Nghiên cứu sử dụng Enzyme cho công đoạn đường hóa tinh bột trong công nghệ sản xuất cồn

Ngoài công dụng làm đồ uống, rượu – cồn etylic còn có khả năng làm nguyên liệu cho một số ngành kinh tế quan trọng: làm dung môi hữu cơ, nhiên liệu, dụng trong y tế, trong mĩ phẩm pha nư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN……… 1

LỜI NÓI ĐẦU……… 2

CHƯƠNG I……… 4

TỔNG QUAN……… 4

1.1 Sơ lược về tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn ở nước ta và trên

thế giới ……… 5

1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn ở nước ta……… 5

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn rượu trên thế giới…… …… 8

1.2 Tổng quan về cồn……… 12

1.3 Nguyên liệu dùng trong sản xuất cồn ……… 13

1.3.1 Tổng quan về sắn (khoai mì)……… 14

1.3.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam……… 15

1.3.3 Tổng quan về enzyme amylase dùng trong sản xuất cồn……… 23

1.4 Dự kiến quy trình sản xuất cồn từ nguyên liệu bột sắn khô……… 31

1.5 Những công trình nghiên cứu về cồn đã có ở trong và ngoài nước…… 34

1.5.1 Sản xuất cồn sử dụng axit trong công đoạn đường hóa……… 34

1.5.2 Phương pháp men thuốc bắc……… 34

1.5.3 Phương pháp maltase……… 34

Chương II……… 35

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 35

2.1 Vật liệu nghiên cứu……… 36

2.2 Nội dung nghiên cứu……… 37

2.2.1 Nghiên cứu các thông số tối ưu cho enzyme termamyl……… 37

2.2.2 Nghiên cứu các thông số tối ưu cho enzyme fungamyl……… 37

2.3 Phương pháp nghiên cứu……… 37

2.3.1 Xác định các thông số cần nghiên cứu……… 37

2.3.2 Xác định miền thí nghiệm……… 37

2.3.3 Bố trí thí nghiệm tổng quát……… 38

2.3.4 Bố trí thí nghiệm thủy phân tối ưu cho enzyme termamyl………… 40

2.3.5 Bố trí thí nghiệm thủy phân tối ưu cho enzyme fungamyl………… 41

2.3.6 Các phương pháp xác định……… 42

CHƯƠNG III……… 43

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN……… 43

3.1 Tìm thông số tối ưu cho enzyme termamyl……… 44

3.1.1 Kết quả 8 thí nghiệm biên và 3 thí nghiệm ở tâm……… 44

3.1.2 Tìm mô hình thực nghiệm và tối ưu hóa các thông số cho enzyme

termamyl……… 45

3.2 Tìm thông số thủy phân tối ưu cho enzyme Fungamyl……… 49

3.2.1 Kết quả 16 thí nghiệm biên và 3 thí nghiệm ở tâm……… 49

3.2.2 Tìm mô hình thực nghiệm và tối ưu hóa các thông số cho enzyme

fungamyl………

50 50 3.3 Sơ đồ nấu dịch đường……… 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 59

MỤC LỤC……… 60

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bè bạn Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến:

- Tất cả các thầy cô tham gia giúp đỡ chúng em trong thời gian qua

- Các cán bộ viên chức của trường và khoa đã tạo điều kiện cho chúng em học tập tốt

- Cô hướng dẫn: Gs – Ts Trần Thị Luyến

- Thầy cô quản lý phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ Thực phẩm

- Cán bộ, nhân viên nhà máy bia Việt Đức

- Gia đình

Cảm ơn tất cả các bạn lớp 46tp-1 đã động viên, giúp đỡ và đóng góp ý kiến giúp tôi học tâp trong thời gian qua

Xin chân thành cảm ơn

Nha trang, ngày 21 tháng 11 năm 2008 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hiếu

