Hội thảo khoa học khoa Công nghệ thực phẩm 2018
TỐI ƯU HÓA VÀ XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TRÍCH LY
PROTEIN TỪ BÈO TẤM LEMNA MINOR
Lương Trí Phong*, Lê Ngọc Quỳnh Nhi, Trần Chí Hải
Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh
*Email: triphong163@gmail.com
Ngày nhận bài: 07/7/2018 ; Ngày chấp nhận đăng: 12/7/2018
TÓM TẮT
Nguyên liệu bèo tấm (Lemna minor) với hàm lượng protein là 242,3 mg/g đã được thu nhận từ đầm
rau nhút ở tỉnh Tiền Giang, sau đó được rửa sạch, phơi khô, xay và rây để tiến hành trích ly protein. Trong
nghiên cứu này, bốn yếu tố: nồng độ NaOH, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ trích ly và thời gian trích
ly được sàng lọc theo mô hình Plackett Burman. Kết quả cho thấy 2 yếu tố nồng độ NaOH và nhiệt độ
trích ly có ảnh hưởng đến hàm mục tiêu là hiệu suất trích ly protein. Mô hình bề mặt đáp ứng được sử
dụng để tối ưu hóa cho hiệu suất trích ly protein đạt cực đại 42,02% tại điều kiện NaOH 1,13%, tỉ lệ
nguyên liệu/dung môi 1/20, nhiệt độ trích ly 54,3oC và thời gian trích ly 75 phút. Ngoài ra, động học quá
trình trích ly tuân theo mô hình bậc hai với khả năng trích Ce là 117,647 mg/g, vận tốc trích ly ban đầu v0
là 11,325 (mg.g-1.phút-1), hằng số tốc độ trích ly k là 8,1823.10-4 (g.mg-1.phút-1) và R2 = 0,9876.
Từ khóa: Bèo tấm, động học, Plackett – Burman, protein, tối ưu hóa.
1. GIỚI THIỆU
Bèo tấm (Lemna minor L) là loại thực vật thủy sinh một lá mầm và có tốc độ sinh trưởng mạnh,
chúng có thể gấp đôi so với khối lượng ban đầu trong 16 giờ đến 2 ngày nếu được cung cấp đầy đủ dinh
dưỡng, ánh sáng mặt trời, nhiệt độ nước tối ưu [1]. Bèo tấm có hàm lượng protein cao (20-35%) với đầy
đủ các acid amin thiết yếu, chất béo 4-7% [2].Ở nhiều nước Nam Á như Ấn Độ, Bangladesh và Pakistan,
thực phẩm giàu carbohydrates nhưng lại chứa ít protein. Do đó, protein từ bèo tấm sẽ là một chất bổ sung
hoàn hảo cho thực phẩm ở những nước này. Hơn nữa, bèo tấm còn có thể cung cấp protein cho các chế độ
ăn kiêng, ăn chay – kiểu sống rất phổ biến ở các nước phát triển hiện nay [2]. Theo khuyến nghị nhu cầu
dinh dưỡng của Bộ Y tế dành cho người Việt Nam, mỗi ngày trung bình một người trưởng thành cần cung
cấp 1,25g protein trên 1kg thể trọng. So với protein động vật, protein thực vật chiếm tỉ trọng thấp hơn
nhưng rất hiệu quả trong việc phòng ngừa các bệnh về tim mạch, béo phì và giảm lượng cholesterol trong
máu [3]. Do vậy, protein từ bèo tấm là nguồn cung cấp rất hữu ích cho con người. Trong nghiên cứu này,
các thông số như nồng độ dung môi NaOH, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ, thời gian đã được sàng
lọc bằng mô hình Placket Burman và tối ưu hóa quá trình trích ly với hàm mục tiêu là hiệu suất trích ly
của quá trình và độ tinh sạch của protein trong dịch trích.
