Nghiên cứu điều kiện sinh tổng hợp enzyme cellulase từ vi khuẩn bacillus pumilus và ứng dụng trong xử lý nhân cà phê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌCSƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN SINH TỔNG HỢP ENZYME CELLULASE TỪ VI KHUẨN BAC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC

SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN SINH TỔNG HỢP

ENZYME CELLULASE TỪ VI KHUẨN BACILLUS

PUMILUS VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NHÂN CÀ PHÊ

GVHD: NGUYỄN QUANG HUY SVTH: NGUYỄN THỊ TUYẾT MAI

NGUYỄN THỊ ANH THƯ

SKL008945

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã cung cấp môi trường học tập và làm việc một cáchtốt nhất để chúng tôi có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp tốt đẹp

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Công Nghệ Hóa Học Và ThựcPhẩm Trong suốt quá trình học tập và làm đề tài tốt nghiệp chúng tôi đã luôn nhận được

sự quan tâm, hướng dẫn và giúp đỡ từ quý thầy cô

Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy ThS Nguyễn Quang Duy –người đã khơi gợi cho chúng tôi ý tưởng về đề tài và cũng là người tận tình chỉ dạy, hướngdẫn, truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm, phươngpháp thực nghiệm khoa học, kỹ năng cần thiết, giải đáp những khó khăn, thắc mắc đểchúng tôi có thể tiến hành thực nghiệm một cách khoa học và hiệu quả

Để có thể tiến hành các khảo sát thực nghiệm một cách hoàn hảo, được cung cấpphòng thí nghiệm với đầy đủ thiết bị tốt Chúng tôi cũng gửi lời cảm ơn đến cô Hồ Thị ThuTrang trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp cô đã tạo điều kiện cho chúng tôi mượnthiết bị, dụng cụ để thực hành

Sau cùng chúng tôi xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe dồi dào và ngày càng thànhcông hơn trong cuộc sống

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA HỘI ĐỒNG XÉT BẢO

VỆ KHÓA LUẬN

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC HÌNH xx

DANH MỤC BẢNG xxi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xxii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN xxiii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn về 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 3

