Nghiên cứu điều kiện chiết xuất và đặc tính Pectin từ vỏ sầu riêng

Nghiên cứu phương pháp tối ưu chiết xuất pectin từ vỏ sầu riêng. Phân tích các điều kiện và đặc tính hóa lý quan trọng của pectin thu được.

• Tác giả: Ha Thi Tieu Yen
• Người hướng dẫn: Nguyen Vinh Tien, Assoc. Prof.
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Food Technology
• Đề tài: Investigate Extraction Conditions And Characterization Of Pectin From Durian Rind Based On Response Surface Methodology
• Loại tài liệu: Graduation thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Giới thiệu về pectin
• 2.2. Cấu trúc và thành phần hóa học của pectin
• 2.3. Cơ chế tạo gel của pectin
• 2.4. Phân loại pectin
• 2.5. Tính chất của pectin
• 2.6. Kỹ thuật chiết xuất pectin
• 2.7. Ứng dụng của pectin
• 2.8. Tổng quan về sầu riêng
• 2.9. Thiết kế bề mặt đáp ứng
• 2.10. Tóm tắt các nghiên cứu trước đây về vỏ sầu riêng
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
• 3.2. Sấy khô vỏ sầu riêng
• 3.3. Chuẩn bị cặn không tan trong cồn
• 3.4. Quy trình chiết xuất pectin
• 3.5. Hàm lượng ẩm của vỏ sầu riêng và bột pectin
• 3.6. Hàm lượng tro của vỏ sầu riêng và bột pectin
• 3.7. Hàm lượng axit anhydrouronic tổng số
• 3.8. Độ este hóa
• 3.9. Độ nhớt nội tại và khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt
• 3.10. Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa quá trình chiết xuất pectin
• 3.11. Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Hàm lượng ẩm và tro của vỏ sầu riêng
• 4.2. Kết quả thiết kế thí nghiệm
• 4.3. Ảnh hưởng của các thông số chiết xuất đến độ este hóa (DE)
• 4.4. Ảnh hưởng của các thông số chiết xuất đến hiệu suất thu hồi pectin
• 4.5. Ảnh hưởng của các thông số chiết xuất đến hàm lượng AUA
• 4.6. Tối ưu hóa thí nghiệm và kiểm chứng mô hình
• 4.7. Quy trình chiết xuất pectin vỏ sầu riêng tối ưu
• 4.8. Hàm lượng ẩm và tro của pectin tối ưu
• 4.9. Độ este hóa và đặc tính cấu trúc
• 4.10. Kết quả độ nhớt nội tại và khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Chiết xuất Pectin từ Vỏ Sầu Riêng

Pectin là một polysaccharide tự nhiên có nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Chiết xuất pectin từ vỏ sầu riêng là một lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng, vì vỏ sầu riêng chứa hàm lượng pectin cao nhưng thường bị lãng phí. Sử dụng phương pháp tối ưu hóa bề mặt phản ứng (Response Surface Methodology - RSM) giúp xác định các điều kiện chiết xuất tối ưu nhất. Nghiên cứu này hướng tới việc tăng hiệu suất chiết xuất và cải thiện chất lượng pectin từ vỏ sầu riêng, đồng thời phát triển các ứng dụng thương mại bền vững.

1.1. Tầm quan trọng của Pectin trong công nghiệp thực phẩm

Pectin đóng vai trò thiết yếu như chất kết dính, chất ổn định và chất tạo độ đặc trong các sản phẩm thực phẩm. Với các tính chất gel hóa đặc biệt, pectin từ vỏ sầu riêng có thể được sử dụng trong sản xuất mứt, nước uống, sữa chua và các sản phẩm khác. Việc khai thác pectin từ nguồn tài nguyên tự nhiên giúp giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường.

1.2. Lợi ích của việc chiết xuất từ vỏ sầu riêng

Vỏ sầu riêng chứa hàm lượng pectin cao, thường chiếm 10-25% khối lượng khô. Việc tận dụng vỏ sầu riêng để chiết xuất pectin không chỉ tạo giá trị từ phụ phẩm nông nghiệp mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Phương pháp tối ưu hóa giúp tối đa hóa hiệu suất chiết xuất và chất lượng pectin cuối cùng.

II. Điều kiện Tối ưu Chiết xuất Pectin

Việc tối ưu hóa điều kiện chiết xuất là yếu tố quyết định đến hiệu suất và chất lượng pectin từ vỏ sầu riêng. Các tham số chính bao gồm nhiệt độ, thời gian, pH dung dịch và tỷ lệ chất rắn-chất lỏng. Phương pháp Response Surface Methodology (RSM) cho phép xác định tương tác giữa các biến và tìm điểm tối ưu một cách hiệu quả. Những kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện tối ưu hóa có thể nâng cao hiệu suất chiết xuất pectin lên 85-90%, đồng thời cải thiện đặc tính vật lý-hóa học của sản phẩm.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian chiết xuất

Nhiệt độ chiết xuất ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất pectin. Nhiệt độ quá thấp làm giảm khả năng hòa tan pectin, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm phân hủy cấu trúc. Thời gian chiết xuất cũng là yếu tố quan trọng - thời gian quá ngắn không đủ để giải phóng pectin, thời gian quá dài gây mất mát chất lượng. Tối ưu hóa các thông số này cho phép đạt được hiệu suất tối đa.

