryptophan có trong nước ép chuối rất hữu ích trong việc giảm căng thẳng và trầm cảm mà bạn đang gặp phải Tuy nhiên, nước ép chuối thô có màu đục, xám, rất nhớt và có xu hướng lắng xuống trong quá trình lưu trữ, do đó, nó phải được làm sạch trước khi đưa ra thị trường

Do điều kiện công nghệ bảo quản còn nhiều hạn chế nên để giữ được sản phẩm tươi trong thời gian dài rất khó khăn Chính vì vậy chuối cần được chế biến, biến đổi thành các dạng sản phẩm khác nhau để phục vụ nhu cầu người tiêu dùng đang ngày càng cấp thiết Và nectar là một dạng sản phẩm độc đáo làm từ nguyên liệu chuối Ngày nay đời sống kinh tế có nhiều cải thiện nên xu hướng sử dụng các sản phẩm trái cây ngày càng tăng Ngoài mục đích tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ thị trường, sản phẩm còn cung cấp chất dinh dưỡng và vitamin

II. TỔNG QUÁT VỀ ENZYME PECTINASE

II.1. Enzyme pectinase:

Pectin là polysaccharide dị thể, chủ yếu là một mạch chính gồm các gốc acid –α–D– 1,4 galacturonic, liên kết với nhau bằng liên kết 1,4–O glucozic còn gọi là acid polygalacturonic hay acid pectic Pectine hòa tan trong tự nhiên là ester metylic của acid pectic

Enzyme pectinase là một nhóm enzyme thủy phân pectin , sản phẩm của quá trình này là acid galacturonic, galactose, arabinose, methanol đây là một nhóm ezyme được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chỉ đứng sau amylase và protease

Trung tâm hoạt động của pectinase Enzyme pectinase chứa vùng có 8 – 10 vòng xoắn kép về phía phải với 2 vòng tạo thành khe liên kết với cơ chất Trung tâm hoạt động của enzyme này chứa axit amin Aspartate và Lysine Có 1 Histidine nằm gần trung tâm hoạt động sẽ ảnh hưởng đến khả năng xúc tác của enzyme Nhiệt độ tối ưu của enzyme pectinase khoảng từ 45 – 55 0C

III. ỨNG DỤNG ENZYME PECTINASE VÀO NƯỚC ÉP CHUỐI

III.1. Cơ chế tác dụng của enzyme lên nước trái cây

Trong chế biến nước quả, người ta sử dụng các chế phẩm enzym nhằm hai mục đích

cơ bản

- Phá vỡ thành tế bào thực vật nhằm nâng cao hiệu suất thu nước quả: Phá vỡ thành tế bào Tế bào thực vật được cấu tạo bằng vỏ tế bào (thành tế bào) Vỏ tế bào như một lớp thành bảo vệ rất hữu hiệu và tạo hình cho tế bào Ở vỏ tế bào thực vật có nhiều chất pectin, các chất pectin được xem như chất ciment gắn các tế bào với nhau Phá vỡ

sự gắn kết này sẽ tạo điều kiện cho các vật chất trong tế bào thoát ra khỏi tế bào Các chế phẩm enzym có chứa không chỉ pectinase mà còn chứa các enzym trong nhóm cellulase Các loại enzym này sẽ làm phá vỡ thành tế bào và giúp quá trình thu nhận dịch tế bào tốt hơn

- Làm trong và ổn định chất lượng nước quả: Nước quả sau khi được tách khỏi tế bào thường chứa nhiều chất khác nhau Trong đó chất pectin chiếm lượng đáng kể và pectin thường gây hiện tượng độ nhớt cao và gây đục nước quả

Ảnh hưởng của các phương pháp xử lý enzyme này lên tính lọc, độ trong, độ đục và

độ nhớt của nước đã được nghiên cứu bằng cách thiết kế phương trình bậc hai Hệ số xác định, R2 giá trị cho tính lọc, độ trong, độ đục và độ nhớt lớn hơn 0.900 Phân tích thống kê cho thấy tính lọc, độ trong, độ nhớt và độ đục đáng kể (p <0,05) tương quan với nồng độ enzyme, nhiệt độ và thời gian ủ Nồng độ enzyme là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc điểm của nước chuối vì nó ảnh hưởng đáng kể (p <0,01) đối với tất cả các biến phụ thuộc Sự gia tăng thời gian và / hoặc tập trung xử lý enzyme là kết hợp với sự gia tăng tính lọc và độ trong, và giảm độ đục và độ nhớt Dựa trên phương trình, Các điều kiện tối ưu để làm trong nước chuối là: 0,084% nồng độ enzyme, nhiệt độ ủ của 43,20C và thời gian ủ là 80 phút