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

1.6 Bố cục của báo cáo 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Giới thiệu chung về cà phê 4

2.1.1 Lịch sử phát triển cà phê 4

2.1.2 Tình hình sản xuất, tiêu thụ cà phê tại Việt Nam 4

2.1.3 Tầm quan trọng của ngành chế biến cà phê 5

2.2 Trái cà phê 6

2.2.1 Cấu tạo trái cà phê 6

2.2.2 Thành phần hóa học 7

2.2.2.1 Thành phần hóa học của vỏ quả 7

2.2.2.2 Thành phần hóa học của lớp nhớt 8

2.2.2.3 Thành phần hóa học của vỏ trấu 8

2.3 Nhân cà phê 9

2.3.1 Tính chất vật lý 9

2.3.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê 9

2.3.2.1 Carbohydrate 10

2.3.2.2 Hợp chất chứa nitơ 11

2.3.2.3 Chlorogenic acids 12

2.3.2.4 Carboxylic acids 12

2.3.2.5 Lipid 13

2.3.2.6 Hương thơm 13

2.3.2.7 Chất khoáng 14

2.4 Chế phẩm vi sinh sử dụng trong quá trình lên men cà phê 14

2.4.1 Cellulose 14

2.4.1.1 Cấu tạo 14

2.4.1.2 Tính chất 15

2.4.1.3 Ứng dụng 16

2.4.1.4 Cellulose trong cà phê 17

2.4.2 Enzyme cellulase 17

2.4.2.1 Phân loại và cơ chế tác dụng 18

2.4.2.2 Ứng dụng 20

2.4.2.3 Hệ vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase 20

2.5 Chế phẩm vi sinh được nghiên cứu trong bài 21

2.5.1 Tổng quan 21

2.5.2 Hình thái vi khuẩn Bacillus pumilus 22

2.5.3 Tính chất 22

2.5.4 Tính an toàn 23

2.5.5 Sinh tổng hợp cellulase 23

2.5.6 Tổng quan điều kiện nuôi cấy thu nhận chế phẩm cellulase từ vi khuẩn Bacillus pumilus 24

2.6 Các phương pháp chế biến cà phê 24

2.7 Giới thiệu về xử lý cà phê nhân bằng chế phẩm 26

CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

3.1 Nguyên vật liệu 29

3.1.1 Nguồn vi sinh vật 29

3.1.2 Nhân cà phê 29

3.1.3 Môi trường sử dụng trong nghiên cứu 29

3.1.3.1 Môi trường giữ giống 29

3.1.3.2 Môi trường nhân giống 29

3.1.3.3 Môi trường lên men 29

3.1.4 Hóa chất 30

3.1.4.1 Hóa chất sử dụng cho môi trường 30

3.1.4.2 Hóa chất sử dụng để xác định hoạt tính enzyme 30

3.1.5 Thiết bị - dụng cụ 30

3.2 Phương pháp nghiên cứu 31

3.2.1 Phương pháp vi sinh 31

xvii

3.2.1.1 Phương pháp cấy chuyền 31

3.2.1.2 Phương pháp giữ giống 31

3.2.1.3 Phương pháp nhân giống 31

3.2.1.4 Phương pháp đánh giá khả năng phát triển của vi khuẩn bằng phương pháp đo mật độ quang 31

3.2.1.5 Phương pháp lên men 32

3.2.1.6 Phương pháp thu nhận enzyme 32

3.2.2 Phương pháp hóa sinh 32

3.2.2.1 Phương pháp xác định hoạt tính enzyme cellulase 32

3.2.2.2 Khảo sát chất lượng chế phẩm theo thời gian bảo quản 38

3.2.3 Phương pháp hóa lý 38

3.2.3.1 Phương pháp xác định độ ẩm 38

3.2.3.2 Phương pháp trích ly chất hòa tan 39

3.2.3.3 Phương pháp nghiền 39

3.2.3.4 Phương pháp rây 39

Thí nghiệm 7: Ảnh hưởng của thời gian ngâm và độ ẩm cà phê 39

Thí nghiệm 8: Ảnh hưởng tỷ lệ chế phẩm đến khả năng trích ly chất hòa tan 39

Thí nghiệm 9: Ảnh hưởng của thời gian bổ sung chế phẩm đến khả năng trích ly chất hòa tan 40

3.2.3.9 Phương pháp xử lý số liệu 40

3.2.4 Cách bố trí thí nghiệm 41

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 42

4.1 Kết quả khảo sát xây dựng đường cong sinh trưởng và phát triển của Bacillus pumilus 42 4.2 Nghiên cứu xác định điều kiện tạo chế phẩm có hoạt tính cellulase cao 43

4.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng chất khô hòa tan ( o Brix) đến hoạt độ của cellulase 43

4.2.2 Xác định lượng muối (NH 4 ) 2 SO 4 đến khả năng sinh tổng hợp cellulase 45

4.2.3 Xác định pH của dung dịch malt đến khả năng sinh tổng hợp cellulase 46

4.2.4 Xác định thời gian tối ưu cho sinh tổng hợp cellulase 48

4.2.5 Xác định nhiệt độ tối ưu đến khả năng sinh tổng hợp cellulase 50

4.2.5.1 Thí nghiệm nuôi cấy tĩnh 50

4.2.5.2 Thí nghiệm nuôi cấy có đảo trộn 51

4.3 Khảo sát chất lượng chế phẩm theo thời gian bảo quản 53

4.4 Khả năng trích ly chất hòa tan sau bổ sung chế phẩm 54

4.4.1 Ảnh hưởng của thời gian ngâm và độ ẩm cà phê 54

4.4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ chế phẩm đến khả năng trích ly chất hòa tan 55

4.4.3 Ảnh hưởng thời gian đến khả năng trích ly chất hòa tan 57

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

5.1 Kết luận 59

5.2 Kiến nghị 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.3 Hình ảnh mô hình sự sắp xếp các chuỗi cellulose trong thành tế bào thực vật

Hình 4.6: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh tổng hợp enzyme

Hình 4.7 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ khi nuôi cấy lắc đến khả năng sinh tổng

Hình 4.10 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme đến hàm lượng chất trích ly hòa tan 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.7 Hàm lượng phần trăm của các đơn vị monosaccharide cấu thành trong

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CMC Carboxymethyl cellulose Một dẫn xuất của cellulose

