Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly cám gạo

TÓM TẮT:

Trích ly là phương pháp phổ biến trong nghiên cứu. Tuy nhiên, các yếu tố trích ly ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu quả của quá trình thực hiện. Trong đó, loại dung môi sử dụng, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi hay sử dụng thêm yếu tố sóng siêu âm sẽ cho các kết quả có ý nghĩa thống kê, độ tin cậy cao. Trong nghiên cứu này, tác giả đã trích ly enzyme lipase trong cám gạo với 3 yếu tố trên. Và thu được kết quả như sau: Dung môi là dung dịch nước muối 1M với tỷ lệ 1:5 nguyên liệu/dung môi sẽ cho hiệu suất trích ly cao thông qua việc đo hoạt tính của lipase cao lần lượt là 2,73 U/ml và 3,8 U/ml. Bên cạnh đó, nếu sử dụng thêm sóng siêu âm trong thời gian thích hợp thì hiệu quả trích ly tăng lên đáng kể là 4,47 U/ml. Đây là kết quả ban đầu làm cơ sở cho quá trình trích ly trong cám nhằm mục đích bảo quản cám gạo hoặc hạn chế hư hỏng do enzyme lipase gây ra khi phát triển sản phẩm từ nguyên liệu này.

Từ khoá: Enzyme lipase, trích ly, sóng siêu âm.

1. Đặt vấn đề

Theo nhận thức truyền thống, cám gạo chỉ là một phụ phẩm, không đóng góp vai trò trong chế độ dinh dưỡng của con người, do đó các sản phẩm về cám gạo chưa được đón nhận nhiều. Mặc dù trong cám gạo chứa thành phần dinh dưỡng rất cao: 14÷16% protein, 12÷23% chất béo, 8÷10% chất xơ. Cám gạo cũng là nguồn giàu vitamin B và các chất khoáng như sắt, kali, magiê, mangan, clo (Saunder, 1985). Cám gạo chiếm khoảng 10% tổng trọng lượng của gạo thô, bao gồm: vỏ bì, vỏ lụa, lớp cutin của nhân, tầng aleuron và phôi mầm. Cám gạo giàu vitamin, khoáng chất, các acid béo thiết yếu, chất xơ và sterol khác. Gần đây, cám gạo được quan tâm nhiều hơn vì là nguồn nguyên liệu chứa nhiều dưỡng chất sử dụng cho nhiều lĩnh như thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm (Khalid Gul et al 2015).

Hiện nay, cám gạo được thu hồi dưới hai dạng là cám khô và cám ướt. Trong đó, cám ướt thường được bán cho các cơ sở nuôi cá da trơn sử dụng ngay. Đây là một thành phần chính cho cả thức ăn công nghiệp (30÷40%) và tự chế (60÷70%). Nguồn nguyên liệu cám gạo sẵn có và phong phú của khu vực Đồng bằng sông Cửu Long đã góp phần làm hạ giá thành thức ăn cho cá và gia súc. Hơn thế nữa, công bố mới nhất của Wang et al (1999) và cộng sự cho thấy protein cám gạo có những tính năng vượt trội so với protein đậu nành và protein động vật (casein) về khả năng tiêu hóa và giá trị sinh học khác.

Do đó, cần phải có những nghiên cứu về vấn đề bảo quản, ổn định do trong cám có nhiều lipid dễ dàng bị oxi hóa tạo mùi ôi chua, hư hỏng. Việc nghiên cứu trích ly lipase trong cám gạo để xử lý là điều cần thiết, hy vọng tạo tiền đề cho nhiều nghiên cứu sản phẩm từ cám gạo.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên vật liệu, hoá chất

- Nguyên liệu cám được thu mua tại cơ sở xay xát, sau đó bảo quản lạnh trong suốt thời gian vận chuyển về phòng thí nghiệm và bảo quản đông trong quá trình thí nghiệm.

- Hóa chất: Ethanol (C₂H₅OH), xuất xứ của Merck - Đức, độ tinh khiết 99,9%; Sodium hyrdoxide (Natriumhydroxide (NaOH)), xuất xứ của Merck - Đức, độ tinh khiết > 97%; Sodium chloride (NaCl), xuất xứ Mreck - Đức, độ tinh khiết 99,5%; dầu olive, nhãn hiệu Olivoilà, xuất xứ Italia, nhập khẩu và phân phối bởi Công ty TNHH Dầu thực vật Cái Lân, nguyên chất ép lạnh (100% olive); Gum Arabic (Instantgum BA), xuất xứ Pháp; Tris - HCl (C₄H₁₂ClNO₃), xuất xứ của Merck, độ tinh khiết 99%; Acetone (CH₃COCH₃), xuất  xứ Việt Nam, độ tinh khiết 99,7%.