33
Lương Trí Phong, Lê Ngọc Quỳnh Nhi, Trần Chí Hải
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Nguyên liệu chính trong nghiên cứu này là bèo tấm (Lemna minor L) được thu nhận từ các đầm rau
nhút ở tỉnh Tiền Giang. Sau đó, bèo tấm sẽ được rửa sạch, phơi khô rồi chuyển lên Trường Đại học Công
nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh để tiến hành xay, rây với kích thước 0,3mm. Sản phẩm bèo
tấm khô có độ ẩm 5,15±0,07%, hàm lượng béo chiếm 2,04±0,10%, hàm lượng tro chiếm 12,15±0,07%,
hàm lượng carbohydrat tổng chiếm 47,57±2,38% và hàm lượng protein trong bèo tấm là 24,23±1,21%
Thuốc thử Nessler được cung cấp bởi Công ty Merck KgaA, các hóa chất phân tích khác đạt yêu cầu của
hóa chất ở phòng thí nghiệm.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Đánh giá sự tác động của các yếu tố bằng mô hình Plackett Burman
Các yếu tố sẽ được sàng lọc có ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly protein từ bèo tấm thông qua mô
hình Plackett Burman với 16 thí nghiệm cho bốn yếu tố (nồng độ NaOH, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt
độ trích ly, thời gian trích ly) với các giá trị ở 2 biên của các yếu tố lần lượt là 0,5% và 1,5%; 1/15 và
1/25; 50oC và 60oC; 60 phút và 90 phút.
2.2.2. Tối ưu hóa quá trình trích ly protein từ bèo tấm
Các yếu tố đã được sàng lọc có ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly protein sẽ được chọn để tiến hành tối
ưu hóa theo mô hình ma trận trực giao cấp hai (3 thí nghiệm ở tâm).
2.2.3. Xây dựng động học quá trình trích ly protein từ bèo tấm
Các thông số động học của quá trình trích ly protein được xác định bao gồm: khả năng trích ly Ce
(mg/g), tốc độ trích ly ban đầu vo (mg.g-1.phút-1), và hằng số tốc độ trích ly k (g.mg-1phút-1) [4]. Điều kiện
trích ly là kết quả tối ưu tìm được từ phương pháp quy hoạch thực nghiệm 2.2.2.
Quá trình trích ly protein có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình bậc hai tổng quát (1). Tốc độ
trích ly ban đầu vo (mg.g-1.phút-1) là Ct/t khi t tiến đến 0 và được xác định bởi phương trình (2) [5].
t
Ct
= 1
Ce
× t + 1
k.Ce
2
(1)
v0 = k.Ce
2
(2)
2.2.4. Phương pháp phân tích
Cân chính xác 1g bèo tấm khô vào ống ly tâm và sử dụng dung môi để trích ly protein bằng bể ổn
nhiệt và ly tâm với vận tốc 5500 vòng/phút trong 15 phút và lọc để thu nhận dịch trích protein. Hàm lượng
protein được xác định thông qua hàm lượng Nitơ có trong mẫu. Hàm lượng Nitơ này được xác định bằng
phương pháp Kjeldahl kết hợp với phương pháp đo quang bằng thuốc thử Nessler (với một số thay đổi):
lấy 0,5ml dịch trích protein từ bèo tấm khô, 5ml H2SO4đđ, 1ml H2O2 và 2ml HClO4 để thực hiện phá mẫu
trong 2 giờ. Chỉnh pH mẫu phá về pH trung tính trong bình định mức 100ml và định mức tới vạch, tiếp tục
hút 5ml mẫu vào bình định mức 25ml, có sử dụng đệm kali natri tartrate 10% và định mức tới vạch. Thực
hiện đo quang với thuốc thử Nessler ở bước sóng 400nm.
34
Tối ưu hóa và xây dựng động học quá trình trích ly protein từ bèo tấm Lemna minor
Hiệu suất trích ly protein được tính theo các công thức (4), trong đó C là hàm lượng protein trong
dịch trích, V là thể tích dịch trích, m là khối lượng mẫu, f là độ pha loãng, 6,25 là hệ số chuyển từ Nitơ
sang protein, h là hàm lượng protein trích ly được trong 1g mẫu, H là hiệu suất trích ly protein từ bèo tấm,
h0 là hàm lượng protein tổng trong bèo tấm:
h(mg/g) = C × V
m× f × 6,25
1000
(3)
H (%) = h
ho
×100
(4)
2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu
Thí nghiệm được lặp lại 3 lần và kết quả được thể hiện dưới dạng giá trị trung bình. Thiết kế thí
nghiệm và xử lý kết quả sàng lọc, tối ưu hóa bằng phần mềm MODDE 5.0.
