Tóm tắt luận án: Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.

Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TIỀN TIẾN NAM

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH DỊCH HÓA, ĐƯỜNG HÓA VÀ LÊN MEN ETHANOL ĐỒNG THỜI Ở NỒNG

ĐỘ CHẤT KHÔ CAO TỪ GẠO

Ngành: Công nghệ thực phẩm

Mã số: 9540101

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Hà Nội - 2023

Công trình được hoàn thành tại Đại học Bách khoa Hà Nội

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm…

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách khoa Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Ethanol (cồn) là sản phẩm có vai trò quan trọng trong nền kinh tế Trong công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm chứa cồn được sử dụng làm

đồ uống có từ lâu đời và phổ biến trên thế giới Trong công nghiệp cồn được dùng làm dung môi và nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực như hóa chất,

mỹ phẩm, sinh học, dược, chế biến và bảo quản nông sản thực phẩm…Ngày nay, khi nhu cầu năng lượng thế giới tiếp tục tăng cao và các nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí đốt ) đang ngày càng cạn kiệt, nhiên liệu sinh học là giải pháp thay thế thích hợp Trong

đó, cồn là nhiên liệu thay thế quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các quốc gia trên thế giới

Nguyên liệu để sản xuất cồn là các nguyên liệu chứa đường (đường mía, rỉ đường, củ cải đường…), chứa tinh bột (củ, hạt, ngũ cốc), nguyên liệu chứa cellulose và nguyên liệu từ sinh khối tảo [1] Công nghệ sản xuất và sản lượng cồn hiện nay chủ yếu sử dụng nguồn nguyên liệu chứa đường và tinh bột [1,2] Trên thế giới nguyên liệu sản xuất cồn được sử dụng nhiều nhất là ngô, đường mía Các nguyên liệu như cellulose và sinh khối tảo vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện [2,3] Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu chứa tinh bột thường được sử dụng trong sản xuất cồn thực phẩm là gạo Đây là loại cây lương thực chính, là nguyên liệu chính để sản xuất rượu truyền thống và sản xuất cồn thực phẩm ở nước ta Đây cũng là cây trồng chủ lực có sản lượng lớn của Việt Nam,

và hàng năm nước ta là một trong ba nước có sản lượng gạo xuất khẩu cao nhất thế giới [4] Do đó, trong nội dung nghiên cứu của luận án này chủ yếu đề cập đến công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột,

cụ thể là từ gạo tại Việt Nam

Công nghệ sản xuất cồn truyền thống từ nguyên liệu chứa tinh bột được thực hiện qua bốn giai đoạn: dịch hóa, đường hóa, lên men và chưng cất Quá trình này bao gồm nhiều công đoạn và sử dụng nhiều thiết bị, năng lượng và tiêu tốn nhiều nước cho các công đoạn chính và các công đoạn trung gian (làm nguội) trong sản xuất [5] Hiện nay, công nghệ đường hóa và lên men đồng thời (SSF) đang được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp sản xuất cồn Trong công nghệ này quá trình hồ hóa và dịch hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ trên 80oC, quá trình đường hóa

và lên men đồng thời được thực hiện với tác dụng của các enzym thế hệ mới và nấm men đã giúp nâng cao hiệu suất lên men (HSLM), giảm chi

2

phí sản xuất cồn [3,6,7] Trong những năm gần đây, công nghệ sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng không gia nhiệt đã được phát triển và nghiên cứu Với việc sử dụng các enzym thế hệ mới, quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ thường trong cùng một thiết bị đã làm giảm bớt chi phí sử dụng tài nguyên (năng lượng, nước, thiết bị…), giảm chất thải (nước thải, khí CO2) ra môi trường

và giảm giá thành sản phẩm [5,8] Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao hay còn gọi là quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn (SLSF-VHG) cũng đã được tập trung nghiên cứu do những ưu điểm về năng suất, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí đầu tư thiết bị và giảm thành phần chất thải [8] Tuy nhiên, đây là công nghệ mới phát triển trong thời gian gần đây nên còn ít nghiên cứu hoàn thiện công nghệ trên các loại nguyên liệu khác nhau, chưa có nhiều ứng dụng công nghệ này ở các quy mô pilot và quy mô công nghiệp