LỜI NÓI ĐẦU

Từ xa xưa loài người đã biết sản xuất ra rượu etylic làm đồ uống Ngày nay nghề làm rượu – cồn còn đang phát triển và chiếm tỉ lệ khá lớn trong ngành kinh tế quốc dân Ngoài công dụng làm đồ uống, rượu – cồn etylic còn

có khả năng làm nguyên liệu cho một số ngành kinh tế quan trọng: làm dung môi hữu cơ, nhiên liệu, dụng trong y tế, trong mĩ phẩm pha nước hoa, trong dược để trích ly các hoạt chất sinh học, sản xuất giấm ăn, các loại ester có mùi thơm…Đặc biệt trong tương lai, sản xuất cồn từ sắn tại Việt Nam được đánh giá là có tiềm năng lớn, do chi phí nguyên liệu thấp và sắn rất phù hợp với điều kiện canh tác ở các nước vùng nhiệt đới

Các nghiên cứu được tiến hành trước đây cho thấy đối với sản xuất ethanol từ sắn và mía, khoảng 35% chi phí cuối cùng là giá thành sản xuất và 65% còn lại là chi phí nguyên liệu Vì sắn là một cây chịu hạn, chịu rét, có thể trồng được ở những nơi đất xấu, khó trồng trọt, không thích hợp với loại cây khác như mía chẳng hạn, nên về lâu dài sắn sẽ có vị thế cạnh tranh – nếu không nói là tốt hơn – như nguyên liệu cho nền kinh tế nguyên liệu cồn Sắn với khả năng bảo quản ở dạng tinh bột sẽ mở rộng phạm vi hoạt động của nhà máy chưng cất rượu; nhà máy có thể hoạt động nhiều thời gian hơn trong một năm so với các nhà máy trên cơ sở cây mía chỉ hoạt động theo mùa

Một yếu tố quan trọng trong sản xuất nhiên liệu từ tinh bột là quá trình thủy phân và việc sử dụng một tác nhân đường hóa hiệu quả, ít tốn kém Trước đây, người ta thường dùng axit để thủy phân Tuy axit có thể chuyển hóa 98% tinh bột sắn thành đường khử nhưng nó có một số hạn chế là: một số phản ứng phụ gây giảm hiệu suất thủy phân, hàm lượng muối vô cơ cao do điều chỉnh pH và hiện tượng ăn mòn thiết bị, không đảm bảo an toàn thực phẩm Việc sử dụng enzyme để thay thế axit trong công đoạn thủy phân tinh bột thành đường lên men là một hướng giải quyết tốt cho vấn đề này Từ thực

trạng này em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sử dụng enzyme cho

công đoạn đường hóa tinh bột trong công nghệ sản xuất cồn”.

Sau gần 3 tháng thực hiện đề tài được sự giúp đỡ tận tình của cô Trần Thị Luyến nay em đã hoàn thành cơ bản về nội dung đề tài Trong quá trình thực hiện đề tài em còn gặp nhiều khó khăn về điều kiện thiết bị máy móc, thời gian, tài liệu tham khảo còn nhiều hạn chế và do bước đầu thực hiện công việc nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý thầy

cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Nha Trang, ngày 21 tháng 11 năm 2008 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hiếu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược về tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn ở nước ta và

trên thế giới

1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn ở nước ta

Từ xa xưa loài người đã biết sản xuất ra rượu êtylic làm đồ uống Ngày nay nghề làm rượu – cồn vẫn còn đang phát triển và chiếm tỉ lệ khá lớn trong các ngành kinh tế quốc dân

Sản xuất cồn rượu theo kiểu công nghiệp ở nước ta chỉ mới bắt đầu từ năm 1898 do người pháp thiết kế và xây dựng

Trước Cách mạng tháng tám ở nước ta có nhà máy rượu Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán Tất cả đều sản xuất từ ngô theo phương pháp amylo Theo số liệu chưa đầy đủ, các nhà máy rượu Miền Bắc hàng năm sản xuất ra lượng cồn khá lớn ( bảng 1.1 )

