Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content
Doctor of Philosophy (Chemical Engineering (International Program)), 2024
Saved in:
| Main Author: | |
|---|---|
| Other Authors: | |
| Format: | Theses and Dissertations |
| Language: | English |
| Published: |
Prince of Songkla University
2024
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19452 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Institution: | Prince of Songkhla University |
| Language: | English |
| id |
th-psu.2016-19452 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
Prince of Songkhla University |
| building |
Khunying Long Athakravi Sunthorn Learning Resources Center |
| continent |
Asia |
| country |
Thailand Thailand |
| content_provider |
Khunying Long Athakravi Sunthorn Learning Resources Center |
| collection |
PSU Knowledge Bank |
| language |
English |
| topic |
Cocoa Pod Husk (CPH) Thin-layer mathematical modeling Theobromine Antioxidants substances Total Crude Protein (TCP) content Response Surface Methodology (RSM) |
| spellingShingle |
Cocoa Pod Husk (CPH) Thin-layer mathematical modeling Theobromine Antioxidants substances Total Crude Protein (TCP) content Response Surface Methodology (RSM) Nattawut Sianoun Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content |
| description |
Doctor of Philosophy (Chemical Engineering (International Program)), 2024 |
| author2 |
Juntima Chungsiriporn |
| author_facet |
Juntima Chungsiriporn Nattawut Sianoun |
| format |
Theses and Dissertations |
| author |
Nattawut Sianoun |
| author_sort |
Nattawut Sianoun |
| title |
Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content |
| title_short |
Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content |
| title_full |
Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content |
| title_fullStr |
Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content |
| title_full_unstemmed |
Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content |
| title_sort |
drying and fermentation of cocoa pod husk for increasing total crude protein content |
| publisher |
Prince of Songkla University |
| publishDate |
2024 |
| url |
http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19452 |
| _version_ |
1802995674125434880 |
| spelling |
th-psu.2016-194522024-06-06T07:23:07Z Drying and Fermentation of Cocoa Pod Husk for Increasing Total Crude Protein Content การศึกษาลักษณะการอบแห้งเปลือกฝักโกโก้และการหมักเพื่อเพิ่มปริมาณโปรตีนโดยการออกแบบการทดลองแบบพื้นผิวตอบสนอง Nattawut Sianoun Juntima Chungsiriporn Faculty of Engineering Chemical Engineering คณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี Cocoa Pod Husk (CPH) Thin-layer mathematical modeling Theobromine Antioxidants substances Total Crude Protein (TCP) content Response Surface Methodology (RSM) Doctor of Philosophy (Chemical Engineering (International Program)), 2024 Cocoa bean harvesting for chocolate or cocoa powder yields substantial waste, mainly cocoa pod husk (CPH), 70-80% of total cocoa fruit. Traditionally, CPH is composted at tree bases. Recent analysis shows CPH contains 5.0-6.2% protein, 1.5% fat, 6.7% ash, and 36.6% dietary fiber. CPH can be cheap, protein-rich animal feed, rivaling maize. This study's objective is to elevate the value of cocoa husks, necessitating a focus on their processing to increase utility. To achieve this, a crucial aspect is the drying process, ensuring the final moisture content is suitable for prolonged storage and consumption during periods of scarce animal feed. Additionally, fermentation plays a role in reducing theobromine content, an active compound akin to caffeine in cocoa. This process not only increases crude protein and antioxidants but also renders cocoa husks more fitting for immediate animal consumption. The initial segment delved into