Việc ứng dụng công nghệ SLSF-VHG từ gạo còn một số tồn tại như sau: chưa tối ưu nguyên liệu, enzym, chất bổ sung (nguồn nitơ); Hiệu suất lên men còn thấp, thời gian lên men còn dài, cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men, cơ chế tấn công của enzym vào nguyên liệu bột gạo sống chưa được giải thích đầy đủ; Chưa có thống kê năng lượng, đánh giá hiệu quả và chi phí sản xuất của quy trình ở quy mô sản xuất nhỏ Xuất phát

từ những vấn đề thực tế trên, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xác định nguyên liệu, các thông số công nghệ và giải thích cơ chế thủy phân lên men bột gạo sống trong quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao Phát triển ứng dụng quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao ở quy mô pilot Nghiên cứu ứng dụng chưng cất chân không tách cồn đồng thời để nâng cao hiệu suất, rút ngắn thời gian lên men và nâng cao nồng độ chất khô trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng

độ chất khô cao từ gạo

3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản

xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao

Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế

biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG

3

Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất

cồn ở quy mô 100 L dịch lên men

Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn

đồng thời trong quy trình SLSF-VHG

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu đã bổ sung kết quả để lựa chọn loại nguyên liệu (gạo, enzym, nấm men) phù hợp cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao tại Việt Nam

Luận án đã cung cấp những thông tin khoa học và giải thích khá đầy

đủ về động học của quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol trong quy trình SLSF-VHG dưới tác dụng của nhiều yếu tố mới: sử dụng

hệ enzym thế hệ mới, nâng cao nồng độ cơ chất, phương thức lên men, phương thức giảm ức chế của sản phẩm cuối làm cơ sở khoa học cho cải tiến công nghệ lên men ethanol Đánh giá hiệu quả việc sử dụng enzym protease trên cơ sở thủy phân protein trong nguyên liệu và khả năng thay thế hoàn toàn nitơ bổ sung bên ngoài

Đã phát triển giải pháp ứng dụng chưng cất chân không tách cồn để nâng cao nồng độ chất khô và rút ngắn thời gian lên men trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao

Ý nghĩa thực tiễn

Xác lập được điều kiện công nghệ và thử nghiệm sản xuất cồn không gia nhiệt với nồng độ chất khô cao quy mô 100 L làm cơ sở phát triển quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất cồn từ gạo Việt Nam, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động môi trường

5 Những đóng góp mới của luận án

Nghiên cứu đã cho thấy loại gạo IR50404 và các loại gạo có hàm lượng amylose nhỏ hơn 26,32% là phù hợp nhất cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt, đây là cơ sở để lựa chọn nguyên liệu cho sản xuất cồn thực phẩm từ gạo tại Việt Nam

Luận án đã đề xuất các thông số công nghệ, giải thích được động học của quá trình lên men cồn, giải thích cơ chế hoạt động của tổ hợp enzym thế hệ mới thông qua công nghệ dịch hóa đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo, làm cơ sở khoa học cho thiết lập cải tiến công nghệ trong lên men cồn từ gạo Việt Nam Kết quả nghiên cứu

4

của luận án cũng cho thấy ưu điểm nổi bật khi sử dụng enzym protease thay thế urea trong quy trình SLSF-VHG

Đã bước đầu ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng

độ chất khô cao quy mô 100 L dịch lên men Hiệu suất lên men 89,07%, nồng độ cồn trong dịch lên men 17,73%, tạo sản phẩm đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm đáp ứng TCVN 7043:2013

Ứng dụng thành công chưng cất chân không tách cồn ở nồng độ chất khô 350 g/L đạt nồng độ cồn 19,98% v/v, hiệu suất lên men 89,09%

và thời gian lên men 72 h, kết quả này nâng cao được nồng độ chất khô 12,6%, nồng độ cồn tăng 2,16% v/v, rút ngắn thời gian lên men 24 h so với quy trình SLSF-VHG tối ưu (ở nồng độ chất khô 310,8 g/L) Lần đầu tiên ứng dụng chưng cất chân không tách cồn nâng cao được nồng độ chất khô trong quy trình SLSF-VHG lên 500 g/L đạt hiệu suất và thời gian lên men tương đương với quá trình lên men ở nồng độ chất khô 310,8 g/L

TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và Việt Nam

Tình hình sản xuất cồn trên thế giới

Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam

Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột hiện nay

Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt

Các nghiên cứu quy trình tích hợp không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao còn ít, một số nghiên cứu còn cho hiệu suất chưa cao, chưa có nghiên cứu về động học quá trình, chưa có nghiên cứu mô tả đầy đủ về

cơ chế, hình thái hạt tinh bột khi bị thủy phân

Hình 1.3 Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng

5

Nguyên liệu sản xuất cồn

Nguồn cơ chất trong sản xuất cồn

Nguyên liệu gạo trong sản xuất cồn

1.2.2.1 Tình hình sản xuất và sử dụng gạo trong sản xuất cồn 1.2.2.2 Thành phần hóa học của gạo

1.2.2.3 Cấu tạo của tinh bột gạo

Hình 1.5 Hình ảnh tinh bột gạo [73]

1.2.2.4 Cấu tạo của bột gạo

Hình 1.6 Cấu tạo bột gạo [68,73]

Enzym trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột

Hình 1.9 Cấu tạo glucoamylase từ A niger [96]

6

Nấm men dùng trong công nghệ sản xuất cồn

Các yếu tố công nghệ và cơ chế thủy phân nguyên liệu trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao

Ảnh hưởng của chế độ nghiền và kích thước nguyên liệu

Ảnh hưởng của nồng độ enzym thủy phân nguyên liệu sống

Cơ chế thủy phân của enzym trên nguyên liệu trong quy trình SLSF-VHG

1.3.3.1 Cơ chế thủy phân của enzym amylase đối với tinh bột

Hình 1.11 Cơ chế thủy phân của enzym Stargen trên tinh bột ngô [32]

Có hai dạng tấn công của enzym trên tinh bột điển hình là ăn mòn ngoại bề mặt và ăn mòn hướng tâm[116]

Rất ít và hầu như không có công bố giải thích cơ chế tấn công của enzym trên đối tượng bột nguyên liệu và tác động hiệp đồng của amylase

và protease trong quy trình không gia nhiệt cụ thể là biến đổi hình thái và cấu trúc

1.3.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc bột nguyên liệu

Hình 1.12 Hình thái bột sắn bị thủy phân [162]

7

Động học của quá trình sản xuất cồn không gia nhiệt

Ảnh hưởng của nồng độ chất khô

Ảnh hưởng của mật độ nấm men

Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ khác

Tình hình ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt

Ứng dụng chân không tách cồn đồng thời trong quá trình

lên men

NGUYÊN VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU Nguyên vật liệu

Gạo

Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên liệu gạo sử dụng cho nghiên cứu

STT Tên gạo Độ ẩm (%) Đặc tính Nguồn gốc

1 OM5451 11,80±0,27 Dẻo mềm Tiền Giang

4 404 11,20±0,16 Nở xốp, mềm Tiền Giang

5 Hàm Châu 11,37±0,46 Nở xốp, cứng Tiền Giang

Chế phẩm enzym

Bảng 2.2 Thông số các enzym sử dụng trong nghiên cứu

Enzym Tên thương mại Nhà sản xuất Hoạt tính pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu ( o C)

Bảng 2.3 Các chế phẩm nấm men sử dụng trong nghiên cứu

Thông số kỹ thuật Ethanol Red Loại nấm men thương mại ® Thermosacc ® AS

Nhà sản xuất Fermentis Lallemand Angel Yeast

Mật độ tế bào (tb/g)* ≥ 2,0 ×1010 2 ×1010 2 ×1010

8

Mật độ tb tt (tb/g)** 3,8 ×1010 2,7 ×1010 2,9 ×1010

Chất bổ sung

Hóa chất, thiết bị, địa điểm nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Bố trí thí nghiệm