2.2. Bố trí thí nghiệm

Nghiên cứu được bố trí theo sơ đồ tổng quát ở Hình 1

Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu tổng quát

- Chỉ tiêu theo dõi là hoạt tính lipase (Bùi Hồng Quân và Nguyễn Đức Lượng, 2009)

- Số liệu được thu thập và xử lý bằng phần mềm thống kê Statgraphics Centrution 15.2, Copyright (C) PP, USA và phần mềm Excel. Phân tích phương sai (ANOVA) và kiểm định LSD để kết luận về sự sai khác giữa trung bình các nghiệm thức.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu và dung môi đến hoạt tính enzyme lipase

Theo Lê Văn Việt Mẫn và ctv (2011), việc chọn dung môi là một vấn đề rất quan trọng để thực hiện quá trình trích ly. Người ta thường dựa vào những tiêu chí sau đây để chọn dung môi: dung môi có khả năng hòa tan chọn lọc; dung môi không gây hiện tượng ăn mòn thiết bị, khó cháy và không độc với người sử dụng; dung môi phải trơ với các cấu tử có trong dịch trích; dung môi có giá thành thấp, dễ tìm; các nhà sản xuất có thể thu hồi dung môi sau quá trình trích ly để tái sử dụng. Dựa vào đặc tính của nguyên liệu có chứa nhiều chất béo nên dung dịch muối ở nồng độ 1M được sử dụng trích ly enzyme lipase trong cám gạo.

Sự chênh lệch nồng độ chất tan giữa nguyên liệu và dung môi càng lớn sẽ thúc đẩy quá trình khuếch tán chất tan (trường hợp này là lipase) ra ngoài dung môi càng tăng. Việc khảo sát tỷ lệ dung môi sử dụng để trích ly có vai trò quan trọng trong việc tăng hoạt tính lipase thu được từ cám gạo. Trên cơ sở đó, thí nghiệm tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ giữa nguyên liệu và dung môi (trường hợp này là nước muối) nhằm thu nhận lipase có hoạt tính cao nhất. Kết quả thí nghiệm được tổng hợp và trình bày ở Hình 2.

Hình 2: Tỷ lệ nguyên liệu và dung môi ảnh hưởng đến trích ly enzyme lipase

Từ kết quả Hình 3 cho thấy trong phạm vi nghiên cứu của đề tài ở 4 mức tỷ lệ nguyên liệu và dung môi khác nhau thì tỷ lệ 1:5 đạt giá trị cao nhất trong 4 mức tỷ lệ khảo sát. Nếu sử dụng tỷ lệ thấp hơn thì khó lọc và hoạt tính enzyme thu được thấp có thể là do lượng dung môi sử dụng ít, không đủ xâm nhập vào nguyên liệu (Lonsane và Krishnaiah, 1992), không đủ cho sự khuếch tán chất tan (enzyme) vào dung môi (Madhusudhan et al., 2011). Ở tỷ lệ nguyên liệu và dung môi 1:5, hoạt tính enzyme lipase là cao nhất đạt 3,8 U/mL.

Khi gia tăng tỷ lệ dung môi sử dụng, sự chênh lệch nồng độ chất tan giữa nguyên liệu và dung môi tăng, làm tăng tính tan và tăng sự khuếch tán, vì thế làm tăng hoạt tính enzyme trong quá trình ly trích (Castilho etal,. 2000; Madhusudhan etal., 2011). Tuy nhiên, ở các tỷ lệ dung môi sử dụng cao (1:10, 1:15 và 1:20 tương ứng với các giá trị hoạt tính enzyme lần lượt là 2,57 U/mL; 2,03 U/mL; 1,73 U/mL) thì hoạt tính lipase thu được sẽ giảm trở lại do mức độ pha loãng của lipase trong dịch trích tăng (Lonsane và Krishnaiah, 1992). Kết quả là hoạt tính lipase thu được ở tỷ lệ nguyên liệu và dung môi là 1:10, 1:15 và 1:20 giảm dần.

