1. MỞ ĐẦU
Cây mắc ca là cây trồng có giá trị kinh tế cao, được đưa vào trồng ở Việt Nam từ năm 1994 và hiện nay đang đẩy mạnh trồng cây này ở một số vùng như Tây Nguyên, Tây Bắc. Nhân mắc ca có nhiều thành phần dinh dưỡng như protein, lipid, glucid, vitamin, chất khoáng [1, 2]. Trong nhân mắc ca hàm lượng lipid chiếm 78,2%, trong đó axit béo không no chiếm 84%, đặc biệt nhân mắc ca giàu axit béo omega-3, omega-7 là những axit béo rất cần thiết đối với cơ thể người [1, 3].Ở nước ta hiện nay, chỉ có một số công trình nghiên cứu về chế biến quả mắc ca, điển hình như Nguyễn Quỳnh Uyển và cộng sự (2016) nghiên cứu quy trình chế biến sữa chua mắc ca, Nguyễn Văn Lợi (2016) đã xác định thành phần hóa học của quả mắc ca thu hoạch ở các thời điểm khác nhau [4].Trong khi đó nhân mắc ca có hàm lượng dầu lớn và giá trị cao, lại chưa được quan tâm nghiên cứu. Trên thế giới nhân mắc ca được dùng để chế biến các sản phẩm mắc ca rang, chế biến nhân bánh, chocolate, nước giải khát, dầu mắc ca và các sản phẩm mỹ phẩm. Để sản xuất dầu mắc ca người ta chủ yếu sử dụng phương pháp ép cơ học, trích ly bằng dung môi hữu cơ [3]. Vì vậy trong nghiên cứu này đã ứng dụng enzim để tách dầu mắc ca góp phần làm tăng hiệu suất thu hồi dầu và giữ được các tính chất đặc trưng của dầu mắc ca.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên vật liệu
Hạt mắc ca, giống 246 (Keauhou) được thu hái ở thời điểm 215 ngày (tính từ khi đậu quả) tại 3 Trang trại trồng mắc ca của tỉnh Sơn La [4]. Sử dụng chế phẩm enzimviscozyme do ViệnNghiên cứu Dầu và Cây có dầu cung cấp.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp xác định hiệu suất tách dầu mắc ca
Hiệu suất của quá trình tách dầu mắc ca được thực hiện như sau:
- Xác định khối lượng dầu mắc ca trong nguyên liệutheo công thức m₁ = m_nl x D_nl /100, với: m₁: khối lượng dầu trong m (g) nguyên liệu, m_nl:khối lượng mẫu thí nghiệm (g), D_nl: hàm lượng dầu của nhân hạt mắc ca (%)
- Xác định khối lượng dầu mắc ca còn lại sau khi tách: sau khi tách, bã thu được đem cân để xác định khối lượng, sau đó tiến hành phân tích hàm lượng dầu của bã theo công thức 
m₂ = m_bã x D_bã /100, với: m₂: khối lượng dầu còn lại trong bã (g), m_bã: khối lượng bã thu được (g), D_bã: hàm lượng dầu của bã (%) [5].
- Xác định hiệu suất tách dầu theo công thức H_ct= [(m₁ - m₂)/m₁] x 100 [5].
2.2.2. Phương pháp xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hiệu suất tách dầu mắc ca
Khảo sát 3 yếu tố liên quan đến điều kiện của quá trình tách dầu mắc ca là nồng độ enzim, nhiệt độvà thời gian tách. Các yếu tố thí nghiệm được khảo sát độc lập. Trong đó mỗi một yếu tố sẽ được khảo sát lần lượt tại các mức khác nhau, các yếu tố khác sẽ được cố định tại một giá trị được lựa chọn.
a. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độenzim
Xác định ảnh hưởng của nồng độ enzimso với lượng cơ chất đến hiệu suất tách dầu mắc ca. Thí nghiệm 1 yếu tố, gồm 5 công thức thức, lặp lại 3 lần và được bố trí như sau:Công thức 1: Nồng độ enzim= 0,5%; công thức 2: Nồng độ enzim= 0,75%; công thức 3: Nồng độ enzim= 1,00%; công thức 4: Nồng độ enzim= 1,25% và công thức 5: Nồng độ enzim= 1,50%. Yếu tố cố định: Loại enzim sử dụng, nhiệt độ và thời gian tách. Chỉ tiêu theo dõi: Hiệu suất tách dầu mắc ca [6, 7].
b. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân
Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất tách dầu mắc ca. Thí nghiệm 1 yếu tố, gồm 5 công thức, lặp lại 3 lần và được bố trí như sau:Công thức 1: Nhiệt độ 30^oC, công thức 2: Nhiệt độ 35^oC, công thức 3: Nhiệt độ 40^oC, công thức 4: Nhiệt độ 45^oC, công thức 5: Nhiệt độ 50^oC. Yếu tố cố định: Loại enzim sử dụng,thời gian và nhiệt độ tách.Chỉ tiêu theo dõi: Hiệu suất tách dầu mắc ca [6, 7].
c. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tách
Xác định ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách dầu mắc ca. Thí nghiệm 1 yếu tố, gồm 5 công thức,lặp lại 3 lần và được bố trí như sau:Công thức 1: Thời gian tách = 3 giờ; công thức 2: Thời gian tách = 4 giờ; công thức 3: Thời gian tách = 5 giờ; công thức 4: Thời gian tách = 6 giờ; công thức 5: Thời gian tách = 7giờ. Yếu tố cố định: Loại enzim sử dụng và nhiệt độ tách.Chỉ tiêu theo dõi: Hiệu suất tách dầu mắc ca [6, 7].
2.2.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
Bố trí thí nghiệm được thực hiện theo quy hoạch bậc hai Box-Behnken, với k =3 có 15 thí nghiệm, trong đó có 3 thí nghiệm tại tâm. Quy hoạch thực nghiệm theo các bước sau:
- Xác định các yếu tố ảnh hưởng bao gồm: nồng độ enzim (X₁), nhiệt độ thủy phân (X₂), thời gian tách (X₃) và khoảng biến thiên của chúng.
       - Xây dựng ma trận thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm theo ma trận đó. Ma trận thực nghiệm được thể hiện ở bảng 1.
       - Thiết lập hàm mục tiêu Y_i = f_i(X₁, X₂,..., X_k), chuyển hàm mục tiêu thành hàm d_i = T_i(Y_i).
       - Tính toán hệ số hồi qui, kiểm định sự có nghĩa của hệ số hồi qui và sự tương thích của mô hình.
      - Tối ưu hóa hàm mục tiêu [8].
2.2.4. Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được xử lý bằng phần mềm tối ưu hóa Design-Expert phiên bản 7.1 để phân tích các hệ số hồi qui.Phân tích phương sai Anova, so sánh Student bằng phần mềm JMP 9.0
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất tách dầu mắc ca bằng phuong pháp thủy phân enzim
3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzimđến hiệu suất tách dầu mắc ca
Để xác định ảnh hưởng của nồng độ enzim so với cơ chất đến hiệu suất tách dầu mắc ca, quá trình thủy phân bằng enzim viscozyme được tiến hành ở nhiệt độ 40^oC, trong thời gian 5 giờ.Sau khi thủy phân, hỗn hợp được ép bằng máy ép thủy lực với áp lực tối đa 200kg/cm² trong 30 phút.Các mức nồng độ enzim khảo sát thay đổi từ 0,5- 1,5% bao gồm 5 công thức, mỗi công thức thực lặp lại 3 lần. Kết quả được thể hiện ở bảng 2.
