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

- 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.
- Enzyme, mô hình phức hợp trung tâm, thủy phân, tinh bột, tối ưu hóa.
- Giai đoạn thủy phân tinh bột gạo trong quy trình sản xuất sữa gạo được thực hiện theo hai bước với 2 loại enzyme amylase (α- amylase và gluco- amylase).
- Ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ lệ enzyme (α-amylase, gluco- amylase) và thời gian thủy phân đến hiệu quả thủy phân tinh bột được khảo sát (thông qua độ nhớt và chỉ số DE - Dextrose Equivalence).
- Ở cả hai bước thủy phân, mô hình bề mặt đáp ứng có ý nghĩa và thỏa các điều kiện được xây dựng dựa trên 32 đơn vị thí nghiệm ở mỗi bước thủy phân..
- Mô hình dự đoán độ nhớt thấp nhất có thể đạt được (30,899 cP) tại điều kiện thủy phân tối ưu ở nhiệt độ 74,71 o C, tỷ lệ enzyme α-amylase sử dụng 0,13% và thời gian thủy phân 40,54 phút.
- Chỉ số DE cao 77,38% có thể thu được khi quá trình đường hóa được thực hiện ở nhiệt độ 60,39 o C trong 210 phút với tỷ lệ enzyme gluco-amylase 0,077%.
- Trong quá trình sản xuất sữa gạo, công đoạn thủy phân tinh bột đóng vai trò đặc biệt quan trọng..
- Hiện nay, trong lĩnh vực thực phẩm các phương pháp thủy phân tinh bột bằng biện pháp sinh học–.
- Hiệu quả thủy phân tinh bột của enzyme phụ thuộc vào nhiều điều kiện, đặc biệt là nhiệt độ, nồng độ sử dụng và thời gian thủy phân (Kunamneni và Singh, 2005).
- Bên cạnh đó, sử dụng mô hình bề mặt đáp ứng và mô hình phức hợp trung tâm trong thiết kế thí nghiệm đem lại hiệu quả cao và tiết kiệm được chi phí và thời gian so với các cách bố trí nhân tố đầy đủ theo truyền thống (Full factorial design-FFD) (Betiku et al., 2013).
- Trong nghiên cứu này, tinh bột gạo được thủy phân theo hai bước (i) dịch hóa bằng enzyme α- amylase nhằm giảm nhanh độ nhớt của dung dịch nhờ quá trình thủy phân ngẫu nhiên các liên kết 1,4 glycosis và (ii) đường hóa sử dụng enzyme gluco- amylase để thu được dung dịch đường đơn.
- Mô hình bề mặt đáp ứng và mô hình phức hợp trung tâm được sử dụng để xác định các điều kiện tối ưu cho cả hai quá trình dịch hóa và đường hóa..
- 2.2 Bố trí thí nghiệm.
- 2.2.1 Thủy phân tinh bột gạo bằng enzyme theo 2 bước.
- Dịch hồ tinh bột được thủy phân thông qua 2 bước dịch hóa và đường hóa.
- Quá trình dịch hóa được thực hiện bằng enzyme α-amylase (Novozyme, 132,5 Unit/gram).
- tỷ lệ enzyme sử dụng (X 2 ) và thời gian thủy phân (X 3.
- Bố trí thí nghiệm dịch hóa tinh bột gạo được thực hiện theo mô hình phức hợp trung tâm với 3 nhân tố, 5 mức độ.
- Bảng 1: Các nhân tố và mức độ khảo sát trong thí nghiệm dịch hóa theo mô hình phức hợp trung tâm.
- X 1 Nhiệt độ o C .
- X 2 Tỷ lệ enzyme .
- X 3 Thời gian phút .
- Bảng 2: Các nhân tố và mức độ khảo sát trong thí nghiệm đường hóa theo mô hình phức hợp trung tâm.
- X 4 Nhiệt độ o C .
- X 5 Tỷ lệ enzyme .
- X 6 Thời gian phút .
