Mô hình hóa quá trình thủy phân vỏ khoai lang tím nhật bằng enzyme sử dụng mô hình bề mặt đáp ứng

- MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VỎ KHOAI LANG TÍM NHẬT BẰNG ENZYME SỬ DỤNG MÔ HÌNH BỀ MẶT ĐÁP ỨNG.
- Trong nghiên cứu này, hai bước thủy phân bằng enzyme đối với vỏ khoai lang tím (là phế phẩm của quá trình sản xuất) được tối ưu hóa.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và liều lượng enzyme cho mỗi tiến trình thủy phân (dịch hóa và đường hóa) đến hàm lượng chất khô hòa tan và hàm lượng đường khử đã được nghiên cứu.
- Đối với giai đoạn dịch hóa, phân tích ANOVA cho thấy mô hình bậc hai thu được có ý nghĩa (p <0,01).
- Các mô hình thống kê dự báo dịch thủy phân có độ Brix tối đa khoảng 4,9 ở nhiệt độ 80 o C trong 50 phút với liều lượng enzyme α-amylase 0,22% (v/v).
- Mô hình bậc hai cũng thu nhận từ giai đoạn đường hóa với mức độ ý nghĩa cao (p <0,01).
- Mô hình thống kê được thiết lập cho bước thứ hai dự đoán hàm lượng đường khử (glucose) tối đa là khoảng 30 g/L ở nhiệt độ thủy phân là 60ºC, liều lượng enzyme glucoamylase 0,074% (v/v) và thời gian 134 phút.
- Các điều kiện tối ưu của quá trình dịch hóa và đường hóa đã được kiểm định..
- Mô hình hóa quá trình thủy phân vỏ khoai lang tím nhật bằng enzyme sử dụng mô hình bề mặt đáp ứng.
- Trong quá trình sử dụng khoai lang, vỏ khoai thường bị loại bỏ và tạo nên nguồn chất thải lớn, vì vậy cần có biện pháp xử lý để giải quyết các vấn đề đặt ra trong chế biến các sản phẩm từ chúng.
- Do đó, để giảm tình trạng ô nhiễm môi trường và cũng có thể tìm được nguồn carbon hữu dụng có thể sử dụng cho các mục đích khác nhau, vỏ khoai khi thải ra có thể được tận dụng cho quá trình thủy phân để tạo dung dịch đường, sau đó có thể là nguồn nguyên liệu cho quá trình sản xuất các sản phẩm có giá trị như dịch đường glucose, acid citric, acid gluconic, acid oxalic và ethanol..
- Thông thường, tinh bột được thủy phân bằng acid, tuy nhiên do quá trình này đòi hỏi sử dụng vật liệu chống ăn mòn, làm tăng độ màu và hàm lượng muối khoáng của sản phẩm (sau khi trung hòa), sử dụng nhiều năng lượng trong quá trình gia nhiệt và tương đối khó kiểm soát quá trình nên phương pháp này hiện đã phần lớn được thay thế bởi các quá trình enzyme (Chaplin và Bucke, 1990).
- Nhằm chọn lựa phương tiện hữu ích trong xử lý vỏ khoai lang, quá trình tối ưu hóa của hai bước thủy phân bằng enzyme để thu nhận dịch đường glucose cho ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm cần được thực hiện.
- Hai bước có liên quan trong quá trình thủy phân bằng enzyme là dịch hóa và đường hóa (Blanco et al., 2000).
- Trong bước thứ hai, enzyme glucoamylase thủy phân liên kết α-1,4-glucan trong polysaccharide, tách tuần tự từng gốc glucose khỏi đầu không khử của mạch và cho sản phẩm là glucose, ngoài ra glucoamylase còn có thể thủy phân liên kết α-1,6 glycoside ở mạch nhánh của phân tử amylopectin nhưng tốc độ chậm hơn so với thủy phân liên kết α-1,4 glycoside (Gomes et al., 2005).
- Các nghiên cứu trước đây về quá trình thủy phân khoai lang bằng acid đã được thực hiện (Azhar và Hamdy, 1981.
- Kim và Hamdy, 1985), các nghiên cứu khác về quá trình thủy phân cũng được đề cập bởi một.
- Hơn nữa các nghiên cứu thực hiện thủy phân bằng enzyme cũng được thực hiện đối với các nguồn tinh bột khác như bắp (Kunamneni và Singh, 2005.
- RSM đã được áp dụng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu, nhưng chỉ một số ít đã báo cáo ứng dụng của phương pháp này trong quá trình thủy phân tinh bột khoai lang bằng enzyme (Betiku et al., 2013.
- Trong nghiên cứu này, vỏ khoai lang tím được tận dụng từ quá trình sản xuất để chuyển thành dịch đường glucose theo hai bước của quá trình thủy phân với hệ enzyme amylase được sử dụng..