cocoa pod drying, commencing with an initial moisture content of 5.40 ± 0.05 kg water/kg dry matter. The CPH underwent drying at temperatures of 50, 60, and 70 °C, employing a ventilation rate of 3 L/mins. To predict moisture alteration rates across temperatures, 12 semi-theoretical mathematical models were utilized. Optimal model selection hinged on statistical values, encompassing reduced chi-square, root mean square error, and sum of squared errors. Among the models, the model by Midilli et al. emerged as the most adept, demonstrating superior response variable variation and the lowest reduced chi-square, mean square error, and sum of squared errors. The effective diffusion coefficient of moisture transfer, as per the Arrhenius equation, ranged from 7.979 x 10–10 to 13.298 x 10–10 m2/s across drying temperatures of 50, 60, and 70 °C. Furthermore, the activation energy for cocoa pod shells was determined to be 70.48 kJ/mol. The subsequent phase involves an experimentation to diminish theobromine content. Fermentation conditions were optimized to augment overall protein composition. A comparison between a molasses-based mixture and an alkaline fermentation process supplemented with Aspergillus N. microorganisms was undertaken. The condition yielding the lowest theobromine content while effectively suppressing antioxidant activity was the incorporation of molasses during fermentation. Through response surface methodology, encompassing fermentation period (7 to 21 days), molasses percentage (0 to 10%), and liquid to solid ratio (0 to 15 ml/g), an experimental design of 17 conditions was established. Mathematical equations provided reliable insights into responses, validated by ANOVA with R2 = 0.9878, R2adj = 0.9804, and p-value < 0.0001. The optimized conditions yielded a peak total crude protein content of 7.93% after 21 days of fermentation, utilizing 10% molasses, and adhering to an anhydrous condition (L/S = 0). Aspergillus.N microorganisms proved instrumental, augmenting digestion, and resulting in elevated crude protein content compared to unfermented cocoa pods. Furthermore, these optimal conditions reduced the theobromine content to 0.58 ± 0.02 mg/100 g dry mass, concurrently heightening antioxidant properties. This renders the fermentation process suitable for the creation of nutritious animal feed. This experimental endeavor successfully heightens the value of cocoa husks through the establishment of a suitable mathematical model for drying and the enhancement of protein content via fermentation. This approach increases beneficial constituents while curbing harmful substances, contributing to both eco-friendly cocoa husk utilization and the potential economic betterment of cocoa farmers. Graduate School at Prince of Songkla University กระบวนการเก็บเกี่ยวผลโกโก้เพื่อนำเมล็ดไปผลิตเป็นช็อคโกแลตหรือผงโกโก้แห้ง พบว่ามีของเสียเกิดขึ้นในปริมาณที่ค่อนข้างสูง เปลือกฝักโกโก้คิดเป็น 70-80% ของผลโกโก้ทั้งหมด โดยปกติเปลือกฝักโกโก้จะถูกกำจัดโดยการนำไปทิ้งที่โคนต้นไม้เพื่อทำปุ๋ยหมัก จากการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของเปลือกฝักโกโก้ พบว่าประกอบไปด้วยโปรตีนประมาณ 5.0 - 6.2% ไขมัน 1.5% เถ้า 6.7% ใยอาหาร 36.6% ซึ่งเปลือกฝักโกโก้มีความน่าสนใจในการนำไปแปรรูปเพื่อเพิ่มมูลค่า โดยเฉพาะใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นในกระบวนการผลิตอาหารสัตว์ เนื่องจากมีราคาถูกและมีโปรตีนสูงเทียบเคียงได้กับข้าวโพดสำหรับเลี้ยงสัตว์ การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มมูลค่าเปลือกฝักโกโก้ แต่การที่จะนำของเสียดังกล่าวไปแปรรูปเพื่อเพิ่มมูลค่า จำเป็นต้องมีการศึกษากระบวนการอบแห้ง เพื่อให้มีความชื้นสุดท้ายเหมาะสมสำหรับการจัดเก็บให้สัตว์ได้กินในช่วงที่หญ้าสำหรับเลี้ยงสัตว์ขาดแคลน นอกจากนี้การหมักยังจะช่วยลดปริมาณสารธีโอโบรมีนในเปลือกฝักโกโก้เนื่องจากสารดังกล่าวมีคุณสมบัติออกฤทธิ์เช่นเดียวกับคาเฟอีน