- TRONG ĐIỀU KIỆN XỬ LÝ NHIỆT KẾT HỢP VỚI ÁP SUẤT CAO (MÔ HÌNH MẪU) Nguyễn Minh Thủy 1. - Động học phân hủy nhiệt và kết hợp nhiệt độ – áp suất của acid ascorbic (với tỷ lệ phân tử giữa oxy và acid ascorbic khác nhau) trong dung dịch đệm acetate (0,2 M, pH 5,0) và phosphate (0,1 M, pH 7,0) đã được nghiên cứu. - Sự phân hủy nhiệt của acid ascorbic (AA) có thể được mô tả theo mô hình hai giai đoạn, cho thấy sự phân hủy xảy ra thông qua con đường hiếu khí và kỵ khí. - Hơn nữa, sự phân hủy AA xảy ra ngay trong giai đoạn gia áp khi xử lý áp suất, chủ yếu do quá trình oxy hóa (phân hủy hiếu khí). - Khi oxy được tiêu thụ hết trong phản ứng, sự phân hủy yếm khí chiếm ưu thế và diễn ra chậm hơn rất nhiều so với phân hủy hiếu khí. - Do đó, acid ascorbic thể hiện khả năng ổn định ở áp suất cao (700 MPa kết hợp với nhiệt độ lên đến 70°C) sau 100 phút xử lý. - Tuy nhiên, AA bị phân hủy ở điều kiện kết hợp nhiệt và áp suất cực cao, nhiệt độ trên 70°C kết hợp với áp suất trên 700 MPa. - Tỷ lệ phân tử giữa acid ascorbic và oxy là thông số quan trọng để ước tính hàm lượng acid ascorbic bị phân hủy hiếu khí và để xác định nồng độ acid ascorbic cần thiết để bảo vệ các chất dinh dưỡng khác trong quá trình chế biến.. - Vieira et al., 2001), tuy nhiên kết quả về độ bền và động học phân hủy của AA trong quá trình chế biến vẫn còn nhiều mâu thuẫn (Wilson et al., 1995. - Ngoài ra, các thông tin về động học phân hủy AA trong điều kiện xử lý kết hợp nhiệt và áp suất vẫn còn hạn chế. - Nhằm đánh giá tác động của quá trình chế biến nhiệt và áp suất cao đến sự ổn định của vitamin C, sự phân hủy AA trong mô hình mẫu được nghiên cứu dưới điều kiện đẳng áp và đẳng nhiệt - đẳng áp trên cơ sở động học. - Leuven, Belgium) và được xử lý nhiệt hoặc xử lý kết hợp nhiệt độ và áp suất.. - 2.2 Xử lý nhiệt. - Thí nghiệm xử lý nhiệt được thực hiện trong bể điều nhiệt bằng nước (khi nhiệt độ <. - Mẫu được chuẩn bị (như đã đề cập) và được xử lý ở các nhiệt độ 80, 90 và 100 o C. - Sau mỗi thời gian xử lý nhiệt, các mẫu được giữ trong nitơ lỏng để hạn chế sự phân hủy tiếp theo. - Sau đó, đo hàm lượng acid ascorbic còn lại ở các mẫu xử lý bằng hệ thống Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). - Mẫu trắng (C o ) là mẫu không xử lý nhiệt. - 2.3 Xử lý kết hợp nhiệt và áp suất. - Mẫu sau khi được chuẩn bị sẽ xử lý trong hệ thống áp suất cao ở quy mô pilot (thiết bị áp suất cao multivessel Resato, Roden, Hà Lan), bao gồm sáu bộ phận điều nhiệt thể tích 40 ml có thể chịu được áp lực lên đến 800 MPa kết hợp với nhiệt độ từ 40 đến 70°C. - Để nghiên cứu động học phân hủy của AA, sự kết hợp áp suất MPa) và nhiệt độ (70 - 80°C) được thực hiện. - Mỗi thí nghiệm xử lý được thực hiện ba lần.. - Sự phân hủy động học của AA hầu hết tuân theo mô hình động học bậc 1 (Viberg et al., 1997;. - Dưới điều kiện đẳng nhiệt, tốc độ hằng số phân hủy k có thể được tính toán dựa trên phương trình 1.. - Trong đó C t là hàm lượng còn lại của AA ở thời gian xử lý