- 250 đơn vị thí nghiệm (cho 5 mức độ ở mỗi nhân tố) thì phương pháp bố trí thí nghiệm mô hình phức hợp trung tâm thể hiện ưu điểm rất cao, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.
- pháp bố trí mở rộng từ 3 mức độ lên 5 mức độ cho phép đánh giá mô hình có độ chính xác cao hơn..
- tỷ lệ enzyme gluco-amylase sử dụng (X 5 ) và thời gian thủy phân (X 6.
- Bảng 3: Bố trí thí nghiệm theo mô hình phức hợp trung tâm.
- 2.2.3 Phương pháp xác định độ nhớt.
- Số liệu thu thập từ quá trình thí nghiệm được xử lý thống kê và xây dựng mô hình bề mặt đáp ứng sử dụng chương trình Design-Expert version StatEase Inc., Minneapolis, USA).
- Mô hình tổng quát có dạng:.
- là hệ số phương trình bậc 2 của biến X i , Y là giá trị lý thuyết theo mô hình (trong trường hợp này là độ nhớt và chỉ số DE) và e là sai số ngẫu nhiên..
- Phân tích phương sai ANOVA được dùng để đánh giá mức độ phù hợp của mô hình.
- Từ mô hình thu được, tối ưu hóa các thông số được thực hiện với độ dao động của các biến trong khoảng mức độ đã bố trí thí nghiệm ở Bảng 1 và 3 (được đề cập ở trên).
- 3.1 Tối ưu hóa quá trình dịch hóa tinh bột gạo Quá trình dịch hóa tinh bột được thực hiện dựa trên khả năng thủy phân ngẫu nhiên các liên kết 1,4-glycosis trong phân tử tinh bột của enzyme α- amylase, làm giảm nhanh độ nhớt dung dịch.
- Kết quả phân tích thống kê ở Bảng 4 cho thấy mô hình tương quan thu được gồm các hệ số tuyến tính, hệ số tương tác và hệ số bậc hai, các hệ số này đều thể hiện mức ý nghĩa p<0,05.
- 0,0001 chứng tỏ mô hình thu được có ý nghĩa thống kê cao..
- Mô hình tương quan theo mã (coded) của các biến độc lập (nhân tố):.
- Trong đó: V là độ nhớt (cP), T là nhiệt độ ( o C), E là tỷ lệ enzyme.
- và t là thời gian (phút) Bảng 4: Phân tích thống kê ANOVA cho giá trị độ nhớt.
- Mức độ phù hợp của mô hình cũng được đánh giá thông qua giá trị F của Lack of fit.
- Mô hình tương quan tốt cần sự phù hợp giữa số liệu thực tế và lý thuyết, vì vậy mô hình thu được với kiểm định Lack of fit (sự không phù hợp) không có ý nghĩa thống kê là điều mong muốn (Zabeti et al., 2009).
- Từ bảng phân tích số liệu cho thấy Lack of fit không thể hiện ý nghĩa thống kê, nên khả năng phù hợp của mô hình là rất cao.
- Mô hình tương quan thu được từ thí nghiệm đã thỏa các điều kiện trên với thông số R-squared cao (R 2 = 0,99) và Adeq Precision là 74,51 rất lớn hơn so với 4, cho thấy mô hình đủ độ chính xác để sử dụng dự đoán độ nhớt của dịch tinh bột gạo trong quá trình dịch hóa..
- Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy cả ba nhân tố nhiệt độ, tỷ lệ enzyme α-amylase và thời gian thủy phân đều có ảnh hưởng đến khả năng thủy phân của tinh bột gạo và sự thay đổi độ nhớt của dung dịch.
- Đồ thị bề mặt đáp ứng 3D thể hiện mối liên hệ tác động tương hỗ của nhiệt độ, tỷ lệ enzyme và thời gian thủy phân đến độ nhớt của dung dịch được thể hiện ở Hình 1.
- Hình biểu diễn cho thấy độ nhớt giảm mạnh khi sử dụng tỷ lệ enzyme cao và tăng nhiệt độ thủy phân từ 70 đến 80 o C.
