TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH CHIẾT TÁCH CHẤT MÀU
ANTHOCYANIN TỪ BẮP CẢI TÍM
TRONG MÔI TRƯỜNG TRUNG TÍNH
THE OPTIMAL PROCESS OF PIGMENT ANTHOCYANIN EXTRACTION
FROM VIOLET CABBAGE IN NEUTRAL ENVIROMENT
HUỲNH THỊ KIM CÚC
Trường Cao đẳng Lương thực Thực phẩm Đà Nẵng
NGUYỄN THỊ LAN – CHÂU THẾ LIỄU TRANG
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu điều kiện chiết tách chất màu
anthocyanin từ bắp cải tím, trong môi trường trung tính. Bằng phương pháp tối ưu hóa hàm
đa mục tiêu đã tìm được các điều kiện công nghệ chiết tách để thu được chất màu
anthocyanin có hàm lượng và độ màu cao, bao gồm: Nhiệt độ chiết 290C; Thời gian chiết 54
phút; Hệ dung môi nước/ethanol có tỷ lệ nước 72%. Với điều kiện này thu được: hàm lượng
anthocyanin 1,110%; độ màu 4,967.
ABSTRACT
In this paper, we present the research results of the condition for pigment anthocyanin
extraction from violet cabbage in neutral enviroment. Using the optimal method of multi-target
function, we determined the extracting conditions to receive pigment anthocyanin with high
colour degree and content, which include extracting temperature 300C; extracting time 54
minutes and using solven water/ethanol having 72 percent of water. Under these conditions,
we obtain anthocyanin with content 1,110%; colour degree 4,967.
1. Mở đầu
Bắp cải tím có xuất xứ từ Địa Trung Hải, hiện nay đã được nhân rộng khắp thế giới.
Được trồng phổ biến ở Nhật Bản, hằng năm thu được khoảng 150 triệu tấn. Trong những năm
gần đây, bắp cải tím đã du nhập vào nước ta và được trồng phổ biến ở Đà Lạt. Theo nghiên
cứu của tác giả [2] bắp cải tím có chứa hàm lượng chất màu anthocyanin tương đối cao, vì
vậy chúng không những dùng làm một loại rau dùng cho bữa ăn hàng ngày, mà còn có thể là
một nguồn nguyên liệu dồi dào để thu nhận và sử dụng chất màu tự nhiên anthocyanin. Vì vậy
chúng tôi tiến hành nghiên cứu tìm điều kiện chiết tách tối ưu để thu được chất màu
anthocyanin có hàm lượng và độ màu cao từ loại nguyên liệu này.
2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên liệu
Bắp cải tím mua ở chợ Hàn - Đà Nẵng đem rửa sạch, thái nhỏ, cân mỗi phần 10 g bảo
quản ở nhiệt độ -200C dùng làm mẫu nghiên cứu.
2.2.Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp chiết tách, làm sạch anthocyanin
2.2.2. Phương pháp hóa lý
Xác định hàm lượng anthocyanin bằng phương pháp pH vi sai 2 [5]
Xác định độ màu của anthocyanin [3]: Tiến hành đo mật độ quang A ở pH = 1 tại
bước sóng max và bước sóng 420 nm, độ màu tính theo công thức:
Độ màu =
420
A
A
max
(2.1)
2.2.3. Phương pháp toán học
* Chọn phương pháp qui hoạch trực giao cấp I [1]: Tổ chức thí nghiệm TYT2k; Với 2
mức của các yếu tố; k là các yếu tố ảnh hưởng, k = 3.
Chọn mô tả toán học:
Y = b0 +b1x1 +b2x2 + b3x3 + b12x1x2 +b23x2x3 +b13x1x3 +b123x1x2x3 (2.2)
Trong đó:
b0: Hệ số tự do
b1,b2, b3: Hệ số tuyến tính
b12,b23, b13: Hệ số tương tác đôi
b123: Hệ số tương tác ba
* Tối ưu hoá từng hàm mục tiêu riêng lẻ bằng phương pháp dốc đứng của Box và
Wilson
Gồm các bước:
+ Chọn bước chuyển động j
của các yếu tố có j.bj max; j
- (0,3 0,7)
j
+ Bước chuyển động của các yếu tố còn lại được tính theo công thức (2.3)
j
= j
. (2.3)
Trong đó: j: Khoảng biến thiên của yếu tố thứ j
bj: Hệ số tuyến tính trong phương trình hối qui
* Tối ưu hoá hàm đa mục tiêu bằng chập tuyến tính: Gồm các bước sau
+ Xây dựng từng hàm mục tiêu.