t (mM). - C o là hàm lượng AA ban đầu (mM). - k là hằng số tốc độ phân hủy và t là thời gian xử lý (phút).. - Khi có sự hiện diện của oxy, AA có thể phân hủy theo hai con đường hiếu khí và yếm khí mà mỗi con đường phản ứng tuân theo mô hình động học bậc 1. - C an exp (-k an t) (2) Trong đó C a là tỷ lệ phân hủy hiếu khí. - C an là tỷ lệ phân hủy yếm khí. - k a là hằng số tốc độ phân hủy hiếu khí và k an là hằng số tốc độ phân hủy yếm khí. - Sự phụ thuộc nhiệt độ của hằng số tốc độ phân hủy k được ước tính là năng lượng hoạt hóa (E a ) từ phương trình Arrhenius (phương trình 3).. - 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt đến độ bền của AA. - Ảnh hưởng của tỷ lệ phân tử giữa oxy và AA đến độ bền của vitamin trong dung dịch đệm acetate (0,2 M, pH 5,0) và phosphate (0,1 M, pH 7,0) trong quá trình xử lý nhiệt được nghiên cứu.. - Sự suy giảm hàm lượng AA (thể hiện như là hàm số của thời gian ở nhiệt độ cố định) xảy ra theo hai giai đoạn, được minh họa ở Hình 1 cho quá trình xử lý nhiệt ở 80 o C. - Với hàm lượng AA khoảng 0,28 mM và hàm lượng oxy 0,25 mM, hầu hết sự phân hủy AA xảy ra ở điều kiện hiếu khí, AA sử dụng hoàn toàn hàm lượng oxy ban đầu (0,25 mM). - Ở tỷ lệ hàm lượng AA và oxy cao hơn (khoảng 1,42:0,25 mM/mM và 2.84:0.25 mM/mM), AA tiếp tục phân hủy thông qua con đường yếm khí. - Các kết quả tương tự đạt được đối với các giá trị nhiệt độ xử lý và pH khác nhau (dữ liệu không đưa ra đầy đủ ở đây).. - Hình 1: Hàm lượng AA còn lại theo thời gian xử lý ở 80 o C với các hàm lượng AA ban đầu khác nhau 0,28 mM. - 7,0) với hàm lượng oxy ban đầu 0,25 mM Độ bền nhiệt của AA trong điều kiện xử lý nhiệt từ 80 đến 100 o C cũng được khảo sát. - Kết quả khảo sát cho thấy khi tăng nhiệt độ xử lý thì tốc độ phân hủy AA cũng tăng (Hình 2). - Tuy nhiên, nhiệt độ xử lý khác nhau không ảnh hưởng đến tỷ lệ AA phân hủy ở điều kiện hiếu khí (C a – tính bằng mM) và yếm khí (C an - tính bằng mM).. - Hình 2: Hàm lượng AA còn lại theo thời gian xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau 80°C. - với hàm lượng oxy ban đầu khoảng 0,25 mM. - Khi hàm lượng oxy được sử dụng hết cho phản ứng, sự phân hủy AA trong điều kiện yếm khí xảy ra và sự phân hủy này chậm hơn so với phân hủy AA trong điều kiện hiếu khí. - Với tỷ lệ hàm lượng AA và oxy cao hơn (hàm lượng AA là 250 µg/mL 1,42 mM hoặc 500 µg/mL 2,84 mM và oxy 0,25 mM), một phần của sự phân hủy hiếu khí ở giai đoạn đầu (của nghiên cứu động học) ít rõ ràng hơn so với phân hủy yếm khí. - Kết quả cho thấy sự phân hủy của AA xảy ra chủ yếu thông qua con đường yếm khí. - Các kết quả này làm rõ lý do vì sao một số tác giả đã báo cáo động học phân hủy của AA tuân theo mô hình động học bậc 1 (Van den Broeck et al., 1998;. - Blasco et al., 2004), trong khi những tác giả khác đã mô tả sự phân hủy của AA theo mô hình hai giai đoạn hiếu khí và yếm khí (Roig et al., 1995. - (2001) đã áp dụng mô hình Weibull để mô tả động học phân hủy AA.. - Tiếp theo DHAA phân