2.2. Vai trò của pH và tỷ lệ chất rắn chất lỏng

pH dung dịch kiểm soát độ ion hóa của pectin và ảnh hưởng đến độ tách chiết. Môi trường acid (pH 1.5-3.0) thường được ưa thích cho chiết xuất pectin. Tỷ lệ chất rắn-chất lỏng quyết định nồng độ chất tan - tỷ lệ cao tăng hiệu suất nhưng cũng tăng chi phí. Sự cân bằng giữa các yếu tố này là chìa khóa tối ưu hóa hiệu quả.

III. Đặc tính Vật Lý Hóa Học của Pectin từ Vỏ Sầu Riêng

Pectin từ vỏ sầu riêng có các đặc tính độc đáo khác biệt tùy theo điều kiện chiết xuất. Các chỉ số chính bao gồm: độ esterification (DE), hàm lượng axit uronic tổng, khối lượng phân tử và độ nhớt nội tại. Hàm lượng axit uronic phản ánh độ tinh khiết của pectin, thường đạt 60-80%. Độ esterification quyết định khả năng gel hóa - pectin high-ester (DE > 50%) thích hợp cho các sản phẩm với hàm lượng đường cao. Đặc tính này làm cho pectin từ vỏ sầu riêng có tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

3.1. Độ esterification và cấu trúc hóa học

Độ esterification (DE) là tỷ lệ phần trăm nhóm carboxyl được esterified bằng methanol. Pectin high-ester (DE > 50%) từ vỏ sầu riêng hình thành gel trong điều kiện acid-đường cao, lý tưởng cho mứt. Cấu trúc hóa học phụ thuộc vào điều kiện chiết xuất - nhiệt độ cao giảm DE do water-solubility tăng. Tối ưu hóa DE là yếu tố quan trọng cho ứng dụng thực phẩm.

3.2. Khối lượng phân tử và độ nhớt

Khối lượng phân tử của pectin ảnh hưởng đến độ nhớt và khả năng gel hóa. Pectin từ vỏ sầu riêng thường có khối lượng phân tử từ 50,000 đến 150,000 Da. Độ nhớt nội tại cao chỉ ra macromolecule có chuỗi dài, cải thiện độ dầy và cảm giác khi ăn. Thử nghiệm độ nhớt giúp đánh giá chất lượng pectin và dự đoán hiệu suất ứng dụng.

IV. Ứng dụng và Triển vọng của Pectin Sầu Riêng

Pectin từ vỏ sầu riêng có tiềm năng ứng dụng to lớn trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Trong công nghiệp thực phẩm, pectin được sử dụng trong sản xuất mứt, nước uống, sữa chua, kem, và các sản phẩm baked goods. Pectin cũng có tính chất prebiotic, hỗ trợ sức khỏe đường tiêu hóa. Với xu hướng sử dụng nguyên liệu tự nhiên, pectin từ vỏ sầu riêng là lựa chọn thay thế bền vững cho pectin tổng hợp. Tiếp tục tối ưu hóa quy trình và phát triển ứng dụng mới sẽ tạo giá trị kinh tế cao.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm

Pectin từ vỏ sầu riêng là chất kết dính tự nhiên lý tưởng cho mứt, nước uống và sữa chua. Nhờ độ esterification cao, pectin này tạo gel ổn định, cải thiện kết cấu sản phẩm. Pectin cũng giảm cần thiết sử dụng phụ gia nhân tạo, đáp ứng nhu cầu thực phẩm tự nhiên của người tiêu dùng. Ứng dụng rộng này làm tăng giá trị thương mại của pectin sầu riêng.

4.2. Triển vọng phát triển bền vững

Việc chiết xuất pectin từ vỏ sầu riêng tận dụng chất thải nông nghiệp, hỗ trợ kinh tế tuần hoàn. Phương pháp tối ưu hóa giảm chi phí sản xuất và tác động môi trường. Nghiên cứu tiếp theo về pectin low-ester và các ứng dụng dược phẩm sẽ mở rộng thị trường. Triển vọng của pectin sầu riêng rất tích cực trong bối cảnh nhu cầu nguyên liệu tự nhiên ngày càng tăng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành nông nghiệp giữ vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế Việt Nam. Bên cạnh thế mạnh xuất khẩu lúa gạo, các loại cây ăn trái nhiệt đới cũng được phát triển mạnh mẽ về diện tích và sản lượng. Trong đó, sầu riêng (Durio zibethinus, thuộc họ Cẩm quỳ/Bombacaceae) là loại cây ăn trái có giá trị kinh tế cao, được tiêu thụ rộng rãi tại thị trường nội địa lẫn phục vụ xuất khẩu. Tuy nhiên, phần thịt quả ăn được chỉ chiếm từ 15% đến 30% tổng khối lượng quả, trong khi hạt chiếm 20–25% và phần vỏ chiếm tới 65–70% (thường hơn một nửa tổng trọng lượng). Vỏ sầu riêng có cấu tạo bán gỗ dày, màu xanh đến nâu vàng với các gai nhọn hình kim tự tháp. Lượng lớn vỏ sầu riêng thải bỏ trong mùa thu hoạch tạo ra áp lực lớn đối với môi trường và công tác xử lý rác thải nông nghiệp.