+ Tìm nghiệm tối ưu cho từng hàm mục tiêu
+ Chọn hệ số quan trọng cho từng hàm mục tiêu
+ Thực hiện thí nghiệm leo dốc cho hàm chập tuyến tính và tìm nghiệm tối ưu
3. Kết quả và thảo luận
Với mục tiêu tìm điều kiện chiết tách tối ưu để thu nhận anthocyanin có hàm lượng và
độ màu cao. Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa từng hàm mục tiêu riêng biệt sau đó tối ưu hóa
hàm 2 mục tiêu (hàm lượng và độ màu của anthocyanin) bằng chập tuyến tính.
3.1. Các bước thực hiện bài toán quy hoạch
* Chọn các yếu tố ảnh hưởng: Z1: Nhiệt độ chiết, 0C; Z2: Thời gian chiết, phút; Z3: Tỷ
lệ nước trong hệ dung môi,%. Chọn các hàm mục tiêu Y1: hàm lượng anthocyanin, % (Y1
Max); Y2: độ màu (Y2 Max)
Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y1 = f (Z1 , Z2, Z3); Y2 = (Z1, Z2, Z3)
* Chọn miền khảo sát: Theo nghiên cứu [4] chúng tôi chọn miền khảo sát của các yếu
tố là:
+ Hệ dung môi có tỷ lệ nước: ethanol (phần trăm theo thể tích) từ 70/30÷ 50/50
bi .
i
bj . j
+ Nhiệt độ chiết từ 30÷400C
+ Thời gian chiết trong khoảng 45÷75 phút
Từ đó xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 3.1
Bảng 3.1: Điều kiện thí nghiệm được chọn
Các yếu tố ảnh hưởng
Các mức Z1, 0C Z2, phút Z3, %V
Mức trên (+1) 40 75 70
Mức cơ sở (0) 35 60 60
Mức dưới (-1) 30 45 50
Khoảng biến thiên 5 15 10
* Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp I (TYT 2k) thực nghiệm yếu tố toàn phần
2 mức, k yếu tố ảnh hưởng. Phương trình hồi qui có dạng:
Y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123 x1x2x3 (3.1)
Trong đó: x1: Nhiệt độ chiết; x2: Thời gian chiết; x3: Tỷ lệ nước trong hệ dung môi.
* Tổ chức thí nghiệm trực giao cấp I:
Để nhanh chóng tiến tới miền tối ưu, chúng tôi tiến hành 11 thí nghiệm điều kiện đã
chọn ở bảng (3.1). Trong đó số thí nghiệm của phương án là 2k = 8, (k = 3), số thí nghiệm ở
tâm là 3. Kết quả thí nghiệm được ghi ở bảng (3.2).
Bảng 3.2: Kết quả và điều kiện thí nghiệm ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k=3
Biến mã Hàm mục tiêu
STT x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 Y1 Y2
1 + + + + + + + 0,975 3,433
2 - + + - - + - 1,102 4,525
3 + - + - + - - 0,849 4,255
4 - - + + - - + 1,109 4,987
5 + + - + - - - 0,854 2,007
6 - + - - + - + 0,717 3,988
7 + - - - - + + 0,944 3,205
Số thí
nghiệm
trong
phương
án 2k
8 - - - + + + - 0,813 3,767
9 0 0 0 0 0 0 0 0,915 3,834
10 0 0 0 0 0 0 0 0,945 3,991
Số thí
nghiệm
ở tâm 11 0 0 0 0 0 0 0 0,955 3,773
3.2. Xây dựng mô tả toán học và tối ưu hoá hàm mục tiêu hàm lượng anthocyanin
* Chọn phương trình hồi qui (3.1), dựa vào kết quả ở bảng 3.2, sau khi tính toán kiểm
định sự phù hợp của phương trình hồi qui với thực nghiệm, ta thu được phương trình hồi qui
dạng tuyến tính:
Y1 = 0,9208 - 0,07x1 + 0,04875x2 + 0,088x3 (3.2)
* Tiến hành tối ưu hoá thực nghiệm bằng phương pháp dốc đứng
+ Tính các bước chuyển động j
: Từ mức cơ sở Z0j và phương trình hồi qui tuyến tính
chúng tôi tính bước chuyển động cho mỗi yếu tố. Kết quả được ghi ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả tính bước chuyển động j
của các yếu tố
Các chỉ tiêu Z1, 0C Z2, phút Z3, %V
Mức cơ sở 35 60 60
Khoảng biến thiên ( j
) 5 15 10
Hệ số bj -0,070 0,048 0.088
bj j
-0,350 0,731 0,88
Bước chuyển động ( j
) -1,980 4,150 5
Làm tròn bước chuyển động ( j
) -2 4 5
Chọn bước chuyển động
3
0,5 . 3
= 0,5.10 = 5.
Các bước chuyển động của yếu tố x1, x2 được tính theo công thức (3.1) và (3.2):
33
11
31
b
b
= -1,98 (3.1);
33
22
32
b
b
= 4,1 (3.2)
+ Tổ chức thí nghiệm leo dốc: Từ kết quả các bước chuyển động j
ở bảng (3.3),
chúng tôi tổ chức thí nghiệm leo dốc, xuất phát từ tâm thực nghiệm theo hướng đã chọn. Kết
quả được biểu diễn ở bảng 3.4.
Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc đứng
Các yếu tố ảnh hưởng Hàm mục tiêu
Thí nghiệm Z1 Z2 Z3 Y1 Y2
1(TN tại tâm) 35 60 60 0,927
2 33 64 65 0.962
3 31 68 70 0,985
4 29 72 75 1,113 4,720
5 27 76 80 0,997
Kết quả ở bảng 3.4 cho thấy thí nghiệm 4 có hàm lượng anthocyanin cao nhất
(1,113%), tương ứng với nhiệt độ chiết 290C, thời gian chiết 72 phút, tỷ lệ nước trong hệ dung
môi là 75%. Tại thí nghiệm này độ màu của anthocyanin là 4,720. Đây chưa phải là độ màu
cao nhất, vì thế, chúng tôi tiến hành tìm điều kiện chiết tách tối ưu để thu được anthocyanin
có độ màu cao.
3.3. Xây dựng mô tả toán học và tối ưu hoá hàm mục tiêu độ màu
* Từ phương trình hồi qui (3.1), dựa vào kết quả ở bảng 3.1, sau khi tính toán kiểm
định sự phù hợp của phương trình hồi qui với thực nghiệm, ta thu được phương trình hồi qui
(3.3): Y2 = 3,7709 - 0,55x1 – 0,2826x2 + 0,5291x3 – 0,2224x1x2 (3.3)
* Tiến hành tối ưu hoá thực nghiệm bằng phương pháp dốc đứng
+ Tính các bước chuyển động j
: Từ mức cơ sở Z0j và phương trình hồi qui tuyến tính
chúng tôi tính bước chuyển động cho mỗi yếu tố tương tự mục 3.2. Kết quả được ghi ở bảng
3.5.
Bảng 3.5: Tính bước chuyển động j
của các yếu tố
Các chỉ tiêu Z1, 0C Z2, phút Z3, %V
Mức cơ sở 35 60 60
Khoảng biến thiên ( j
) 5 15 10
Hệ số bj -0,55 -0,2826 0,5291
bj j
-2,57 -4,239 5,29
Bước chuyển động ( j
) -2,07 -3,2 4
Làm tròn bước chuyển động ( j
) -2 -3 4
+ Tổ chức thí nghiệm leo dốc: Từ kết quả các bước chuyển động j
ở bảng (3.5),
chúng tôi tổ chức thí nghiệm leo dốc, xuất phát từ tâm thực nghiệm theo hướng đã chọn. Kết
quả được biểu diễn ở bảng 3.6.
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc
Các yếu tố ảnh hưởng Hàm mục tiêu
Thí nghiệm Z1 Z2 Z3 Y2 Y1
1(TN tại tâm) 35 60 60 3,991
2 33 57 64 4,403
3 31 54 68 4,927
4 29 51 72 5,001 0,975
5 27 48 75 4,872
Từ kết quả ở bảng 3.6. Chúng tôi nhận thấy tại thí nghiệm 4 cho độ màu cao nhất
(5,001), tương ứng với điều kiện công nghệ là nhiệt độ 290C, thời gian 51 phút, tỷ lệ nước
trong hệ dung môi 72%. Đồng thời tại thí nghiệm này, chúng tôi xác định hàm lượng
anthocyanin là 0,975.
3.4. Tối ưu hoá hàm đa mục tiêu bằng phương pháp chập tuyến tính
Quá trình chiết tách chất màu anthocyanin có độ màu cao từ bắp cải tím được đặc
trưng bởi hai phương trình (3.2), (3.3). Hai phương trình này thể hiện sự tác động của các yếu
tố công nghệ đến hàm lượng và độ màu anthocyanin thu được. Thực tế không thể có một
nghiệm chung cho cả hai quá trình để đạt được Y1max, Y2max mà chỉ tìm được nghiệm thoả
hiệp (x1, x2, x3) để các giá trị Y1, Y2 nằm gần Y1max, Y2max.
* Phương pháp chập tuyến tính: Chúng tôi lựa chọn mối quan hệ giữa hàm chập tuyến
tính (YL) và các hàm Y1 và Y2 như sau:
YL = 1
Y1 + 2
Y2 (3.4)
Trong đó: + 1
là hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu hàm lượng (Y1); Chọn 1
=
0,6 + 2
là hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu độ màu (Y2); Chọn 2
= 0,4
Ta có phương trình hàm đa mục tiêu: YL = 0,6Y1 + 0,4Y2 (3.5)
Dựa vào các hàm mục tiêu (3.2) và (3.3) ta có phương trình hồi quy của hàm chập:
YL = 2,06 – 0,262x1- 0,08379x2 + 0,2644x3 – 0,222x1x2 (3.6)