hủy thông qua quá trình thủy phân tạo thành acid 2,3- diketogulonic.. - Trong điều kiện yếm khí, AA phân hủy thông qua một số giai đoạn để tạo thành furfural thay vì DHAA (Smoot và Nagy, 1980. - Yuan và Chen (1998) báo cáo rằng không có DHAA được hình thành đáng kể trong điều kiện yếm khí nhưng AA phân hủy do sự phân cắt vòng và nhận phân tử nước, sau đó phản ứng khử carboxyl và sắp xếp giữa các phân tử, cuối cùng khử nước để tạo thành furfural. - (2006) phát hiện ra rằng hàm lượng AA phân hủy hiếu khí khoảng 2 lần so với nồng độ phân tử oxy ban đầu. - Những dữ liệu này cho thấy sự phân hủy của H 2 O 2 thành H 2 O và O 2. - Sự phụ thuộc nhiệt độ của hằng số tốc độ phân hủy AA trong khoảng nhiệt độ nghiên cứu có thể được mô tả bởi các phương trình Arrhenius (phương trình 3). - So sánh các giá trị E a , sự nhạy cảm nhiệt độ của các giá trị k cho quá trình phân hủy AA trong điều kiện hiếu khí thấp hơn so với trong điều kiện yếm khí (Bảng 1).. - Như đã thảo luận (với tỷ lệ nồng độ AA và oxy mM), sự phân hủy nhiệt của AA xảy ra chủ yếu trong điều kiện hiếu khí do quá trình oxy hóa. - AA phân hủy hiếu khí ở pH 7,0 nhanh hơn ở pH 5,0.. - sự phân hủy của AA xảy ra chủ yếu trong điều kiện yếm khí. - Trong trường hợp này, sự phân hủy AA chậm lại ở các giá trị pH cao hơn (Hình 4). - (1993) cho rằng khi tăng pH từ 0,5 đến 11 sẽ giảm sự phân hủy yếm khí của AA, trong khi phân hủy hiếu khí tối đa của AA lại được tìm thấy ở giá trị pH cao hơn. - Hình 4: Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến tỷ lệ hàm lượng AA (AA ban đầu C o ≈ 0,57 mM). - và phosphate (0,1 M, pH 7,0) (o)] ở 80°C (hàm lượng oxy ban đầu là 0,25 mM), C là hàm lượng. - Cơ chế phân hủy yếm khí AA cũng chưa được hiểu đầy đủ. - Nhiều tác giả cho rằng AA có thể bị phân hủy yếm khí do tách trực tiếp của cầu nối 1,4-lacton. - Có thể quan sát thấy rằng sự phân hủy AA phụ thuộc vào nồng độ oxy và pH. - Kết quả tương tự về ảnh hưởng của pH đến sự phân hủy yếm khí cũng được tìm thấy trong một số tài liệu lý thuyết. - (2000) báo cáo rằng cầu nối lacton của DHAA rất dễ bị thủy phân, thậm chí ở pH thấp và Ottaway (2002) chỉ ra rằng tốc độ phân hủy AA trong dung dịch nước phụ thuộc vào pH với tốc độ tối đa ở pH khoảng 4.. - Theo Yuan và Chen (1998), AA phân hủy trong điều kiện acid thường xảy ra theo hai con đường phản ứng. - Dưới điều kiện hiếu khí có xúc tác ion- hydro, AA được chuyển thành acid 2-furoic và 3- hydroxy-2-pyrone thông qua DHAA và trong điều kiện yếm khí, AA lại tiếp tục bị phân hủy tạo thành furfural. - Kết quả thu được ở tất cả các xử lý kết hợp áp suất và nhiệt độ cho thấy nồng độ trung bình của AA trong khoảng 0,40 mM trong mẫu đã bị phân hủy ở áp suất tương đối thấp (100 MPa) sau 15 phút xử lý. - 0,57 mM) của AA trong mẫu (nồng độ oxy ban đầu ≈ 0,25 mM) bị phân hủy ở 200 MPa trong 15 phút xử lý. - Điều này có thể là do sự phân hủy hiếu khí AA ban đầu xảy ra trong thời gian gia áp. - Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng