Tối ưu hóa úa trình chiết tách chất màu từ bắp cải tím trong môi trường trung tính

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 -200C 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 λmax và bước sóng 420 nm, độ màu tính theo công thức:

Độ màu =

420

A

Aλmax

2.2.3 Phương pháp toán học

* Chọn phương pháp qui hoạch trực giao cấp I [1]: Tổ chức thí nghiệm TYT2k; Với 2 mức của các yếu tố; k là các yếu tố ảnh hưởng, k = 3

Chọn mô tả toán học:

Y = b0 +b1x1 +b2x2 + b3x3 + b12x1x2 +b23x2x3 +b13x1x3 +b123x1x2x3 (2.2)

Trong đó:

b0:Hệ số tự do

b1,b2, b3: Hệ số tuyến tính

b12,b23, b13: Hệ số tương tác đôi

b123: 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 δ của các yếu tố có j ∆j.bj max; δ - (0,3 j ÷ 0,7) ∆ j

+ Bước chuyển động của các yếu tố còn lại được tính theo công thức (2.3)

j

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: Z1: Nhiệt độ chiết, 0C; Z2: Thời gian chiết, phút;

Z3: Tỷ lệ nước trong hệ dung môi,% Chọn các hàm mục tiêu Y1: hàm lượng anthocyanin,

% (Y1→ Max); Y2: độ màu (Y2→ Max)

Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y1 = f (Z1 , Z2, Z3); Y2 = (Z1, Z2, Z3)

* 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÷400C

+ 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

* Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp I (TYT 2k) thực nghiệm yếu tố toàn phần 2 mức, k yếu tố ảnh hưởng Phương trình hồi qui có dạng:

Y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123 x1x2x3 (3.1) Trong đó: x1: Nhiệt độ chiết; x2: Thời gian chiết; x3: 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 2k

= 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

STT

x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 Y1 Y2

Số thí

nghiệm

trong

phương

án 2k

Số thí

nghiệm

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 δ : Từ mức cơ sở Z j 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 δ của các yếu tố j Các chỉ tiêu Z 1 , 0 C Z 2 , phút Z 3 , %V

Chọn bước chuyển động δ3 = 0,5 ∆3= 0,5.10 = 5

Các bước chuyển động của yếu tố x1, x2 được tính theo công thức (3.1) và (3.2):

3 3

1 1 3 1

∆

∆

=

b

b δ

3 3

2 2 3 2

∆

∆

=

b

b δ

+ Tổ chức thí nghiệm leo dốc: Từ kết quả các bước chuyển động δ ở bảng (3.3), j

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

Thí nghiệm

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 290C, 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):

Y2 = 3,7709 - 0,55x1 – 0,2826x2 + 0,5291x3 – 0,2224x1x2 (3.3)

* Tiến hành tối ưu hoá thực nghiệm bằng phương pháp dốc đứng

+ Tính các bước chuyển động δ : Từ mức cơ sở Z j 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 δ của các yếu tố j Các chỉ tiêu Z 1 , 0 C Z 2 , phút Z 3 , %V

+ Tổ chức thí nghiệm leo dốc: Từ kết quả các bước chuyển động δ ở bảng (3.5), j

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

Thí nghiệm

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 290C, 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 Y1max, Y2max mà chỉ tìm được nghiệm thoả hiệp (x1, x2, x3) để các giá trị Y1, Y2 nằm gần Y1max, Y2max

* Phương pháp chập tuyến tính: Chúng tôi lựa chọn mối quan hệ giữa hàm chập

tuyến tính (YL) và các hàm Y1 và Y2 như sau:

Trong đó: + α là hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu hàm lượng (Y1 1 ); Chọn

1

α = 0,6

+α là hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu độ màu (Y2 2); Chọn α = 0,4 2

Ta có phương trình hàm đa mục tiêu: YL = 0,6Y1 + 0,4Y2 (3.5) Dựa vào các hàm mục tiêu (3.2) và (3.3) ta có phương trình hồi quy của hàm chập:

YL = 2,06 – 0,262x1- 0,08379x2 + 0,2644x3 – 0,222x1x2 (3.6)

* Tiến hành tối ưu hóa hàm đa mục tiêu

+ Tính các bước chuyển động δ : Kết quả được biểu diễn ở bảng 3.7 j

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

+ Tổ chức thí nghiệm leo dốc cho hàm mục tiêu YL: 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

Thí nghiệm

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

Phương án TN theo Y1

4,72

4,4 4,6 4,8 5

5,2

Phương án TN theo Y2

2,556 2,585 2,659

2,5 2,55 2,6 2,65 2,7

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 YL đạt giá trị lớn nhất YLmax= 2,659, tương ứng với hàm lượng anthocyanin đạt 1,110% (bằng 98,23% Y1max), độ màu đạt 4,967 (bằng 99,30% Y2max), 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 (Y1 = 1,110%, Y2 = 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 290C, 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 290C; 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