Đến năm 1960 chúng ta có thêm hai nhà máy sản xuất cồn từ rỉ đường là Việt Trì – Phú Thọ và Sông Lam – Nghệ An Năng xuất mỗi nhà máy là 1 triệu lit cồn/năm Trong những năm kháng chiến chống Mĩ cứu nước các tỉnh và địa phương cũng xây dựng thêm hàng loạt nhà máy sản xuất rượu năng xuất 100.000

lit cồn/năm như: Lục Ngạn – Bắc Giang, Hưng Nhân – Thái Bình Ngoài ra ở hầu hết các tỉnh đều có xây dựng phân xưởng cồn cỡ nhỏ 100.000 lit cồn/năm như: Quảng Bình, Sông Con Nghệ An, Bá Thước và Hàm Rồng Thanh Hóa

Sau 1975, chúng ta tiếp quản và xây dựng thêm các nhà máy sản xuất cồn

từ rỉ đường và một số cơ sở tư nhân khác Thời điểm1980 – 1985 tổng lượng sản xuất cồn hàng năm là trên 30 triệu lit Có thể nói, thời gian này lượng cồn trên cả nước là lớn nhất, vừa xuất khẩu vừa tiêu thụ trong nước

Năm 1986 – 1987, do đổi mới cơ chế quản lý, nhiều xí nghiệp làm ăn thua

lỗ, sản phẩm làm ra tiêu thụ chậm nên hàng loạt cơ sở sản xuất cồn bị xóa sổ Tuy vậy, thì cồn của chúng ta làm ra nói chung chưa đạt TCVN – 71 về cồn rượu, nhưng bản thân TCVN – 71 về cồn rượu cũng thuộc loại thấp so với các nước tiên tiến trên thế giới Hiện tại trên lãnh thổ Việt Nam chỉ có 3 cơ sở làm

ra được cồn loại I thỏa mãn TCVN – 71 Đó là công ty rượu Đồng Xuân Phú Thọ, công ty rượu Hà Nội và Bình Tây, tỉ lệ đạt cồn loại I cũng còn chưa nhiều Muốn có cồn tinh khiết chất lượng cao cần phải có hệ thống chưng luyện tốt và biết cách sử dụng nó

Trước tình hình đó, trong hội thảo “ Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành rượu bia nước giải khát”, theo đề nghị của chuyên gia đến năm 2005 nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triệu lit rượu các loại, tương đương khoảng 50 triệu lit cồn tinh khiết Trong đó cồn từ tinh bột chiếm 30 – 40%, số còn lại là cồn từ rỉ đường Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta cồn được sản xuất chủ yếu từ rỉ đường mía do giá nguyên liệu quá đắt và công nghệ lạc hậu, tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm cồn không có sức cạnh tranh cao Để thu được 1 lit cồn cần 4kg rỉ đường, giá 6400 đồng cho chi phí nguyên liệu, còn nếu dùng sắn thì chỉ tốn 2,5 kg và chi phí là 1200 đồng Cũng có thể sản xuất cồn từ bã sắn – nguồn phế phẩm của các nhà máy chế biến tinh bột sắn (hiện cả nước có khoảng 28 nhà máy bột mì).Mỗi lít cồn cần

khoảng 15kg bã Do vậy mà trong tương lai sản xuất cồn từ sắn và bã sắn có

ưu thế hơn nhiều

Cồn làm ra sẽ được sử dụng ra sao? Trước mắt cần sử dụng pha chế vang quả hỗn hợp, vang cẩm, vang nếp để phục vụ người tiêu dùng trong các ngày lễ tết Ngoài ra cần sản xuất ra các loại rượu mạnh như Lúa Mới, Hoàng Đế…để bán trong khách sạn, đồng thời khai thác thị trường xuất khẩu Bên cạnh đó cần làm ra nhiều loại rượu phổ thông khác nhau – chất lượng tốt nhưng giá cả phù hợp với đa số thu nhập của người tiêu dùng