Một loại thuốc thử trong phép phânDNS 3,5 – dinitrosalicylic acid tích hàm lượng đường khử bằng

phương pháp so màu

MEA Malt Extract Agar Môi trường có thành phần malt đại

mạch dùng để giữ giống vi sinh vật

ICO International Coffee Tổ chức Cà phê Quốc tế

OrganizationFDA Food and Drug Administration Cục Quản lý Thực phẩm và Dược

phẩm Hoa Kỳ

xxii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Enzyme là chất xúc tác sinh học đóng vai trò quan trọng trong tất cả các giai đoạn của quá trình trao đổi chất và phản ứng sinh hóa Các đặc tính đặc biệt của enzyme được khai thác vì lợi ích thương mại và các ứng dụng công nghiệp, bao gồm: bản chất ưa nhiệt, chịu được nhiều độ pH khác nhau, tính ổn định của hoạt động enzyme trong một phạm vi nhiệt độ và pH, và các điều kiện phản ứng khắc nghiệt khác Chúng tôi đã tiến hành khảo sát các điều kiện tối ưu để sinh tổng hợp enzyme cellulase từ vi khuẩn

Bacillus pumilus và dùng enzyme đó xử lý trên cà phê nhân để tăng khả năng trích ly chất hòa tan của cà phê.

Những điều kiện để sinh tổng hợp tối ưu enzyme cellulase lần lượt là: nồng

độ các chất hòa tan là 7°Brix, nồng độ muối (NH4)2SO4: 0,11%; độ pH: 6; thời gian:

60 giờ; nhiệt độ: 30℃ trong điều kiện nuôi cấy lắc Áp dụng theo những điều kiệnnày ta có thể thu được hoạt tính cellulase cao nhất ở 23,52 ± 0,435 U/ml

Bên cạnh khảo sát các điều kiện tối ưu chúng tôi cũng tiến hành khảo sát chất lượng chế phẩm theo thời gian bảo quản ở nhiệt độ phòng Kết quả cho thấy enzyme giảm dần theo thời gian bao quản: Hoạt tính cellulase giảm trong khoảng 15 – 26% sau 28 ngày bảo quản.

Những điều kiện tối ưu làm tăng khả năng trích ly chất hòa tan của cà phêbao gồm: Tỷ lệ chế phẩm sử dụng là 10% và thời gian xử lý cà phê trong 16 giờ cho kếtquả thu được cao nhất là 3,84 ± 0,046 °Brix

Kết quả thể hiện trong nghiên cứu này là bước đầu tiên và có thể nghiên cứusâu hơn và ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất cà phê

xxiii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn về

Cà phê là một trong những loại nông sản được sản xuất và kinh doanh rộng rãi Sản

lượng thế giới năm 2019 đạt khoảng 167 triệu bao loại 60 kg, với 95 triệu bao Arabica (Coffea arabica ) và 72 triệu bao Robusta (Coffea canephora ) Cà phê Robusta có vị đậm hơn và gắt hơn với hàm lượng caffeine cao, trong khi cà phê Arabica, được coi là chất lượng cao hơn, có

vị ngọt hơn, với lượng đường cao hơn và đánh giá độ chua tuyệt vời (Barbara, 2021) Bên cạnh

cà phê Arabica và Robusta, còn có các loài như Libercia và Excelsa chiếm khoảng 1% sản

lượng thế giới, chủ yếu được trồng ở Châu Phi và có tầm quan trọng thương mại thấp Hạt càphê rất giàu các hợp chất hoạt tính sinh học như caffeine, các nhóm amin tự do, polyphenol vàacid chlorogenic Chúng chứa một số đặc tính sinh học chức năng như kích thích hệ thần kinhtrung ương, kích thích cơ tim Những đặc tính này của hạt cà phê đã là chủ đề của nhiều nghiêncứu và sự quan tâm của các ngành công nghiệp dược phẩm và dinh dưỡng Thành phần vànồng độ của các chất cấu thành cà phê khác nhau tùy theo loại hạt cà phê, điều kiện môitrường, loại đất và vùng địa lý canh tác

