- DOI:10.22144/ctu.jsi.2016.020 BIỆN PHÁP TIỀN XỬ LÝ VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH TRÍCH LY ANTHOCYANIN TỪ VỎ KHOAI LANG TÍM. - Vỏ khoai lang tím, tiền xử lý, anthocyanin, phương pháp bề mặt đáp ứng, tối ưu hóa. - Trong nghiên cứu này, biện pháp tiền xử lý nguyên liệu (vỏ khoai lang tím) được thực hiện (sấy mẫu ở 50 o C trong 4 giờ cùng với hấp ở 100 o C trong 4 phút/hoặc không hấp cùng với mẫu đối chứng) nhằm tăng hiệu quả trích ly hợp chất anthocyanin. - Tối ưu hóa quá trình trích ly anthocyanin t ừ khoai lang tím sử dụng mô hình bề mặt đáp ứng đã được thực hiện với nồng độ ethanol ở các nhiệt độ o C) và thời gian khác nhau phút). - Ảnh hưởng kết hợp của điều kiện trích ly đến hàm lượng anthocyanin được nghiên cứu thiết kế theo mô hình Box-Behnken với ba nhân tố và ba mức độ. - Kết quả nghiên cứu cho thấy, vỏ khoai lang tím được hấp ở nhiệt độ 100°C trong 4 phút, sau đó sấy ở 50°C trong 4 giờ có thể tăng hiệu quả trích ly (hàm lượng anthocyanin đạt được cao nhất là 0,2%, gấp 7 lần so với mẫu đối chứng). - Phương trình đa thức bậc 2 thu được (R 2 = 0,94) cho thấy thời gian, nhiệt độ và nồng độ ethanol ảnh hưởng quan trọng đến hiê u quả trích ly (thể hiện bằng hàm lượng anthocyanin. - Giá trị thực nghiệm của hàm lượng anthocyanin là 0,274%. - Sự tương thích giữa các giá trị thực nghiệm và dự đoán từ mô hình (P value <0,01) được tìm thấy. - Các điều kiện tối ưu của quá trình trích ly cũng đã được kiểm định.. - Biện pháp tiền xử lý và tối ưu hóa quá trình trích ly anthocyanin từ vỏ khoai lang tím. - Bên cạnh đó, khoai lang tím còn chứa nhiều các hợp chất sinh học như hợp chất phenol, anthocyanin… có khả năng chống oxy hóa, ngăn ngừa ung thư và chống lão hóa. - Do đó, khoai lang tím đã được ứng dụng chế biến thành nhiều sản phẩm có giá trị kinh tế cao.. - Trong quá trình chế biến và sử dụng, vỏ khoai lang tím được thải ra với số lượng lớn gây ảnh hưởng nhiều đến môi trường tự nhiên. - Thực tế trong vỏ khoai lang loại bỏ còn chứa nhiều hợp chất sinh học mà chủ yếu là anthocyanin chưa được tận dụng. - Chất màu anthocyanin hiện diện trong vỏ khoai lang tím là một loại sắc tố tự nhiên đã thu hút mối quan tâm chung trong những năm gần đây. - các loại rau củ có chứa sắc tố anthocyanin là cà tím, bắp cải tím, khoai lang tím, tía tô. - Những năm gần đây, các nghiên cứu về trích ly anthocyanin đã được thực hiện trên các loại rau củ và quả (Macz-Pop et al., 2006. - Stanciu et al., 2010. - Nhiều nghiên cứu về các phương pháp xử lý nguyên liệu đến hiệu suất trích ly và theo dõi sự thay đổi của anthocyanin cũng được tiến hành bởi Cevallos- Casals và Cisneros-Zevallos (2003), Li et al.. - nghiên cứu trích ly anthocyanin bằng phương pháp Box-behken và bề mặt đáp ứng RSM cũng được công bố từ nhiều nhóm tác giả (Varnalis et al., 2004. - Huang et al., 2010. - Li et al., 2013). - Trong nghiên cứu này, quá trình trích ly anthocyanin từ vỏ khoai lang tím được thực hiện, ảnh hưởng của các yếu tố và sự tương tác lẫn nhau sử dụng mô hình Box-behken