Chúng ta cũng cần đổi mới quan niệm “cồn chỉ để pha rượu uống” Trong tương lai không xa nữa, chắc chắn rằng cồn ở nước ta cũng trở thành nguyên liệu cho ngành sản xuất khác như ở nhiều nước đã và đang làm Đặc biệt là nguyên liệu cho ngành năng lượng

Trong cuộc trao đổi với phóng viên báo An ninh thủ đô xung quanh ứng dụng loại xăng ethanol, ông Nguyễn Phú Cường – phó Vụ trưởng Vụ Khoa học và Côn nghệ, Bộ Công Thương, người chủ trì đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 đã nói: “Nhiều công trình nghiên cứu ở nước ngoài đã khẳng định nếu tỉ lệ pha trộn cồn ethanol vào xăng truyền thống thấp hon 10% thì khi sử dụng các động cơ xe không phải điều chỉnh lại cho phù hợp Song song với việc thực hiện đề án, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành các tiêu chuẩn về chất lượng cồn ethanol có thể pha vào xăng, trong đó ethanol đạt chuẩn phải có hàm lượng cồn là 99,5% trở lên”

Ông Cường cũng cho biết thêm: mỗi năm chúng ta phải nhập khẩu khoảng 13 triệu tấn xăng dầu, trong đó khoảng 3 triệu tấn xăng Tính ra sẽ cần khoảng 150 - 300.000 tấn cồn ethanol Vấn đề là cồn ở đâu ra để pha chế? Chúng ta không thể nhập xăng rồi lại nhập cả cồn được Vì thế, vì thế tỉ lệ pha cồn cũng phải cân nhắc lợi ích giữa các bên Đồng thời việc phát triển nhiên liệu sinh học này sẽ tạo ra nguồn đầu ra lớn cho ngành nông – lâm nghiệp, tạo thêm việc làm cho người nông dân Và tới đây không những chỉ ứng dụng sản

xuất cồn từ mía, sắn mà sẽ tận dụng bã mía, phế thải của gỗ…Theo đề án đến năm 2010 sẽ phát triển các mô hình sản xuất thử nghiệm và sử dụng nguyên liệu cồn ở quy mô 100.000 tấn xăng E5 và 50.000 tấn xăng B5 Nghĩa là chúng

ta cần 5 tấn cồn ethanol Như tình hình hiện nay thì ngay cuối năm nay (2008)

và năm 2009, chúng ta sẽ đạt và vượt mục tiêu đó

Như vậy, trong tương lai không xa với khả năng dùng làm nhiên liệu (chất đốt) của cồn tuyệt đối hứa hẹn cho một ngành sản xuất nhiên liệu thích hợp và nguyên liệu với nhiên liệu tái sinh – một viễn cảnh sáng sủa và rộng lớn Mai đây các mỏ dầu và khí đốt trong lòng đất cạn kiệt thì cồn tuyệt đối có

lẽ là một loại nhiên liệu thích hợp và nguyên liệu để sản xuất ra cồn có lẽ không bao giờ hết Hiện nay nhiều hãng ô tô đã thử nghiệm thành công các mẫu động cơ chạy bằng hỗn hợp cồn – xăng Còn đối với ngành Công nghệ sinh học nói chung cũng như ngành Công nghệ lên men sẽ cố gắng sản xuất ra các loại cồn thích hợp và giá rẻ có thể cạnh tranh được với xăng dầu, khí đốt

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn rượu trên thế giới

Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho các nhu cầu khác nhau như: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác Tùy theo tình hình phát triển ở mỗi nước, tỉ lệ cồn dùng trong các ngành rất đa dạng và khác nhau

Ở các nước có công nghiệp rượu vang phát triển như: Italia, Pháp, Tây Ban Nha…cồn được dùng để tăng thêm nồng độ rượu một lượng lớn cồn được dùng để pha chế các loại rượu mạnh, cao độ như: wisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum