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Đánh giá sự tác động của các yếu tố bằng mô hình Plackett Burman
Kết quả đánh giá sự tác động của các yếu tố được thể hiện ở bảng 1 và bảng 2. Các khoảng giá trị
biên và tại tâm của bốn yếu tố được chọn dựa vào kết quả thí nghiệm khảo sát đơn yếu tố đã được tiến
hành trước đó.
Bảng 1. Bảng bố trí thí nghiệm theo mô hình Plackett Burman
STT
Biến mã hóa
Hiệu suất
trích ly
(%)
Nồng
độ
NaOH
(X1)
Tỉ lệ
nguyên
liệu/dung
môi (X2)
Nhiệt
độ
trích
ly
(X3)
Thời
gian
trích
ly
(X4)
Nồng
độ
NaOH
(%)
Tỉ lệ
nguyên
liệu/du
ng môi
(w/v)
Nhiệt
độ
trích ly
(oC)
Thời
gian
trích ly
(phút)
1
1
-1
-1
-1
1,5
15
50
60
38,13
2
1
1
-1
-1
1,5
25
50
60
38,28
3
1
1
1
-1
1,5
25
60
60
35,64
4
1
1
1
1
1,5
25
60
90
32,64
5
-1
1
1
1
0,5
25
60
90
27,25
6
1
-1
1
1
1,5
15
60
90
29,26
7
-1
1
-1
1
0,5
25
50
90
30,51
8
1
-1
1
-1
1,5
15
60
60
35,14
9
1
1
-1
1
1,5
25
50
90
38,33
10
-1
1
1
-1
0,5
25
60
60
27,69
11
-1
-1
1
1
0,5
15
60
90
27,09
12
1
-1
-1
1
1,5
15
50
90
38,54
13
-1
1
-1
-1
0,5
25
50
60
29,77
14
-1
-1
1
-1
0,5
15
60
60
27,16
15
-1
-1
-1
1
0,5
15
50
90
29,14
16
-1
-1
-1
-1
0,5
15
50
60
28,25
35
Lương Trí Phong, Lê Ngọc Quỳnh Nhi, Trần Chí Hải
Bảng 2. Kết quả xử lý thống kê của bố trí thí nghiệm theo mô hình Plackett Burman
Yếu tố ảnh
hưởng đến
hiệu suất trích
ly
Hệ số ảnh
hưởng
p value với
mức ý nghĩa
5%
Yếu tố ảnh
hưởng đến
hiệu suất trích
ly
Hệ số ảnh
hưởng
P value với
mức ý nghĩa
5%
Nồng độ
NaOH (%)
3,69468
3,37536.10-19
Nhiệt độ trích
ly (oC)
-1,81871
1,62956.10-9
Tỉ lệ nguyên
liệu:dung môi
(v/w)
0,462072
0,059355
Thời gian
trích ly (phút)
-0,457742
0,0616791
Kết quả thu được cho thấy trong khoảng giá trị khảo sát tỉ lệ nguyên liệu/dung môi và thời gian trích
ly ảnh hưởng không có ý nghĩa đến hàm mục tiêu hiệu suất trích ly, còn nồng độ NaOH (p = 3,37536.10-
19) và nhiệt độ trích ly (p = 1,62956.10-9) có ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất trích ly protein từ bèo tấm.
Theo lý thuyết, khi tăng nồng độ dung môi sử dụng thì hiệu suất trích ly tăng do sự chênh lệch gradient
nồng độ của cấu tử cần trích ly giữa nguyên liệu và dung môi càng lớn. Ngoài ra, khi tăng nhiệt độ dễ làm
protein biến tính, làm giảm hàm lượng protein tan trong dung môi [6]. R.J. Kain cũng có báo cáo tương tự
khi khảo sát về ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến quá trình trích ly protein từ đậu phộng, kết quả cho
thấy hiệu suất trích ly giảm 15 – 17,6% khi nhiệt độ tăng từ 40oC lên 60oC [7].