AA phân hủy trong điều kiện hiếu khí khoảng 1,5 đến 1,6 lần hàm lượng oxy ban đầu. - Ở mức độ áp suất cao hơn (trên 100 MPa), không thấy sự phân hủy AA tiếp theo sau 15 phút xử lý. - Ở áp suất không đổi, khi tăng nhiệt độ từ 40 đến 70 o C thì sự phân hủy AA cũng tăng lên một ít (Hình 6). - Hình 5: Ảnh hưởng của áp suất đến hàm lượng AA còn lại sau 15 phút xử lý (với các hàm lượng AA ban đầu khác nhau) (trong dung dịch đệm. - là độ lệch chuẩn của giá trị trung bình Để nghiên cứu động học phân hủy AA theo áp suất, xử lý kết hợp áp suất - nhiệt độ với thời gian dài hơn (đến 100 phút) đã được thực hiện. - 40°C 70°C Kh ôn g xử lý. - Áp suất (MPa). - Hình 6: Ảnh hưởng của áp suất đến hàm lượng AA còn lại sau 15 phút xử lý (ở các nhiệt độ xử lý khác nhau) (AA ≈ 2.84 mM) trong dung dịch đệm acetate (0,2 M, pH 5,0) và hàm lượng oxy ban đầu 0,25 mM. - cột là độ lệch chuẩn của giá trị trung bình Khi oxy được tiêu thụ hoàn toàn và thời gian xử lý áp suất kéo dài hơn thì cũng không ảnh hưởng hoặc ít ảnh hưởng đến sự phân hủy AA. - Trong mọi trường hợp, AA đã rất ổn định trong điều kiện đẳng nhiệt - đẳng áp (đến 700 MPa và 70°C), không có suy giảm hơn nữa của AA được quan sát trong khoảng 100 phút xử lý áp suất. - Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ lên đến 80°C ở 750 MPa, sự phân hủy tiếp tục của AA được tìm thấy (Hình 7).. - Kh ôn g xử lý. - Hình 7: Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hàm lượng AA còn lại AA ≈ 0,57 mM trong dung. - hàm lượng oxy 0,25 mM. - (1998), AA không ổn định ở điều kiện kết hợp nhiệt độ và áp suất cực cao (850 MPa và nhiệt độ từ 60 - 80°C) và hằng số tốc độ phân hủy của AA ở 850 MPa tăng khi nhiệt độ tăng từ 65 đến 80°C.. - Kết quả khảo sát cho thấy pH dường như không ảnh hưởng có ý nghĩa đến độ bền của AA khi xử lý áp suất cao (Hình 8).. - Khôn g xử lý. - Hình 8: Ảnh hưởng của áp suất (xử lý trong 15 phút 70 o C) đến hàm lượng AA AA ban đầu 1,42 mM và hàm lượng oxy ban đầu. - Sự phân hủy của AA trong dung dịch đệm acetate (0,2 M, pH 5,0) và phosphate (0,1 M, pH 7,0) ở 70°C kết hợp với các mức độ áp suất xử lý khác nhau hầu như giống nhau. - Sự phân hủy AA trong dung dịch trong quá trình xử lý nhiệt tuân theo mô hình hai giai đoạn và có thể được sử dụng để mô tả các thông số động học của quá trình xử lý nhiệt. - Có thể thấy rõ sự tăng nhiệt độ sẽ làm tăng sự phân hủy của AA. - Ở tất cả các điều kiện xử lý nhiệt, pH có ảnh hưởng khác nhau đối với sự phân hủy hiếu khí và yếm khí của AA.. - Trong hệ thống mẫu, AA bị phân hủy trong hệ thống mô hình xử lý áp suất cao (lên tới 600 MPa và 70°C) trong thời gian ngắn (15 phút). - Hầu hết sự phân hủy AA xảy ra trong quá trình gia áp.. - Khi kết hợp áp suất - nhiệt độ với thời gian xử lý dài (lên đến 100 phút), AA cũng không hoặc phân hủy thêm rất ít (áp suất và nhiệt độ lên đến 700 MPa và 70°C, tương ứng) sau khi gia áp. - Tuy nhiên, AA phân hủy ở nhiệt độ trên 70 o C kết hợp với áp suất cao hơn 700 MPa