Trong thời 1954 – 1955, ở Nhật chỉ có 19,1% cồn đưa vào pha chế rượu, Đan Mạch (11,6%), Bỉ (39%) Ở liên xô (cũ) cồn đưa vào sản xuất các

đồ uống chiếm tới 40%; 60% cồn còn lại được dùng vào các ngành kinh tế khác Sau đây là một số thông tin về số lượng cồn rượu được làm ra và tình hình sử dụng chúng ở một số nước (bảng 1.2, 1.3, 1.4)

Bảng 1.2 Tình hình sản xuất cồn etylic ở một số nước

Bảng 1.4 Tình hình sử dụng cồn rượu ở một số nước

Trong đó Tên nước Đồ uống có rượu qui ra

cồn 1000 lit/người

Rượu mạnh

Riêng rượu mạnh năm 1961 sản lượng ở một số nước được ghi trong bảng (1.5)

Bảng 1.5 Sản lượng rượu mạnh ở một số nước

Tên nước Sản lượng, triệu lit Tên nước Sản lượng, triệu lit

để sử dụng như một loại nhiên liệu dành cho động cơ đốt trong Tại Brazil, cồn etylic được coi như loại nhiên liệu không hóa thạch và có khả năng tái sử dụng hứa hẹn nhất

Cồn từ tinh bột sắn vì thế có thể là một năng lượng lỏng tốt để thay thế xăng dầu, tuy nó không nhất thiết là một nhiên liệu rẻ tiền

Các nghiên cứu đã được tiến hành ở nhiều quốc gia cho thấy lợi ích của

hệ thống sản xuất năng lượng sử dụng sắn làm nguyên liệu Người ta nhấn mạnh tầm quan trọng của các cơ sở sản xuất cồn từ sắn qui mô nhỏ tại các quốc gia nhiệt đới đang phát triển và của các qui mô nhỏ cho qui mô làng xã Các báo cáo từ Brazil cho thấy mỗi triệu lit etanol sắn tạo ra 96 – 280 việc làm và cần đến 320 – 660 ha đất Vì thế, ở nhiều nước nhiệt đới đang phát triển có đủ đất đai để sản xuất các loại cây như sắn, những trang trại như vậy

có thể giúp tạo ra đủ cơ hội việc làm và đẩy mạnh kinh tế nông thôn

78927 , 0

20 20

20 4





d d

- Nhiệt độ nóng chảy: -114,3 0C

- Nhiệt độ sôi: 78,5 0C

- Nhiệt độ bốc cháy: 120 C

- Nhiệt lượng cháy: 26665 KJ/kg

- Nhiệt lượng bay hơi ở 200C: 910

- Nhiệt lượng nóng chảy: 4,94 KJ/mol

- Độ nhớt ở 00C: 1,78 cP

- Độ nhớt ở 200C: 1,19 cP

Ethanol rất hút nước từ độ ẩm không khí cũng như từ các tổ chức (mô) động vật, thực vật, đặc biệt từ tế bào vi sinh vật Do vậy, nó có tinh sát khuẩn,

vì khi cồn hút một lượng lớn nước từ tế bào sẽ có thể làm vỡ hoặc biến dạng

tế bào vi khuẩn Khi trộn 50% thể tích cồn với 50% thể tích nước ta thu được 96,4% thể tích hỗn hợp Như vậy, cồn trộn với nước bị co thể tích

Cồn etylic tinh khiết có phản ứng trung tính, nhưng cồn thu đươc từ phương pháp lên men có lẫn một lượng nhỏ axit hữu cơ, vì vậy nó có phản ứng axit nhẹ Cồn và dung dịch cồn (nặng) – nước dễ bắt lửa bùng cháy với ngọn lửa xanh nhẹ và không có muội

Hơi cồn trong không khí gây độc cho người, động vật và vi sinh vật Giới hạn cho phép nồng độ ở không khí là  1mg/l Hỗn hợp không khí với hơi cồn ở nồng độ nào đó có thể là nguy hiểm, vì dễ phát nổ khi gặp tia lửa Giới hạn nồng