và phương pháp bề mặt đáp ứng RSM được xác định.. - 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. - 2.1 Chuẩn bị mẫu vỏ khoai lang. - Vỏ khoai lang sau khi thu nhận (có kích thước và độ dày khác nhau – tùy thuộc vào sự thải ra từ các quá trình chế biến sản phẩm khoai lang tím trước) được làm sạch và loại bỏ phần không tốt (hư thối). - Vỏ khoai lang được làm ráo sau khi rửa và cho vào bao bì tồn trữ ở 4 – 5 o C cho quá trình sử dụng (hoặc sử dụng ngay).. - Vỏ khoai được xay mịn và cho vào dung môi trích ly đã được chuẩn bị sẵn. - Tỷ lệ giữa vỏ khoai lang và thể tích ethanol là 1:10 (w/v).. - Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của việc xử lý nguyên liệu vỏ khoai lang đến khả năng trích ly anthocyanin được bố trí theo một nhân tố (phương pháp xử lý nguyên liệu). - Thí nghiệm tối ưu hóa quá trình trích ly anthocyanin từ vỏ khoai lang tím được thiết kế thử nghiệm bằng mô hình Box-Behnken với 18 đơn vị thí nghiệm và 3 lần lặp lại với các biến được lựa chọn. - nồng độ ethanol (X 2 ) và thời gian trích ly. - Bảng 1 : Nhân tố và các mức độ bố trí theo mô hình Box-Behnken. - Nồng độ ethanol. - Bảng 2: Bố trí thí nghiệm theo mô hình Box- Behnken. - 2.2.2 Phương pháp xác định hàm lượng anthocyanin. - Phương pháp pH vi sai cho phép xác định hàm lượng anthocyanin tổng số chính xác và nhanh chóng, thậm chí khi có sự hiện diện của các hợp chất can thiệp khác (Stanciu et al., 2010).. - Xác định khối lượng anthocyanin theo công thức:. - Trong đó, a: lượng anthocyanin (g). - Hàm lượng anthocyanin toàn phần. - 2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu. - Phân tích thống kê (STATGRAPHICS) được sử dụng để chọn mô hình phù hợp cho các dữ liệu thu thập. - Để xây dựng tương quan giữa biến phụ thuộc với các biến độc lập, hồi quy đa thức được áp dụng để tạo sự tương thích của các hệ số của mô hình đa thức của mỗi biến trong từng trường hợp.. - Chất lượng về độ tương thích của mô hình được đánh giá bằng cách kiểm định mức độ ý nghĩa và phân tích phương sai (ANOVA). - Mô hình toán học bậc hai được mô tả trong phương trình 1.. - Trong đó: Y là biến phụ thuộc (hàm lượng anthocyanin. - 3.1 Ảnh hưởng của phương pháp xử lý nguyên liệu đến khả năng trích ly anthocyanin. - Điều kiện xử lý nguyên liệu ban đầu ảnh hưởng đến sự thay đổi cấu trúc nguyên liệu, từ đó ảnh hưởng đến khả năng trích ly anthocyanin. - Kết quả ảnh hưởng điều kiện xử lý mẫu đến khả năng trích ly anthocyanin được thể hiện ở đồ thị Hình 1a.. - Hình 1: Ảnh hưởng điều kiện xử lý mẫu đến (a) hàm lượng anthocyanin và (b) độ ẩm vỏ khoai lang Hình 1b cho thấy, mẫu khoai lang ban đầu có. - độ ẩm cao khoảng 75,92%, sau quá trình xử lý nhiệt, độ ẩm của mẫu khoai lang giảm còn 7,4%. - Hàm lượng anthocyanin trích ly tăng từ 0,032 đến 0,122% (mẫu sấy) và 0,203% (mẫu hấp và sấy). - Quá trình sấy gây ra sự phá vỡ cấu trúc tế bào tạo điều kiện cho dung môi và nguyên liệu tiếp xúc tốt hơn, do đó làm tăng khả năng trích ly (Dương Thị Phượng Liên, 2014). - Mức độ phá vỡ tế bào và kích thước