Tối ưu hoá quá trình trích ly củ cải đỏ trong sản xuất nước uống

TÓM TẮT:

Gần đây, thị trường sản phẩm đồ uống từ thiên thiên cung cấp vitamin, khoáng chất, chất chống oxy hoá ...tốt cho sức khoẻ được người tiêu dùng quan tâm và lựa chọn. Áp dụng mô hình CCD (Central Composite Design) khảo sát 3 yếu tố độc lập gồm tỉ lệ nguyên liệu: nước (g/ml), nhiệt độ (oC) và thời gian trích ly (phút); phương pháp bề mặt đáp ứng RSM (Response Surface Methodology) với phương án quay bậc 2 có tâm với cánh tay đòn …. để tối ưu hoá quá trình trích ly củ cải đỏ trong sản xuất nước uống, ở điều kiện tối ưu với thời gian 24.2 (phút), nhiệt độ là 73.2 (°C), tỉ lệ nguyên liệu: dung môi là 1:49 (g/ml). Kết quả thu nhận được hàm lượng TPC là 38,2960 (mg GAE/g), TFC là 6,0980 (mg QE/g) và Mogroside là 1,0850 %. Kết quả này cho thấy được tiềm năng ứng dụng của củ cải đỏ trong sản xuất nước uống.
Từ khóa: đồ uống thiên nhiên, trích ly củ cải đỏ, TPC, TFC, Mogroside.

1. Đặt vấn đề

Việt Nam là quốc gia có dân số trẻ, với độ tuổi trong nhóm 15-54 tuổi chiếm khoảng 63%, tốc độ đô thị hóa cao và thu nhập của người dân ngày càng tăng, vì vậy, nhu cầu và đa dạng về các loại đồ uống tăng nhanh, đặc biệt là phân khúc nước giải khát, nước trái cây, nước uống thảo dược thiên nhiên… [1]. Sau đại dịch Covid-19, nhu cầu kết nối xã hội đã tăng cao và người tiêu dùng chú ý đến việc chọn lựa đồ uống lành mạnh. Điều này được phản ánh rõ trong một nghiên cứu gần đây, doanh số bán đồ uống không cồn tăng vọt, đạt con số 33,2% trong năm 2022 so với năm 2021. Trong quý 3 năm 2023, hầu hết các doanh nghiệp bán bia đều ghi nhận mức giảm so với cùng kỳ thì doanh nghiệp bán trà như Interfood (thương hiệu Wonderfarm) ghi nhận tăng 8% so với cùng kỳ năm 2022.

Theo báo cáo của Bộ Công Thương, trung bình người Việt chỉ tiêu thụ 23 lít nước giải khát/năm. Trong khi người tiêu dùng thế giới sử dụng 40 lít/năm nên tiềm năng thị trường nước giải khát Việt Nam còn rất lớn [2].

Củ cải đỏ có hình tròn, vỏ ngoài màu đỏ sẫm và thịt màu trắng, chứa carbohydrate, polyphenol, flavonoid, cellulose, protein, vitamin tan trong nước như vitamin B1, B2, B3, B5, B6, B9, C và các khoáng chất như canxi, sắt, magie, kẽm, mangan, kali và phospho. Trong chiết xuất củ cải đỏ, ngoài các vitamin, khoáng chất còn có chất chống oxy hóa như polyphenol, ước tính xấp xỉ khoảng 13,18-63,54 mg/g−1 trọng lượng khô, và các flavanoid, mogroside [3].

Với xu hướng phát triển của thế giới, của thời đại thì mỗi người Việt Nam ngày càng quan tâm đến sức khỏe, đến những thức uống tốt cho cơ thể của mình. Hiện nay, người tiêu dùng thông minh sẽ lựa chọn thức uống không chỉ đơn thuần là thỏa mãn cơn khát mà còn chú ý đến là một số loại nước uống được trích ly từ thảo mộc thiên nhiên chứa vitamin, khoáng chất, chất chống oxy hoá giúp hỗ trợ cho quá trình chăm sóc sức khoẻ và sắc đẹp [4]. Chính vì thế, việc tối ưu hoá được quá trình trích ly củ cải đỏ trong sản xuất nước uống để thu được hàm lượng các chất polyphenol, flavanoid, mogroside cao là điều rất cần thiết.

