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

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.

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.