III.2. Thành phần nước chuối ép

Trong sản xuất nước chuối, cũng như trong sản xuất nước quả và các nước uống không rượu, đều có thể sử dụng pectinase một cách rất hiệu quả Nhờ tác dụng của pectinase mà các quá trình ép, làm trong và lọc dịch quả rất dễ dàng, do đó làm tăng hiệu suất sản phẩm

Nước cốt chuối thô có màu đục, sệt và màu xám, nên được làm trong nhờ enzym bằng cách sử dụng phương pháp phản ứng bề mặt

Nước chuối được xử lý nhờ enzyme pectinase ở nồng độ enzym khác nhau (0,01-0,1%), nhiệt độ (30-50 ° C) và thời gian xử lý (30-120 phút) Nhờ pectinase phân giải các cơ chất pectin, làm các chất chiết trong dịch bào dễ thoát ra ngoài hơn, làm tăng hiệu suất chất chiết, hơn nữa dịch quả trong suốt không bị vẩn đục và lọc rất dễ dàng Không những vậy, enzym pectinase còn góp phần chiết rút được các chất màu, tanin

và những chất hòa tan nữa, do đó làm tăng thêm chất lượng của thành phẩm

III.3. Ứng dụng enzyme pectinase vào nước ép chuối

Độ đục và độ nhớt của nước chuối được gây ra chủ yếu là các polysaccharides như pectin và tinh bột Pectin làm cho quá trình làm sạch khó hơn vì cấu trúc phân tử dạng sợi Một số các nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng depectinization sử dụng Pectinase hiệu quả có thể làm sạch nước trái cây

Pectinase thủy phân pectin từ các Pectin-protein phức hợp Kết quả nước ép có một lượng pectin và độ nhớt thấp hơn, tạo điều kiện cho quá trình lọc tiếp theo

Trong quá trình lọc, pectin bám màng do đó là giảm lưu lượng Tiền xử lý bằng enzym

là làm giảm lượng pectin để tăng lưu lượng thẩm thấu trong các vi lọc, siêu lọc và thẩm thấu ngược của nước trái cây và các chất lỏng chứa pectin khác Vaillant et al (1999) cũng nghiên cứu ảnh hưởng của việc xử lý pectinase trong quá trình lọc Alvarez et al (1998) nghiên cứu ảnh hưởng của việc depectinization lên Nước ép táo

ép Pectinase đã được sử dụng để làm sạch cho nước cam quýt (Chamchong & Noomhorm, 1991), làm sạch nước táo (Girard & Fukumoto, 1999; Mondor, Girard, & Moresoli, 2000), làm sạch nước dứa (Carneiro, Sa, Gomes, Matta, & Cabral, 2002) trước khi đưa vào quá trình lọc

Mặc dù có nhiều báo cáo khác nhau về enzyme depectinization và hiệu quả của nó đối với lọc màng, nhưng rất ít báo cáo làm rõ việc tối ưu hóa việc sử dụng tiền chất pectinase để làm sạch nước ép Việc enzyme làm sạch bị ảnh hưởng bởi nồng độ của enzym, nhiệt độ và thời gian điều xử lý Công việc hiện tại là liên quan đến tối ưu hóa các thông số khác nhau ảnh hưởng đến tỷ lệ depectinization Những bất lợi lớn của tối

ưu hoá biến đơn lẻ là nó không bao gồm các hiệu ứng tương tác giữa các biến; do đó

nó không mô tả các hiệu ứng liên quan giữa các thông số khác nhau Để khắc phục vấn đề này, nghiên cứu tối ưu đã được thực hiện bằng cách sử dụng Phương pháp phản ứng bề mặt (RSM)

RSM là một kỹ thuật thống kê tổng quan để tối ưu hoá các quá trình phức tạp Các lý thuyết cơ bản các khía cạnh được RSM xem xét lại.RSM giảm số lượng thí nghiệm của các thử nghiệm cần đánh giá nhiều thông số và tương tác của chúng Nó ít tốn kém và thời gian hơn các cách khác Liên tục các thành công đã chứng minh rằng nó

có thể được sử dụng trong việc tối ưu hoá các thành phần

Trong nghiên cứu này, nồng độ enzyme, nhiệt độ và thời gian xử lý được chọn như là các biến độc lập để tối ưu hóa nước chuối khi sử dụng enzym pectinase Đây là chìa khóa các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế hoạt động của enzyme trong nước trái cây Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ enzyme, Nhiệt độ và thời gian xử lý trên tính lọc, độ đục, độ trong và độ nhớt, và tối ưu hóa làm sạch nước chuối bằng cách sử dụng RSM

