Ứng dụng sóng siêu âm kết hợp chế phẩm cellulase để tăng hiệu suất thu hồi chất chiết trong sản xuất nước dứa (ananas comosus)

Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết trong quá trình xử lý hỗn hợp dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase .... Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN THỊ MỸ

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM KẾT HỢP CHẾ PHẨM CELLULASE ðỂ TĂNG HIỆU SUẤT THU HỒI CHẤT CHIẾT TRONG SẢN XUẤT

NƯỚC DỨA (ANANAS COMOSUS)

Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm và ðồ uống

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2011

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn

Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội ñồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Nguyễn Thúy Hương

2 TS Hoàng Kim Anh

3 PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn

4 TS Phan Ngọc Hòa

5 TS Ngô ðại Nghiệp

Xác nhận của Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn ñã ñược sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV Bộ môn Quản lý chuyên ngành

Họ và tên: NGUYỄN THỊ MỸ

ðịa chỉ liên lạc: 23 An Dương Vương, Phường 8, Quận 5, Tp HCM

QUÁ TRÌNH ðÀO TẠO

2001-2006: Sinh viên, Trường ðH Thủy Sản Nha Trang, ngành Công nghệ Thực phẩm

2009-2011: Học viên cao học, Trường ðH Bách Khoa Tp HCM, ngành Công nghệ thực phẩm và ñồ uống

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

2006-2009: Công tác tại Công ty TNHH MTV Thái Ngân, Quận 7

2009 ñến nay: Nghỉ việc, ñi học

PHÒNG ðÀO TẠO SðH ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng 08 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ MỸ Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1982 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm & ðồ uống MSHV: 09110162

I- TÊN ðỀ TÀI: Ứng dụng sóng siêu âm kết hợp chế phẩm cellulase ñể tăng hiệu

suất thu hồi chất chiết trong sản suất nước dứa (Ananas comosus)

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DỤNG:

1) Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ chế phẩm enzyme và thời gian xử lý enzyme ñến hiệu quả xử lý dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase

2) Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ chế phẩm enzyme và thời gian xử lý enzyme ñến hiệu quả xử lý dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme cellulase

3) Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ chế phẩm enzyme và thời gian xử lý enzyme ñến hiệu quả xử lý dứa ñồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme cellulase

4) So sánh hiệu quả xử lý dứa của các phương pháp

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: tháng 07/2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: tháng 07/2011

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, tập thể lớp cao học đã giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều trong suốt khóa học

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn bênh cạnh, động viên, giúp đỡ tôi kết thúc khóa học và hoàn thành luận văn này

ABSTRACT

In this study, three methods for pineapple mash treatment and juice processing were investigated The effect of enzyme concentration and bio-catalytic time on extraction yield and the pineapple juice quality were examined Subsequently, the efficiency of these treatment methods were compared The results indicated that optimal conditions were the enzyme concentration of 0.4% and the time of 60 min for enzymatic treatment; the enzyme concentration of 0.51% and the time of 40.6 min for enzymatic treatment after sonication and the enzyme concentration of 0.51% and the time of 39.7 min for simultaneous treatment by ultrasound and enzyme Extraction yield increased 11.2%, 16.8% and 17.2% in comparision with in the control sample, respectively The bio-catalytic time in combined of ultrasound and enzyme treatments was shorter that

in enzymatic treatment Besides, appication of ultrasound improved the pineapple juice quality (sugars, phenolics, ascorbic acid and total acids)

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong bài nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme bổ sung và thời gian xử lý enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết và chất lượng dịch ép dứa theo các phương pháp xử lý khác nhau Từ đó, so sánh hiệu quả xử lý của các phương pháp

Kết quả thực nghiệm cho thấy:

¾ Phương pháp trích ly enzyme truyền thống: điều kiện xử lý tốt nhất với nồng độ chế phẩm enzyme là 0.4% v/w và thời gian xử lý enzyme là 60 phút Lúc này, hiệu

suất thu hồi chất chiết tăng 11.2% so với đối chứng (không xử lý enzyme)

¾ Phương pháp xử lý lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme: điều kiện xử lý được tối ưu ở nồng độ chế phẩm enzyme 0.51% v/w với thời gian xử lý enzyme là 40 phút

Hiệu suất thu hồi chất chiết tăng 16.8% so với đối chứng

¾ Phương pháp xử lý đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme: điều kiện xử lý được tối ưu tương tự như phương pháp xử lý lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme

Hiệu suất thu hồi chất chiết ở trường hợp này tăng 17.2% so với đối chứng

Khi so sánh hiệu quả xử lý của các phương pháp trên cho thấy nồng độ enzyme bổ sung là 0.4% v/w thì đủ cho quá trình trích ly Tuy nhiên, thời gian xử lý enzyme theo

2 phương pháp kết hợp sóng siêu âm với enzyme được rút ngắn thời gian xử lý so với phương pháp enzyme Ngoài ra, chất lượng của dịch ép dứa thu được theo 2 phương

pháp này cũng được cải thiện

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

ABSTRACT

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về dứa và nước ép dứa 3

2.1.1. Dứa 3

2.1.2. Nước ép dứa 11

2.2 Tổng quan về enzyme cellulase và ứng dụng trong sản xuất nước quả 13

2.2.1. Cellulose và cellulase 13

2.2.2. Ứng dụng chế phẩm cellulase trong sản xuất nước quả 18

2.3 Tổng quan về kỹ thuật siêu âm và ứng dụng trong sản xuất nước quả 19

2.3.1. Tổng quan về siêu âm 19

2.3.2. Ứng dụng sóng siêu âm trong sản xuất nước quả 27

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

3.1 Nguyên liệu 29

3.1.1. Dứa 29

3.1.2. Enzyme cellulase 29

3.1.3. Thiết bị siêu âm 29

3.2 Phương pháp nghiên cứu 29

3.2.1. Nội dung nghiên cứu 29

3.2.2. Thuyết minh sơ đồ nghiên cứu 30

3.2.3. Các phương pháp phân tích 34

3.2.4. Phương pháp xử lý số liệu 35

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36

4.1 Quá trình xử lý hỗn hợp dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase 36

4.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến hiệu quả xử lý hỗn hợp dứa 36

4.1.2 Ảnh hưởng của thời gian xúc tác enzyme đến hiệu quả xử lý hỗn hợp dứa 40 4.2 Quá trình xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng siêu âm và chế phẩm enzyme cellulase 45

4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến hiệu quả xử lý hỗn hợp dứa 45

4.2.2 Ảnh hưởng của thời gian xúc tác enzyme đến hiệu quả xử lý hỗn hợp dứa 49 4.2.3. Tối ưu hóa quá trình xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng bằng siêu âm và chế phẩm enzyme cellulase bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 53

4.3 Quá trình xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme cellulase 57

4.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến hiệu quả xử lý hỗn hợp dứa 57

