Tối ưu hóa quá trình trích ly astaxanthin bằng ethanol từ vỏ tôm

ThS. TRẦN CHÍ HẢI* - ThS. PHẠM THỊ MỸ TIÊN - ThS. NGUYỄN THỊ NGỌC THÚY - ThS. HÀ THỊ THANH NGA - NGUYỄN ĐOÀN MẠNH CHIẾN - LÊ THANH THUẬN (Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh)

TÓM TẮT:

Trong nghiên cứu này, một số thông số công nghệ của quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng ethanol đã được tối ưu hóa. Tỷ lệ nguyên liệu: ethanol, nồng độ ethanol, thời gian xử lý là 3 yếu tố được lựa chọn. Kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện trích ly tối ưu là 1/30,45 ở tỷ lệ nguyên liệu: ethanol, ethanol nồng độ 91,22% và thời gian xử lý 123,94 phút. Tại điều kiện này, hàm lượng astaxanthin đạt cực đại 0,239 mg/g.

Từ khóa: vỏ tôm, astaxanthin, tối ưu hóa, ethanol, quá trình trích ly.

1. Đặt vấn đề

Vỏ tôm là một trong những nguồn carotenoid quan trọng trong tự nhiên. Trong đó, chất màu chủ đạo được tạo nên từ astaxanthin và những ester của nó. Đã có nhiều phương pháp để trích ly astaxanthin từ vỏ tôm. Trong đó, ethanol là một dung môi phù hợp để trích ly astaxanthin bởi vì tính an toàn, hiệu quả và vận hành dễ dàng. Astaxanthin được trích ly bằng ethanol được sử dụng để bổ sung vào sữa chua như một loại thực phẩm chức năng [1] có khả năng chống viêm trên đại thực bào phế nang [2]. Cũng có nghiên cứu chỉ ra astaxanthin được trích ly bằng ethanol cũng có khả năng ức chế hoạt tính tyrosinase, không độc hại đến các tế bào nguyên bào sợi của người [3].

Ở Việt Nam, việc tối ưu hóa quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng dầu thực vật đã được thực hiện, tuy nhiên với dung môi ethanol vẫn chưa có các công bố liên quan. Vì vậy trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành tối ưu hóa một số thông số công nghệ của quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng dung môi ethanol.

2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên liệu

Vỏ tôm sú được thu nhận từ các công ty chế biến hải sản thuộc tỉnh Cà Mau. Sau đó, chúng được loại bỏ tạp chất, rửa sạch và sấy đối lưu ở nhiệt độ 50oC trong 3 giờ. Kế đó, vỏ tôm sau sấy được nghiền và rây qua rây 0,3 mm. Phần qua rây được chứa trong các túi zip tối màu, tránh ánh sáng và được bảo quản ở 4oC trong tủ lạnh. Astaxanthin 99,5% có nguồn gốc từ Merck. Các hóa chất khác đạt các yêu cầu cơ bản của hóa chất dùng trong phân tích.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Tối ưu hóa quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng ethanol

2.2.1.1. Quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng ethanol

Bột vỏ tôm được định lượng chính xác 1,0 gram, cho vào các ống ly tâm 50 mL được bao kín bằng giấy bạc và đậy kín. Mỗi mẫu được tiến hành hành bổ sung ethanol theo các tỷ lệ, nồng độ xác định. Mẫu sau khi bổ sung ethanol được điều nhiệt về 40oC trong các bể ổn nhiệt. Kết thúc quá trình xử lý, hỗn hợp được ly tâm bằng thiết bị ly tâm Hermle tại tốc độ 5.500 vòng/phút trong 10 phút để thu lấy phần dịch trong.