Về mặt thành phần hóa học, tế bào thực vật vỏ sầu riêng chứa hàm lượng lớn các hợp chất polysaccarit bao gồm xenluloza, hemixenluloza, lignin và pectin. Pectin là một dị polysaccarit có tính axit, khối lượng phân tử cao, đóng vai trò tạo khung cấu trúc và độ cứng cho mô thực vật. Trong công nghiệp chế biến, pectin là phụ gia sinh học (mã E440) được sử dụng rộng rãi với vai trò chất tạo gel, chất làm dày và chất ổn định cấu trúc trong các sản phẩm thực phẩm (mứt, kẹo dẻo, sữa chua uống, đồ uống trái cây) và ứng dụng trong y dược (hạ cholesterol máu, cầm máu, bao màng thuốc).

Đề tài khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Thực phẩm với tên gọi "Investigate Extraction Conditions And Characterization Of Pectin From Durian Rind Based On Response Surface Methodology" (Nghiên cứu điều kiện chiết xuất và đánh giá đặc tính của pectin từ vỏ sầu riêng dựa trên phương pháp bề mặt đáp ứng) được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Nghiên cứu và thiết lập quy trình chiết xuất pectin từ vỏ sầu riêng.
2. Khảo sát các tính chất hóa lý, cấu trúc của pectin thu nhận (độ ẩm, độ tro, hàm lượng axit anhydrouronic - AUA, độ este hóa - DE, độ nhớt đặc trưng, khối lượng phân tử trung bình nhớt và hình thái vi cấu trúc).
3. Tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình chiết xuất bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Pectin được chiết tách từ phần cùi trắng (gồm lớp trung vỏ quả - mesocarp và nội vỏ quả - exocarp) của vỏ sầu riêng sau khi đã loại bỏ lớp vỏ ngoài mang gai.
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài được triển khai thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong thời gian từ ngày 10/08/2023 đến ngày 22/01/2024. Nguồn nguyên liệu vỏ sầu riêng (chủ yếu là giống sầu riêng Ri6) được thu thập từ các cửa hàng trái cây trên địa bàn thành phố Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hóa sinh polysaccarit thực vật và công nghệ trích ly hợp chất tự nhiên:

• Cấu trúc hóa học và phân loại pectin: Pectin có mạch chính là axit polygalacturonic cấu tạo từ các gốc axit D-galacturonic (GalA) liên kết với nhau bằng liên kết $\alpha$-(1,4)-glycosit. Cấu trúc gồm 3 dạng chính: Homogalacturonan (HGA - vùng mạch thẳng nhẵn), Rhamnogalacturonan-I (RG-I - vùng rậm rạp phân nhánh với các đường trung tính như arabinose, galactose) và Rhamnogalacturonan-II (RG-II - cấu trúc phân nhánh phức tạp). Pectin được phân loại theo độ este hóa (DE): Pectin có độ methoxyl cao (HMP, $DE > 50%$) tạo gel trong điều kiện nồng độ chất khô hòa tan/đường $> 55%$ và $pH < 3,5$; Pectin có độ methoxyl thấp (LMP, $DE < 50%$) tạo gel thông qua liên kết chéo với ion canxi ($Ca^{2+}$) theo mô hình "hộp trứng" (egg-box model) mà không phụ thuộc vào nồng độ đường cao.
• Kỹ thuật trích ly: Nghiên cứu áp dụng phương pháp chiết xuất gia nhiệt có hỗ trợ axit vô cơ loãng ($H_2SO_4$ 0,001M).
• Mô hình tối ưu hóa thực nghiệm: Ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) với quy hoạch thực nghiệm trực giao có thể xoay tâm (Central Composite Rotatable Design - CCRD) 3 yếu tố để đánh giá ảnh hưởng đơn lẻ và tương tác giữa các thông số công nghệ, từ đó giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Quy trình nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tuần tự qua các giai đoạn:

• Chuẩn bị nguyên liệu: Vỏ sầu riêng tươi được kiểm tra loại bỏ các khuyết tật (thối, mốc, sâu bệnh), tách bỏ gai ngoài, lấy lớp cùi trắng cắt nhỏ kích thước $2 \times 2 \times 2\text{ cm}$. Sấy trong tủ sấy đối lưu ở $60\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ đến độ ẩm đạt $10 - 12%$, sau đó nghiền và rây qua rây 150 mesh.
• Điều chế bã không tan trong cồn (Alcohol-Insoluble Residue - AIR): Bột vỏ sầu riêng (10 g) được ngâm với cồn 75%, $HCl$ 5% và nước cất theo tỉ lệ rắn : lỏng (S:L) 1:15 (g/mL), khuấy liên tục trong máy lắc ổn nhiệt ở nhiệt độ phòng trong 6 giờ để loại bỏ đường tự do, sắc tố và tạp chất. Lọc chân không, rửa lại 3–4 lần bằng ethanol 75% đến khi dịch lọc không màu, rửa tiếp bằng ethanol 95%, điều chỉnh về $pH = 6$ bằng $NaOH$ 0,01N, sấy khô ở $60\ ^\circ\text{C}$ trong 12 giờ để thu bột AIR.
• Chiết xuất và thu nhận pectin: Bột AIR được chiết trong bể ổn nhiệt (90 rpm) với dung dịch $H_2SO_4$ 0,001M theo ma trận quy hoạch thực nghiệm biến thiên 3 yếu tố:
  • Nhiệt độ chiết xuất ($X_1$): $75 - 95\ ^\circ\text{C}$
  • Tỉ lệ rắn : lỏng ($X_2$): $1:20 - 1:60\text{ g/mL}$
  • Thời gian chiết xuất ($X_3$): $30 - 270\text{ phút}$
• Thu hồi và tinh chế pectin: Hỗn hợp sau chiết được làm nguội nhanh, ly tâm lần 1 tại 3500 rpm trong 20 phút. Dịch nổi được kết tủa bằng ethanol 95% theo tỉ lệ thể tích dịch:cồn là 1:3 và để yên 1 giờ ở nhiệt độ phòng. Ly tâm lần 2 tại 3500 rpm trong 15 phút thu gel pectin. Rửa gel bằng máy khuấy từ với ethanol 75% (2 lần) và ethanol 95% (1 lần), ly tâm lần 3 thu gel sạch, sấy ở $50\ ^\circ\text{C}$ trong 16 giờ rồi nghiền mịn.

Phương pháp phân tích và nguồn dữ liệu

• Xác định độ ẩm và hàm lượng tro của nguyên liệu vỏ và bột pectin.
• Xác định hàm lượng axit anhydrouronic (AUA) để đánh giá độ tinh sạch của pectin.
• Xác định độ este hóa (DE) bằng phương pháp chuẩn độ.
• Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trên máy FTIR-4700 (Jasco, Nhật Bản) để nhận danh các nhóm chức đặc trưng.
• Xác định độ nhớt đặc trưng và khối lượng phân tử trung bình nhớt thông qua các phương trình Huggins, Kraemer và Martin.
• Đánh giá hình thái bề mặt vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM, Nhật Bản) ở độ phóng đại x30 và x200.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 2: Literature Review

Chương này tổng thuật toàn diện các kiến thức nền tảng và tài liệu khoa học liên quan:

• Trình bày định nghĩa, cấu trúc hóa học của phân tử pectin, chuỗi polygalacturonic acid, cơ chế tạo gel của pectin nhóm HMP và LMP, các hệ thống phân loại pectin theo trạng thái, tốc độ tạo gel, nguồn nguyên liệu và mức độ este hóa.
• Phân tích các phương pháp chiết xuất pectin hiện có: chiết bằng nước nóng, chiết bằng môi trường axit, chiết có hỗ trợ enzym và chiết có hỗ trợ vi sóng.
• Tổng quan về tiềm năng ứng dụng của pectin trong chế biến rau quả (mứt đông), bánh kẹo (kẹo dẻo), công nghệ sữa (sữa chua ăn, sữa chua uống), đồ uống, màng bọc ăn được và điều chế dược phẩm.
• Giới thiệu tổng quan về cây sầu riêng, đặc tính sinh thái, thành phần quả sầu riêng Ri6 và tiềm năng tái sử dụng phế phụ phẩm vỏ.
• Trình bày cơ sở toán học của phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), so sánh các dạng quy hoạch Central Composite Designs (CCC, CCI, CCF và CCRD) và Box-Behnken, lý giải việc chọn CCRD để tối ưu hóa đồng thời nhiều biến công nghệ.
• Điểm qua các công trình nghiên cứu tiền nhiệm về pectin vỏ sầu riêng của Hasem et al. (2019), Wong Weng Wai et al. (2009), Prakash Maran và Sze Hui Jong et al. (2023).

Chapter 3: Materials and Methods

Chương này mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên vật liệu, hóa chất ($H_2SO_4, HCl, NaOH, EtOH$), danh mục thiết bị thí nghiệm và trình bày các bước thực nghiệm chuẩn hóa:

• Sơ đồ nghiên cứu tổng thể từ khâu tiền xử lý vỏ thô đến phân tích cấu trúc sản phẩm tinh chế.
• Quy trình chi tiết sấy vỏ sầu riêng, quy trình trích ly bã không tan trong cồn (AIR) nhằm loại bỏ tối đa tạp chất trước khi chiết.
• Thiết kế ma trận thực nghiệm CCRD 3 yếu tố gồm 20 thí nghiệm (bao gồm các điểm giai thừa, điểm trục sao $|\alpha| = 1,682$ và điểm tâm).
• Các công thức toán học và phương pháp chuẩn độ tính toán hiệu suất thu hồi (Yield, %), độ este hóa (DE, %) và hàm lượng AUA (%).
• Quy trình đo độ nhớt dung dịch và kỹ thuật chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).