Hai phương pháp thường được sử dụng để chế biến quả cà phê: phương pháp khô, cònđược gọi là phương pháp tự nhiên, và phương pháp ướt Chế biến quả cà phê bằng phươngpháp khô hoặc ướt về cơ bản là giống nhau đối với tất cả các giống và thường bao gồm việcloại bỏ năm lớp (vỏ ngoài, thịt quả, lớp nhớt, vỏ trấu và vỏ lụa) để giải phóng hạt cà phê, cònđược định nghĩa là hạt cà phê nhân Phương pháp khô bao gồm làm khô quả cà phê ngay saukhi thu hoạch và tiếp theo là tách vỏ bằng máy Sau đó được xử lý và sản phẩm thu được gọi là

cà phê nhân Đây là cách chế biến quả cà phê đơn giản nhất, nhưng cũng là một phương pháptốn nhiều công sức để thu được hạt cà phê chất lượng cao vì phải phụ thuộc vào thời tiết, cónguy cơ nhiễm các vi sinh vật gây hại không mong muốn Phương pháp chế biến ướt đã trởnên phổ biến hơn và được nhiều nhà sản xuất cà phê sử dụng để đáp ứng nhu cầu thị trường vềhạt cà phê nhân với chất lượng cao hơn Quá trình chế biến ướt cũng đảm bảo vệ tối ưu chốnglại quá trình oxy hóa và chất lượng hàng đầu Trong phương pháp ướt, các lớp được loại bỏliên tiếp theo các bước bao gồm nghiền, lên men, rửa và làm khô Quá trình lên men nhằm mụcđích phân hủy chất nhầy, bao gồm hemicelluloses, pectin và đường Trong quá trình lên men,các enzyme tự nhiên và vi khuẩn hoạt động cùng nhau để phá vỡ lớp nhầy (gel vô định hình vàkhông tan trong nước) (Misgana, 2021) Vì vậy việc sử dụng chế phẩm enzyme trong quá trình

hữu cơ đang ngày càng phổ biến Quá trình nuôi cấy khởi đầu là rất quan trọng, đầu tiênlựa chọn các vi sinh vật có một số đặc tính nhất định, chẳng hạn như khả năng phân hủychất nhầy, khả năng ngăn chặn sự phát triển của nấm bệnh và tác động tích cực đến chấtlượng cảm quan của cà phê (Mesfin Haile, 2019).

Đã có một số nghiên cứu cho thấy quá trình lên men bởi hệ vi sinh vật của quá trìnhlên men cà phê dẫn đến sản xuất etanol và các acid acetic, lactic, butyric và các acid

cacboxylic cao hơn khác (Silva và cộng sự, 2000) Các loài Bacillus phân giải tế bào tạo ra

nhiều loại enzyme ngoại bào, góp phần phân hủy cellulose và pectin (Coughlan & Mayer,1991) có trong da, cùi và thịt quả, lớp nhớt của quả cà phê (Silva et al., 2008)

Lên men cà phê bởi vi khuẩn, có thể nói là nhóm vi sinh vật được quan tâm nghiêncứu nhiều nhất và giống như các nghiên cứu lên men cà phê bởi nấm men Nhóm tác giảMassawe trong nghiên cứu về những ứng dụng vi khuẩn trong lên men cà phê cho thấy sựhiện diện và tác động mạnh mẽ của các enzyme pectinase và cellulase lên nhân cà phêtrong quá trình lên men (Massawe, 2010)

Vấn đề đặt ra là các điều kiện nào sẽ tạo chế phẩm vi sinh có hoạt tính tốt nhất để ứngdụng trong xử lý cà phê nhân làm nâng cao tối đa hiệu suất trích ly của cà phê, từ đó thu đượclượng chất hòa tan cao nhất Vì vậy chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều kiện sinh tổng

hợp enzyme cellulase từ vi khuẩn Bacillus pumilus và ứng dụng trong xử lý nhân cà phê.” để

góp phần làm sáng tỏ quy trình sản xuất chế phẩm enzyme cellulase và ứng dụng trong việctăng hiệu suất trích ly các chất hòa tan và cải thiện chất lượng và hương vị cà phê

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho sinh tổng hợp enzyme cellulase từ vi khuẩn