2.2.1.2. Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa

Phương pháp bề mặt đáp ứng (mô hình Box - Behnken) được sử dụng để tối ưu hóa quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng ethanol với 3 yếu tố gồm tỷ lệ nguyên liệu/ethanol (w/v), nồng độ ethanol, thời gian xử lý (phút). Bảng mã hóa của các biến được thể hiện qua Bảng 1. Tâm phương án được lựa chọn từ các khảo sát đơn yếu tố trước đó (không được thể hiện trong bài nghiên cứu này). Hàm mục tiêu của thí nghiệm là hàm lượng astaxanthin (mg/g nguyên liệu). Bố trí thí nghiệm và kết quả hàm lượng astaxanthin trích ly được thể hiện qua Bảng 2.

Bảng 1. Bảng mã hóa các biến ở thí nghiệm tối ưu hóa

quá trình trích ly Astaxanthin bằng ethanol

bang-ma-hoa-cac-bien-o-thi-nghiem-toi-uu-hoa-qua-trinh-trich-ly-astaxanthin-bang-ethano

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Bảng 2. Bố trí và kết quả tối ưu hóa quá trình trích ly

astaxanthin từ vỏ tôm bằng ethanol

2-bo-tri-va-ket-qua-toi-uu-hoa-qua-trinh-trich-ly-astaxanthin-tu-vo-tom-bang-ethanol

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

2.2.2. Phương pháp phân tích

Hàm lượng astaxanthin trong dịch chiết được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thu tại bước sóng 480 nm theo Meyer và Du Preez [9].

2.2.3. Phương pháp phân tích và xử lí số liệu

Quá trình tối ưu hóa được thiết kế và xử lý bởi phần mềm Minitab 19.0, với độ tin cậy 95%.

3. Kết quả và bàn luận

3 yếu tố khảo sát có ảnh hưởng đến quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng ethanol đã được lựa chọn là tỷ lệ nguyên liệu/ethanol, nồng độ ethanol và thời gian xử lý. Trong đó, tỷ lệ nguyên liệu/ethanol 1/30 (w/v), nồng độ ethanol (90%) và thời gian xử lý 120 phút là các giá trị tâm đã được chọn từ các thí nghiệm đơn yếu tố. Kết quả phân tích phương sai cho thấy, mô hình hồi quy có ý nghĩa (p-value<0,05) (Bảng 3). Các hệ số bậc nhất và bậc hai của mô hình đều có tác động đến mô hình hồi quy. Tuy nhiên, các yếu tố khảo sát lại không có sự tương tác qua lại lẫn nhau do p-value>0,05. Hơn nữa, hệ số Lack of Fit của mô hình là 0,091>0,05, chứng tỏ mô hình hồi quy tương thích với thực nghiệm.

Bảng 3. Kết quả phân tích phương sai của mô hình hồi quy

ket-qua-phan-tich-phuong-sai-cua-mo-hinh-hoi-quy Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/ethanol (X1), nồng độ ethanol (X2) và thời gian xử lý dung môi (X3) đến hàm lượng astaxanthin trong dịch trích ly được thể hiện qua phương trình hồi quy sau:

Y1 = 0.236 + 0.008X1 + 0.024X2 + 0.011X3 - 0.044X12 - 0.086X22 - 0.044 X32

Với giá trị âm, các hệ số hồi quy X12, X22, X32 có tác động tiêu cực đến hàm mục tiêu Y, làm giảm giá trị. Các hệ số của X1, X2, X3 có tác động tích cực, làm tăng hàm mục tiêu Y. Trong đó, hệ số hồi quy của X2 có giá trị dương lớn nhất, cho thấy sự tác động đơn lẻ của X2 (nồng độ ethanol) có tác động tích cực lớn đến hàm mục tiêu. Ngoài ra, khi xét tác động của từng yếu tố lên hàm mục tiêu, các yếu tố đều tác động lên hàm mục tiêu theo đường cong parabol có điểm cực đại. Điều này đồng nghĩa với việc, hàm mục tiêu sẽ tỷ lệ thuận với các yếu tố tại một khoảng xác định ban đầu, nếu tăng thêm giá trị của yếu tố khảo sát thì hàm mục tiêu sẽ bị giảm.