- Vỏ khoai lang được làm ráo sau khi rửa và cho vào bao bì polypropylene tồn trữ ở 4 –5 o C cho quá trình sử dụng (hoặc sử dụng ngay)..
- 2.2 Chuẩn bị cho quá trình thủy phân bằng enzyme.
- Để chuẩn bị cho quá trình thủy phân, vỏ khoai lang tím được hấp ở 90 o C trong 7 phút cho đến khi mềm rồi chuyển qua máy xay trong thời gian khoảng 90 giây (đến cấu trúc nát nhừ) với tỷ lệ vỏ khoai và nước là 1:2.
- Trong quá trình dịch hóa, các nhân tố được khảo sát bao gồm nhiệt độ (X 1.
- nồng độ enzyme α-amylase sử dụng (X 2 ) và thời gian thủy phân (X 3.
- Bảng 1: Nhân tố và các mức độ bố trí theo mô hình Box-Behnken (bước dịch hóa và đường hóa) Nhân tố (Biến) Quá trình dịch hóa (mức độ các biến.
- được mã hóa) Quá trình đường hóa (mức độ các biến được mã hóa).
- Thời gian (phút) X X .
- 2.4 Thủy phân tinh bột vỏ khoai lang bằng enzyme theo hai bước.
- Để chuẩn bị cho quá trình sử dụng, 0,5 kg vỏ khoai lang được hấp ở 90 o C trong 7 phút cho đến khi mềm rồi chuyển qua máy xay.
- Enzyme α-amylase (Novozyme, 132,5 Unit/gram) được sử dụng cho quá trình dịch hóa theo các nồng độ khác nhau được bố trí trong thí nghiệm (Mục 2.3).
- Dịch tinh bột vỏ khoai lang sau khi đạt được các điều kiện tối ưu hóa ở giai đoạn dịch hóa được tiếp tục quá trình đường hóa theo mô hình Box Behnken đã được thiết lập.
- Các dữ liệu thu được từ các bước dịch hóa và đường hóa đã được phân tích thống kê bằng phương pháp bề mặt đáp ứng, trên cơ sở xây dựng mô hình toán học bậc hai phù hợp được đề xuất bằng sử dụng phần mềm STATGRAPHIC Centurion XVI (Mỹ).
- 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..
- hàm lượng tinh bột của phần vỏ khoảng 11%, cũng được xem là nguồn cơ chất tốt cho quá trình thu nhận dịch đường..
- 3.1 Tối ưu hóa quá trình dịch hóa tinh bột vỏ khoai lang tím bằng enzyme α-amylase.
- Quá trình dịch hóa tinh bột là quá trình phân cắt ngẫu nhiên tại vị trí liên kết α -1,4 glycoside dưới tác dụng của enzyme α-amylase.
- Ba yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình này là thời gian, nhiệt độ và liều lượng enzyme bổ sung đã được bố trí theo mô hình Box-Behnken với 3 lần lặp lại và độ Brix là chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá hiệu quả của quá trình dịch hóa tinh bột được thể hiện ở Bảng 2..
- Các thành phần tham gia vào mô hình đều thể hiện mức độ ý nghĩa cao (hầu hết giá trị p <0,05) (Bảng 3)..
- Bảng 4 thể hiện các phân tích phương sai của các mô hình phương trình hồi quy..
- Các giá trị của mô hình Fisher F-test 87,92 với giá trị xác suất P rất thấp (P = 0,0000) đã chứng minh mô hình hồi quy được thiết lập có ý nghĩa cao (Kunamneni và Singh, 2005).
- Sự phù hợp của mô hình được kiểm tra qua hệ số xác định tương quan R 2 .
- Đối với bước dịch hóa, R 2 của mô hình là 93,98%, trong khi adj.
- Bảng 2: Thí nghiệm được bố trí theo mô hình Box-Behnken và độ Brix của dung dịch sau khi dịch hóa vỏ khoai lang tím STT X 1 X 2 X 3 Độ Brix.
- Những giá trị này đã chỉ ra rằng mô hình hồi quy có ý nghĩa thống kê.
- Hơn nữa, giá trị của R 2 của mô hình cho thấy một sự tương thích khá cao giữa các giá trị thực nghiệm và các giá trị dự đoán..
- Mức độ phù hợp của mô hình cũng được đánh giá thông qua giá trị F của Lack of fit.
- Dữ liệu được phân tích thể hiện đồng thời ở Bảng 4 cho thấy các giá trị F (1,35) và p (0,274) không có ý nghĩa thống kê, vì vậy khả năng phù hợp của mô hình là rất cao.
- Phương trình hồi quy cuối cùng biểu diễn mối quan hệ giữa Brix và 8 các biến độc lập (theo các nhân tố được mã hóa) cho mô hình bậc hai bề mặt đáp ứng Box-Behnken cho bước dịch hóa được mô tả trong phương trình 2..