4.3.2.Ảnh hưởng của thời gian xúc tác enzyme đến hiệu quả xử lý hỗn hợp dứa 61 4.3.3 Tối ưu hóa quá trình xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme cellulase bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 65

4.4 So sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý hỗn hợp dứa 68

4.4.1. Hiệu suất thu hồi chất chiết 69

4.4.2. Hàm lượng đường tổng 71

4.4.3. Hàm lượng vitamin C 71

4.4.4. Hàm lượng phenolic tổng 72

4.4.5. Hàm lượng acid tổng 72

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

5.1 Kết luận 74

5.2 Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

0DANH MỤC BẢNG

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Bảng 2.1 Giá trị dinh dưỡng của dứa nguyên liệu 8

Bảng 2.2 Các hợp chất tạo mùi hương của dứa 10

Bảng 2.3 Giá trị dinh dưỡng của nước dứa 12

Bảng 2.4 Hàm lượng acid ascorbic của nước ép dứa (mg/100g) 13

Bảng 2.5 Phân loại cellulase 15

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị siêu âm 29

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Bảng 4.1 Giá trị tâm và bước nhảy của các yếu tố thí nghiệm B3 53

Bảng 4.2 Bảng ma trận quy hoạch cấu trúc thực nghiệm (Thí nghiệm B3) 54

Bảng 4.3 Giá trị các hệ số của phương trình hồi quy (Thí nghiệm B3) 54

Bảng 4.4 Bảng giá trị tâm và bước nhảy của các yếu tố thí nghiệm C3 65

Bảng 4.5 Bảng ma trận quy hoạch cấu trúc thực nghiệm (Thí nghiệm C3) 65

Bảng 4.6 Giá trị các hệ số của phương trình hồi quy (Thí nghiệm C3) 66

1

DANH MỤC HÌNH

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Hình 2.1 Tình hình nhập khẩu dứa vào thị trường EU năm 2000-2008 4

Hình 2.2 Tình hình xuất khẩu dứa từ các nước vào EU năm 2008 4

Hình 2.3 Thị trường Châu Mỹ nhập dứa tươi đông lạnh và dứa đóng hộp năm 1997-2007 5

Hình 2.4 Tình hình các nước xuất khẩu dứa tươi vào Châu Mỹ năm 2007 5

Hình 2.5 Tình hình xuất khẩu dứa các nước ASEAN năm 2002 6

Hình 2.6 Ảnh hưởng của thời gian thu hoạch lên hàm lượng đường trong quá trình phát triển của dứa (A- thu hoạch tháng 7, B- thu hoạch tháng 2) 9

Hình 2.7 Các liên kết β(1,4)-glucoside giữa các phân tử D-glucose 13

Hình 2.8 Cấu trúc mạng của cellulose (theo Meyer và Misch, 1937) 14

Hình 2.9 Sự hình thành cầu nối hydro trong chuỗi 14

Hình 2.10 Cơ chế thủy phân cellulose 16

Hình 2.11 Cơ chế enzyme thủy phân cellulose (Teeri, 1997) 17

Hình 2.12 Khoảng tần số của sóng siêu âm 19

Hình 2.13 Sự hình thành, lớn lên và vỡ bong bóng trong môi trường lỏng 21

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu và các hàm mục tiêu 30

Hình 3.2 Sơ đồ quy trình xử lý dứa 31

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Hình 4.1 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase sử dụng trong quá trình xử lý hỗn hợp dứa đến hiệu suất thu hồi chất chiết 36

Hình 4.2 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase sử dụng trong quá trình xử lý hỗn hợp dứa đến hàm lượng vitamin C 37

Hình 4.3 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase sử dụng trong quá trình xử lý hỗn hợp dứa đến hàm lượng phenolic tổng 38

Hình 4.4 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase sử dụng trong quá trình xử lý

hỗn hợp dứa đến hàm lượng đường tổng 39

Hình 4.5 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase sử dụng trong quá trình xử lý

hỗn hợp dứa đến hàm lượng acid tổng 40

Hình 4.6 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết trong

quá trình xử lý hỗn hợp dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase 41

Hình 4.7 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng vitamin C trong quá

trình xử lý hỗn hợp dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase 42

Hình 4.8 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng phenolic tổng trong

quá trình xử lý hỗn hợp dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase 42

Hình 4.9 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng đường tổng trong

quá trình xử lý hỗn hợp dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase 43

Hình 4.10 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng acid tổng trong quá

trình xử lý hỗn hợp dứa bằng chế phẩm enzyme cellulase 44

Hình 4.11 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hiệu suất thu hồi chất

chiết khi xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme 45

Hình 4.12 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng vitamin C khi

xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme 46

Hình 4.13 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng phenolic tổng

khi xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme 47

Hình 4.14 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng đường tổng khi

xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme 48

Hình 4.15 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng acid tổng khi

xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và enzyme 49

Hình 4.16 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết khi

xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và chế phẩm cellulase 49

Hình 4.17 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng vitamin C khi xử lý

hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và chế phẩm cellulase 50

Hình 4.18 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng phenolic tổng khi

xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và chế phẩm cellulase 51

Hình 4.19 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng đường tổng khi xử

lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và chế phẩm cellulase 52

Hình 4.20 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng acid tổng khi xử lý

hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và chế phẩm cellulase 53

Hình 4.21 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme sử dụng (X1) và thời gian xử lý (X2) đến hiệu suất thu hồi chất chiết (Y) của quá trình xử lý hỗn hợp dứa lần lượt bằng sóng siêu âm và chế phẩm cellulase 56

Hình 4.22 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hiệu suất thu hồi chất

chiết khi xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 57

Hình 4.23 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng vitamin C khi

xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 58

Hình 4.24 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng phenolic tổng

khi xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 58

Hình 4.25 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng đường tổng khi

xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 60

Hình 4.26 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm cellulase đến hàm lượng acid tổng khi

xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 60

Hình 4.27 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hiệu suất thu hồi chất chiết khi

xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 61

Hình 4.28 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng vitamin C tổng khi

xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 63

Hình 4.29 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng phenolic tổng khi

xử lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 63

Hình 4.30 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng đường tổng khi xử

lý hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 63

Hình 4.31 Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến hàm lượng acid tổng khi xử lý

hỗn hợp dứa đồng thời bằng sóng siêu âm và enzyme 64

Hình 4.32 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme sử dụng (X1) và thời gian xử lý (X2) đến hiệu suất thu hồi chất chiết (Y) của quá trình xử lý hỗn hợp dứa kết hợp đồng thời siêu