- Bên cạnh đó, giá trị độ nhớt giảm dần theo thời gian thủy phân, cho thấy thời gian có ảnh hưởng lớn đến độ nhớt.
- Từ mô hình (1) và (2) cũng cho thấy nồng độ enzyme và thời gian thủy phân là hai nhân tố quan trọng hơn khi tiến hành dịch hóa tinh bột gạo trong điều kiện nhiệt độ thủy phân từ 70 - 90 o C..
- Hình 1: Đồ thị bề mặt đáp ứng của độ nhớt (a) Dưới tác động của nhiệt độ tương tác với tỷ lệ enzyme (tại thời gian thủy phân 30 phút) (b) Dưới tác động của nhiệt độ tương tác với thời gian thủy phân (sử dụng tỷ lệ enzyme 0,1%) (c) Dưới tác động của tỷ lệ enzyme tương tác với thời gian thủy phân (ở nhiệt độ 70 o C).
- Từ mô hình thu được, phân tích tối ưu hóa nhằm xác định điều kiện thủy phân để dịch gạo có độ nhớt thấp nhất (giới hạn dưới và trên của độ nhớt là [30.
- Bảng 5: Các phương án tối ưu cho quá trình dịch hóa tinh bột gạo.
- STT Nhiệt độ ( o C) Tỷ lệ enzyme.
- Thời gian (phút) Độ nhớt (cP) Mức độ mong muốn.
- Biểu đồ thể hiện mức độ mong muốn theo phương án 1 theo các cặp tương tác Nhiệt độ – Tỷ lệ enzyme và Tỷ lệ enzyme - Thời gian thủy phân được trình bày ở Hình 2.
- độ mong muốn có thể đạt được cao ở nhiệt độ từ 70 đến dưới 80 o C, nồng độ enzyme trong khoảng và thời gian thủy phân từ 35 đến 40 phút..
- Hình 2: Mức độ mong muốn theo các cặp tương tác (a) Nhiệt độ – Tỷ lệ enzyme và (b) Tỷ lệ enzyme - Thời gian thủy phân, phương án 1 được thể hiện trên mặt phẳng.
- 3.2 Tối ưu hóa quá trình đường hóa.
- Từ các số liệu đã thu thập, mô hình tương quan giữa chỉ số DE với nhiệt độ, tỷ lệ enzyme gluco- amylase và thời gian thủy phân được xây dựng và thể hiện ở phương trình (4) và (5).
- Kết quả phân tích thống kê ANOVA (Bảng 6) cho thấy mô hình tương quan có ý nghĩa thống kê (p <.
- Các hệ số trong mô hình bao gồm các hệ số tuyến tính, hệ số tương tác và hệ số bậc hai, trong đó các hệ số không có ý nghĩa có thể được lược bỏ nhằm rút gọn phương trình..
- Trong đó: T là nhiệt độ ( o C), E là tỷ lệ enzyme.
- và t là thời gian thủy phân (phút).
- Trong mô hình này, các hệ số tương tác không có ý nghĩa đã được lược bỏ.
- Hệ số tuyến tính nhiệt độ tuy không có ý nghĩa (p = 0,0603) nhưng vẫn được giữ trong mô hình nhằm đảm bảo tính hệ thống của mô hình.
- R-Squared (0,962) cho thấy mô hình có độ chính xác tương đối cao.
- Bên cạnh đó, kiểm tra độ phù hợp của mô hình thông qua kiểm tra Lack of fit không có ý nghĩa thống kê (p = 0,0583).
- Vì vậy, khả năng phù hợp của mô hình là rất cao.
- Kết quả thí nghiệm cho thấy cả ba nhân tố nhiệt độ, tỷ lệ enzyme gluco-amylase và thời gian thủy phân đều có ảnh hưởng đến khả năng thủy phân của tinh bột gạo.
- Đồ thị bề mặt đáp ứng thể hiện mối liên hệ tác động tương hỗ của tỷ lệ enzyme và thời gian thủy phân đến chỉ số DE của dịch gạo được thể hiện ở Hình 3..