Bacillus pumilus và từ đó tìm ra quy trình kỹ thuật mới để nâng cao khả năng phân giải trên cà phê Ứng dụng vào xây dựng quy trình công nghệ lên men cà phê nhằm cải thiện

hương vị và nâng cao chất lượng của cà phê

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu

Nguồn vi sinh vật: Chủng giống vi khuẩn Bacillus pumilus sử dụng trong nghiên cứu

được mua tại Trung tâm Công nghệ sinh học TP.HCM Số hiệu chủng giống: HBCM B0037

Nhân cà phê Giống: Cà phê vối (Coffea robusta) Nguồn gốc: Cà phê được mua ở xãQuảng Tín, huyện Đắk R’lấp, tỉnh Đắk Nông

Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các điều kiện tối ưu để sinh tổng hợp enzyme

cellulase từ vi khuẩn Bacillus pumilus (nồng độ chất khô hòa tan, nồng độ muối

(NH4)2SO4, độ pH, thời gian, nhiệt độ) và từ đó ứng dụng để xử lý nhân cà phê (khảo sátkhả năng trích ly chất hòa tan)

1.4 Nội dung nghiên cứu

Đề tài: “Nghiên cứu điều kiện sinh tổng hợp enzyme cellulase từ vi khuẩn

Bacillus pumilus và ứng dụng xử lý nhân cà phê” gồm có các nội dung nghiên cứu cụ thể

như sau:

Khảo sát xây dựng đường cong sinh trưởng và phát triển của Bacillus pumilus

Nghiên cứu xác định điều kiện tạo chế phẩm có hoạt tính cellulase cao

Khảo sát chất lượng chế phẩm theo thời gian bảo quản

Khảo sát khả năng trích ly chất hòa tan sau bổ sung chế phẩm

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Tối ưu hóa một số điều kiện tạo chế phẩm vi sinh vật: Đã nghiên cứu các điều kiệntối ưu để sản xuất chế phẩm cellulase đối với vi khuẩn như độ Brix, pH ban đầu và(NH4)2SO4, thời gian, nhiệt độ

Đã tạo được các chế phẩm có thể ứng dụng quy mô công nghiệp trong việc xử lýnhân cà phê Lượng chế phẩm sử dụng từ 10% và thời gian lên men là 16 giờ Hàm lượngchất trích ly trong hạt cà phê tăng 58%

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài thành công đã góp phần làm sáng tỏ quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vậtmang hoạt tính cellulase và ứng dụng của chúng trong việc tách vỏ và lên men cà phênhằm tăng hiệu suất trích ly các chất hòa tan Kết quả có thể ứng dụng tại các công ty sảnxuất nhân cà phê, đặc biệt có thể ứng dụng tại các công ty sản xuất cà phê hòa tan

1.6 Bố cục của báo cáo

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu chung về cà phê

2.1.1 Lịch sử phát triển cà phê

Trải qua nhiều thời đại, có vô số truyền thuyết về nguồn gốc và sự phát hiện ra cà

phê Tuy nhiên, người ta biết rằng cây cà phê dại (Coffea arabica) là một loài thực vật bản

địa của Ethiopia, được phát hiện vào khoảng năm 850 sau Công nguyên Việc trồng cây càphê đầu tiên diễn ra vào khoảng năm 1870 ở lưu vực Congo (Smith, 1985) Bắt đầu từ thế

kỷ thứ 8, một số hạt cà phê được vận chuyển từ Ethiopia đến Yemen, được gieo trồng chođến cuối thế kỷ 14 Đầu thế kỷ 17, cà phê đến châu Âu, do một thương nhân Hà Lan mangđến

Cà phê vối (Coffea canephora) có nguồn gốc ở vùng Trung Phi Thế kỷ 20 cà phê

vối được trồng ở Tây Phi Đầu những năm 1900, một số giống đã được lan truyền đến đảoJava - Indonesia, nơi đây trở thành trung tâm chọn lọc và nhân giống Trong thời kỳ này,Java là nơi cung cấp chính các giống Robusta cho Uganda, Congo, Brazil (Montagnon C

và cộng sự, 1998) Hầu hết các giống Robusta hiện tại được trồng ở Việt Nam được mang

về từ Java (ICO, 2019)