âm và enzyme 67

Hình 4.33 Hiệu suất thu hồi chất chiết của các phương pháp xử lý mẫu dứa 69

Hình 4.34 Hàm lượng đường tổng của các phương pháp xử lý mẫu dứa 70

Hình 4.35 Hàm lượng vitamin C của các phương pháp xử lý mẫu dứa 70

Hình 4.36 Hàm lượng phenolic tổng của các phương pháp xử lý mẫu dứa 71

Hình 4.37 Hàm lượng acid tổng của các phương pháp xử lý mẫu dứa 72

2DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

U (Ultrasound) – Sóng siêu âm

E - Enzyme

EAU (Enzyme after ultrasound) – Siêu âm trước, enzyme sau

CEU (Combined enzyme - ultrasound) – Kết hợp đồng thời siêu âm và enzyme

OPT (Optimal) – Điều kiện tối thích

GAE (Gallic acid equivalent) – Hàm lượng phenolic tổng theo đương lượng acid gallic FAO (Food and Agriculture Organization) – Tổ chức lương thực và thực phẩm

DP (Degree of polymerization ) – Mức độ polymer hóa của cellulose

ANOVA (Analysis of variance) – Phân tích sự khác biệt

HPLC (High pressure liquid chromatography) – Sắc ký lỏng cao áp (Sắc ký lỏng hiệu năng cao)

Nước ép trái cây là một sản phẩm rất quan trọng của ngành công nghiệp chế biến trái cây Chúng đã trở thành nhu cầu phổ biến của con người trong mọi thời đại khi mà quỹ thời gian đã dành cho những công việc xã hội Ngoài đường và acid hữu cơ nó còn cung cấp vitamin, khoáng và các chất chống oxy hóa cho người sử dụng (Barrett và cộng sự, 2005)

Trong công nghiệp chế biến nước trái cây, quá trình trích ly là một công đoạn quan trọng giải phóng ra các thành phần dinh dưỡng từ tế bào quả (Somogyi và cộng sự, 1996) Theo kỹ thuật truyền thống, trái cây được nghiền để phá vỡ mô tế bào rồi ép Dịch quả thu được chủ yếu là những hợp chất tan trong nước như đường, khoáng chất, các vitamin (C, B) và các hợp chất hòa tan khác Lượng bã thải ra khá lớn và còn lẫn một hàm lượng các chất dinh dưỡng trong bã Thêm vào đó, còn có một số thành phần khác nữa có vai trò quan trọng nhưng ít quan tâm tới là các chất xơ hòa tan (prebiotic) còn sót lại trong phần bã

Ngày nay, enzyme là công cụ thiết yếu trong sản xuất nước quả Xử lý nguyên liệu bằng enzyme tạo điều kiện thuận lợi cho các công đoạn kế tiếp, cải thiện hiệu suất thu hồi dịch chiết (Kashyap và cộng sự, 2001) và chất lượng dịch quả (Buchert và cộng sự, 2005) Enzyme cellulase cũng đã được sử dụng trong sản xuất nước trái cây Tuy nhiên,

ảnh hưởng xấu đến các thành phần dinh dưỡng mẫn cảm với nhiệt có trong nước quả

Kỹ thuật xử lý nguyên liệu bằng sóng siêu âm là một trong những kỹ thuật mới được ứng dụng để làm tăng hiệu suất trích ly một số chất chiết từ nguyên liệu thực vật Tuy nhiên, hầu hết các công trình nghiên cứu trước đây đều tập trung sử dụng sóng siêu âm

để trích ly một hoặc một vài hợp chất có trong nguyên liệu Sau này sóng siêu âm mới

được ứng dụng để thu hồi hỗn hợp nhiều loại chất chiết khác nhau từ thực vật, rút ngắn thời gian xử lý (Lieu & Le, 2010; Ivanovíc và cộng sự, 2009; Toma và cộng sự, 2001) Trong chế biến nước trái cây, sự kết hợp sóng siêu âm và enzyme trong quá trình thu nhận dịch nho cũng được nghiên cứu thử nghiệm (Lieu & Le, 2010)

Ở nước ta, dứa cũng được trồng rất nhiều và phía nam tập trung chủ yếu ở Long An và Tiền Giang Với sản lượng lớn mỗi năm, dứa chủ yếu được chế biến đóng hộp và nước dứa cô đặc

Chúng tôi cho rằng thành phần của dứa có chứa rất nhiều chất xơ nên việc sử dụng enzyme cellulase cho quá trình trích ly thu nhận dịch ép dứa là thích hợp Trên cơ sở

đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu kết hợp sóng siêu âm và chế phẩm enzyme cellulase

để xử lý nguyên liệu trong sản xuất nước ép dứa

Dứa có tên khoa học là Ananas comosus [L.] Merr., thuộc về họ Dứa (Bromeliaceae),

có nguồn gốc ở khu vực Nam Mỹ

Dứa là trái cây đặc sản nhiệt đới Quả dứa được dùng để ăn tươi và là nguyên liệu cho ngành công nghiệp đồ hộp, rượu mùi, mứt Trên thị trường quốc tế, dứa được thương mại hóa chủ yếu ở dạng đồ hộp Phụ phẩm của dứa được dùng làm thức ăn cho gia súc,

lá dứa để lấy sợi

Thị trường dứa thế giới rất sôi động Dứa có một vị trí quan trọng trong nền kinh tế của nhiều nước Theo FAO, trung bình hơn 80 nước trên thế giới sản xuất gần 14 triệu tấn dứa Thái Lan (2.3 triệu tấn), Philipines (1.5 triệu tấn), Brazil (1.4 triệu tấn), Trung Quốc (1.4 triệu tấn) và Ấn Độ (1 triệu tấn) Trong đó, Costa Rica chiếm thị phần rất lớn

ở Châu Âu (73%, năm 2008) và thị trường Châu Mỹ (82%, năm 2007) (Ellen Pay, 2009)

Thị trường châu Âu

Dứa tươi là một trong những thị trường rau quả phát triển nhanh nhất ở châu Âu Gần đây, tất cả các mặt hàng dứa nhập vào thị trường châu Âu đều có nguồn gốc từ các nước bên ngoài, chỉ có Bồ Đào Nha sản xuất dứa với sản lượng 2000 tấn mỗi năm là để cung cấp cho thị trường nội địa Tình hình nhập khẩu tăng hằng năm là 12%, từ 317.478 tấn năm 2000 lên đến 873.936 tấn năm 2008 (Hình 2.1) làm tổng giá trị nhập khẩu từ 233 triệu euro năm 2000 đến 555 triệu euro năm 2008 Nhu cầu dứa cao nhất vào tháng 5, tháng 6 và dịp Noel (Ellen Pay, 2009)

Hình 2.1 Tình hình nhập khẩu dứa vào EU năm 2000-2008 (đơn vị tấn và 103 Euro)

Costa Rica là nước xuất khẩu dứa lớn nhất vào thị trường châu Âu, cung ứng 670.119 tấn, chiếm 73% tổng sản lượng nhập khẩu vào EU năm 2008 Các nước còn lại cung ứng với sản lượng thấp hơn như: Cote d’Ivoire (6%), Ecuador (5%), Panama (4%), Ghana (4%), Brazil (3%), Honduras (3%) and Cameroon (1%) (Hình 2.2)

Hình 2.2 Tình hình xuất khẩu dứa từ các nước vào EU, năm 2008 (đơn vị tấn)

