Tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian thanh trùng sản phẩm nước giải khát thuốc dòi bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

Chia sẻ: Trương Tiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

282
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được sử dụng để tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian thanh trùng sản phẩm nước giải khát thuốc dòi dựa vào các chỉ tiêu như hàm lượng vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian thanh trùng sản phẩm nước giải khát thuốc dòi bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 12 – 21 TỐI ƯU HÓA NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN THANH TRÙNG SẢN PHẨM NƯỚC GIẢI KHÁT THUỐC DÒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỀ MẶT ĐÁP ỨNG Nguyễn Duy Tân1 Trường Đại học An Giang 1 Thông tin chung: Ngày nhận bài: 23/05/2017 Ngày nhận kết quả bình duyệt: 25/11/2017 Ngày chấp nhận đăng: 12/2017 Title: An application of response surface method to optimize pasteurization temperature and time of Pouzolzia zeylanica beverage Keywords: Pouzolzia zeylanica plant, bioactive conpounds, beverage, response surface methodology (RSM), optimization, pasteurization Từ khóa: Cây thuốc dòi, hợp chất sinh học, nước giải khát, phương pháp bề mặt đáp ứng, sự tối ưu hóa, thanh trùng ABSTRACT Response surface methodology (RSM) was applied to optimize temperature and time of pasteurization of “thuoc doi” beverage basing on the parameters such as the content of vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol and tannin. The experiment was set with central composite design (CCD) with 23+star for investigating the effects of pasteurization temperature (70 ÷ 90 oC) and time (15 ÷ 35 minutes) on the selected parameters. The results showed that the optimal pasteurization process was obtained at 83 oC for 31 minutes. Consequently, vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol and tannin contents of the product were 60,26 mg/L; 6,18 mg/L; 147,55 mg/L; 312,01 mg/L and 422,95 mg/L, respectively. TÓM TẮT Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được sử dụng để tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian thanh trùng sản phẩm nước giải khát thuốc dòi dựa vào các chỉ tiêu như hàm lượng vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin. Thí nghiệm được thiết kế theo kiểu phức hợp điểm tâm (CCD) với mô hình 23+star để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (70÷90oC) và thời gian thanh trùng (15÷35 phút) đến các chỉ tiêu được chọn. Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình thanh trùng tối ưu đạt được ở 83oC trong 31 phút. Hàm lượng vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin trong sản phẩm lần lượt là 60,26 mg/L; 6,18 mg/L; 147,55 mg/L; 312,01 mg/L và 422,95 mg/L. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ polyphenol và tannin) và dịch trích ly từ cây thuốc dòi có tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxy hóa và khử gốc tự do (Ghani, 2003; Lê Thanh Thủy, 2007; Li et al., 2011; Saha & Paul, 2012a; Paul & Saha, 2012; Saha et al., 2012; Saha & Paul, 2012b; Sarma & Dinda, 2013). Vì vậy, việc nghiên cứu chế biến nước giải khát từ cây thuốc dòi là rất cần thiết để tạo ra sản phẩm tiện ích và có tác dụng hỗ trợ sức khỏe vì có chứa nhiều chất có hoạt tính sinh học. Ngoài việc tìm ra các thông số tối ưu cho quá trình trích ly và phối chế, thì quá trình thanh trùng sản phẩm cũng là một công đoạn Cây thuốc dòi có tên khoa học là Pouzolzia zeylanica L. Benn, thuộc họ Gai Urticaceae, rất phổ biến và phát triển tốt trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam. Theo Đông y, cây thuốc dòi có vị ngọt, nhạt, tính mát, có tác dụng