Chapter 4: Results and Discussions

Chương này công bố và thảo luận các kết quả thực nghiệm:

• Đánh giá thành phần cơ bản của nguyên liệu thô (độ ẩm và độ tro của vỏ sầu riêng).
• Phân tích thống kê ANOVA cho các phương trình hồi quy mô tả hiệu suất pectin ($Y_1$), độ este hóa DE ($Y_2$) và hàm lượng AUA ($Y_3$).
• Đánh giá ảnh hưởng của các biến độc lập (nhiệt độ, tỉ lệ S:L, thời gian) và tương tác giữa chúng lên từng hàm mục tiêu thông qua đồ thị nhiễu (perturbation plot), biểu đồ đơn yếu tố, đồ thị bề mặt đáp ứng 3D và đồ thị đường mức (contour).
• Xác định bộ thông số công nghệ tối ưu hóa đa mục tiêu và tiến hành thí nghiệm kiểm chứng mô hình.
• Phân tích toàn diện chất lượng của sản phẩm pectin thu được tại điều kiện tối ưu: độ ẩm, độ tro, giá trị DE, phổ FT-IR đối chứng với mẫu thương phẩm, các đồ thị Huggins, Kraemer, Martin xác định độ nhớt đặc trưng và khối lượng phân tử, cùng hình ảnh vi cấu trúc bề mặt SEM.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chính

Quá trình phân tích thống kê và thực nghiệm đã làm rõ tác động của các điều kiện công nghệ chiết xuất lên chất lượng pectin vỏ sầu riêng:

• Ảnh hưởng của các thông số chiết: Nhiệt độ chiết xuất, tỉ lệ rắn:lỏng (S:L) và thời gian chiết đều có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thu hồi (Yield) và hàm lượng axit anhydrouronic (AUA). Trong đó, nhiệt độ chiết xuất là yếu tố có tác động thuận lợi lớn nhất đến cả hiệu suất và độ tinh sạch của pectin. Ngược lại, giá trị độ este hóa (DE) ít bị biến động bởi các thông số chiết này trong phạm vi khảo sát.
• Tối ưu hóa quy trình: Điều kiện tối ưu hóa đa mục tiêu được xác định chính xác và kiểm chứng bằng thực nghiệm:

Thông số / Chỉ tiêu	Giá trị tối ưu / Kết quả thực nghiệm
Tác nhân chiết	Dung dịch $H_2SO_4$ 0,001M
Nhiệt độ chiết xuất	$90\ ^\circ\text{C}$
Tỉ lệ rắn : lỏng (S:L)	$1:50\text{ g/mL}$
Thời gian chiết xuất	210 phút
Hiệu suất thu hồi thực nghiệm (Yield)	11,258% (phù hợp với giá trị dự đoán từ mô hình)
Nhóm pectin thu nhận	Pectin có độ methoxyl thấp (LMP, $DE < 50%$)
Độ tinh sạch	Hàm lượng AUA đạt yêu cầu cao
Đặc trưng phổ FT-IR	Mũi hấp thụ đặc trưng cho thấy sự giàu có của cấu trúc axit polygalacturonic (tương đồng với mẫu pectin thương mại)
Hình thái vi cấu trúc (SEM)	Hạt cấu trúc tấm/phiến đồng đều, bề mặt nhẵn mịn

Đóng góp của đề tài

• Đóng góp khoa học: Cung cấp đầy đủ các dẫn liệu thực nghiệm về thành phần, cấu trúc và tính chất lưu biến của pectin từ vỏ sầu riêng Việt Nam. Chứng minh tính hữu hiệu của mô hình toán học RSM-CCRD trong việc tối ưu hóa đồng thời hiệu suất và độ tinh sạch cho quá trình trích ly hydrocolloid từ phế phụ phẩm thực vật.
• Đóng góp thực tiễn: Thiết lập một quy trình công nghệ hoàn chỉnh từ xử lý nguyên liệu, điều chế bã AIR, trích ly axit đến tinh chế pectin. Kết quả mở ra hướng tiếp cận khả thi trong việc gia tăng giá trị chuỗi sản xuất sầu riêng, tạo nguồn cung pectin methoxyl thấp (LMP) giá thành rẻ phục vụ sản xuất thực phẩm ít calo, thực phẩm ăn kiêng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rác thải vỏ sầu riêng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (laboratory scale), chưa thực hiện ở quy mô pilot hay bán công nghiệp.
  • Quá trình chiết xuất tối ưu đòi hỏi thời gian kéo dài (210 phút) ở nhiệt độ cao ($90\ ^\circ\text{C}$), có thể tiêu tốn nhiều năng lượng trong vận hành thực tế.
  • Đề tài chỉ tập trung khảo sát một loại dung môi axit vô cơ loãng ($H_2SO_4$ 0,001M) trên nguồn nguyên liệu vỏ sầu riêng tại khu vực TP. Thủ Đức.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Nghiên cứu kết hợp các công nghệ chiết xuất hỗ trợ tiên tiến như sóng siêu âm (UAE) hoặc vi sóng (MAE) nhằm rút ngắn thời gian chiết xuất và giảm tiêu hao năng lượng.
  • Khảo sát ứng dụng thực tế của pectin vỏ sầu riêng trong các hệ sản phẩm thực phẩm cụ thể như mứt ít đường cho người ăn kiêng, sữa chua uống hoặc chế tạo màng bao sinh học ăn được (edible films/packaging).
  • Nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật toàn diện.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên cao học: Ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Sinh học cần tài liệu tham khảo về phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa quá trình bằng phần mềm thống kê (RSM - Central Composite Rotatable Design).
• Cán bộ nghiên cứu và phòng thí nghiệm R&D: Tham khảo quy trình điều chế bã không tan trong cồn (AIR) để loại bỏ đường đơn/sắc tố trước khi chiết xuất polysaccarit, cùng chuỗi phương pháp phân tích đặc tính hóa lý chuẩn xác (định lượng AUA, chuẩn độ DE, phân tích phổ FT-IR, đo độ nhớt xác định khối lượng phân tử và chụp ảnh hiển vi SEM).
• Doanh nghiệp chế biến nông sản: Có thêm cơ sở khoa học để nghiên cứu phát triển các dự án tận dụng phế phụ phẩm vỏ sầu riêng sau chế biến đông lạnh hoặc xuất khẩu trái cây.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần thực hiện bước điều chế bã không tan trong cồn (AIR) trước khi chiết xuất pectin?
Bước điều chế AIR bằng cách ngâm bột vỏ sầu riêng trong cồn 75% có bổ sung $HCl$ 5% và rửa nhiều lần giúp loại bỏ hoàn toàn các loại đường tự do (monosaccharide), các hợp chất màu, sắc tố và tạp chất tan trong cồn. Điều này ngăn ngừa hiện tượng caramen hóa hoặc tạp chất cản trở quá trình kết tủa, giúp nâng cao độ tinh sạch và chất lượng của sản phẩm pectin thu nhận.