Thị trường châu Mỹ

Cũng như ở châu Âu, thị trường dứa tươi cũng là một trong những thị trường rau quả phát triển nhanh nhất tại châu Mỹ Hơn thập kỷ qua, dứa tươi nhập vào châu Mỹ tăng gấp 3 lần, từ 206.770 tấn năm 1997 lên đến 644.764 tấn năm 2007 Hằng năm, tổng

giá trị nhập khẩu dứa tăng trung bình 17%, từ 79 triệu USD năm 1997 lên 423 triệu USD năm 2007 (Hình 2.3) (Ellen Pay, 2009)

Hình 2.3 Thị trường Châu Mỹ nhập dứa tươi đông lạnh và dứa đóng hộp năm 1997-2007

Hình 2.4 Tình hình các nước xuất khẩu dứa tươi vào Châu Mỹ, năm 2007

Costa Rica cũng là nước cung ứng dứa tươi lớn nhất vào thị trường này, chiếm khoảng 82% tổng sản lượng năm 2007 Các quốc gia khác cũng xuất vào thị trường này khoảng 3-5% sản lượng như Ecuador, Mexico, Guatemala và Honduras Trong khi đó, mặt hàng dứa chế biến được cung cấp chủ yếu bởi 3 nhà nhập khẩu lớn: Philippines, Thái Lan và Indonesia (Ellen Pay, 2009)

Ở châu lục này chỉ có Hawaii là sản xuất dứa Sản lượng dứa tươi được sản xuất năm

2006 ở mức 96.000 tấn (73.7 triệu USD)

Tình hình phát triển dứa ở khu vực ASEAN và Việt Nam

Trong khu vực ASEAN, Thái Lan, Indonesia, Philipines và Việt Nam là 4 nước có diện tích trồng dứa lớn Tuy nhiên, trong số 4 nước này, chỉ có Thái Lan và Philipines có sản lượng tương đối lớn, đặc biệt là Thái Lan (Nguyễn Đỗ Anh Tuấn, 2003)

Thái Lan, Philipines và Indonesia chiếm tới 80% lượng xuất khẩu dứa đóng hộp thế giới Thái Lan là nước xuất khẩu dứa lớn nhất trong khu vực ASEAN, chiếm 52% tổng lượng dứa xuất khẩu ở khu vực Đông Nam Á và chiếm 25% thị phần thế giới trong năm 2002 Sản phẩm dứa xuất khẩu của Thái Lan chủ yếu là dứa đóng hộp (Hình 2.5) (Nguyễn Đỗ Anh Tuấn, 2003)

Hình 2.5 Tình hình xuất khẩu dứa các nước ASEAN, năm 2002

Tại Việt Nam, dứa được trồng khá phổ biến, phân bố từ Phú Thọ đến Kiên Giang Tiền Giang là tỉnh có sản lượng dứa đứng đầu cả nước Năm 2007, sản lượng dứa của tỉnh Tiền Giang đạt 161.300 tấn Tiếp theo là Kiên Giang (85.000 tấn), Ninh Bình (47.400 tấn), Nghệ An (30.600 tấn), Long An (27.000 tấn), Hà Nam (23.400 tấn), Thanh Hoá (20.500 tấn) Tổng sản lượng cả nước năm 2007 đạt 529.100 tấn Nhiều địa phương xây dựng thương hiệu đặc sản quả dứa như dứa Đồng Giao (Tam Điệp - Ninh Bình), hoặc ở Kiên Giang, Tiền Giang đều có những nhà máy chuyên sản xuất, chế biến các thực phẩm từ quả dứa

Indonesia,

Philippines, 14.42 Thái Lan, 25.29

Việt Nam, 0.45

2.1.1.2 Phân loại dứa

Phân loại khoa học của dứa (Nguồn wikipedia)

Phân họ (subfamilia) Bromelioideae

Dứa có tất cả khoảng 60 – 70 giống, được chia thành ba nhóm:

Giống dứa Queen: quả nhỏ, mắt quả lồi, thịt quả màu vàng đậm, giòn, thơm, ngọt Dứa loại này có phẩm chất cao nhất và được trồng nhiều nhất ở nước ta Dứa hoa, dứa tây, dứa Victoria, khóm cũng thuộc nhóm này

Giống dứa Cayenne: quả rất to, mắt phẳng và nông, thịt quả vàng ngà, nhiều nước, ít thơm và kém ngon hơn dứa Queen Được trồng ở các vùng dứa lớn trên thế giới (Thái Lan, Hawaii, Philipine ), ít trồng ở Việt Nam Dứa độc bình thuộc nhóm này

Giống dứa Red Spainish: quả trung bình, mắt sâu , thịt quả vàng nhạt, có chỗ trắng, vị chua, hương thơm kém và nhiều nước hơn dứa Queen Dứa loại này có chất lượng kém được trồng ở khu vực Liễn Sơn Dứa ta, dứa mật thuộc nhóm này

2.1.1.3 Thành phần dinh dưỡng

Quả dứa chứa rất nhiều chất dinh dưỡng như: đường, acid hữu cơ, các vitamin, khoáng, hợp chất phenolic Ngoài ra, trong quả dứa có chứa enzyme bromelain được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y học

Thành phần dinh dưỡng của dứa thay đổi theo giống, độ chín, thời gian thu hoạch

Bảng 2.1 Giá trị dinh dưỡng của dứa nguyên liệu (*)

Thành phần dinh dưỡng Đơn vị Giá trị dinh dưỡng

(*) Mẫu phân tích là dứa Champaka and Smoothe Cayenne (Nguồn USDA, 2010)

Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu một số thành phần hóa học quan trọng của

dứa

Đường

Trong dứa, sự tích lũy đường đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo hương vị đặc

trưng của dứa Thành phần sucrose, glucose và fructose đóng vai trò quyết định đến độ

ngọt của dứa (Shinjro và cộng sự, 2004)

Hàm lượng đường trong dứa chiếm khoảng 12-15% (w/v) trong đó hai phần ba là đường sucrose (Sairi và cộng sự, 2004) Glucose và fructose chiếm tỷ lệ tương đương nhau lần lượt là 2.3% và 2.4% (Belitz và cộng sự, 2009) Hàm lượng của chúng có thể thay đổi theo từng giai đoạn phát triển của quả, tùy giống, mùa, điều kiện canh tác (Zhang và cộng sự, 2010)

Hình 2.6 Sự thay đổi hàm lượng đường trong quá trình phát triển của dứa (A- thu

hoạch tháng 7, B- thu hoạch tháng 2) (Zhang và cộng sự, 2010)

Acid hữu cơ

Acid hữu cơ trong các loại quả có nguồn gốc từ các quá trình sinh hóa hoặc từ hoạt động của một số loài vi sinh vật như nấm men và vi khuẩn Các acid carboxylic này quyết định pH và hàm lượng acid tổng của trái cây, có tác dụng ức chế hoạt động của enzyme và là tác nhân tạo phức với kim loại, từ đó cản trở sự kết tủa hóa học và quá trình oxy hóa Ngoài ra, các acid hữu cơ không bay hơi ảnh hưởng đến đặc tính cảm quan của trái cây như hương vị, màu sắc (Hernandez và cộng sự, 2009)