Ở điều kiện khảo sát 4 giá trị tỷ lệ đều cho thấy sự khác biệt cho thấy hiệu quả trích ly lipase là tốt nhất hay hoạt tính lipase có được là cao nhất. Ở phạm vi khảo sát này, tỷ lệ nguyên liệu và dung môi là 1:5 đạt được hiệu suất trích ly enzyme lipase là cao nhất.

3.2. Thời gian sử dụng sóng siêu âm hỗ trợ trích ly enzyme lipase trong cám gạo

Thời gian dùng sóng siêu âm là một trong những yếu tố quan trọng cần được quan tâm trong nghiên cứu này. Trong thí nghiệm này, tần số sóng siêu âm được cố định ở 37 Khz, nhiệt độ siêu âm là 300C, trích ly trong 2 giờ, tỷ lệ nguyên liệu: dung môi là 1:5. Kết quả phân tích sự ảnh hưởng của thời gian dùng sóng siêu âm đến hoạt tính lipase được trình bày trong Hình 3.

Hình 3: Thời gian sử dụng sóng siêu âm ảnh hưởng đến trích ly enzyme lipase

Hiệu quả trích ly các hợp chất sử dụng sóng âm tăng lên là nhờ sự tạo thành các bọt khí trong dung môi khi sóng truyền qua. Dưới tác dụng của sóng, các bọt khí bị kéo nén, sự tăng áp suất và nhiệt độ làm các bọt khí nổ vỡ, tạo nên hiện tượng "sốc nóng". Khi sự nổ vỡ của các bọt khi ở gần bề mặt pha rắn, xảy ra sự mất đối xứng, sinh ra tia dung môi có tốc độ cao vào thành tế bào, do đó làm tăng sự xâm nhập của dung môi vào tế bào và làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và pha lỏng. Điều này làm tăng sự truyền khối và phá vỡ cấu trúc tế bào. Sự nổ vỡ của các bọt khí làm tăng sự thoát ra của các chất nội bào vào dung dịch. Một vài thông số có thể ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly các chất khi sử dụng sóng siêu âm như: sự phân cực và lượng dung môi, khối lượng và loại mẫu, thời gian trích ly và một số thông số của sóng siêu âm, như: tần số, cường độ,... ảnh hưởng đến động lực trích ly.

Kết quả ở Hình 3 cho thấy, thời gian siêu âm có ảnh hưởng đến quá trình trích ly enzyme lipase trong cám gạo. Theo đó, hàm lượng enzyme lipase trong dịch cám sau trích ly tăng từ 3,8 U/mL lên 4,47 U/mL khi tăng thời gian siêu âm từ 0 phút đến 10 phút. Sự tương tác giữa siêu âm và dung môi sẽ tạo ra hiện tưởng sủi bọt và tạo bong bóng. Hiện tượng này sẽ tạo lực cắt cao và tạo điều kiện cho hàng loạt chuyển khối cho các hạt chiết. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy sự khuyếch tán chất chiết ra ngoài môi trường.

Ở thời gian siêu âm thích hợp thì hiệu quả chiết tăng lên do tăng sự phá vỡ tế bào và tốc độ truyền khối, tăng hòa tan acid phytic vào dung môi chiết. Tiếp tục tăng thời gian siêu âm từ 10 phút lên 20 phút, thì lượng enzyme lipase trích ly trong dung dịch cám gạo thu được lại giảm, cụ thể như ở thời gian siêu âm 15 phút hoạt tính enzyme lipase giảm còn 4,01 U/mL, ở thời gian siêu âm 20 phút giá trị tiếp tục giảm xuống đến 3,89 U/mL. Nguyên nhân là do thời gian siêu âm là kéo dài, bong bóng hình thành sẽ nhiều làm tăng nhiệt độ và khả năng hòa tan chất chiết sẽ được giảm, các chất khác cũng được giải phóng ra từ đó có thể gây tắc kênh dẫn dịch chiết trong nguyên liệu (Hà Thị Dung, 2015).

Ở 5 giá trị đều cho thấy sự khác biệt cho thấy hiệu quả trích ly lipase là tốt nhất hay hoạt tính lipase có được là cao nhất. Do đó, thời gian siêu âm là 10 phút đạt được hiệu suất trích ly enzyme lipase là cao nhất.