(Bình Trị Thiên) Năm 1888, Pháp chiếm nước ta thành lập những đồn điền cà phê ở trung

du Xuân Mai, Sơn Tây làm theo phương thức du canh, năng suất cao nhất là 400–500 kg/ha.Sau thấp dần còn 100–150 kg cà phê nhân/ha Để cứu vãn tình hình, năm 1905, Pháp đã đưa

vào Việt Nam cà phê vối (C Robusta) và cà phê mít (C excelsa Chari) thay thế cho cà phê chè

ở vùng thấp, năm 1910 những đồn điền cà phê mới lại tiếp tục mọc lên ở Hà Tĩnh, năm 1911 ởThanh Hóa, năm 1915 ở Nghệ An Đồng thời cũng thăm dò khả năng thích nghi của cà phê ởTây Bắc Năm 1925 cà phê được phát triển ở Tây Nguyên (Hoàng, 1983)

2.1.2 Tình hình sản xuất, tiêu thụ cà phê tại Việt Nam

Việt Nam sản xuất chủ yếu tập trung vào hạt Robusta chiếm 92,9% tổng diện tích trồng cà phê, còn Arabica chỉ chiếm không quá 5% tổng sản lượng.

Diện tích cà phê 2020 giảm 2% so với 2019 là 680.000 ha, 2021 còn 675.000 ha Domấy năm giá cà phê thấp nên người dân trồng xen canh với các loại cây khác (ICO, 2020)

Niên vụ 2020 - 2021 khá thành công nhờ thời tiết thuận lợi, sản lượng cà phê vẫn duytrì ở mức 26 - 27 triệu bao Theo số liệu của Tổng Cục Hải quan xuất khẩu cà phê trong tháng10/2021 đạt hơn 99 nghìn tấn, tương đương 217 triệu USD giảm 1,1% về lượng nhưng

tăng 3,5% về giá trị Trong 10 tháng năm, xuất khẩu cà phê ướt đạt 1,3 triệu tấn, trị giá 2,4

tỷ USD, giảm 4,2% về khối lượng nhưng giá trị vẫn tăng 5,4% so với cùng kỳ năm trước(ICO, 2021)

Trong tháng 12/2021 đạt 169,3 nghìn tấn, trị giá 378,86 triệu USD, tăng 57,6% vềlượng và tăng 56,9% về trị giá so với tháng 11/2021, so với tháng 12/2020 tăng 21,8% vềlượng và tăng 49,6% về trị giá

Tính chung cả năm 2021, xuất khẩu cà phê của Việt Nam đạt 1,56 triệu tấn, trị giá3,07 tỷ USD, giảm 0,2% về lượng, nhưng tăng 12,1% về trị giá so với năm 2020 (ICO,2020)

2.1.3 Tầm quan trọng của ngành chế biến cà phê

Trong nhiều thập kỷ qua, sản xuất cà phê Việt Nam đã phát triển như một ngành côngnghiệp định hướng xuất khẩu Với vị thế là nhà sản xuất và xuất khẩu cà phê lớn thứ hai thếgiới Hiện nay, có nhiều công ty đang ứng dụng công nghệ lên men ướt nhằm tách vỏ và lớpnhớt cà phê để thu được cà phê đạt tiêu chuẩn xuất khẩu Do thành phần pectin và cellulosecòn chiếm một tỉ lệ cao trong hạt chưa được tách triệt để (Việt, 2000), làm cho hạt sau khi bóc

vỏ thịt có độ nhớt cao, khó sấy khô, làm giảm chất lượng cà phê (Bùi và cộng sự, 2009)

Để phá hủy lớp nhớt trong vỏ hạt cà phê có nhiều phương pháp khác nhau nhưphương pháp sinh học: sử dụng các enzyme pectinase, protopectinase, cellulase….Vớinhững yêu cầu về kinh tế và tính chủ động trong sản xuất thì phương pháp lên men sử dụngcác vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp enzyme có nhiều triển vọng hơn Sử dụng hệenzyme cellulase và môi trường acid do các vi sinh vật tổng hợp nhằm tạo ra chế phẩm visinh để xử lý nhớt cà phê trong phương pháp chế biến ướt có tính kinh tế cao, dễ thực hiện,chủ động trong sản xuất

2.2 Trái cà phê

2.2.1 Cấu tạo trái cà phê

Quả cà phê gồm có những phần sau:

Cấu trúc chính của quả cà phê được thể hiện trong Hình 2.1.