Quả dứa có hàm lượng acid hữu cơ cao chiếm khoảng 0.6-1.2% (w/v), trong đó chủ yếu là acid citric chiếm 87%, còn lại là acid malic (Sairi và cộng sự, 2004) và một hàm lượng nhỏ các acid hữu cơ khác (acid oxalic, succinic, quinic) (Hernandez và cộng sự, 2009)

Vitamin C (Acid ascorbic)

Vitamin C được xem như là chất chống oxy hóa chủ yếu trong trái cây Trong dứa,

vitamin C góp 5.2% trong tổng số hoạt tính chống oxy hóa (Sun và cộng sự, 2002)

Hàm lượng vitamin C trong dứa không cao trung bình khoảng 25mg/100g (phần ăn

được)

Hợp chất hương

Các hợp chất tạo mùi hương của dứa được tổng hợp theo bảng 2.2

Bảng 2.2 Các hợp chất tạo mùi hương của dứa

Hợp chất phenolic được phân loại theo số lượng vòng phenol và dạng liên kết của

chúng, thường gặp là glycoside và ester Chúng cũng có hoạt tính chống oxy hóa, hoạt

tính này phụ thuộc vào số lượng cũng như vị trí của nhóm OH- và độ pH (Belitz và

cộng sự, 2009)

Trong quá trình chế biến, chúng có thể gây ra hiện tượng biến đổi màu do hình thành phức kim loại và gây đục do tạo phức với protein Hàm lượng polyphenol trong thực phẩm cũng phụ thuộc rất nhiều vào giống, độ chín, khí hậu và yếu tố khác (Belitz và cộng sự, 2009)

Hàm lượng phenolic tổng của dứa dao động trong khoảng 1.31 ±0.08 mg GAE/g dứa tươi (Zheng and Wang, 2001), trong nước ép dứa khoảng 358 µg GAE/ml (Gardner và cộng sự, 2000)

2.1.2 Nước ép dứa

2.1.2.1 Thị trường nước ép dứa

Trên thị trường thế giới, dứa được xuất khẩu ở 4 dạng chính là dứa đóng hộp, dứa tươi, nước ép và nước ép cô đặc Trong đó, sản lượng và giá trị thu được từ mặt hàng nước

ép dứa giai đoạn từ 1985 đến 2005 chiếm tương ứng là 12% và 7% (Nguồn FAO, 2006) và Thái Lan là nước xuất khẩu đứng đầu thế giới (Bathan & Lantican, 2009) Cùng với sự phát triển của xã hội, phong cách sống của con người thay đổi theo, nhu cầu nước ép trái cây làm sẵn cũng tăng theo đáng kể Các sản phẩm này đã và đang mở rộng thị trường tại các trung tâm du lịch, khu dành cho khách hành hương, nhà nghỉ, khách sạn Hình thức tiêu dùng hộ gia đình mới được phát triển thời gian gần đây

2.1.2.2 Thành phần dinh dưỡng của nước ép dứa

Quy trình thu nhận nước ép dứa như sau: Dứa tươi Æ chuẩn bị Æ rửa Æ chà/ nghiền

Æ xử lý enzyme Æ lọc Æ thanh trùng Æ rót hộp (Belitz và cộng sự, 2009)

Nước ép dứa chứa hầu hết các thành phần dinh dưỡng từ dứa tươi Tuy nhiên, tùy theo phương pháp xử lý dứa mà hàm lượng các chất dinh dưỡng trong nước ép dứa thu được

Bảng 2.3 Giá trị dinh dưỡng của nước dứa

Thành phần dinh dưỡng Đơn vị Giá trị dinh dưỡng

Ví dụ như hàm lượng vitamin C trong nước ép dứa tươi, nước ép dứa được thanh trùng

(Bảng 2.4) cho thấy, quá trình chế biến và thời gian bảo quản càng lâu thì hàm lượng

vitamin C thất thoát càng nhiều (Achinewhu & Hart, 1993)

Ananas bracteata

Ananas erectifolious

Nước ép dứa thanh trùng

(*) Giá trị trung bình của 6 lần lặp lại

2.2 Tổng quan về enzyme cellulase và ứng dụng trong sản xuất nước quả

Cellulose là chuỗi polysaccharide mạch thẳng có cấu tạo từ vài trăm đến hơn mười

Cellulose có cấu trúc tinh thể đơn và vô định hình Các chuỗi được định hướng song song có dạng sợi nằm trên trục b của đơn vị tế bào (Hình 2.8), cho phép hình thành các cầu nối hydro bên trong chuỗi tại vị trí O-4 với O-6 và O-3 với O-5 (Hình 2.9)

Hình 2.7 Các liên kết β(1,4)-glucoside giữa các phân tử D-glucose

Hình 2.8 Cấu trúc mạng của cellulose (theo Meyer và Misch, 1937)

Hình 2.9 Sự hình thành cầu nối hydro trong chuỗi

Cầu nối hydro giữa các phân tử tập trung trên trục a, trong khi đó các tương tác kỵ nước lại nằm trên trục c Các vùng tinh thể chiếm khoảng 60% chuỗi cellulose, xen giữa chúng là các vùng gel vô định hình Các vùng gel vô định hình này khi bị mất nước thì nó trở thành dạng tinh thể Cellulose vi tinh thể có trọng lượng phân tử từ 30-

50 kDa được hình thành khi các liên kết acid yếu hoặc kiềm yếu bị thủy phân, lúc này

nó không có cấu trúc sợi và nó cũng không tan trong nước

I là cellulose tự nhiên, nó tồn tại ở 2 dạng Iα và Iβ Cellulose I có thể chuyển đổi thành cellulose II thông qua quá trình tái tạo (hòa tan cellulose trong dung môi hữu cơ rồi tái kết tinh) hoặc quá trình làm mềm (xử lý với dung dịch NaOH từ 18-23%) (Blackwell,

2.2.1.2 Cellulase

Sự thủy phân hoàn toàn các chất không hòa tan như cellulose vi tinh thể là một quá trình phức tạp Có ít nhất 3 enzyme liên quan đến sự phân hủy cellulose thành cellobiose và cuối cùng là glucose (Hình 2.10)

Bảng 2.5 Phân loại cellulase (Belitz và cộng sự, 2009)

Endo- glucanase

1,4-Thủy phân liên kết 1,4-

Thủy phân liên kết 1,4-

cùng không khử của mạch cellulose hoặc 1,4-β-glucooligosaccharide tạo thành cellobiose

thành glucose

độ nhớt của dung dịch CMC

một cellobiase không đủ để cắt mạch cellulose Vì vậy, sự phân hủy hoàn toàn cellulose chỉ có thể xảy ra với lượng lớn cellobiase hoặc không có sự tạo thành glucose