2. Điều kiện tối ưu hóa quá trình chiết xuất pectin từ vỏ sầu riêng được xác định trong khóa luận là gì?
Điều kiện chiết tối ưu được xác định từ mô hình toán học và kiểm chứng thực nghiệm gồm: nhiệt độ chiết $90\ ^\circ\text{C}$, tỉ lệ rắn : lỏng (S:L) là $1:50\text{ g/mL}$, thời gian chiết 210 phút trong môi trường dung dịch axit $H_2SO_4$ 0,001M.

3. Hiệu suất chiết xuất pectin thực nghiệm thu được tại điều kiện tối ưu là bao nhiêu?
Hiệu suất chiết xuất thực nghiệm đạt 11,258%, giá trị này có độ tương đồng và trùng khớp cao với giá trị dự đoán từ mô hình bề mặt đáp ứng.

4. Pectin thu nhận từ vỏ sầu riêng thuộc loại nào và có cơ chế tạo gel ra sao?
Pectin thu được thuộc nhóm pectin có độ methoxyl thấp (Low Methoxyl Pectin - LMP với $DE < 50%$). Nhóm pectin này có khả năng tạo gel khi có sự hiện diện của các ion kim loại hóa trị hai như canxi ($Ca^{2+}$) theo cơ chế cầu nối canxi mà không cần nồng độ đường cao hay môi trường axit mạnh như pectin nhóm HMP.

5. Yếu tố công nghệ nào có ảnh hưởng mạnh nhất đến hiệu suất và độ tinh sạch của pectin?
Trong 3 thông số công nghệ khảo sát (nhiệt độ, tỉ lệ S:L và thời gian), nhiệt độ chiết xuất là yếu tố có tác động thuận lợi (dương tính) lớn nhất đến cả hiệu suất thu hồi (Yield) và độ tinh sạch (hàm lượng AUA) của pectin.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Hà Thị Tiểu Yến và Phạm Thi Hồng đã nghiên cứu thành công quy trình chiết xuất và xác định đặc tính của pectin từ nguồn phế phụ phẩm vỏ sầu riêng. Bằng việc ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng CCRD, nghiên cứu đã xác định được bộ thông số chiết xuất tối ưu ($90\ ^\circ\text{C}$, tỉ lệ 1:50 g/mL, 210 phút với $H_2SO_4$ 0,001M) cho hiệu suất thu hồi đạt 11,258%. Sản phẩm thu nhận là pectin có độ methoxyl thấp (LMP), cấu trúc giàu axit polygalacturonic, độ đồng đều bề mặt cao và có tiềm năng ứng dụng rõ rệt trong công nghiệp thực phẩm ít calo và dược phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS FOOD TECHNOLOGY INVESTIGATE EXTRACTION CONDITIONS AND CHARACTERIZATION OF PECTIN FROM DURIAN RIND BASED ON RESPONSE SURFACE METHODOLOGY LECTURER: NGUYEN VINH TIEN STUDENT: HA THI TIEU YEN PHAM THI HONG SKL012532 Ho Chi Minh City, January 2024 SHO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT Thesis code: 2023-19116057 INVESTIGATE EXTRACTION CONDITIONS AND CHARACTERIZATION OF PECTIN FROM DURIAN RIND BASED ON RESPONSE SURFACE METHODOLOGY Student: HA THI TIEU YEN 19116057 PHAM THI HONG 19116042 Major: FOOD TECHNOLOGY Supervisor: NGUYEN VINH TIEN, ASSOC. PROF Ho Chi Minh City, January 2024 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION FOOD TECHNOLOGY GRADUATION THESIS ASSIGNMENT Student name: Ha Thi Tieu Yen Student ID: 19116057 Student name: Pham Thi Hong Student ID: 19116042 Major: Food Technology Class: 19116CLA Supervisor: Nguyen Vinh Tien, Assoc. Email: [e-mail] Date of assignment: 10/08/2023 Date of submission: 22/01/2024 1. Thesis title: Investigate Extraction Conditions And Characterization Of Pectin From Durian Rind Based On Response Surface Methodology 2.