- Từ bảng kết quả phân tích thông kê và Hình 3 cho thấy hiệu suất thủy phân (đánh giá thông qua giá trị DE) phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ thủy phân và ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân theo mô hình bậc 2 thể hiện rõ hơn bậc 1.
- Chỉ số DE tăng theo thời gian thủy phân (từ 30-210 phút) và thể hiện tăng theo kiểu tuyến tính rõ ràng hơn theo mô hình bậc 2.
- Tỷ lệ enzyme sử dụng ảnh hưởng có ý nghĩa đến chỉ số DE, thông qua hệ số đi kèm trong mô hình cho thấy ảnh hưởng theo khuynh hướng mô hình bậc 2 lớn hơn khuynh hướng tuyến tính, như vậy khi tăng nồng độ enzyme thì chỉ số DE tăng, tuy nhiên khi bổ sung enzyme cao hơn mức độ thích hợp thì hiệu suất thủy phân không cao hơn do hệ đạt được sự cân bằng giữa nồng độ cơ chất và sản phẩm..
- Dựa trên mô hình xây dựng được, phân tích tối ưu hóa quá trình đường hóa với các biến dao động trong khoảng nhằm đạt được chỉ số DE.
- Đồ thị Hình 4 thể hiện bề mặt đáp ứng cho mức độ mong muốn theo Nhiệt độ ( o C.
- Tỷ lệ enzyme gluco-amylase.
- Ở thí nghiệm đường hóa, chỉ số DE phụ thuộc vào thời gian thủy phân và trong các mức độ khảo.
- Kết quả phân tích tối ưu hóa cũng cho thấy thời gian thủy phân 210 phút cho hiệu quả tối ưu.
- Có thể thấy chỉ số DE có khả năng tăng thêm khi nâng thời gian thủy phân.
- Tuy nhiên, kéo dài thời gian thủy phân sẽ mang đến những bất lợi khác như tiêu hao nhiều năng lượng..
- Do vậy, thời gian thủy phân 210 phút được cho là tối đa có thể chấp nhận được cho quá trình đường hóa dịch sữa gạo..
- Bảng 7: Các phương án tối ưu hóa cho quá trình đường hóa.
- Thời gian (phút) DE.
- Mức độ mong muốn.
- Hình 4: Bề mặt đáp ứng (a) và contour (b) của giá trị mức độ mong muốn theo nhiệt độ và tỷ lệ enzyme thể hiện phương án 1.
- Để kiểm định các giá trị tối ưu thu được từ 2 mô hình đã xây dựng, các thí nghiệm được thực hiện theo các phương án tốt nhất đã đề ra.
- Kết quả kiểm định được thể hiện ở Bảng 8 cho thấy kết quả thu được từ thực nghiệm tương đương với kết quả lý thuyết tính toán từ mô hình.
- Bảng 8: Độ nhớt và chỉ số DE lý thuyết và thực nghiệm ở điều kiện tối ưu.
- nghiệm Giá trị lý thuyết Độ nhớt.
- Dịch hóa cP Chỉ số DE.
- Đường hóa Kết quả kiểm định một lần nữa khẳng định tính chính xác cao của các mô hình đã được xây dựng..
- Các mô hình có thể sử dụng để dự đoán độ nhớt và chỉ số DE trong các điều kiện thủy phân khác nhau..
- Mô hình bề mặt đáp ứng cho độ nhớt trong quá trình dịch hóa và chỉ số DE trong quá trình đường hóa được xây dựng dựa trên bố trí thí nghiệm theo phương pháp mô hình phức hợp trung tâm có độ chính xác cao.
- Áp dụng các mô hình vào phân tích tối ưu hóa điều kiện thủy phân tinh bột trong quá.
- Quá trình dịch hóa có thể được thực hiện ở 74,71 o C, tỷ lệ enzyme α-amylase 0,13% trong thời gian thủy phân 40,54 phút cho giá trị độ nhớt 32,52 cP.
- tỷ lệ enzyme gluco-amylase: 0,077%.
- trong thời gian thủy phân 210 phút.