nguyên liệu là một trong những yếu tố được đánh giá có ảnh hưởng đến khả năng trích ly (Cacace và Mazza, 2003). - Bên cạnh đó, nguyên liệu được hấp trước khi sấy cũng góp phần làm phá thành tế bào thực vật, mô thực vật mềm ra làm cho quá trình trích ly đạt hiệu quả cao hơn. - Priecina và Karlina (2013) nghiên cứu về phương pháp sấy bằng microwave đối với hành và tỏi cũng cho rằng khi sấy nguyên liệu sẽ làm tăng trích ly các hợp chất polyphenol có trong các loại nguyên liệu này. - Yang và Gadi (2008) khi nghiên cứu về ảnh hưởng chần và sấy đến anthocyanin, polyphenol trong khoai lang tím đã cho thấy sử dụng phương pháp chần nguyên liệu, sau đó sấy làm tăng hàm lượng anthocyanin trong nguyên liệu.. - 3.2 Tối ưu hóa quá trình trích ly anthocyanin từ vỏ khoai lang tím Nhật. - Việc tối ưu hóa quá trình trích ly anthocyanin được thực hiện bằng phương pháp bề mặt đáp ứng.. - Ba nhân tố được lựa chọn cho quá trình trích ly là thời gian, nhiệt độ và nồng độ dung môi. - Hàm lượng anthocyanin được dùng để đánh giá quá trình trích ly. - Bảng 3: Kết quả phân tích thống kê ANOVA mức độ ý nghĩa của các hệ số hồi quy cho quá trình trích ly Nguồn Tổng bình. - Sự phù hợp của mô hình còn được kiểm tra qua hệ số xác định tương quan R 2 . - Theo Guan và Yao (2008), mô hình tương quan tốt khi hệ số xác định tương quan R 2 lớn hơn 0,8. - Mô hình tương quan xây dựng từ thí nghiệm đã thỏa điều kiện với thông số R 2 cao (R 2 = 0,94) cho thấy tỷ lệ cao các biến phụ thuộc được giải thích bằng các dữ liệu (Varnalis et al., 2004). - Khoảng 6% của tổng số biến không được giải thích bằng mô hình hồi quy. - Hơn nữa, giá trị R 2 của mô hình cho thấy sự tương thích khá cao giữa các giá trị thực nghiệm và các giá trị dự đoán. - Giá trị Lack of fit của mô hình là 0,0617 (>0,05) và cũng đồng thời cho thấy sự tương thích của mô hình với thực nghiệm (Montgomery, 1984).. - Bảng 4: Phân tích phương sai (ANOVA) của phương trình hồi quy cho quá trình trích ly anthocyanin. - Mô hình (Model . - được ghi nhận trong các giá trị intercept và tất cả các thành phần tham gia vào mô hình (model terms) cho thấy sự tương thích cao của mô hình được xây dựng. - Phương trình hồi quy cuối cùng biểu diễn mối quan hệ giữa hàm lượng anthocyanin và 8 biến phụ thuộc (theo các nhân tố được mã hóa) cho mô hình bậc hai bề mặt đáp ứng Box- Behnken cho quá trình trích ly được mô tả trong phương trình 2 với hệ số xác định tương quan R 2 = 0,94.. - Trong đó, Y là hàm lượng anthocyanin. - Kết quả xử lý cho thấy các nhân tố nhiệt độ, nồng độ ethanol và thời gian và tương tác giữa các nhân tố đều ảnh hưởng đến quá trình trích ly anthocyanin từ vỏ khoai lang tím. - Phương trình 2 thể hiện được sự tương thích của các giá trị thực nghiệm và dự đoán, hàm lượng anthocyanin thu được từ thực nghiệm và tính toán theo phương trình 2 với hệ số xác định tương quan cao (R² = 0,94) (Hình 2).. - Hình 2: Tương quan giữa hàm lượng anthocyanin thực nghiệm và tính toán theo phương trình 2 Đồ thị bề mặt đáp ứng thể hiện mối tương tác giữa