Hình 2.10 Cơ chế thủy phân cellulose

2.2.1.3 Cellulase từ nấm mốc Trichoderma reesei

Trichoderma reesei là loại nấm mốc dạng sợi quan trọng trong công nghệ sinh học, loài

này sản xuất lượng lớn cellulase (hệ enzyme thủy phân cellulose) Cellulase được tạo

ra bởi T reesei là các endoglucanase (EGs), các cellobiohydrolase (CBHs) và

cellobiase (β-glucosidase, BGL) (Nevalainen & Penttila, 1995; Zhou và cộng sự, 2009)

Trichoderma reesei tạo ra ít nhất 9 endoglucanase và hai cellobiohydrolase (Bower và

cộng sự, 1998; Foreman và cộng sự, 2003) Trong điều kiện cellulase -cảm ứng, tỷ lệ

cellobiohydrolase từ protein ngoại bào của T reesei là 80-85% (Gritzali & Brown, 1979) Thành phần cellobiohydrolase chủ yếu của T reesei là CBH I, chiếm 50-60%

tổng protein tiết ra (Miettinen-Oinonen và cộng sự, 2005)

Hoạt tính cellulase chính của T reesei là hai endoglucanase (EG I, EG II) và hai

cellobiohydrolase (CBH I và CBH II) (Tapani Reinikainen, 1995) Hệ enzyme này tác động cùng nhau trong quá trình thủy phân cellulose tinh thể (Teeri, 1997) Các endoglucanase thủy phân bên trong chuỗi cellulose, tạo ra điểm kết thúc chuỗi mới cho cellobiohydrolase hoạt động Các cellobiohydrolase thủy phân cellulose từ vị trí điểm kết thúc để tạo ra các cellobiose CBH II sẽ cắt chuỗi cellobiose từ đầu không khử, còn CBH I thì cắt từ đầu khử của chuỗi cellobiose Các hoạt động bổ sung hỗ trợ nhau của

(Miettinen-Oinonen và cộng sự, 2005)

Hình 2.11 Cơ chế enzyme thủy phân cellulose (Teeri, 1997) CBH tấn công vào vùng

tinh thể tại cuối của mỗi chuỗi đối diện và EG thì tấn công vào vùng còn lại R là đầu

khử (mở vòng) còn NR là đầu không khử C là vùng tinh thể cao

Khi loại bỏ EG I và EG II ra khỏi hỗn hợp enzyme thô thì không ảnh hưởng tới khả năng thủy phân hoàn toàn cellulose cotton; ngược lại, nếu loại bỏ CBH I và CBH II ra khỏi hỗn hợp enzyme thô thì khả năng hòa tan của cellulose cotton bị giới hạn ở giá trị 3% Điều này cho thấy sự có mặt của CBH I trong hỗn hợp enzyme là cần thiết để thủy phân hoàn toàn cellulose tinh thể (Cavaco-Paulo, 1997)

Tuy nhiên, khi chỉ có một mình thì CBH I thủy phân cellulose cotton rất chậm Nghiên cứu khác trên cellulose vi tinh thể và hệ enzyme do vi khuẩn tiết ra cũng chỉ ra rằng nếu có EG I và EG II trong hỗn hợp enzyme thì mức độ thủy phân cellulose nhanh hơn, giảm thời gian thủy phân một cách đáng kể (Srisodsuk, 1994) Những kết quả trên cho thấy CBH thủy phân cellulose theo từng bước, hết chuỗi này đến chuỗi khác EG I tác dụng nhanh hơn CBH I trong giai đoạn đầu của quá trình thủy phân nhưng sau khi phân cắt các chuỗi cellulose tại những vị trí mà nó có thể tiếp cận thì hoạt động của nó dường như kết thúc (Cavaco-Paulo, 1997)

Theo các nghiên cứu của Nidetzky và cộng sự (1994a,b); Stahlberg (1991); Ulker và Sprey (1990), CBH I chiếm 50%, CBH II chiếm 20%, EG I chiếm 10-15%, EG II chiếm 5-10%, EG III chiếm 1%, EG IV, EG V và β- glucosidase mỗi loại chiếm dưới

1% tổng lượng cellulase trong hỗn hợp enzyme thô do T reesei tiết ra

2.2.2 Ứng dụng chế phẩm cellulase trong sản xuất nước quả

Việc sản xuất nước ép quả có ý nghĩa quan trọng cả về phương diện sức khỏe con người và quan điểm thương mại Các thành phần dinh dưỡng sẵn có trong quả rất thu hút người tiêu dùng Đầu những năm 1930, khi công nghiệp sản xuất nước ép bắt đầu thì hiệu suất thu hồi rất thấp và gặp không ít khó khăn trong quá trình lọc (Uhlig, 1998) Sau đó, pectinase, cellulase và hemicellulase được nghiên cứu ứng dụng để làm tăng các thành phần dinh dưỡng trong dịch quả và giải quyết được khó khăn trên (Grassin & Fauquembergue, 1996a)

Cellulase được sử dụng trong quá trình trích ly và làm trong, trong sản xuất nước quả

và puree trái cây (Galante và cộng sự, 1998) Ngoài ra, cellulase cũng được dùng để trích ly carotenoid và dầu oliu (Pajunen, 1986; Sukumaran và cộng sự, 2005)

Ứng dụng để tăng hiệu suất thu hồi nước dứa

Trong suốt quá trình trích ly nước dứa, các enzyme thương mại như cellulase, pectinase

phút thì hiệu quả thu hồi dịch chiết là tốt nhất Khi đó, hiệu suất thu hồi dịch dứa lần lượt là 83%, 81% và 86% và đều cao hơn so với mẫu đối chứng không sử dụng enzyme (72%) Sự bổ sung enzyme cũng góp phần cải thiện chất lượng (màu sắc, mùi vị) của nước ép dứa, tách được các chất rắn hòa tan (Sreenath và cộng sự, 1994)

Mohammad và cộng sự (2010) đã kết hợp pectinase (NS3000) với cellulase (cellubrix)

để thủy phân các polysaccharide trong bã dứa nhằm làm tăng các hợp chất hòa tan

enzyme khi được dùng riêng lẻ với nồng độ thấp (<100ppm) thì không có hiệu quả, nhưng khi được sử dụng với hàm lượng cao hơn (>1000ppm) thì có hiệu quả Tuy nhiên, hiệu quả thủy phân của pectinase NS3000 thì cao hơn Khả năng giải phóng lượng monosaccharide tổng của 2 chế phẩm enzyme là như nhau (khoảng 4%), nhưng lại có sự khác biệt lớn khi giải phóng ra các monosaccharide riêng lẻ Sau 1 giờ thủy phân, các monosaccharide được tạo ra khi xử lý kết hợp 2 loại enzyme cao hơn gấp đôi

so với khi xử lý từng loại enzyme riêng lẻ Xử lý enzyme làm hiệu suất thu hồi tăng

cao hơn so với đối chứng và tốc độ trích ly cao hơn khi hàm lượng enzyme sử dụng cao hơn Kết quả xử lý enzyme cho thấy các thông số chất lượng của nước ép dứa như màu sắc, độ đục, lượng chất rắn hòa tan đã được cải thiện