2. Vật liệu và phương pháp

2.1. Vật liệu và trang thiết bị, dụng cụ

Củ cải đỏ được thu mua từ công ty TNHH Thảo Nguyên, số 744/13 Nguyễn Kiệm, Phường 4, Quận Phú Nhuận, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam [5].

Bể ổn nhiệt WNB4 của Memmert - Đức, máy ly tâm của Hermle - Đức, cân phân tích Ohaus - Mỹ, máy lắc voctex Velp - Ý, bếp điện từ gia nhiệt Sunhouse của Việt Nam.

Dụng cụ: cốc thuỷ tinh, ống ly tâm, bình tam giác, bình định mức, pipet thuỷ tinh, ống đong, nhiệt kế,…

2.2. Xử lý mẫu trích ly

Trích ly với mục đích chiết rút các cấu tử polyphenol, flavanoid, mogroside cần thu nhận có trong nguyên liệu, tăng nồng độ của nguyên liệu trong sản phẩm cuối cùng với hàm lượng tốt ưu.

Cân 1g mẫu vào ống ly tâm 25 ml, thêm nước theo tỉ lệ nguyên liệu: nước, đặt vào bể ổn nhiệt Memmert WN B14 ở nhiệt độ khảo sát 700C trong thời gian quy định 20 phút. Cho vào máy ly tâm, sau đó, lọc qua giấy lọc thu phần dịch để xác định hàm lượng thu nhận [6], [7].

2.3. Xử lý số liệu

Mỗi thí nghiệm được tiến hành lặp lại ba lần, kết quả được trình bày ở dạng giá trị trung bình giá trị sai số. Quy trình mô hình hóa và tối ưu hóa thực nghiệm được thực hiện trên phần mềm Minitab 19.2 (α = 5%) [8], [9].

Đồ thị được vẽ bằng chương trình Excel 2019 và Minitab 19.2.

2.4. Mô hình tối ưu hoá theo đáp ứng bề mặt

Thiết kế tối ưu hóa thông số quá trình trích ly sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM (Response Surface Methodology) bao gồm hai bước thiết kế mô hình sàng lọc sử dụng theo mô hình Plackett-Burman, theo sau là mô hình hồi quy bậc 2 thiết kế CCD (Central Composite Design) với 3 thí nghiệm tại tâm. Mối quan hệ giữa các biến và hàm mục tiêu là phương trình hồi quy đa biến có dạng tổng quát như sau [8], [9]:

Trong đó, Y là hàm mục tiêu, Xi và Xj là các mức của biến đại diện cho ảnh hưởng của biến lên hàm mục tiêu. 0 là hằng số, βi, βii và βij là các hệ số của phương trình hồi quy. Các hệ số của phương trình hồi quy thực nghiệm được ước lượng bằng phương pháp bình phương cực tiểu; tính tương thích chung của mô hình được đánh giá bằng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA; α = 0,05); ý nghĩa của các hệ số được kiểm tra bằng kiểm định Student (α = 0,05). Điều kiện tối ưu được dự đoán và xác minh lại bằng thực nghiệm. Phần mềm quy hoạch thực nghiệm và xử lý thống kê được sử dụng là Minitab

2.5. Tối ưu hoá quá trình trích ly

Mô hình CCD (Central Composite Design) khảo sát 3 yếu tố độc lập gồm tỉ lệ nguyên liệu: nước (g/ml), nhiệt độ (oC) và thời gian trích ly (phút). Mục đích của thí nghiệm này là xác định thông số cho hàm lượng polyphenol, flavonoid và mogroside tối ưu nhất [10].

Hàm mục tiêu là hàm lượng polyphenol (mg GAE/g), flavonoid (mg QE/g), mogroside (%).

3. Kết quả và thảo luận

Ở nội dung nghiên cứu này, 3 thông số được chọn để tiến hành tối ưu hóa là tỉ lệ nguyên liệu: dung môi, thời gian và nhiệt độ trích ly. Do thực hiện các khảo sát sơ bộ đã chọn khoảng khảo sát thu được tỷ lệ nguyên liệu và hàm lượng polyphenol, flavonoid và mogroside cao nhất. Khoảng biến thiên này được trình bày ở Bảng 1 [11], [12], [13]

Bảng 1. Các mức yếu tố thí nghiệm tối ưu hoá quá trình trích ly củ cải đỏ

Thông số	Mức thấp	Mức tâm	Mức cao
Thời gian (phút)	10	20	30
Nhiệt độ (°C)	60	70	80
Tỉ lệ nguyên liệu: nước (g/ml)	1/40	1/50	1/60