3.2. Tối ưu hóa quá trình trích ly protein từ bèo tấm
Từ kết quả của thí nghiệm sàng lọc, có hai yếu tố nồng độ NaOH và nhiệt độ trích ly ảnh hưởng đến
hàm mục tiêu hiệu suất trích ly được lựa chọn để tiến hành tối ưu hóa với giá trị trung tâm lần lượt là 1%
và 55oC. Khi đó, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/20 và thời gian trích ly 75 phút được cố định cho toàn bộ thí
nghiệm tối ưu hóa theo hàm mục tiêu hiệu suất trích ly.
Bảng 3. Kết quả bố trí thí nghiệm tối ưu hóa theo hiệu suất trích ly
STT
Biến mã hóa
Biến thực
Hiệu suất trích
ly (%)
Nồng độ NaOH
(X1)
Nhiệt độ trích
ly (X3)
Nồng độ NaOH
(%)
Nhiệt độ trích
ly (oC)
1
-1
-1
0,5
50
31,93
2
1
-1
1,5
50
36,30
3
-1
1
0,5
60
28,04
4
1
1
1,5
60
32,67
5
-1
0
0,5
55
35,90
6
1
0
1,5
55
40,37
7
0
-1
1
50
37,94
8
0
1
1
60
37,01
9
0
0
1
55
41,21
10
0
0
1
55
41,09
11
0
0
1
55
41,12
36
Tối ưu hóa và xây dựng động học quá trình trích ly protein từ bèo tấm Lemna minor
Bảng 4. Kết quả hồi quy đa biến hiệu suất trích ly
Hieu suat
Coeff. SC
Std. Err.
p value
Conf. int(±)
Constant
41,6137
0,390849
5,71519.10-37
0,801963
X1
2,24578
0,311046
9,14626.10-8
0,63822
X3
-1,40986
0,311046
0,00011
0,63822
X1*X1
-4,18418
0,47869
2,34425.10-9
0,9822
X3*X3
-4,84173
0,47869
1,11141.10-10
0,9822
X1*X3
0,0636833
0,380952
0,868482
0,781657
N = 33
Q2 =
0,875
Cond. no. =
3,0822
DF = 27
R2 =
0,921
Y-miss =
0
R2 Adj. =
0,907
RSD =
1,3197
Conf. lev. =
0,95
Y = 41,6137 + 2,24578.X1 – 1,40986.X3 – 4,18418.X12 – 4,84173.X32 (5)
Phương trình (5) cho thấy cả 2 yếu tố nồng độ dung môi NaOH và nhiệt độ trích ly đều tác động theo
quy luật hàm bậc 2 (có đỉnh lên hàm mục tiêu hiệu suất thu hồi), tuy nhiên không có sự tương tác giữa 2
yếu tố.
Hình 1. Đồ thị đáp ứng bề mặt hiệu suất trích ly protein theo phương trình hồi quy trên không gian hai chiều
(a) và ba chiều (b)
Hiệu suất trích ly đạt cực đại là 42,02% tại nồng độ dung môi NaOH 1,1328% và nhiệt độ trích ly
54,3oC (Hình 1). Chúng tôi tiến hành kiểm tra thực nghiệm với sự lặp lại 3 lần tại giá trị nồng độ dung môi
NaOH và nhiệt độ trích ly tối ưu, kết quả thu được là hiệu suất trích ly đạt 42,17±0,72%. Kết quả kiểm tra
có sự chênh lệch giữa kết quả thực tế và kết quả từ phương trình hồi quy nhưng có thể chấp nhận được.
Ngoài ra, giá trị R2 = 0,921 thể hiện 92% biến thiên của biến phụ thuộc được giải thích bởi các biến độc
lập và R2adj = 0,907 cho thấy mức độ giải thích của các biến độc lập trong mô hình không bị ảnh hưởng
nhiều bởi các bậc tự do. Giá trị R2 > 0,85 và Q2 = 0,875 cho thấy mức độ tin cậy của mô hình hồi quy cao,
và cho thấy ảnh hưởng của mỗi biến số trong hàm hồi quy ở mức ý nghĩa 95%.
3.3. Xây dựng động học quá trình trích ly protein từ bèo tấm
37