รวมไปถึงการเพิ่มปริมาณโปรตีนดิบและสารแอนติออกซิเดนท์เพื่อให้เหมาะแก่เป็นอาหารสดสำหรับสัตว์อีกด้วย ส่วนที่ 1 เป็นการศึกษาการทำแห้งเปลือกฝักโกโก้โดยที่เปลือกฝักโกโก้ซึ่งมีความชื้นเริ่มต้น 5.40 ±0.05 กิโลกรัมน้ำ/ กิโลกรัมของเปลือกฝักโกโก้แห้ง ทำการอบแห้งที่อุณหภูมิ 50, 60 และ 70 องศาเซลเซียส โดยกำหนดอัตราการระบายอากาศที่ 3 ลิตร/นาที แบบจำลองทางคณิตศาสตร์กึ่งทฤษฎี 12 แบบถูกนำมาใช้ในการทำนายอัตราความชื้นที่เปลี่ยนไปของเปลือกฝักโกโก้ที่อุณหภูมิการอบแห้งต่างๆ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมสำหรับอธิบายพฤติกรรมการอบแห้งเปลือกฝักโกโก้จำเป็นต้องม่ีค่าทางสถิติที่ดีที่สุดโดยการเปรียบเทียบค่าทางสถิติ ได้แก่ ความแปรผันของตัวแปรตอบสนอง ค่าไคสแควร์ที่ลดลง ความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ยของราก และผลรวมของข้อผิดพลาดกำลังสอง จากการทดลองพบว่าแบบจำลองทางคณิตศาสตร์โดย Midilli และคณะ สามารถอธิบายลักษณะทางกายภาพของการอบแห้งเปลือกฝักโกโก้ได้ดีที่สุด โดยมีความแปรผันของตัวแปรตอบสนองสูงสุด ในขณะที่ค่าไคสแควร์ที่ลดลง กำลังสองเฉลี่ยของความคลาดเคลื่อน และผลรวมของความคลาดเคลื่อนกำลังสองมีค่าต่ำที่สุดเมื่อเทียบกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อื่นๆ จากการพิจารณาความสัมพันธ์โดยสมการของอาร์เรเนียสพบว่าค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายที่มีประสิทธิผลของการถ่ายเทความชื้นมีค่าระหว่าง 7.979 x 10–10 - 13.298 x 10–10 ตารางเมตรต่อวินาที ที่อุณหภูมิการทำแห้ง 50, 60 และ 70 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ยังพบว่า พลังงานกระตุ้นของเปลือกฝักโกโก้มีค่าเท่ากับ 70.48 กิโลจูลต่อโมล ส่วนที่ 2 จะเป็นการทดลองเพื่อลดสารธีโอโบรมีน โดยหาสภาวะในการหมักเพื่อเพิ่มองค์ประกอบของโปรตีนทั้งหมด การผสมกากน้ำตาลลงในกระบวนการหมักโดยเปรียบเทียบความแตกต่างกับกระบวนการหมักแบบใช้ด่างโดยการมีเติมจุลินทรีย์ Aspergillus N. เพื่อให้กระบวนการหมักมีความสมบูรณ์ โดยสภาวะที่ให้ปริมาณสารธีโอโบรมีนต่ำสุดในขณะที่ความสามารถในการยับยั้งสารต้านอนุมูลอิสระมีค่าสูงที่สุดคือ สภาวะที่มีการเติมกากน้ำตาลในกระบวนการหมัก สภาวะดังกล่าวถูกนำมาศึกษาต่อโดยการออกแบบการทดลองเเบบระเบียบวิธีพื้นผิวตอบสนอง โดยตัวแปรที่ทำการศึกษาได้แก่ ระยะเวลาการหมัก (7 ถึง 21 วัน) เปอร์เซ็นต์กากน้ำตาล (0 ถึง 10 เปอร์เซ็นต์) และอัตราส่วนของเหลวต่อของแข็ง (0 ถึง 15 มิลลิลิตรต่อกรัม) จากการออกแบบการทดลองทำให้ได้สภาวะการทดลองทั้งหมด 17 สภาวะ การทำนายค่าตอบสนองโดยสมการทางคณิตศาสตร์จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ความน่าเชื่อถือของแบบจำลองโดยใช้ ANOVA พบว่ามีความน่าเชื่อถือเนื่องจากมีค่า R2 = 0.9878, R2adj = 0.9804, และค่า p <0.0001 จึงถือว่าแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับทำนายปริมาณโปรตีนดิบเป็นที่ยอมรับได้ โดยสภาวะที่เหมาะสมซึ่งได้ปริมาณโปรตีนดิบรวมสูงที่สุดเท่ากับ 7.93 เปอร์เซ็นต์ ที่ระยะเวลาการหมัก 21 วัน กากน้ำตาล 10% และการหมักในสภาวะปราศจากของเหลว (L/S = 0) จุลินทรีย์ A. niger ที่มีการเติมในกระบวนการหมักมีบทบาทสำคัญในการย่อยเปลือกฝักโกโก้ให้เป็นองค์ประกอบที่เล็กลงส่งผลให้ปริมาณโปรตีนดิบมีค่าสูงกว่าเปลือกฝักโกโก้สดที่ไม่ผ่านกระบวนการหมัก นอกจากนี้สภาวะที่เหมาะสมยังทำให้ปริมาณสารธีโอโบรมีนลดลงเหลือ 0.58 ± 0.02 มก. ต่อ 100 กรัมมวลแห้ง พร้อมด้วยคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระที่เพิ่มขึ้นซึ่งกระบวนการหมักเหมาะแก่การแปรรูปเป็นอาหารสดสำหรับสัตว์อีกด้วย จากกระบวนการทดลองดังกล่าวพบว่าการเพิ่มมูลค่าเปลือกฝักโกโก้ได้รับความประสบสำเร็จทั้งในแง่ของการพิสูจน์หาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมสำหรับอธิบายกระบวนการทำแห้งเปลือกฝักโกโก้และการหมักเพื่อเพิ่มปริมาณโปรตีน อีกทั้งยังเป็นการเพิ่มปริมาณสารที่มีคุณค่าและลดปริมาณสารที่เป็นอันตรายต่อสัตว์ ซึ่งเป็นแนวทางที่มีประโยชน์สำหรับการเพิ่มมูลค่าให้แก่เปลือกฝักโกโก้ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและยังสามารถเพิ่มรายได้ให้เเก่เกษตรกรผู้ปลูกโกโก้อีกด้วย 2024-06-06T07:22:37Z 2024-06-06T07:22:37Z 2024 Thesis http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19452 en Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Thailand http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/th/ application/pdf Prince of Songkla University |