2.3.1.1 Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, nấm men, enzym cho quy trình

sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định loại gạo, enzym đường hóa phụ trợ,

nấm men (i) Lựa chọn loại gạo

(ii) Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ

(iii) Lựa chọn chế phẩm nấm men

2.3.1.2 Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ

chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình VHG

SLSF-(i) Lựa chọn kích thước lưới nghiền gạo

(ii) Ảnh hưởng của enzym dịch hóa, đường hóa chính

9

(iii) Ảnh hưởng của nguồn nitơ

(iv) Ảnh hưởng của nồng độ chất khô

(v) Ảnh hưởng của nồng độ nấm men

(vi) Động học của quá trình lên

(vii) Biến đổi hình thái, cấu trúc bột gạo trong quá trình lên men

2.3.1.3 Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản

xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men

(i) Ứng dụng quy trình SLSF-VHG trên thiết bị tích hợp lên men chưng cất quy mô 100 L

(ii) Đánh giá năng lượng, nước và chi phí sản xuất trên thiết bị tích hợp lên men chưng cất quy mô 100 L

2.3.1.4 Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách

cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG

(i) Ảnh hưởng của thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất lên men

(ii) Nghiên cứu kết hợp chưng cất chân không tách cồn để nâng cao nồng độ chất khô trong quy trình SLSF-VHG

Ống dẫn hơi cồn-nước

Ống sinh hàn

Nước

Bơm chân không

Bể làm lạnh nước

Hình 2.2 Mô hình thí nghiệm lên men và chưng cất cân không tách cồn đồng thời

[173]

(2) Xác định hàm lượng tinh bột, đường tổng, đường khử bằng thuốc thử DNS

(3) Xác định hàm lượng protein bằng phương pháp Kjeldahl (AOAC 2001.11)

(4) Xác định protein hòa tan bằng phương pháp Bradford [168]

(5) Xác định hàm lượng free amino nitrogen (FAN) bằng thuốc thử Ninhydrin [169]

(6) Xác định hàm lượng amylose trong bột gạo, bã lên men [170] (7) Xác định nồng độ cồn bằng phương pháp chưng cất

(8) Xác định hàm lượng của cồn, metanol, acid lactic, acid acetic, glycerol, glucose, maltose, maltotrisose bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC (Agilent 1290, Santa Clara, CA, USA) [27] với đầu

dò RID (G1362A)

2.3.2.2 Phương pháp hóa sinh, vi sinh

(1) Xác định hoạt độ enzym đường hóa

(2) Xác định hoạt độ enzym protease (Dupont)

(3) Xác định mật độ tế bào nấm men

2.3.2.3 Phương pháp vật lý

(1) Biến đổi khối lượng dịch, thể tích, nồng độ chất khô, tinh bột sót (2) Quan sát hình thái bột gạo bằng kính hiển vi điện tử Scanning Electron Microscope (SEM)

(3) Phân tích cấu trúc bột gạo bằng phổ XRD

Phương pháp thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm

Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của ba thí nghiệm lặp lại Phân tích thống kê kết quả thực nghiệm bằng phân tích phương sai (ANOVA) với mức khác biệt có ý nghĩa 95% (p ≤ 0,05) theo kiểm định Tukey Phần mềm xử lý thống kê được sử dụng là Statgraphics Centurion 19 (Statgraphics Technologies, Inc Plains, Virginia, USA)

11

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình SLSF- VHG

Lựa chọn gạo cho quy trình SLSF-VHG

Hình 3.1 Nồng độ cồn theo loại gạo trong quy trình SLSF-VHG

Gạo 404 là loại gạo phổ biến được trồng nhiều và có sản lượng lớn, hàm lượng tinh bột cao nhất, độ cồn đạt được và thời gian lên men tương đương so với hai loại gạo OM5451 và IR64, giá thành và chi phí sản xuất thấp nhất Do đó nghiên cứu này lựa chọn gạo 404 làm nguyên liệu cho các nghiên cứu tiếp theo cho quy trình SLSF-VHG

Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ cho quy trình SLSF-VHG

3.1.2.1 Biến đổi đường tổng và nồng độ cồn

Hình 3.2 Ảnh hưởng enzym phụ trợ đến đường tổng, độ cồn