Tiến hành tối ưu hóa bằng phần mềm, thu được kết quả như sau: hàm lượng astaxanthin cực đại là 0,239 mg/g nguyên liệu tại điều kiện tỷ lệ nguyên liệu/ethanol là 1/30,45 (w/v), nồng độ ethanol 91,22% và thời gian xử lý 123,94 phút. Để kiểm chứng hàm lượng astaxanthin được dự đoán theo phương trình hồi quy, nghiên cứu tiến hành thực hiện thí nghiệm tại điều kiện tối ưu hóa (lặp lại 3 lần). Kết quả kiểm tra thực nghiệm cho thấy, hàm lượng astaxanthin thu được là 0,234±0,003 mg/g, lệch so với điều kiện trên mô hình xấp xỉ 2% <5% nên kết quả tối ưu hóa phù hợp với điều kiện thực nghiệm.

4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy, mô hình hồi quy bậc hai có thể được sử dụng để mô phỏng cho quá trình trích ly astaxanthin từ vỏ tôm bằng ethanol. Nồng độ astaxanthin đạt cực đại có thể đạt 0,239 mg/g nguyên liệu tại điều kiện tỉ lệ vỏ tôm/ethanol là 1/30,45 (w/v), nồng độ ethanol 91,22% và thời gian xử lý 123,94 phút. Ngoài ra, sự tương tác qua lại giữa các yếu tố khảo sát không có ý nghĩa về mặt thống kê.

 

Lời cảm ơn:

Nghiên cứu này do Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh bảo trợ và cấp kinh phí theo Hợp đồng số 39/HĐ-DCT ngày 09 tháng 9 năm 2020.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1.

Taksima, T., Limpawattana, M., Klaypradit, W. (2015). Astaxanthin encapsulated in beads using ultrasonic atomizer and application in yogurt as evaluated by consumer sensory profile. LWT - Food Science and Technology, 62, 431-437.

2.

Santos, S.D., Cahu, T.B., Firmino, G.O., de Castro, C.C.M.M.B, Carvalho, J.L.B.,Bezerra, R.S., Filho, J. L.L. (2012). Shrimp waste extract and astaxanthin: Rat alveolar macrophage, oxidative stress and inflammation. Journal of Food Science, 77, 141-146.

3.

Sutasinee Chintong; Wipaporn Phatvej, Ubon Rerk-Am, Yaowapha Waiprib, Wanwimol Klaypradit (2019). In Vitro Antioxidant, Antityrosinase and Cytotoxic Acitivities of Astaxanthin from Shrimp Waste, Antioxidants, 8, 128.

4.

Meyer, P.S., Du Preez, J.C. (1994). Effect of culture conditions on astaxan-thin production by a mutant of Phaffia rhodozyma in batch and chemostat culture. Applied Microbiology and Biotechnology, 40, 780-785.

 

 

OPTIMIZATION OF ASTAXANTHIN EXTRACTION

FROM SHRIMP SHELLS BY ETHANOL

Master. Tran Chi Hai1

Master. Pham Thi My Tien1

Master. Nguyen Thi Ngoc Thuy1

Master. Ha Thi Thanh Nga1

Nguyen Doan Manh Chien1

 Le Thanh Thuan1

1 Ho Chi Minh City University of Food Industry

ABSTRACT:

This study is to optimize some technological parameters of ethanol astaxanthin extraction from shrimp shells, including the ratio of raw material to ethanol, the ethanol concentration, and the treatment time. The study’s results show that the optimal extraction conditions are the ratio of raw material to ethanol of 1/30.45, the ethanol concentration of 91.22%, and the treatment time of 123.94 minutes. At these conditions, the maximum astaxanthin content is 0.239 mg/g.

Keywords: shrimp shells, astaxanthin, optimization, ethanol, extraction process.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 18(2), tháng 8 năm 2022]