- Các giá trị sai số chuẩn (standard error) thấp được ghi nhận trong các hê ̣ số chă ̣n (intercept) và tất cả các thành phần tham gia vào mô hình (model terms) cho thấy sự tương thích cao của các mô hình.
- Đồ thị bề mặt đáp ứng thể hiện mối tương tác giữa các yếu tố nhiệt độ, tỷ lệ enzyme và thời gian thủy phân đến độ Brix của dịch thủy phân được thể hiện ở Hình 1 (a, b và c).
- Hình 1a cho thấy mặt đáp ứng đại diện cho các tác động của thời gian, liều lượng α-amylase và tương tác lẫn nhau của chúng đến hiệu suất thủy phân (thông qua o Brix) ở nhiệt độ không đổi là 70 o C.
- Kết quả thu nhận được cho thấy độ Brix của dịch thủy phân tăng trong khoảng thời gian thủy phân từ 30 đến 40 phút và liều lượng enzyme sử dụng từ 0,04 đến 0,16%.
- Tăng lượng enzyme sử dụng và kéo dài thời gian thủy phân dài thì enzyme có cơ hội tiếp xúc với cơ chất nhiều hơn, quá trình thủy phân tốt hơn nên độ Brix có khuynh hướng tăng thêm.
- Tuy nhiên, quá trình thủy phân đã kết thúc và cơ chất cạn kiệt thì kéo dài thời gian không mang lại hiệu quả đáng kể (Yuan et al., 2008)..
- Hình 1: Mô hình bề mặt đáp ứng cho bước dịch hóa tinh bột vỏ khoai lang tím (độ Brix của dịch thủy phân) (a) Ảnh hưởng của lượng α-amylase, thời gian và tương tác của chúng (nhiệt độ thủy phân 70 o C).
- Mô hình bề mặt đáp ứng về ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tương tác lẫn nhau của chúng đến độ Brix của dịch thủy phân với liều lượng α- amylase sử dụng là 0,16% được trình bày ở Hình 1b.
- Khi tăng nhiệt độ thủy phân từ 60 đến 80 o C và thời gian từ 30 đến 40 phút thì hoạt động của enzyme tăng cường, quá trình dịch hóa diễn ra nhanh hơn và độ Brix đạt được trong dịch thủy phân cũng cao hơn.
- Tuy nhiên, nhiệt độ thủy phân có thể chỉ tăng đến mức giới hạn tối ưu cho quá trình dịch hóa, nếu vượt quá giá trị tối ưu sẽ làm giảm hoạt động enzyme và có thể dẫn đến ức chế hoạt động enzyme..
- Có thể thấy nhiệt độ cao và liều lượng α- amylase tăng ban đầu có lợi cho quá trình thủy phân (độ Brix dịch thủy phân cao).
- Như vậy, khi lượng enzyme dư thừa và cơ chất còn lại rất ít thì phản ứng thủy phân gần như không diễn ra tiếp tục..
- Để xác minh dự đoán của các mô hình, các điều kiện tối ưu được thực hiện với ba lần lặp lại độc lập và độ Brix trung bình thu được là 4,95 o Brix, gần với giá trị ước tính của mô hình thu nhận được từ phương trình.
- Nghiên cứu của Huỳnh Văn Vũ và Nguyễn Minh Thủy (2014) cũng cho kết quả sử dụng enzyme α-amylase ở nhiệt độ 80ºC, thời gian 40 phút và tỷ lệ enzyme sử dụng 0,05% thì quá trình thủy phân tinh bột khoai lang là tối ưu nhất..
- 3.2 Tối ưu hóa quá trình đường hóa dịch tinh bột vỏ khoai lang tím bằng enzyme glucoamylase.
- Hàm lượng đường khử là chỉ tiêu quan trọng chứng minh hiệu quả của enzyme glucoamylase sử dụng trong bước thủy phân này (Bảng 5).
- Phân tích phương sai (ANOVA) của phương trình hồi quy cho bước đường hóa cho giá trị F lớn (49,67), giá trị p của mô hình rất nhỏ (p <.
- R Bảng 7) cho thấy mô hình có độ chính xác tương đối cao,.
- càng khẳng định mức độ ý nghĩa và độ tin cậy của mô hình hồi quy đa chiều được thiết lập..
- Bảng 5: Thí nghiệm được bố trí theo mô hình Box- Behnken và hàm lượng đường khử.
- của dung dịch sau quá trình đường hóa STT X 4 X 5 X 6 Hàm lượng đường.
- Bên cạnh đó, kiểm tra độ phù hợp của mô hình thông qua kiểm tra giá trị Lack of fit cũng cho thấy không có ý nghĩa thống kê (p = 0,055).
- năng phù hợp của mô hình tương đối cao.