độ gây nổ của hơi cồn trong hỗn hợp là 2,8 – 13,7% thể tích không khí

Cồn etylic có thể được sản xuất bằng hai phương pháp chính là lên men

và tổng hợp theo con đường hóa học

Cồn sản xuất theo phương pháp lên men được dùng làm thực phẩm(đồ uống) và cồn kỹ thuật dùng cho các ngành khác Cồn tổng hợp chỉ là nguyên liệu kỹ thuật không được dùng làm đồ uống

Cồn kỹ thuật có thể sản xuất từ khí chứa etylen, dịch thủy phân từ gỗ, dịch kiềm sulfite trong công nghiệp giấy(lên men) Loại cồn này dùng làm nguyên liệu cho hàng loạt ngành công nghiệp khác nhau, như dung môi trong sản xuất cao su tổng hợp, sợi tổng hợp, lông – len tổng hợp, da nhân tạo, chất dẻo, phim ảnh, thủy tinh hữu cơ, chất nổ, chất độn, sơn, chất màu…Có tới

150 ngành kinh tế quốc dân sử dụng cồn etylic

1.3 Nguyên liệu dùng trong sản xuất cồn

Nguyên liệu dùng trong sản xuất cồn etylic gồm có:

Các loại hạt, củ chứa nhiều tinh bột như các hạt ngũ cốc (gạo, ngô, đại mạch, hạt mì, cao lương…) và các loại củ (sắn, khoai tây…)

Các loại rỉ đường (từ mía hoặc từ củ cải đường)

Dịch thủy phân từ gỗ (chủ yếu từ xenlulose và hemixelulose) Đối với loại nguyên liệu này hiện nay ở nước ta chưa có cơ sở sản xuất nào sử dụng

để sản xuất lên men rượu

Trong phạm vi của đề tài tôi chỉ đề cặp đến loại nguyên liệu từ củ để sản xuất cồn Đó là củ sắn (khoai mì)

1.3.1 Tổng quan về sắn (khoai mì)

- Tên khoa học: Manihot esculenta crantz

- Tên khác: khoai mì, cassava, taioca, yucca, madioca, manioc, manioc, singkong, ubi kayu, aipim, macaxeri, kappa, maracheeni

Sắn là loại cây ăn củ hàng năm, có thể sống lâu năm thuộc họ thầu dầu

Euphorbiaceae

Cây sắn cao 2 – 3 m, đường kính tán 50 – 100 cm, lá khía thành nhiều thùy,

có thể làm thức ăn cho gia súc Rễ ngang phát triển thành củ và tích lũy tinh bột

Củ sắn dài 20 – 25 cm, khi luộc chín có mầu trắng đục, hàm lượng tinh bột cao Sắn luộc chín có vị dẻo, thơm đặc trưng

Sắn có thời gian sinh trưởng thay đổi từ 6 – 12 tháng, có nơi 18 tháng, tùy thuộc vào giống, vụ trồng, địa bàn trồng và mục đích sử dụng

1.3.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam

Sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới

Sản lượng sắn thế giới năm 2006/2007 đạt 226,34 triệu tấn củ tươi so với năm 2005/2006 là 221,26 triệu tấn và năm1961 là 71,26 triệu tấn Nước có sản lượng sắn cao nhất trên thế giới là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn) Việt Nam đứng thứ 10 về sản lượng sắn (7,71 triệu tấn) Nước có năng xuất sắn cao nhất hiện nay là Ấn

Độ (31,43 tấn/ha) kế đến là Thái Lan (21,09 tấn/ha), so với năng xuất bình quân thế giới là 21,16 tấn/ha (FAO, 2008).