4. Kết luận

Với tiềm năng và hàm lượng dồi dào, cám gạo sẽ là nguồn nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực trong tương lai. Nhưng do sự ôi hóa gây ra bởi enzyme đã làm hạn chế phạm vi ứng dụng của loại nguyên liệu này. Vì vậy, kết quả nghiên cứu đã bước đầu cung cấp cơ sở khoa học cho quá trích trích ly lipase trong cám gạo, tạo tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo. Sử dụng dung môi nước muối 1M, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1:5 và hỗ trợ thêm sóng siêu âm trong 10 phút sẽ đạt được hiệu quả tốt trong quá trình trích ly. Đây là những thông số ban đầu cơ bản cho quá trình bảo quản, chế biến cám gạo nâng cao tính ứng dụng của nguồn phụ phẩm giàu dinh dưỡng này.

Lời cảm ơn:

Nghiên cứu này được hỗ trợ kinh phí từ đề tài “Nghiên cứu sự biến đổi thành phần dinh dưỡng và đa dạng sản phẩm thức uống cho người từ nguồn cám gạo” số B2019-TKG-05 của Bộ Giáo dục và Đào tạo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Bùi Hồng Quân và Nguyễn Đức Lượng (2009), Tối ưu hóa sinh tổng hợp lipase từ Pichia anomala VTCC Y0787 sử dụng ma trận Plackett-Burman và phương pháp đứng bề mặt - phương án cấu trúc có tâm. Tạp chí Công nghệ sinh học, 7(4): 493-500.
2. Bùi Xuân Đông (2018), Giáo trình công nghệ enzyme. Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
3. Castilho, L.R., T.L.M. Alves and R.A. Medronho, (2000). Production and extraction of pectinase obtained by solid state fermentation of agro-industrial residues with Aspergillus niger. Bioresource Technology, 71: 45-50.
4. Hà Thị Dung (2015). Nghiên cứu chiết tách acid phytic từ cám gạo và ứng dụng chống oxy hóa lipid trong thịt cá xay. Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ thực phẩm. Đại học Nha Trang.
5. Khalid Gul, BasharatYousuf, A.K.Singh, PreetiSingh, & AliAbasWani. (2015). Rice bran: Nutritional values and its emerging potential for development of functional food - A review. Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre.
6. Lê Văn Việt Mẫn, Lại Quốc Đạt, Nguyễn Thị Hiền, Tôn Nữ Minh Nguyệt, Trần Thị Thu Trà (2011), Công nghệ chế biến thực phẩm. NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
7. Lonsane, B.K. and m.M. Krishnaiah, (1992). Product leaching and downstream processing. In: H.W. Doelle, D.A. Mitchell & C.E. Rolz (editors). Solid substrate Cultivation. UK: Elsevier Science Publishers.
8. Madhusudhan, M.C., M.C. Lakshmi and K.S.M.S. Raghavarao, (2011). Aqueous Two-Phase Extraction of Enzymes for Food Processing. In: F. Lebovka, N. Vorobiev and E. Chemat (editors). Enhancing Extraction Processes in the Food Industry, CRC Press.
9. Saunder RM. (1985). Rice bran: compostion potential food use. Food Review International, 1(3), 465-495.
10. Wang, M., N. S. Hettiarachchy, M. Qi, W. Burks, and T. Siebenmorgen. (1999). Preparation and Functional Properties of Rice Bran Protein Isolate. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 47 (2), 411-16. https://doi.org/10.1021/jf9806964

SOME FACTORS INFLUENCING THE RICE BRAN EXTRACTION

• LE HOANG PHUONG

• NGUYEN VAN THANH

• DO THANH XUAN

• NGUYEN VAN THUAN

Kien Giang University

• LY NGUYEN BINH

Can Tho University

ABSTRACT:

Extraction is a common research method. However, the extraction factors greatly affect the efficiency of the research implementation. Among these factors, the type of used solvent, the ratio of raw materials / solvents and the ultrasonic factors have high will give results with high statistical significance and reliability. The lipase in rice ban is extracted with these

above-mentioned three factors in this study. The study’s results show that if the solvent is the 1M brine solution with the ratio of 1: 5 materials / solvent, the efficiency of extraction will be high at 2.73 U/ml and 3.8 U/ml, respectively. If the ultrasound wave is used during the extraction, the extraction efficiency will be boosted significantly to 4.47 U/ml. These results are served as the basic for the bran extraction process for preserving rice bran or limiting the damage caused by the lipase when making products from rice bran.

Keywords: Lipase, extraction, ultrasonic wave.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 28, tháng 11 năm 2020]