- Các nhân tố tham gia vào phương trình đều có ảnh hưởng đến quá trình đường hóa vỏ khoai lang tím..
- Phương trình hồi quy thể hiện tương quan của điều kiện thủy phân đến hàm lượng đường khử thu nhận được thiết lập và sử dụng để dự đoán hàm lượng đường khử tạo thành từ quá trình đường hóa (Phương trình 3)..
- Các mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa các nhân tố được biểu diễn ở đồ thị Hình 4 (a, b, c).
- Đồ thị Hình 4a cho thấy thời gian thủy phân ảnh hưởng đến hàm lượng đường khử tạo thành.
- Khi thực hiện quá trình thủy phân từ 60 đến 180 phút và nồng độ enzyme từ 0,03 đến 0,06%.
- Thời gian thủy phân dài có thể tạo điều kiện tiếp xúc giữa cơ chất và enzyme làm cho quá trình thủy phân xảy ra tốt hơn, tạo ra nhiều sản phẩm.
- Mô hình bề mặt đáp ứng Hình 4b biểu diễn tương tác giữa nhiệt độ và thời gian đến quá trình đường hóa.
- Việc kéo dài thời gian thích hợp cho quá trình thủy phân vỏ khoai lang tím hơn, tạo điều kiện cho cơ chất tiếp xúc với enzyme.
- Bên cạnh đó, nhiệt độ thủy phân tăng cũng hỗ trợ hoạt động của enzyme, càng gần đến nhiệt độ tối ưu thì khả năng hoạt động của.
- Mô hình cho thấy nhiệt độ thích hợp quá trình thủy phân khoảng 60-65ºC.
- Nghiên cứu của Lê Thị Bích Phương và Nguyễn Minh Thủy (2014) cũng tìm ra nhiệt độ tối ưu cho quá trình thủy phân là khoảng 66,67ºC.
- Sự chênh lệch nhiệt độ này là do quá trình thủy phân cũng phụ thuộc vào loại enzyme sử dụng..
- Hình 4: Mô hình bề mặt đáp ứng cho bước đường hóa dịch tinh bột vỏ khoai lang tím (hàm lượng đường khử).
- Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân và nồng độ enzyme glucoamylase sử dụng đến hàm lượng đường khử được thể hiện ở Hình 4c.
- Nồng độ enzyme sử dụng cũng ảnh hưởng đến hàm lượng đường khử, khi nồng độ cơ chất không đổi và tăng nồng độ sử dụng enzyme từ 0,03 đến 0,06% thì hàm lượng đường khử tăng do ban đầu vận tốc phản ứng tăng, tuy nhiên khi hệ thủy phân đã đạt được trạng thái cân bằng giữa cơ chất và nồng độ enzyme thì có tăng thêm nồng độ enzyme sử dụng cũng không làm tăng hàm lượng đường khử.
- Bên cạnh đó, khi sử dụng nồng độ enzyme 0,06%, thì lượng cơ chất cho phản ứng thủy phân có thể đã được sử dụng triệt để, vì vậy khi tăng lượng enzyme thì sản phẩm cũng không tăng thêm nữa..
- 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 đường khử đạt được là 3,248%, tương đương với giá trị ước tính của mô hình được thiết lập..
- Phương pháp bề mặt đáp ứng được áp dụng thành công cho hai bước thủy phân vỏ khoai lang bằng hệ enzyme α-amylase.
- Độ Brix tối đa thu được cho bước dịch hóa là 4,9 o Brix trong 50 phút thủy phân ở 80 o C với liều lượng α-amylase sử dụng là 0,22% (v/v).
- Các điều kiện tối ưu trong quá trình đường hóa cũng được xác lập.
- Trong bước này, nồng độ glucose đạt được 30 g/L ở nhiệt độ thủy phân tối ưu 60°C lúc 134 phút với liều lượng glucoamylase 0,074% (v/v).
- của quá trình dịch hóa và đường hóa đã được kiểm định với độ Brix và nồng độ glucose thực tế 4,95 o Brix và 30,7g/L, tương ứng.
- Dịch đường glucose thu được trong quá trình này có thể được sử dụng tiếp như là nguồn carbon và sau đó chuyển đổi sang sản phẩm hữu ích cho con người..
- Sử dụng enzyme α-amylase trong thủy phân tinh bột từ gạo huyết rồng.
- Ảnh hưởng của tỷ lệ nước bổ sung và enzyme a- amylase trong thủy phân tinh bột khoai lang tím Nhật.
- Tối ưu hóa quá trình đường hóa tinh bột bắp nếp bằng enzyme glucoamylase.
- Tối ưu hóa quá trình thủy phân.
- tinh bột bằng enzyme amylase trong chế biến sữa gạo sử dụng mô hình phức hợp trung tâm và bề mặt đáp ứng