Sự thay đổi nồng độ enzim có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất tách dầu mắc ca. Khi nồng độ enzimtăng từ 0,5% đến 1,0% thì hiệu suất tách dầu mắc ca tăng từ 84,93% lên 88,12%, và có khác biệt có ý nghĩa giữa các công thức. Sự gia tăng này là hợp lý vì tăng nồng độ enzim sử dụng là biện pháp tốt nhất để thúc đẩy quá trình thủy phân màng tế bào, giúp quá trình giải phóng dầu được nhanh và thuận lợi hơn. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng nồng độ enzim lên 1,0- 1,5% thì hiệu suất tách dầu mắc ca lại không có khác biệt có ý nghĩa. Nguyên nhân của hiện tượng này được lý giải là do khi sử dụng enzim nhiều, các màng tế bào bị phân cắt mạnh, tạo thành dạng bột mịn quá sẽ làm cản trở quá trình ép.Như vậy, nồng độ enzim sử dụng là 1,0% cho hiệu suất tách dầu mắc ca cao nhất, do đó chọn nồng độ này để tiếp tục tiến hành các thí nghiệm sau.
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu mắc ca
Các mức nhiệt độ thủy phân được khảo sát từ 30- 50^oC bao gồm 5 công thức, mỗi công thức được lặp lại 3 lần. Hiệu quả của quá trình thủy phân được đánh giá bằng hiệu suất tách dầu mắc ca. Kết quả được thể hiện ở bảng 3.
​Kết quả trong bảng 3 cho thấy ở nhiệt độ 40- 45^oC, hiệu suất trích ly dầu mắc ca đạt tương ứng là 84,93% và 82,15%, nhưng ở nhiệt độ 30^oC thì hiệu suất trích ly dầu mắc ca chỉ đạt 78,42% và khi tăng nhiệt độ lên 50^oC, hiệu suất trích ly dầu mắc ca cũng chỉ đạt 78,52%. Như vậy giữa mức nhiệt độ 30^oC và 50^oC, hiệu suất trích ly dầu mắc ca không có sự sai khác. Nhưng so với mức nhiệt độ 40^oC, thì hiệu suất trích ly dầu mắc ca có sự chệnh lệch khoảng hơn 6%. Điều đó cho thấy ở nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp đều ảnh hưởng đến khả năng hoạt hóa của enzim. Như vậy, ở nhiệt độ 40^oC cho hiệu suất trích ly dầu mắc ca cao nhất, vì vậy chọn nhiệt độ này để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.
3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hiệu suất trích ly dầu mắc ca
Các mức thời gian thủy phân được khảo sát từ 3-7 giờ bao gồm 5 công thức, mỗi công thức được lặp lại 3 lần. Hiệu quả của quá trình thủy phân được đánh giá bằng hiệu suất trích ly dầu mắc ca. Kết quả được thể hiện ở bảng 4.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi tăng thời gian thủy phân thì hiệu suất tách dầu mắc cacàng tăng. Với thời gian thủy phân 3 giờ thì hiệu suất thấp nhất chỉ đạt 76,82%, trong khi đó hiệu suất tách đạt cao nhất ở thời gian thủy phân 7 giờ (90,15%). Hiệu suất tách dầu mắc ca ở 3 công thức từ 5- 7 giờ (89,64- 90,15%) chênh lệch nhau nhiều. Giữa thời gian 5 và 6 giờ không có sự khác biệt có ý nghĩa và giữa 6 và 7 giờ có sự khác biệt. Tuy nhiên, thời gian thủy phân càng kéo dài sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng dầu thu được, các chỉ số axit, peroxit có thể bị tăng lên đồng thời màu của sản phẩm thu được sẽ bắt đầu đậm dần lên so với ban đầu. Như vậy, thời gian thủy phân là 5 giờ cho kết quả tách dầu cao sẽ được chọn để tiếp tục tiến hành các thí nghiệm sau.
3.2. Tối ưu hóa 3 thông số có ảnh hưởng đến hiệu suất tách dầu mắc ca
3.2.2. Tìm phương trình hồi qui
Trong quá trình thủy phân bằng enzim, việc xác định điều kiện nhiệt độ thích hợp để enzim hoạt động tốt, thời gian thủy phân phù hợp để đảm bảo chất lượng dầu thu được, nồng độ enzim sử dụng ít nhất nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao là rất quan trọng cần phải được tối ưu hóa.Mục tiêu của thí nghiệm là tìm mối quan hệ giữa 3 yếu tố: nhiệt độ, thời gian thủy phân và nồng độ enzimsử dụng với hiệu suất tách dầu mắc ca. Từ đó xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình tách dầu mắc ca bằng phương pháp thủy phân enzim.