chỉ khái, tiêu đờm, dùng chữa ho lâu ngày, ho lao, viêm họng, viêm thanh phế quản (Đỗ Tất Lợi, 2004; Võ Văn Chi, 2012). Các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy, cây thuốc dòi có chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học (anthocyanin, flavonoid, 12 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 12 – 21 quan trọng cần được khảo sát để tìm ra nhiệt độ và thời gian thanh trùng tốt nhất cho quy trình chế biến nhằm giữ được hàm lượng vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin cao nhất. Nguyên liệu thuốc dòi khô được trích ly ở nhiệt độ 81 oC trong thời gian 30 phút với tỷ lệ nước/nguyên liệu 27/1 (v/w). Tiến hành lọc thu được dịch trích thuốc dòi, phối chế bằng đường phèn đến 15 oBrix và bằng acid citric/acid ascorbic = 1/1 đến pH 3,6 (kết quả của nghiên cứu trước); rót chai thủy tinh với dung tích 330 ml sau đó đóng nắp để bố trí thí nghiệm thanh trùng. Phương pháp bề mặt đáp ứng RSM trong phần mềm Statgraphic là phương pháp đơn giản để tối ưu hóa các nhân tố được khảo sát với số mẫu được đơn giản đi rất nhiều so với bố trí hai hay ba nhân tố theo kiểu thông thường. Và có thể tìm ra được điểm tối ưu chung cho nhiều hàm mục tiêu cần đạt được. Vì thế, nghiên cứu sử dụng phương pháp này cho việc bố trí khảo sát nhiệt độ và thời gian thanh trùng nước giải khát thuốc dòi. 2.2 Thiết kế thí nghiệm Bước 1: Chọn nhân tố (2, 3 hoặc nhiều hơn) và chọn khoảng khảo sát để tối ưu hóa (thường dựa vào kết quả nghiên cứu thăm dò). Thí nghiệm được tiến hành với 2 nhân tố: nhiệt độ thanh trùng, X1 (oC): 70 ÷ 90; thời gian thanh trùng, X2 (phút): 15 ÷ 35. 2. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Bước 2: Chọn mức độ khảo sát (3 hoặc 5 mức độ) và mô hình thiết kế (nhiều loại mô hình) có sẵn trong phần mềm Statgraphic. Thí nghiệm sử dụng RSM trong phần mền Statgraphic XV để bố trí và tối ưu hóa các nhân tố thí nghiệm. Mỗi nhân tố được khảo sát với 5 mức độ (-α, -1, 0, +1, + α) được tính toán từ việc chạy phần mềm và kết quả được trình bày ở Bảng 1. Cây thuốc dòi được trồng tại khu thực nghiệm Trường Đại học An Giang, được thu hoạch với thời gian sinh trưởng 1,5 ÷ 2 tháng (chiều cao đạt 25 - 40 cm). Loại bỏ những cây bị sâu bệnh, vàng úa, rửa sạch và phơi khô đến độ ẩm ≤ 12%. Sau đó, cắt khúc với chiều dài 2 - 3 cm, cho vào bao bì nilong PP, tồn trữ nhiệt độ phòng để sử dụng cho nghiên cứu. Thí nghiệm được thiết kế theo mô hình (Central composite design: 22+star). Chọn số lần lặp lại của điểm trung tâm (5 lần) và chạy phần mềm sẽ tìm được số mẫu thí nghiệm (13 mẫu) với bố trí nhiệt độ và thời gian thanh trùng ngẫu nhiên được trình bày ở Bảng 2. Quy trình chế biến: Nguyên liệu thuốc dòi khô  Trích ly  Lọc  Dịch thuốc dòi  Phối chế  Rót chai, đóng nắp  Thanh trùng  Làm nguội  Sản phẩm. Bảng 1. Mã hóa biến và các mức độ khảo sát Nhân tố (Biến) Giá trị Mã hóa -α -1 0 +1 +α Nhiệt độ thanh trùng (oC) X1 66 70 80 90 94 Thời gian thanh trùng (phút) X2 11 15 25 35 39 tích (ANOVA) với độ khác biệt nhỏ nhất (LSD) ở mức ý nghĩa 95%. 2.3 Phân tích số liệu Thí nghiệm được thực hiện theo thiết kế như ở Bảng 2. Các hàm mục tiêu như vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin cũng thu thập theo các mẫu thí nghiệm đã bố trí. Các số liệu thu thập, sử dụng phần mềm để phân Mức độ phù hợp của các mô hình dự đoán cho các hàm mục tiêu được đánh giá thông qua hệ số xác định tương quan R2 và giá trị P của Lack of fit. Mô hình dự đoán cho các hàm mục tiêu có dạng bậc 2 (Phương trình 1). 