2.3 Tổng quan về kỹ thuật siêu âm và ứng dụng trong sản xuất nước quả

2.3.1 Tổng quan về siêu âm

2.3.1.1 Khái niệm sóng siêu âm

Sóng siêu âm là âm thanh có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người (16-20kHz) Giới hạn trên của tần số siêu âm chưa được xác định rõ ràng, nhưng thường là khoảng 5 MHz trong chất khí và 500 MHz trong chất lỏng và rắn (Kuldiloke,

Hình 2.12 Khoảng tần số của sóng siêu âm

Sóng siêu âm được chia thành ba khoảng tần số, sóng siêu âm năng lượng tần số thấp (16 – 100 kHz), sóng siêu âm tần số cao (100 kHz – 1 MHz), sóng siêu âm chẩn đoán (1 – 10 MHz) (Patist & Bates, 2008)

Thiết bị siêu âm hiện nay gồm bể siêu âm (Lieu & Le, 2010; Boonkird & cộng sự, 2008) và thanh siêu âm (Zhang & cộng sự, 2009)

Thanh siêu âm có những thuận lợi hơn bể siêu âm như: (1) có sự đồng nhất cao hơn trong việc phân bố năng lượng (Garcia & Castro, 2003), (2) công suất siêu âm không bị giảm theo thời gian siêu âm nên ít lãng phí năng lượng cung cấp cho hoạt động của thanh siêu âm (Garcia & Castro, 2003), (3) do mức độ tập trung năng lượng cao nên năng lượng giải phóng ra từ thanh siêu âm cao hơn bể siêu âm (Wu và cộng sự, 2001)

2.3.1.2 Bản chất của sóng siêu âm trong môi trường truyền âm

Sóng siêu âm mang những đặc tính của sóng cơ học như phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa

và có thể lan truyền qua chất khí, rắn, lỏng (Rahman, 2007) Sóng siêu âm trong môi trường lỏng xảy ra hiện tượng sủi bong bóng, quá trình này gồm 3 giai đoạn: hình thành, phát triển và nổ tung của các bong bóng (Suslick, 1989)

Sự hình thành bong bóng

Sóng siêu âm cũng giống sóng âm khác, bao gồm các chu kỳ nén và giãn Các chu kỳ nén tác động một áp suất dương lên chất lỏng, kéo các phân tử chất lỏng lại gần nhau Các chu kỳ giãn tác động một áp suất âm, đẩy các phân tử chất lỏng ra xa nhau

Trong suốt chu kỳ giãn, sóng siêu âm có cường độ đủ lớn có thể tạo ra các bong bóng Các phân tử chất lỏng được liên kết với nhau nhờ các lực hấp dẫn mà tạo ra “sức mạnh” liên kết của chất lỏng Để một bong bóng hình thành, sóng âm phải tạo ra một áp suất

âm trong chu kỳ giãn lớn hơn các lực hấp dẫn của chất lỏng

Các bong bóng trong chất lỏng thường không bền Nếu kích thước bong bóng lớn nó sẽ nổi lên và nổ tung trên bề mặt; nếu nó nhỏ nó sẽ nằm lại trong chất lỏng (Suslick,

1989)

Sự phát triển và nổ vỡ bong bóng

Sự phát triển của bong bóng phụ thuộc vào cường độ của sóng âm Sóng siêu âm cường độ cao có thể làm tăng kích thước bong bóng quá nhanh trong suốt chu kỳ giãn đến mức bong bóng không có cơ hội co lại trong chu kỳ nén Do đó, bong bóng có thể phát triển nhanh chóng trong quá trình này (Suslick, 1989)

Ở cường độ thấp, sóng siêu âm gây ra sự chuyển động và khuấy trộn trong khối chất lỏng được gọi là dòng truyền âm “acoustic streaming” (Leighton, 1994) Ở cường độ cao hơn, áp suất cục bộ tại pha giãn nở của chu kỳ giảm xuống dưới áp suất hơi của chất lỏng làm cho bong bóng tăng kích thước Khi tăng áp suất lên nữa thì bong bóng càng lớn và tạo ra các lỗ trống mới nhờ sức căng bề mặt chất lỏng (Mason, 1998) Trong suốt chu kỳ nén, các bong bóng co lại và các chất khí bên trong chúng được hấp thu ngược trở lại chất lỏng Tuy nhiên, do diện tích bề mặt của bong bóng lúc này lớn

hơn nên không phải tất cả hơi bị hấp thụ ngược trở lại chất lỏng và bong bóng lớn chỉ xảy ra ở một vài chu kỳ Trong khoảng kích thước tới hạn, sự dao động của bong bóng tương ứng với một khoảng tần số sử dụng của sóng âm sẽ làm cho bong bóng nổ (Moholkar và cộng sự, 2000) (Hình 2.13) Quá trình nén và giãn của các hạt trong môi trường và hiện tượng sủi bong bóng (hình thành, lớn lên và nổ của bong bóng) là ảnh hưởng quan trọng nhất của siêu âm năng lượng cao Nó như là kết quả của sự thay đổi

áp suất Khi bong bóng vỡ, nhiệt độ đạt 5000 K và áp suất lên đến 1000 atm tạo ra các sóng năng lượng có lực cắt lớn và tạo ra sự xáo trộn trong vùng sủi bong bóng (Suslick, 1988; Laborde và cộng sự, 1998)

Hình 2.13 Sự hình thành, lớn lên và vỡ bong bóng trong môi trường lỏng (Chowdhury

& Viraraghavan, 2009)

Theo Lorimer & Mason (1987) thì tần số tỷ lệ nghịch với kích thước bong bóng Đối với siêu âm tần số thấp (16 -100kHz) thì bong bóng tạo ra có kích thước lớn, làm tăng nhiệt độ và áp suất tại vùng sủi bong bóng, chủ yếu ứng dụng trong quá trình hóa học, chế biến thực phẩm Khi tăng tần số lên thì hiện tượng sủi bong bóng ít dữ dội hơn và không còn sủi bong bóng nữa khi tần số lớn hơn 1MHz và cơ chế chính của sóng siêu

âm lúc này là dòng âm thanh “acoustic streaming”, ứng dụng trong phân tích hình ảnh

y học (Patist & Bates, 2008)

Ứng dụng sóng siêu âm trong công nghiệp đòi hỏi 2 yêu cầu chính: phải có môi trường lỏng (tỷ lệ pha lỏng có thể chỉ chiếm 5% toàn bộ môi trường) và nguồn phát siêu âm năng lượng cao hay còn gọi là bộ chuyển đổi tạo rung (sau khi khuếch đại) (Patist & Bates, 2008)