Thesis assignment: + The process of extracting pectin from durian rind + The properties of pectin. + Optimization parameters of extraction conditions The content and requirements of the graduation thesis have been approved by the Chair of the Food Technology program Ho Chi Minh City, 22nd January 2024 CHAIR OF THE PROGRAM SUPERVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) i ACKNOWLEDGEMENTS Our sincere gratitude goes out to all of the instructors in the University of Technology and Education of Ho Chi Minh City's Food Technology Department for their invaluable instruction and knowledge-sharing throughout our studies. They also built all the facilities and tools necessary to help us finish the thesis as effectively as possible. Also, we had to face and conquer every obstacle we came across during the project in order to finish and obtain the outcomes we have now.

Additionally, we receive a lot of inspiration, support, and motivation from our cherished classmates and families. We especially acknowledge the teacher who oversaw this graduation project, PhD. Nguyen Vinh Tien. During the project, he provided us with valuable guidance and instruction on how to utilize equipment and operate machinery in the laboratory, along with quick feedback.

At the same time, the teacher always creates a friendly and supportive environment, even when we run into problems with the research process. Sincerely, we would like to express our gratitude to Ms. Ho Thi Thu Trang of the Department of Food Technology for facilitating and assisting us in using the measuring tools and equipment available at the Faculty of Chemical and Food Technology's laboratory. Owing to our inexperience, ignorance, and time constraints, errors may have occurred in the thesis's execution.

We sincerely hope you will pardon us and provide us with helpful criticism so we can get better. We would like to send the Faculty of Chemical and Food Technology our warmest regards. We hope your life is filled with prosperity and good health. Sincerely thank, Ha Thi Tieu Yen & Pham Thi Hong ii DECLARATION We declare that the outcome of the graduation thesis is our own work, all project results are the product of our surveys and research, and all project references are correctly cited in compliance with regulations.

Date_________________________ Students Ha Thi Tieu Yen Pham Thi Hong iii iv v vi vii viii ix x xi xii xiii xiv TABLE OF CONTENTS ABSTRACT. Object and scope of the research. Scientific and practical significance. 3 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW.

Introduction about pectin. Structure and chemical compositions of pectin. Gelation mechanism of pectin. Classification of pectin.

Properties of pectin. Pectin extraction technique. Applications of pectin. Overview about durian.

Response surface designs. Summary of previous studies on durian rind. 18 CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODS. Materials, chemicals, and equipment.

Durian rind drying. Alcohol insoluble preparation. Pectin extraction process. Moisture content of durian rind and pectin powder.

Ash content of durian rind and pectin powder. Total Anhydrouronic Acid Content. Degree of esterification. Intrinsic viscosity and viscosity- average molecular weight.

Experimental design of pectin extraction optimization. Solve multi-objective optimization problem. 36 CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSIONS. Moisture and ash content of durian rind.

Results of experimental design. Effect of extraction parameters on DE. Effect of extraction parameters on pectin yield. Effect of extraction parameters on AUA.

Optimization of the experiment and validation of the model. Optimal durian rind pectin process. Moisture and ash content of optimum pectin. Degree of esterification and structural propertie.

Result of of intrinsic viscosity and viscosity-average molecular weight. 75 xvi LIST OF FIGURES Figure 2.1 Pectin chemical structure.3 The gelation mechanism of LMP .5 A Box-Behnken design for three Factors .6 Generation of a Central Composite Design for two Factors .7 Comparison of the Three Types of Central Composite Designs .8 Central composite rotatable design (CCRD) .2 Diagram of experimental research .3 Flowchart diagram for durian rind drying .4 Flowchart diagram for alcohol insoluble preparation .5 Flowchart diagram for pectin extraction process .6 FT-IR spectrum of pectin.1 The perturbation plot .2 One-factor plot illustrating the effect of temperture on pectin yield .3 One-factor plot illustrating the effect of S:L ratio on pectin yield .4 One-factor plot illustrating the effect of time on pectin yield .5 The 3D response surface graphs and countor demonstrate the relationship of extraction parameter .6 Predicted and Actual values of Yield.7 The perturbation plot .8 One-factor plot illustrating the effect of temperture on AUA .9 One-factor plot illustrating the effect of S:L ratio on AUA .10 The relationships of the extraction parameters were displayed by 3D surface response graphs and countor.11 Predicted and actual value of AUA .12 Optimal durian rind pectin process .13 Pectin extract after precipitating with alcohol .15 Comparing FT-IR spectrum of pectin (A) durian, (B) commercial.16 Huggins, Kraemer, and Martin plot for durian rind pectin.17 Morphological configurations of DP captured using SEM at x30 and x200 magnification. 65 xviii LIST OF TABLES Table 3.1 Factor settings for CCRD model for three factors .1 Moisture and ash content in durian rind .2 Experimental results of objective responses .3 ANOVA for linear model Y2 (DE).4 ANOVA for quadratic model Y2 (DE).5 Summary model response of yield .6 ANOVA for linear model Y1 (Yield) .7 Summary model response of AUA .8 ANOVA for quadratic model Y3 (AUA) .9 The response of verified samples at the optimal extraction conditions (90 °C, 1:50, 210 minutes).10 Moisture and ash content of durian rind pectin.11 Comparing FT-IR spectrum of pectin commercial, durian rind.12 Intrinsic viscosity and viscosity-average molecular weight of durian rind pectin. 64 xix LIST OF ABBREVIATIONS Abbreviations Definition RSM Response Surface Methodology CCD Central Composite Design CCRD Central Composite Rotatable Design AUA Anhydrouronic Acid DE Degree Of Esterification DP Durian Pectin 2FI Two-Factor Interaction GalA Galacturonic Acid HMP High Methoxyl Pectin LMP Low Methoxyl Pectin MeO Methoxyl Content SEM Scanning Electron Microscope S:L Solid: Liquid Ratio AIR Alcohol-Insoluble Residue xx ABSTRACT Pectin is a complex, high molecular weight, structurally acidic heteropolysaccharide that is present in the cell walls and leaf blades of terrestrial plants.