Hình 2.1 Quả cà phê và cấu trúc của nó.

Lớp vỏ quả (Husk)

Là lớp vỏ bên ngoài, cấu trúc mềm, có màu vàng hoặc đỏ, vỏ cà phê chè mềm hơn

cà phê vối và cà phê mít Trong vỏ quả có chứa khoảng 31,5 – 30% chất khô (Trịnh, 2009)

Lớp nhớt này không tan trong nước, thành phần chủ yếu của lớp nhớt là pectin, chiếm

polyphenol và caffeine (Janissen & Huynh, 2018) Nó dính chặt vào vỏ trấu làm trở ngại cho việcphơi sấy khô và bảo quản cà phê Trong lớp nhớt còn chứa một lượng đường khá lớn là

môi trường thuận lợi cho sự phát triển các loài nấm, vi khuẩn,… đặc biệt là các loại nấm mốc và vi sinh vật có hại gây trạng thái lên men (Trịnh, 2009)

Lớp vỏ trấu (Parchment)

Bao bọc bên ngoài nhân là lớp vỏ cứng, nhiều chất sơ gọi là lớp vỏ trấu tức là nội

bì Vỏ trấu của cà phê chè mỏng và dễ dập vỡ hơn cà phê vối và cà phê mít Hạt cà phê saukhi loại các chất nhờn và phơi khô gọi là cà phê thóc

Thành phần chính của vỏ trấu là cellulose, ngoài ra còn có hemicellulose và đường,

… Lớp vỏ lụa (Silver Skin)

Đây là một lớp vỏ mỏng và mềm Nằm sát nhân cà phê chúng có màu sắc và đặctính khác nhau tùy theo loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rất mỏng, có thể

dễ dàng bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏ lụa cà phê vối màu nâu nhạt, vỏ lụa

cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vào nhân cà phê

Nhân cà phê (Coffee bean)

Đây là lớp trong cùng của quả cà phê, phía ngoài của nhân là lớp tế bào rất cứng cónhững tế bào nhỏ chứa những chất dầu Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn Mộtquả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân, thông thường thì chỉ 2 nhân

2.2.2 Thành phần hóa học

Bảng 2.1 Thành phần khối lượng của quả cà phê (Nguyễn và cộng sự, 2010)

2.2.2.1 Thành phần hóa học của vỏ quả

Là chất altoxian trong đó có các vết của alkaloid, tannin, caffeine và các loại men,

vỏ quả có từ 21,5 – 30% chất khô

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của vỏ quả (Nguyễn và cộng sự, 2010)

Lớp nhớt là những tế bào mềm không có caffeine, tannin, có nhiều đường và pectin

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của lớp nhớt (% chất khô) (Nguyễn và cộng sự, 2010)

-2.2.2.3 Thành phần hóa học của vỏ trấu

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của vỏ trấu (Nguyễn và cộng sự, 2010)

-2.3 Nhân cà phê

2.3.1 Tính chất vật lý

Hình dạng của các giống cà phê nhân có hình dáng bầu dục (Abdel, 2008)

Hạt cà phê nhân riêng lẻ có khối lượng khác nhau từ dưới 100 mg đến hơn 200 mg

với sự giống nhau đáng kể giữa Arabica và Robusta, sự khác biệt liên quan đến nguồn gốc

địa lý (Clifford, 1985)

Giá trị tối thiểu, tối đa và trung bình của khối lượng hạt cà phê nhân chế biến khôlần lượt là 0,11; 0,18 và 0,15 g Trọng lượng tối thiểu (0,11g) đối với tất cả các giống

Mechara trong khi tối đa (0,18g) đối với giống Sende từ Haru Trọng lượng trung bình hạt

cà phê của các giống khác nhau là 0,15 g, thấp hơn 0,19 g của nghiên cứu trước đây củaChandrasekar và Viswanathan (1999) Điều này có thể là do sự khác biệt về giống

Trọng lượng riêng của hạt cà phê ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất phân loại bằng sứcgió, nếu cùng một sản phẩm mà có trọng lượng riêng khác nhau thì những hạt có trọnglượng riêng lớn hơn sẽ rơi xuống, còn những hạt có trọng lượng riêng nhỏ sẽ bay lên.Trọng lượng riêng của hạt cà phê phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của nó và thường giao độngtrong khoảng (1,1 – 1,3) kg/m3 (Ramalakshmi, 2007)