13 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 12 – 21 anthocyanin theo phương pháp pH vi sai (Ahmed et al., 2013; Lee et al., 2005); phân tích flavonoid theo phương pháp Aluminium Chloride Colorimetric (Mandal et al., 2013; Eswari et al., 2013); phân tích polyphenol theo phương pháp Folin - Ciocalteau (Hossain et al., 2013); phân tích tannin theo phương pháp Folin-Denis (Laitonjam et al., 2013). (1) Trong đó: Y - chỉ tiêu cần thu nhận; β0 - hằng số; βj - hệ số tuyến tính; βjj - hệ số bình phương; βij - hệ số tương tác; Xi, Xj - các biến khảo sát. 2.4 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu Phương pháp phân tích các chỉ tiêu theo dõi: phân tích vitamin C theo phương pháp chuẩn độ (Phạm Thị Hồng Ánh & cs., 2004); phân tích 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng của điều kiện thanh trùng đến hàm lượng vitamin C và hợp chất có hoạt tính sinh học Bảng 2. Bố trí thí nghiệm và kết quả phân tích các hàm mục tiêu (vitamin C, anthocyanin, flavonoid, plyphenol và tannin) theo nhiệt độ và thời gian thanh trùng Số mẫu TN Nhiệt độ (oC) Thời gian Vitamin C Anthocyanin (phút) (mg/L) (mg/L) 1 80 (0) 25 (0) 60,33 2 80 (0) 25 (0) 3 94 (+α) 4 Flavonoid (mg/L) Polyphenol (mg/L) Tannin (mg/L) 6,19 147,15 298,81 422,85 60,21 6,16 148,06 302,22 423,15 25 (0) 59,26 6,05 145,28 301,62 417,98 70 (-1) 15 (-1) 59,13 6,06 142,55 306,11 422,04 5 90 (+1) 15 (-1) 59,94 6,14 146,34 311,75 422,95 6 80 (0) 25 (0) 60,35 6,18 146,95 312,05 421,98 7 80 (0) 39 (+α) 59,74 6,12 145,46 309,94 421,55 8 70 (-1) 35 (+1) 58,71 6,00 142,05 311,08 420,24 9 66 (-α) 25 (0) 58,15 5,99 139,72 311,81 421,67 10 90 (+1) 35 (+1) 59,85 6,03 143,54 308,65 414,93 11 80 (0) 25 (0) 60,34 6,17 146,58 310,64 422,83 12 80 (0) 25 (0) 60,18 6,18 147,25 306,44 423,01 13 80 (0) 11 (-α) 60,17 6,09 143,87 307,76 419,67 Phân tích Anova dữ liệu ở Bảng 2; vẽ đồ thị bề mặt đáp ứng và contour cho các hàm mục tiêu vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin; tìm ra phương trình hồi quy cho các hàm mục tiêu. Kết quả được trình bày ở Hình 1, Bảng 3 và Hình 2. Đồ thị bề mặt đáp ứng và contour ở Hình 1 (a, b, c, d và e) cho thấy, nhiệt độ và thời gian thanh trùng đều có ảnh hưởng theo mô hình bậc hai đến hàm lượng vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin hiện diện trong sản phẩm với giá trị P  0,05. 14 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 12 – 21 Hàm lượng vitamin C của sản phẩm có xu hướng tăng khi tăng nhiệt độ thanh trùng từ 66 – 83 oC và đạt đến giá trị tối ưu 82,62 oC sau đó giảm xuống khi tăng nhiệt độ tiếp tục đến 94 oC. Ngược lại, thời gian thanh trùng có ảnh hưởng theo mô hình bậc hai chưa rõ ràng đến hàm lượng vitamin C, hàm lượng vitamin C giữ ở mức cao trong khoảng thời gian từ 15 ÷ 30 phút và đạt tối ưu ở 22,07 phút. Hàm lượng vitamin C trong sản phẩm giữ được cao nhất là 60,36 mg/L tương ứng với nhiệt độ và thời gian thanh trùng lần lượt là 82,62 oC và 22,07 phút (Hình 1a). hơn, hàm lượng polyphenol giữ ở mức cao trong khoảng thời gian từ 26 ÷ 32 phút và đạt tối ưu ở 28,61 phút. Hàm lượng polyphenol đạt giá trị tối ưu là 312,22 mg/L tương ứng với nhiệt độ và thời gian thanh trùng lần lượt là 84,53 oC và 28,61 phút (Hình 1d). Ngược lại, đồ thị bề mặt đáp ứng và contour ở Hình 1e cho thấy, nhiệt độ và thời gian thanh trùng có ảnh hưởng theo mô hình bậc hai chưa rõ đến hàm lượng tannin trong sản phẩm. Hàm lượng tannin có xu hướng giảm khi tăng nhiệt độ và kéo dài thời gian thanh trùng. Hàm lượng tannin trong sản phẩm đạt giá trị tối ưu là 423,04 mg/L tương ứng với nhiệt độ và thời gian thanh trùng lần lượt là 80,35 oC và 30,33 phút. Tương tự, hàm lượng anthocyanin trong sản phẩm giữ ở mức cao khi nhiệt độ thanh trùng nằm trong khoảng 81 ÷ 84 oC, tối ưu ở 82,31 oC. Bên cạnh đó, khi kéo dài thời gian thanh trùng hàm lượng anthocyanin có xu hướng duy trì được tốt hơn, hàm lượng anthocyanin giữ ở mức cao trong khoảng thời gian từ 25 ÷ 30 phút và đạt