các nhân tố nhiệt độ, nồng độ ethanol và thời gian trích ly (đồ thị Hình 3 a và b).. - Hình 3: Mô hình bề mặt đáp ứng cho quá trình trích ly anthocyanin từ vỏ khoai lang tím (a)Ảnh hưởng của nồng độ ethanol, nhiệt độ và tương tác của chúng (thời gian trích ly 45 phút ) đến hàm lượng anthocyanin. - (b)Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tương tác của chúng (nồng độ ethanol 70%) đến hàm lượng anthocyanin.. - Hình 3a cho thấy, mặt đáp ứng đại diện cho các tác động của nhiệt độ, nồng độ ethanol và tương tác lẫn nhau của chúng đến hàm lượng anthocyanin ở thời gian trích ly 45 phút. - Kết quả cũng thể hiện rõ nồng độ ethanol ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng anthocyanin khi trích ly. - Tương tự, nhiệt độ trích ly tác động mạnh đến hàm lượng anthocyanin, hàm lượng anthocyanin đạt cao ở 50°C. - Hàm lượng anthocyanin thực nghiệm. - 40 - 50°C và 50 - 60°C, hàm lượng anthocyanin trích ly có khuynh hướng giảm. - Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao các nhóm OH trong phân tử anthocyanin kém ổn định và dễ bị thoái hóa, làm cho hàm lượng anthocyanin giảm.. - Thời gian trích ly ảnh hưởng đến hàm lượng anthocyanin. - Khi thời gian trích ly từ 30 - 45 phút hàm lượng anthocyanin tăng, thời gian tăng đến 60 phút hàm lượng anthocyanin giảm. - Tuy nhiên, nếu thời gian trích ly quá dài, anthocyanin trong dung môi cũng dễ bị oxy hóa bởi các yếu tố nhiệt độ, ánh sáng và oxy không khí (Tan et al., 2013). - Các giá trị tối ưu của các biến độc lập trong quá trình trích ly cũng được xác định từ phần mềm STATGRAPHICS. - Hàm lượng anthocyanin dự đoán theo các điều kiện nêu trên là Y=0,2702%. - Để kiểm định các giá trị dự đoán của mô hình, các điều kiện tối ưu được thực hiện độc lập với ba lần lặp lại và giá trị trung bình của hàm lượng anthocyanin đạt được là 0,274%, tương đương với giá trị ước tính của mô hình được thiết lập.. - (2013), nhóm tác giả cho thấy khi trích ly anthocyanin từ khoai lang với nhiệt độ 60°C, thời gian 60 phút và nồng độ ethanol 80%, hàm lượng anthocyanin thu được sẽ vào khoảng 11,636 mg/g (0,116. - (2010), trích ly anthocyanin từ khoai lang tím ở nhiệt độ khoảng 50°C với thời gian 45 phút. - (2013) trích ly anthocyanin từ quả chòi mòi sử dụng ethanol 70%. - Vanini và Hirata (2009) trích ly anthocyanin từ quả nho đạt cao nhất khi sử dụng nồng độ ethanol 70%.. - Phương pháp sấy nguyên liệu làm cải thiện khả năng trích ly so với trích từ nguyên liệu từ nguyên liệu tươi nhưng không hiệu quả bằng phương pháp hấp và sấy kết hợp. - Phương pháp bề mặt đáp ứng và mô hình Box-Behnken được sử dụng hiệu quả để tính toán và dự đoán hàm lượng anthocyanin trong dịch màu trích ly. - Chất màu tự nhiên anthocyanin sau trích ly đảm bảo tính ổn định và có khả năng ứng dụng tốt trong chế biến thực phẩm. - Ảnh hưởng của biện pháp xử lý nguyên liệu đến khả năng trích ly và sự ổn định anthocyanin từ bắp cải tím (Brassica oleracea). - Xác định hàm lượng anthocyanin trong một số nguyên liệu rau quả bằng phương pháp pH vi sai