Mức bình quân tiêu thụ trên thế giới khoảng 18kg/người/năm Sản lượng sắn được tiêu dùng trong nước khoảng 85%(lương thực 58%, thức ăn gia súc 28%, chế biến công nghiệp 3%, hao hụt 11%), còn lại 15%(gần 30 triệu tấn) được xuất khẩu dưới dạng sắn lát khô, sắn viên và tinh bột (CIAT,1993)

Buôn bán sắn năm 2006 ước đạt 6,9 triệu tấn sản phẩm, tăng 11% so với năm 2005(6,2 triệu tấn), giảm14,8% so với năm 2004(8,1 triệu tấn), trong

đó tinh bột sắn và bột sắn chiếm 3,5 triệu tấn, sắn lát và sắn viên 3,4 triệu tấn Trung Quốc hiện là nước nhập khẩu sắn nhiều nhất thế giới để làm cồn sinh học (bio ethanol), tinh bột biến tính (modify starch), thức ăn gia súc và dùng trong công nghiệp thực phẩm dược liệu Năm 2006 Trung Quốc đã nhập khẩu 1,15 triệu tấn tinh bột , bột sắn và 3,40 triệu sắn lát, sắn viên

Thái Lan chiếm trên 85% lượng xuất khẩu sắn toàn cầu, kế đến là Indonesia và Việt Nam Thị trường xuất khẩu chủ yếu của Thái Lan là Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và cộng đồng châu Âu với tỉ trọng xuất khẩu sắn khoảng 40% bột và tinh bột sắn, 25% sắn lát và sắn lát và sắn viên (TTTA, 2006; FAO, 2007)

Năm 2006 được coi là năm có giá sắn cao đối với cả bột, tinh bột và sắn lát, việc xuất khẩu sắn làm thức ăn gia súc sang các nước cộng đồng châu

Âu hiện đã giảm sút nhưng giá sắn năm 2006 vẫn được duy trì ở mức cao do

có thị trường lớn tại Trung Quốc, Nhật Bản (FAO, 2007)

Viện nghiên cứu chính sách lương thực thế giới (IFPRI) đã tính toán nhiều mặt và dự báo tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn toàn cầu đến năm 2020 Năm 2020 sản lượng sắn toàn cầu ước đạt 275,10 triệu tấn, trong đó sản xuất sắn chủ yếu ở các nước đang phát triển là 247,7 triệu tấn, các nước đã phát triển khoảng 0,40 triệu tấn Mức tiêu thụ sắn ở các nước đang phát triển được

dự báo đạt 254,60 triệu tấn so với các nước đã phát triển là 20,5 triệu tấn Khối lượng sản phẩm sắn toàn cầu sử dụng làm lương thực, thực phẩm dự báo nhu cầu là 176,3 triệu tấn và thức ăn gia súc là 53,4 triệu tấn Tốc độ tăng hàng năm của nhu cầu sử dụng sắn làm lương thực, thực phẩm và thức ăn gia súc đạt tương ứng là 1,98% và 0.95%

Cây sắn tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong nhiều nước châu Á, đặc biệt là các nước vùng Đông Nam Á – nơi cây sắn có tổng diện tích đứng thứ 3 sau lúa và ngô và tổng sản lượng đứng thứ 3 sau lúa, mía Chiều hướng sản xuất sắn phụ thuộc vào khả năng cạnh tranh cây trồng Giải pháp chính là tăng

năng xuất bằng cách áp dụng giống mới và các biện pháp kĩ thuật tiến bộ

Sản xuất và tiêu thụ sắn tại Việt Nam

Ở Việt Nam, sắn là cây lương thực sau lúa, ngô Năm 2005, cây sắn có diện tích thu hoạch 432.000 ha, năng xuất 15,35 tấn/ha, sản lượng 6,6 triệu

tấn (FAO, 2007) Cây sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo, do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và kinh tế nông hộ Sắn chủ yếu dùng để bán (48,6%), kế đến dùng làm thức ăn gia súc (22,4%), chế biến thủ công (16,8%), chỉ có 12,2% dùng tiêu thụ tươi