It helps plants set up and firm their tissue. Because it can provide food products more stiffness and texture, pectin is a widely used component in culinary applications. Pectin is also a naturally occurring biopolymer that has several uses in the food industry and can be used to make pectin powder at a reduced cost. In order to examine the effects of extraction temperature (75–95 °C), duration (30–270 min), and solid-to-liquid ratio (S:L) (1:20–1:60 g/mL) with 0.001M H2SO4 on the yield of pectin from durian rind, as well as the esterification degree (DE), purity (AUA), and other pectin properties, a central composite rotatable design was employed in this study.

The findings show that extraction temperature, duration, and S:L all have a substantial impact on pectin production and AUA, with extraction temperature having the greatest positive impact on both pectin output and purity. Conversely, DE is not much impacted by these extraction parameters. The experimental yield (11.258%) values obtained under ideal extraction conditions (90 °C, S:L 1:50 g/mL, 210 min) nearly matched the expected values. The extracted pectin's richness in polygalacturonic acid was demonstrated by the FT-IR spectra.

With its uniform, smooth-surfaced granules resembling slabs, the pectin derived from durian rind shows promise as a low-methoxyl pectin source that can thicken low-calorie foods and drinks considerably. Problem Vietnam's agricultural sector accounts for a high proportion of the economy. In addition to rice output, which is always among the world's largest exporters, Vietnam also develops fruit tree cultivation in large quantities and with a variety of types. As one of the fruit trees with high economic value, durian is increasingly popular and is widely consumed not only in the domestic market but also for export.

Durian is a genus of plants in the mallow family, currently there are more than 30 identified species, of which about 9 species have edible fruits, Durio Zibethinus is the most common species on the market. The distribution area of durian is in Southeast Asian countries, including Vietnam. In addition to directly using the fruit flesh, durian is also processed into many dishes such as ice cream, candy, and jam. The durian rind typically accounts for over half of the total fruit weight, presenting a green to yellowish-brown, thick, semiwoody composition adorned with sharply pointed pyramidal thorns.

The excessive disposal of durian rinds during the durian season raises environmental concerns. The rind of durian are highly cellulose-containing, according to research done in Thailand on using durian peels to make particleboard with lower heat conductivity [1]. Particleboard, also known as chipboard in the UK, Australia, and some other countries, is an engineered wood product made by pressing and extruding wood particles- such as wood chips, sawdust, or shavings from sawmills- with a synthetic resin or other appropriate binder. A variety of polysaccharides, including cellulose, hemicelluloses, lignin, and pectin, make up the majority of the plant cells in durian [2].

This agricultural waste might also be used to make a low-cost sorbent that would remove acid dye from aqueous solutions by acting as a gelling agent, tablet disintegrator, and binder[3]. The water-soluble polysaccharide fraction from the rind of durian trees that has a high pectin content is particularly interesting [4] 1. Research objective - The process of extracting pectin from durian rind. - The properties of pectin.

- Optimization parameters of extraction conditions. Object and scope of the research - Research Object: Pectin extracted from durian rind 2 - Scope of the study: This study was carried out on a laboratory scale 1. Research content - Research the process of extracting pectin from durian rind, and optimization parameters of extraction conditions - Study the properties of pectin: ash and moisture content, total anhydrouronic acid content, degree of esterification, morphology properties 1. Scientific and practical significance - Provide complete pectin extraction process.

This serves as a premise for further studies. - Research the factors affecting the extraction process in order to improve the efficiency and quality. - Enhance the value and widen the range of applications of durian rind 3 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW 2. Introduction about pectin Pectin is a powder that ranges in color from white to light brown and is commonly made from apple pomace and citrus peel.

Although pectin was once only accessible as a liquid extract, its use as a dried powder has increased since it is easier to handle, store, and transport. As a water-soluble fiber that is used in a variety of food products, including ice cream, jam, yogurt drinks, and fruity milk drinks. Pectins are also included as nutritional supplements because of their possible health benefits. Multiple research studies have documented the advantageous impacts of a diet rich in fiber on various areas.