Thí nghiệm được bố trí theo phương pháp bề mặt đáp ứng (Respone Surface Methodology) kiểu Box-Bhenken. Mỗi yếu tố được khảo sát ở 3 mức, mức cao (+1), mức thấp (-) và mức tâm (0), với mức tâm là mức tốt nhất đã được lựa chọn ở các thí nghiệm trước. Cụ thể:
- Nhiệt độ thủy phân ở các mức: -1 (35^oC);0 (40^oC); +1 (45^oC)
- Thời gian thủy phân ở các mức:-1 (4,5h);           0 (5h);+1 (5,5h)
- Nồng độ enzyme sử dụng ở các mức: -1 (0,8%);0 (1,0%);+1 (1,2%)
Mỗi công thức (trừ công thức ở tâm) sẽ có 2 yếu tố có giá trị mức cao (+1) hay mức thấp (-1), yếu tố còn lại ở mức tâm (0). Sau khi thủy phân, hỗn hợp được ép bằng máy ép thủy lực với áp lực tối đa 200kg/cm² trong 30 phút.Kết quả được thể hiện ở bảng 5.
Phương trình hồi qui mô tả mối tương quan giữa 3 yếu tố: Nồng độ enzim, nhiệt độ và thời gian, đến hiệu suất tách dầu mắc ca có dạng:
Y = α₀ + α₁X₁ + α₂X₂ + α₃X₃ + α₁₂X₁X₂ + α₁₃X₁X₃ + α₂₃X₂X₃ + α₁₁X₁² + α₂₂X₂² + α₃₃X₃²
Trong đó, Y là hàm mục tiêu (hiệu suất tách dầu mắc ca, %), X₁, X₂, X₃là các mức của biến độc lập đại diện cho ảnh hưởng của các yếu tố thí nghiệm, như nồng độ enzim, nhiệt độ và thời gian lên hàm mục tiêu. α_o là hằng số và các α_ij là hệ số của phương trình hồi qui.
Phương trình hồi qui mô tả mối tương quan giữa các yếu tố nhiệt độ, thời gian và nồng độ enzim đến hiệu suất tách dầu mắc ca có dạng như sau:
Y = 90,13 + 0,99X₂ + 2,52X₃ + 1,81X₂X₃ – 2,44X₁² – 1,51X₂² – 3,28X₃²
Dựa vào phương trình hồi qui, có thể thấy cả 3 yếu tố nhiệt độ thủy phân, thời gian thủy phân và nồng độ enzim sử dụng đều có ảnh hưởng đến hiệu suất tách dầu mắc ca. Ở bậc 1 chỉ có nhiệt độ không có ảnh hưởng, yếu tố thời gian và nồng độ enzim sử dụng đều ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất tách dầu mắc ca (giá trị p<0,05). Ở bậc 2, cả 3 yếu tố đều có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất tách dầu mắc ca. Yếu tố thời gian và nồng độ enzim có ảnh hưởng tương tác. Các cặp yếu tố nhiệt độ - thời gian và nhiệt độ - nồng độ enzim không có ảnh hưởng tương tác.Kết quả kiểm tra mức độ tương thích của phương trình hồi qui với thực nghiệm, nhờ sự hỗ trợ của phần mềm xử lý số liệu JMP 10.0 thể hiện ở hình và bảng 7.