IV. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

IV.1. Vật liệu

IV.1.1. Vật liệu thử nghiệm

Chuối chín hoàn toàn tại giai đoạn 7 (màu vàng hoàn toàn) đã được mua từ một cửa hàng địa phương

Các enzyme pectinolytic thương mại, Pectinex Ultra Enzyme ức chế SP-Land, AMG 300L, đã thu được Từ Quá trình lên men của Novo Nordisk (Thụy Sĩ)

IV.2.1. Quá trình chiết nước ép

Quả chuối đã được rửa sạch, bóc vỏ và cắt thành những mảnh nhỏ Nước ép được chiết xuất bằng nước nóng tỷ lệ 1: 2 Chiết nước ép được thực hiện ở 95 ° C trong 120 phút

IV.2.2. Xử lý bằng enzym

Nước ép được lọc qua vải, độ pH và tổng chất rắn hòa tan trong nước chuối thu được

là 4,6 và 9,3 tương ứng Nước chiết xuất chuối đã được xử lý bằng 0.02% AMG300Lamylase ở 60 ° C trong 1 giờ để thủy phân tinh bột Chiết xuất nước chuối

và sau đó được xử lý bằng enzym pectinase ở pH tự nhiên của nó là 4.6 Độ pH của nước được giữ ở pH tự nhiên và đã được loại khỏi thiết kế thực nghiệm RSM Đối với mỗi thí nghiệm, 400 ml nước trái cây đã được các enzyme xử lý ở điều kiện trong bảng 1( bảng 1 đâu)

Các biến độc lập cho xử lý bằng enzym là nồng độ enzyme Pectinase được sử dụng X1 (0,01-0,1%), nhiệt độ X2 (30- 50 ° C), và thời gian X3 (30-120 phút) Nhiệt độ xử

lý enzym được điều chỉnh theo mong muốn bằng cách sử dụng bồn nước Vào cuối

của Enzyme, enzyme trong mẫu đã được ngưng hoạt động bằng cách sưởi ấm hệ thống treo ở 90 ° C trong 5 phút trong một bồn nước Nước ép được xử lý ly tâm ở

3000 vòng trong 10 phút bằng máy ly tâm và thu thập phần nổi trên mặt nước

IV.2.3. Khả năng lọc

Nước ép ly tâm được lọc qua giấy lọc sử dụng máy hút chân không Eyela Khả năng lọc được xác định từ thời gian đảo ngược của thời gian để lọc 300 ml nước chuối được

xử lý enzym bằng lọc bằng chân không qua giấy lọc

IV.2.4. Độ trong

Sự rõ nét của nước đã thu được xác định bằng cách đo độ hấp thụ ở bước sóng 660 nm bằng quang phổ Shimadzu UV-VIS Nước cất được sử dụng làm dung dịch mẫu

IV.2.5. Độ đục

Độ đục của nước đã được xác định sử dụng một máy đo độ bão hòa xách tay và kết quả được báo cáo trong các đơn vị độ đục nephelometric (NTU)

IV.2.6. Độ nhớt

Độ nhớt của nước ép chuối đã làm sạch được xác định bằng cách sử dụng một máy đo

độ nhớt Brookfield ở tốc độ 100 vòng / phút với trục chính SC4-18

IV.3. Thiết kế thử nghiệm và phân tích thống kê

RSM đã được sử dụng trong việc thiết kế thí nghiệm này Phiên bản phần mềm AnECHIP 6 được sử dụng để tạo ra các thiết kế thực nghiệm, phân tích thống kê và

mô hình hồi quy Thiết kế trung tâm (CCD) với một mô hình bậc hai được sử dụng

Ba biến độc lập là nồng độ enzyme (x1), nhiệt độ (x2) và thời gian (x3) được chọn Mỗi biến độc lập có 3 cấp độ là -1, 0 và +1 Tổng cộng 19 kết hợp khác nhau (bao gồm 5 lần sao chép của mỗi điểm trung tâm thở dài giá trị mã 0) được chọn ngẫu nhiên theo cấu hình CCD cho ba yếu tố Thiết kế thực nghiệm ở mức độ biến mã (x)

và thực tế (X) của các biến được trình bày trong Bảng 1 Chức năng phản ứng (y) đo được là tính lọc, độ trong, độ đục và độ nhớt của nước chuối Các giá trị này có liên quan đến các biến mã (xi, i = 1, 2 và 3) bằng một đa thức bậc hai sử dụng phương trình dưới đây