2.3.1.3 Thông số của quá trình siêu âm

Năng lượng và cường độ

Quá trình siêu âm chất lỏng có thể được mô tả bằng các thông số: biên độ, áp suất, nhiệt độ, độ nhớt và nồng độ chất rắn

Năng lượng: là năng lượng đầu vào trên thể tích nguyên liệu được xử lý, kWh/L (Patist

& Bates, 2008)

Cường độ: năng lượng đầu ra trên một đơn vị diện tích bề mặt của thanh siêu âm

thời gian xử lý Thời gian xử lý liên quan trực tiếp đến tốc độ dòng chảy đi qua thiết bị siêu âm (L/h) (Patist & Bates, 2008)

Hai thông số cường độ và năng lượng siêu âm không phụ thuộc vào mô hình thí nghiệm nên bất kỳ quá trình siêu âm nào cũng có thể được mở rộng trên quy mô công nghiệp khi sử dụng 2 thông số này (Hielscher, 2005)

Áp suất

Khi tăng áp suất bên ngoài môi trường sẽ làm gia tăng ngưỡng sủi bong bóng, một mặt thì số lượng bong bóng trong quá trình sủi bị giảm đi (Muthukumaran & cộng sự, 2006) Mặt khác, khi áp suất bên ngoài môi trường tăng thì áp suất trong bong bóng tại thời điểm vỡ bong bóng cũng tăng, kết quả quá trình vỡ bong bóng diễn ra nhanh hơn

và mãnh liệt hơn (Lorimer & Mason, 1987) Vì vậy, gia tăng áp suất đối kháng là một công cụ hiệu quả để tăng hiệu quả quá trình siêu âm mà không cần tăng cường độ siêu

âm (Hielscher, 2005)

Nhiệt độ và độ nhớt

Nhiệt độ ảnh hưởng đến áp suất hơi, sức căng bề mặt và độ nhớt của môi trường lỏng (Muthukumaran & cộng sự, 2006) Khi tăng nhiệt độ thì số lượng bong bóng của quá trình sủi bọt tăng, nhưng quá trình vỡ bong bóng bị yếu đi (do nhiệt độ cao làm cho áp suất hơi tăng cao hơn) Bong bóng của quá trình sủi bọt hình thành khó khăn trong môi trường có độ nhớt cao Nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt của môi trường kéo theo quá trình vỡ bong bóng lại diễn ra mãnh liệt hơn Nhiệt độ tối ưu là nhiệt độ mà ở đó độ

nhớt đủ thấp để hình thành lượng bong bóng sủi đủ mạnh, đồng thời tránh sự suy yếu của quá trình vỡ bọt do áp suất hơi cao (Patist & Bates, 2008)

Thêm vào đó, chất lỏng có độ nhớt thấp sẽ có tỷ trọng thấp, khả năng khuếch tán cao

và bong bóng dễ dàng xâm nhập vào các lỗ mao quản của thực vật (Rouhani và cộng

sự, 2009)

2.3.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly bằng siêu âm

Thông số siêu âm

Tần số và công suất siêu âm

Khi năng lượng sóng siêu âm truyền vào nguyên liệu như mô thực vật, biên độ của sóng giảm khi tăng khoảng cách từ đầu phát siêu âm đến nguyên liệu và hiệu quả truyền khối cũng giảm Nguyên nhân làm loãng âm của hiện tượng sủi bong bóng là do

sự hấp thụ và phân tán Hấp thụ tượng trưng cho phần năng lượng sóng chuyển thành nhiệt và phân tán là phần năng lượng chuyển hướng Đồng thời, khi tăng công suất siêu

âm trong một khoảng giá trị xác định thì hiệu suất trích ly sẽ tăng

Sivakumar và cộng sự (2007) nhận thấy công suất siêu âm dao động từ 20W đến 100W

có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình trích ly tannin từ hạt myrobalan (tỉ lệ hạt: nước là

công suất siêu âm tăng từ 20 đến 100W Tương tự, trong nghiên cứu của Li và cộng sự

trong 40 phút thì hàm lượng carbohydrate tổng từ cây Stevia rebaudiana Bertoni sẽ

tăng từ 11.6 đến 17.9g/100g lá Zou và cộng sự (2010) cho thấy khi công suất siêu âm

tăng từ 100 đến 250W thì hiệu suất trích ly melanin từ bột quả Auricularia auricula sấy

khô tăng từ 54 đến 85 mg/100g

Dạng xung của sóng siêu âm

Tính liên tục của sóng siêu âm cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly Sivakumar và cộng sự (2007) nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm công suất 100W ở dạng xung

0.5s On và 0.5s Off so với siêu âm công suất 100W liên tục trong quá trình trích ly tannin từ hạt myrobalan nhằm làm giảm tiêu thụ năng lượng điện Dạng xung của sóng siêu âm (0.5s On và 0.5s Off) tiêu thụ chỉ một nửa năng lượng điện Kết quả của tác giả cho thấy dạng xung On Off thu được hiệu quả bằng 70% so với siêu âm liên tục trong 4h xử lý

Thời gian siêu âm

Boonkird và cộng sự (2008) thực hiện trích ly capsaicinoid từ quả ớt xanh và nhận thấy hiệu quả trích ly chỉ tăng nhanh trong 5 phút đầu xử lý siêu âm Trong khi đó, Hemwimol và cộng sự (2006) trích ly anthraquinone từ rễ cây nhàu và nhận thấy hiệu quả trích ly hợp chất này tăng nhanh trong vòng 15 phút đầu tiên Sau đó, Zhang và cộng sự (2009) thì hiệu quả trích ly epimedin C từ lá Epimedium bằng thanh siêu âm

có công suất 40W lại có hiệu quả trong vòng 60 phút đầu tiên

Tuy nhiên, Kobus (2008) cho rằng hiệu quả trích ly không cao khi trích ly chất khô từ

rễ cây valerian với khoảng thời gian xử lý siêu âm ngắn (15 – 30 phút) Tác giả này cho rằng hiệu quả trích ly chỉ có thể đạt cực đại sau 180 phút trích ly

Liu và cộng sự (2010) ứng dụng siêu âm để trích ly carbohydrate tổng từ Stevia

lượng siêu âm là 60W, thời gian siêu âm là 32 phút thì hiệu suất trích ly tăng 1.5 lần và thời gian trích ly ngắn hơn so với phương pháp trích ly thông thường

Theo Vinatoru và cộng sự (1997) thì thời gian xử lý siêu âm là khác nhau tùy theo loại nguyên liệu sử dụng Hơn nữa, thời gian xử lý siêu âm còn phụ thuộc vào công suất siêu âm và lượng dung môi sử dụng

Thông số môi trường

Khuấy trộn

Khuấy trộn có tác dụng truyền năng lượng siêu âm tác động đồng đều trên toàn khối chất lỏng Ma và cộng sự (2008) đã thực hiện nghiên cứu so sánh sự trích ly hesperidin

từ vỏ Penggan trong 40 phút bằng dung môi methanol khi sử dụng siêu âm có tần số 60