Kết quả cho thấy R² = 0,97 và R_hc² = 0,90, chứng tỏ mức độ tương thích của phương trình hồi qui và thực nghiệm là rất cao và chặt chẽ.Như vậy mô hình thống kê này có thể được sử dụng để dự đoán điều kiện tối ưu của quá trình tách dầu mắc ca bằng enzim viscozyme.Điều kiện tối ưu của quá trình tách dầu mắc ca được dự đoán bằng mô hình toán học thông qua bề mặt đáp ứng.Kết quả cho thấy hiệu suất tách dầu mắc ca đạt giá trị cực đại là Y_max = 91,20% tại các giá trị:
- Nhiệt độ thủy phân: (X₁ = 0,092): 40,5^oC
- Thời gian thủy phân: (X₂ = 0,684)          : 5 giờ 20 phút
- Nồng độ enzim sử dụng: (X₃ = 0,585): 1,12%
3.2.2. Xác định điểm tối ưu
Dựa vào điều kiện tối ưu được dự đoán bởi mô hình quy hoạch thực nghiệm bằng phần mềm JMP 10.0, tiến hành xác nhận bằng thực nghiệm với các thông số:
- Nhiệt độ thủy phân= 40,5^oC
- Thời gian thủy phân= 5 giờ 20 phút
- Nồng độ enzim sử dụng= 1,12%
Kết quả hiệu suất tách dầu mắc ca đạt được là 91,20%, không có sự khác biệt so với kết quả dự đoán của mô hình. Từ kết quả trên cho thấy giữa thực nghiệm và phương trình hồi qui có mức độ tương thích cao. Vậy việc sử dụng enzim viscozyme để tách dầu mắc ca, với các thông số công nghệ lựa chọn tối ưu là: Nhiệt độ 40,5^oC, nồng độ enzim sử dụng 1,12% và thời gian 5 giờ 20 phút.
4. KẾT LUẬN
Bằng các phương pháp thực nghiệm đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách dầu mắc ca: Nồng độ enzim sử dụng, nhiệt độ thủy phânvà thời gian thủy phân.
Bằng phương pháp tối ưu hóa đã xây dựng được phương trình hồi qui có dạng Y = 90,13 + 0,99X₂ + 2,52X₃ + 1,81X₂X₃ – 2,44X₁² – 1,51X₂² – 3,28X₃²
Từ kết quả trên cho thấy giữa thực nghiệm và phương trình hồi qui có mức độ tương thích cao. Vậy việc sử dụng enzimviscozyme để tách dầu mắc ca, với các thông số công nghệ lựa chọn tối ưu là: Nồng độ enzim sử dụng là 1,12%, nhiệt độ thủy phânlà 40,5^oCvà thời gian thủy phân là 5 giờ 20 phút, khi đó hiệu suất tách dầu mắc ca đạt 91,20%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.    Hoàng Hòe. Ngành công nghiệp Mắc ca trên thế giới và những bài học cho Việt Nam. Nxb Nông nghiệp, (2015).
2.    Nguyễn Công Tạn. Cây mắc ca, cây ăn quả khô quý hiếm dự báo khả năng phát triển ở các vùng miền núi Việt Nam.Nxb Nông nghiệp, (2003).
3.    M. Hays. Macadamia nuts.American Journal of Botany,95(7), 843- 870 (2001).
4.     Nguyễn Văn Lợi. Xác định thành phần hóa học của quả mắc ca thu hoạch ở các thời điểm khác nhau. Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, 22, 78-82 (2016).
5.   Nguyễn Hữu Hiếu, Huỳnh Kỳ Phương Hạ, Trịnh Thị Cát Hà, Nguyễn Trong Huy. Ứng dụng kỹ thuật lưu chất siêu tới hạn để trích ly 
      dầu mù u. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 52(5B), 441-447 (2014).
6.    Nguyễn Văn Lợi, Hoàng Đình Hòa. Tối ưu hóa quá trình chưng cất tinh dầu vỏ quả cam sành Hà Giang. Tạp chí Khoa học và Công nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật, 115, 132-135 (2016).
7.    G. Derringer, R. Suich. Simultaneous optimization of several responses variables.Journal of Quality Technology 12, 214-219 (1980).
8.    Design-Expert version 7.1. Software for desig of experiments, Stat-Ease, Inc, Minneapolis, USA (2007).
Nguyễn Văn Lợi
Nguồn: https://khcncongthuong.vn/tin-tuc/t3157/toi-uu-hoa-qua-trinh-tach-dau-mac-ca-bang-phuong-phap-thuy-phan-enzyme.html