Nguồn: Tác giả thực hiện

Phương pháp bề mặt đáp ứng RSM (Response Surface Methodology) với phương án quay bậc 2 có tâm với cánh tay đòn được áp dụng để tối ưu hóa các điều kiện của quá trình trích ly. Theo đó, quy hoạch thực nghiệm gồm 20 thí nghiệm với 6 thí nghiệm ở tâm. Kết quả thí nghiệm tối ưu hóa được trình bày ở Bảng 2 [14], [15], [16]

Bảng 2. Kế hoạch thực nghiệm và kết quả theo RSM để tối ưu

TPC, TFC và mogroside

Nguồn: Tác giả thực hiện

Trong đó:

Thời gian trích ly (phút): X1
Nhiệt độ trích ly (°C): X2
Tỉ lệ nguyên liệu và dung môi (g/ml): X3
Hàm mục tiêu Y1 là lượng polyphenol tổng trong dịch chiết (mg GAE/g).
Hàm mục tiêu Y2 là lượng flavanoid tổng trong dịch chiết (mg QE/g).
Hàm mục tiêu Y3 là phần trăm lượng mogroside trong dịch chiết (%).

Mô hình hồi quy bậc 2 đã được xác định bằng phương pháp hồi quy đa biến thu được như sau:

Y1 =-53,3 + 2,192 X1+ 1,711 X2 – 0,0288 X3 – 0,03926 X12- 0,01129 X22

Y2 = -21,4 + 0,2517 X1 + 0,607 X2 + 0,0321 X3 – 0,00514 X12- 0,00403 X22

Y3 =-6,47 + 0,0756 X1+ 0,1319 X2 + 0,095 X3 – 0,001717 X12- 0,000945 X22- 0,001047 X32

Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát lên hàm lượng TPC, TFC, %Mogroside thu được trong dịch trích ly được mô phỏng trên Hình 1, 2, 3 [17], [18].

Tiến hành tối ưu hóa bằng phần mềm Minitab, điều kiện tối ưu: thời gian là 24,2 phút, nhiệt độ là 73,2°C, tỉ lệ nguyên liệu: dung môi là 1:49 (g/ml).

Qua phân tích kết quả ở hình 1, 2, 3 về mô hình bề mặt đáp ứng, chúng tôi thu được kết quả như sau: TPC thu nhận được là 38,2960 (mg GAE/g), TFC thu nhận được là 6,0980 (mg QE/g), Mogroside thu nhận được là 1.0850 %. Kết quả này cho thấy, trong quá trình trích ly củ cải đỏ, nếu áp dụng các điều kiện trích ly như thời gian là 24,2 phút, nhiệt độ là 73,2°C, tỉ lệ nguyên liệu: dung môi là 1:49 (g/ml) sẽ thu được dịch chiết có hàm lượng các chất chống oxi hóa cao [19], [20], [21], [22].

Hình 1. Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến TPC

Hình 2. Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến TFC

Hình 3. Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến Mogroside

4. Kết luận

Tối ưu hoá quá trình trích ly củ cải đỏ trong sản xuất nước uống áp dụng mô hình Central Composite Design khảo sát 3 yếu tố độc lập gồm tỉ lệ nguyên liệu: nước (g/ml), nhiệt độ (oC) và thời gian trích ly (phút) theo phương pháp bề mặt đáp ứng Response Surface Methodology với phương án quay bậc 2 có tâm với cánh tay đòn α=1,682 đã thu được các điều kiện tối ưu: thời gian là 24,2 phút, nhiệt độ là 73,2 °C, tỉ lệ nguyên liệu: dung môi là 1:49 (g/ml). Dịch chiết củ cải đỏ khi áp dụng các điều kiện tối ưu trong quá trình trích ly có hàm lượng các chất chống oxi hóa cao: TPC là 38,2960 (mg GAE/g), TFC là 6,0980 (mg QE/g), Mogroside là 1,0850 %.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