Hạt cà phê Arabica thóc có sắc xanh đậm hơn Robusta (Ramalakshmi, 2007) Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan nằm trong khoảng 29% đến 34% Giống Robusta cho nhiều chất rắn hòa tan hơn so với giống Arabica được chế biến theo cả hai phương

pháp (Ramalakshmi, 2007)

2.3.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê

Hạt cà phê nhân được cấu tạo chủ yếu, giống như hầu hết các mô thực vật, bởi cácpolysaccharide không hòa tan như cellulose và hemicellulose (50% w/w) Chúng cũngchứa các carbohydrate hòa tan, chẳng hạn như monosaccharaides fructose, glucose,galactose và arabinose, oligosaccharides sucrose, raffinose và stachyose, và các polymecủa galactose, mannose, arabinose và glucose Carbohydrate hòa tan có tác dụng tạo mùithơm, ổn định bọt, tạo cặn và tăng độ nhớt của dịch chiết Ngoài ra, còn có các acid béokhông bay hơi (acid citric, malic và quinic) và các acid dễ bay hơi (như acid acetic,propanoic, butanoic, isovaleric, hexanoic) Dầu và sáp cũng là những thành phần quantrọng, chiếm 8-18% khối lượng khô, cùng với protein và acid amin tự do (9-12% w / w) vàchất khoáng (3-5% w / w) (Arya & Rao, 2007; Belitz và cộng sự, 2009; Clifford, 1985a;Gonzalez-Rios và cộng sự, 2007)

Bảng 2.5: Thành phần hóa học của nhân cà phê (Nguyễn và cộng sự, 2010)

-Trong nhân cà phê có chứa khoảng 30 – 40 cấu tử thơm, thành phần và tính chất

của các cấu tử chính như sau:

Bảng 2.6: Các cấu tử thơm của nhân cà phê (Nguyễn và cộng sự, 2010)

Cà phê nhân chứa nhiều loại cacbohydrate khác nhau, thông thường có thể chia nhỏ

chúng thành các nhóm polysaccharide và đường có trọng lượng phân tử thấp bao gồm như:

monosaccharide, disaccharide và trisaccharide Chúng có thể được chia thành đường khử

và đường không khử (L C Trugo, 1989)

Sucrose là đường tự do chính có trong cà phê nhân, với số lượng phụ thuộc vào loài

10

khác biệt về giống cây trồng, trạng thái trưởng thành, điều kiện chế biến và bảo quản (L C.Trugo, 1989).

Bảng 2.7 Hàm lượng phần trăm của các đơn vị monosaccharide cấu thành trong

polysaccharide của cà phê nhân Arabica.

trị rất rộng Cà phê Robusta có hàm lượng caffeine cao hơn với giá trị trung bình tổng thể

là 2,2% db, trong khi giá trị của cà phê Arabica là khoảng 1,2% db Giá trị trung bình đối với các loài ít quan trọng hơn về mặt thương mại như Liberica (giá trị trung bình 1,35% db) và lai Arabusta (giá trị trung bình 1, 72% db) (R Macrae, 1989).

Trong quá trình rang cà phê nhân, nhiệt độ của hạt cà phê sẽ được nâng lên, bằng

sự kết hợp của quá trình gia nhiệt bên ngoài và các phản ứng hóa học tỏa nhiệt, lên trên

200oC Nhiệt độ này vượt quá điểm thăng hoa của caffeine và do đó sẽ xảy ra sự thất thoátđáng kể (R Macrae, 1989)

Tác dụng sinh lý của Caffeine

Cà phê, và đặc biệt là chất caffeine trong nó, đã được công nhận là có nhiều tácdụng sinh lý đối với cơ thể con người (R Macrae, 1989)

Sau khi uống caffeine nhanh chóng được hấp thu, chuyển hóa và bài tiết qua nướctiểu dưới dạng các dẫn xuất methylxanthine Sự gia tăng nồng độ caffeine trong máu phụthuộc vào chất chứa trong dạ dày, khi tiêu thụ 150 – 160 mg caffeine sau khi nhịn ăn qua