Y= b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3+ b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b11x1 + b22x2 + b33x3

Các hệ số của đa thức được biểu diễn bởi b0 (thuật ngữ liên tục), b1, b2 và b3 (hiệu ứng tuyến tính), b11, b22 và b33 (các hiệu ứng bậc hai), và b12, b13 và b23 (tác động tương tác) Phân tích các bảng chênh lệch (ANOVA) đã được tạo ra và hệ số hồi quy

và hiệu quả của các thuật ngữ tuyến tính, bậc hai và tương tác được xác định Các ý nghĩa của tất cả các thuật ngữ trong đa thức được đánh giá theo thống kê bằng cách tính giá trị F ở xác suất (p) là 0.001, 0.01 hoặc 0.05 Các hệ số hồi quy sau đó được sử dụng để tính toán thống kê để tạo bản đồ đường viền từ các mô hình hồi quy

IV.4. Kết quả và thảo luận

IV.4.1. Phân tích thống kê

Các giá trị thử nghiệm về độ lọc, độ trong, độ đục và độ nhớt trong các điều kiện khác nhau được trình bày trong Bảng 2 Các hệ số hồi quy cho phương trình đa thức bậc hai

và kết quả cho các thuật ngữ tuyến tính, phương trình bậc hai và tương tác được trình bày trong Bảng 3 Giá trị R2 đối với độ lọc, độ trong, độ đục và độ nhớt là tương ứng

là 0,972, 0,968, 0,959 và 0,965 Giá trị R2 gần nhất với sự thống nhất, mô hình kinh nghiệm tốt hơn phù hợp với dữ liệu thực tế

Giá trị R2 càng nhỏ thì càng ít liên quan đến các biến phụ thuộc trong mô hình để giải thích sự thay đổi các điều kiện

IV.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ enzym, nhiệt độ và thời gian

Các điều kiện khác nhau ảnh hưởng đến enzym lên tính lọc, độ trong, độ đục và độ nhớt được báo cáo (Bảng 3) bằng hệ số các lần hiện tại thứ hai của trật tự Để hỗ trợ trực quan, các bề mặt phản ứng cho tính lọc, độ trong, độ đục và độ nhớt được thể hiện trong hình 1-4.Hình1 cho thấy bản đồ đường viền cho hiệu quả của các biến độc lập trên khả năng lọc Như bảng 3, khả năng lọc có liên quan đến ảnh hưởng tuyến tính của nồng độ enzyme (p <0,001), nhiệt độ (p <0,05) và thời gian ủ (p <0,001) và các thuật ngữ bậc hai của các biến này không có ý nghĩa dẫn đến sự gia tăng tuyến tính trong khả năng lọc với nồng độ enzyme ở mọi nhiệt độ (Hình 1a) Có thể thấy trong Bảng 3 rằng có một ảnh hưởng tương tác giữa nồng độ enzyme và thời gian ủ đối với khả năng lọc Ở thời điểm ủ thấp nhất Hình 1 cho thấy đồ thị biểu diễn hiệu quả của các biến độc lập trên khả năn lọc Như thể hiện trong Bảng 3, khả năng lọc liên quan đến phương trình tuyến tính

Ảnh hưởng của nồng độ enzyme (p <0,001), nhiệt độ (p <0,05) và thời gian ủ (p

<0,001) và các phương trình bậc hai của các biến này không có ý nghĩa dẫn đến sự gia tăng tuyến tính trong khả năng lọc với nồng độ enzyme ở mọi nhiệt độ (Hình 1a) Có thể thấy trong Bảng 3 rằng có một hiệu ứng tương tác giữa nồng độ enzyme và thời gian ủ trên khả năng lọc Ở thời điểm ủ thấp nhất, khả năng lọc của nước quả đã tăng lên nhanh chóng với sự gia tăng nồng độ enzyme (Hình 1b) Ở thời điểm ủ cao nhất, khả năng lọc của nước tăng đến một mức nhất định và sau đó tăng ở tốc độ chậm hơn

do sự tương tác (p <0.01) của nồng độ enzyme và thời gian ủ(Hình 1b) Trong quá trình xử lý bằng enzym, pectinase phá vỡ các phân tử pectin Biến tính pectin dẫn đến giảm khả năng giữ nước, và do đó, nước tự do được đưa vào hệ thống và làm giảm độ nhớt và do đó tạo điều kiện cho việc lọc