https://kinhtedouong.vn/thi-truong-nuoc-giai-khat-viet-nam-2024-cuoc-dua-soi-dong-va-nhung-xu-huong-noi-bat-102385.html
Tong-quan-thi-truong-nuoc-giai-khat-Viet-Nam
Radish (Raphanus sativus) and Diabetes
Cimigo (2023). Xu hướng người tiêu dùng Việt Nam 2023. Truy cập tại: https://www.cimigo.com/vi/bao-cao/.
Bộ Y tế (2010). Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 6-2:2010/BYT đối với các sản phẩm đồ uống không cồn.
Lê Văn Việt Mẫn và ctg (2011). Công nghệ chế biến thực phẩm. Nhà xuát bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Lê Thị Hồng Ánh và ctg (2017). Giáo trình công nghệ sản xuất rượu bia nước giải khát. Nhà xuất Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Phạm Hiếu Hiền và ctg (2001). Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu. NXB Nông nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.
Nguyễn Thị Hải Hoà và ctg (2021). Thực hành phân tích hoá lý thực phẩm 1. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Phạm Hương Sơn và ctg (2012). Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện tách chiết đến hàm lượng mogroside thu được từ quả la hán. Tạp chí Sinh học, 500-504.
Prabawa, S., Raida, A., Hartanto, R. and B. Yudhistira (2023). The physicochemical quality of yellow chrysanthemum flower (Chrysanthemum indicum) brewed drink. Food Research, 7(3), 12-21.
Janmejai K. Srivastava, Eswar Shankar, Sanjay Gupta (2010). Chamomile: A herbal medicine of the past with bright future. Molecular Medicine Reports, 3(6), 895-901. DOI:10.3892/mmr.2010.377.
On Nuri Seo et al. (2012). Determination of polyphenol components of Lonicera japonica Thunb. using liquid chromatography-tandem mass spectrometry: Contribution to the overall antioxidant activity. Food Chemistry, 134(1), 572-577.
Xi-Qing Wang et al. (2014). Homogenate-assisted negative-pressure cavitation extraction for determination of organic acids and flavonoids in honeysuckle (Lonicera japonica Thunb.) by LC–MS/MS. Separation and Purification Technology,135, 80-87.
Zhenzhong Zang et al. (2022). Blood chemical components analysis of honeysuckle and formulation of xanthan gum/starch-based (PVA-co-AA) hydrogels for controlled release. Arabian Journal of Chemistry, 15(12).
16. Garriga M. (2017). Determination of reducing sugars in extract of Undaria pinnatifida (Harvey) algae by UV-visible spectrophotometry (DNS method). Actas de Ingeniería, 3, 173- 179.
17. V. Sinija and H. Mishra (2008). Moisture sorption isotherms and heat of sorption of instant (soluble) green tea powder and green tea granules. Journal of food engineering, 86(4), 494-500.
Lee, J. H., Yun, J., & Kim, H. G. (2012). Physicochemical and antioxidant properties of Korean mugwort (Artemisia argyi) leaves. Journal of Ethnic Foods, 2(2), 111-116.
Cacace J. E. and Mazza G. (2003). Mass transfer process during extraction of phenolic compounds from milled berries. Journal of Food Engineering, 59, 379-389.
Al-Farsi M. A. and Chang Y. L. (2007). Optimization of phenolics and dietary fiber extraction from date seeds. Food Chemistry, 108, 977-985.
M. A. Al-Farsi and C. Y. Lee (2008). Optimization of phenolics and dietary fibre extraction from date seeds. Food chemistry, 108(3), 977-985.
M. Mohamad, M. Ali, and A. Ahmad (2010). Modelling for extraction of major phytochemical components from Eurycoma longifolia. Journal of Applied Sciences, 10(21), 2572-2577.

OPTIMIZING THE EXTRACTION PROCESS OF RED RADISH

IN NATURAL DRINKS PRODUCTION

Nguyen Thi Phuong

Ho Chi Minh City University of Industry and Trade

ABSTRACT:

Recently, the market for natural beverage products providing vitamins, minerals, antioxidants...good for health has been interested and chosen by consumers. Applying the CCD (Central Composite Design) model to examine 3 independent factors including raw material ratio: water (g/ml), temperature (oC) and extraction time (minutes); the response surface method RSM (Response Surface Methodology) with a quadratic rotation method centered with lever arm α=1,682 to optimizing the extraction process of red radishes in drinking water production under optimal conditions with a time of 24,2 (minutes), a temperature of 73,2 (°C), a ratio of raw materials: solvent of 1:49 (g/ml). The results showed that the TPC content was 38,2960 (mg GAE/g), TFC was 6,0980 (mg QE/g), %Mogroside was 1,0850%. This result shows the potential application of red radishes in drinking water production.

Keywords: natural drinks, red radish extract, TPC, TFC, Mogroside.