tối ưu ở 27,90 phút. Hàm lượng anthocyanin trong sản phẩm được duy trì cao nhất là 6,18 mg/L tương ứng với nhiệt độ và thời gian thanh trùng lần lượt là 82,31 o C và 27,90 phút (Hình 1b). Kết quả trên cho thấy, khi thanh trùng sản phẩm với nhiệt độ thấp dưới 75 oC và thời gian ngắn có thể chưa tiêu diệt được hết vi sinh vật trong sản phẩm nên hàm lượng vitamin C và các hoạt chất sinh học có thể bị phân hủy do vi vật còn lại trong sản phẩm (vì mẫu được để ổn định sau 1 ngày mới tiến hành phân tích). Ngược lại, các mẫu được thanh trùng ở nhiệt độ từ 90 o C trở lên với thời gian dài trên 20 phút thì hàm lượng các hợp chất sinh học trong sản phẩm giảm đi. Điều này là do các hợp chất sinh học vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin có tính chất nhạy cảm với nhiệt độ cao và thời gian xử lý nhiệt dài (Hà Duyên Tư & Vũ Hồng Sơn, 2009). Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, quá trình thanh trùng nhiệt có thể làm giảm hợp chất phenolic trong hầu hết nước quả (Chen et al., 2013). Noci et al. (2008) quan sát thấy có sự phân hủy hợp chất phenolic trong nước táo thanh trùng ở 94 oC nhiều hơn khi thanh trùng ở 72 oC. Cũng như thế, thời gian thanh trùng được xem là nhân tố quan trọng có ảnh hưởng lên sự phân hủy hợp chất phenolic trong nước quả. Odrizola Serrano et al. (2008) cho thấy khi thanh trùng nước quả dâu tây ở 90 oC trong 1 phút dẫn đến sự phân hủy hợp chất phenolic nhiều hơn trong 30 giây. Nhiệt độ và thời gian thanh trùng có ảnh hưởng theo mô hình bậc hai khá rõ ràng đến hàm lượng flavonoid trong sản phẩm. Hàm lượng flavonoid duy trì ở mức cao khi nhiệt độ thanh trùng nằm trong khoảng 81 ÷ 87 oC, tối ưu ở 84,15 oC. Tương tự như anthocyanin, khi kéo dài thời gian thanh trùng hàm lượng flavonoid có xu hướng tăng, hàm lượng flavonoid duy trì ở mức cao trong khoảng thời gian từ 24 ÷ 32 phút và đạt tối ưu ở 28,62 phút. Hàm lượng flavonoid trong sản phẩm dạt cao nhất là 147,64 mg/L tương ứng với nhiệt độ và thời gian thanh trùng lần lượt là 84,15 oC và 28,62 phút (Hình 1c). Tương tự, nhiệt độ và thời gian thanh trùng cũng có ảnh hưởng theo mô hình bậc hai rõ đến hàm lượng polyphenol trong sản phẩm. Hàm lượng polyphenol sản phẩm giữ ở mức cao khi nhiệt độ thanh trùng nằm trong khoảng 82 ÷ 87 oC, tối ưu ở 84,53 oC. Khi kéo dài thời gian thanh trùng hàm lượng polyphenol có xu hướng duy trì được tốt 15 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 12 – 21 (a) (b) (c) (d) (e) Hình 1. Đồ thị bề mặt đáp ứng và contour thể hiện mối tương quan giữa hàm lượng vitamin C (a), anthocyanin (b), flavonoid (c), polyphenol (d) và tannin (e) theo nhiệt độ và thời gian thanh trùng. Kết quả phân tích thống kê ANOVA cho thấy, mô hình tương quan xây dựng với các hệ số tuyến tính, tương tác và bình phương của hai nhân tố nhiệt độ và thời gian thanh trùng đều có ảnh hưởng đến hàm lượng vitamin C, anthocyanin, flavonoid, polyphenol và tannin trong sản phẩm với P-value ≤ 0,05 (Bảng 3). lại đối với các hệ số tuyến tính của thời gian, bình phương của nhiệt độ, thời gian có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng vitamin C trong sản phẩm sau khi thanh trùng. Tương tự, phương trình dự đoán hàm lượng anthocyanin (3) cho thấy, các hệ số tuyến tính của nhân tố nhiệt độ, tương tác của nhiệt độ và thời gian có quan hệ tỷ lệ thuận với hàm lượng anthocyanin. Ngược lại đối với các hệ số tuyến tính của thời gian, bình phương của nhiệt độ và thời gian có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng anthocyanin. Phương trình dự đoán hàm Phương trình dự đoán hàm lượng vitamin C (2) cho thấy, các hệ số tuyến tính của nhân tố nhiệt độ, tương tác giữa nhiệt độ và thời gian có quan hệ tỷ lệ thuận với hàm lượng vitamin C. Ngược 16