Sắn cũng là cây công nghiệp có giá trị xuất khẩu và tiêu thụ trong nước Sắn là nguyên liệu chính để chế biến bột ngọt, bio ethanol, mì ăn liền, bánh kẹo, siro, nước giải khát…Toàn quôc hiện có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn với tổng công suất 3,8 triệu tấn củ tươi/năm và nhiều cơ sở chế biến tinh bột sắn với tổng công suất khoảng 3,8 triệu tấn củ tươi/năm và nhiều cơ sở chế biến sắn thủ công rải rác tại hầu hết các tỉnh trồng sắn.Việt Nam hiện sản xuất mỗi năm khoảng 800.000 – 1.200.000 tấn tinh bột sắn, trong đó trên 70% xuất khẩu và gần 30% tiêu thụ trong nước Sản phẩm xuất khẩu chủ yếu là tinh bột, sắn lát và bột sắn Thị trường chính là Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản, Singapo, Hàn Quốc Đầu tư nhà máy bio ethanol là một hướng lớn triển vọng

Sản xuất lương thực là ngành trọng tâm và có thế mạnh của Việt Nam tầm nhìn đến năm 2020 Chính phủ Việt Nam chủ trương đẩy mạnh sản xuất lúa, ngô và coi trọng việc sản xuất sắn, khoai lang ở những vùng, những vụ có điều kiện phát triển Thị trường xuất khẩu và tinh bột sắn Việt Nam dự báo thuận lợi và có lợi thế cạnh tranh cao do có nhu cầu cao về chế biến bio ethanol, bột ngọt, thức ăn gia súc và những sản phẩm tinh bột biến tính Diện tích sắn của Việt Nam dự kiến ổn định khoảng 450.000 ha nhưng sẽ tăng năng suất và sản lượng bằng cách chọn tạo và phát triển các giống sắn tốt có năng suất củ tươi và hàm lượng tinh bột cao, xây dựng và hoàn thiện quy trình kĩ thuật canh tác sắn bền vững và thích hợp vùng sinh thái

Cấu tạo và thành phần hóa học của sắn

a – Cấu tạo

Củ sắn là loại củ chứa nhiều tinhh bột Củ sắn gồm 3 phần chính: vỏ, thịt

củ và lõi

đó 85 – 95% tập trung ở vỏ cùi Sau vỏ cùi là khe mủ - nơi lưu thông giữa vỏ cùi và thịt củ Do tác dụng này nên liên kết giữa vỏ với thịt sắn không bền, dễ tách vỏ khỏi thịt sắn

 Thịt củ: gồm có thịt sắn được bao bên ngoài bởi tầng sinh gỗ

- Tầng sinh gỗ: đối với củ phát triển bình thường thì lớp này chỉ nhìn thấy rõ sau khi luộc chín

- Thịt sắn: chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu Đây là phần dự trữ chủ yếu các chất dinh dưỡng của củ Các chất polyphenol, độc tố và enzyme chứa ở thịt củ tuy không nhiều (10 – 15%) nhưng vẫn gây trở ngại trong chế biến như làm biến màu, sắn bị chảy mủ sẽ khó thoát nước khi sấy hoặc phơi khô

 Lõi sắn:

- Lõi sắn nằm ở trung tâm của củ, dọc suốt chiều dài Thành phần lõi chủ yếu

là xenlulose Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và

củ, đồng thời giúp thoát nước khi sấy hoặc phơi khô

Độc tố trong sắn có tên chung là phazeolunatin gồm 2 glucozit Linamarin

và Lotaustralin Hàm lượng của phaseolunatin chỉ vào khoảng 0.001 – 0,04 mg% và chứa nhiều trong sắn đắng, tập chung chủ yếu ở vỏ cùi

- Linamarin (C10H17O6) có phân tử lượng M = 247,2, kết tinh trong etyl axetat, nhiệt độ nóng chảy 143 – 144 0C

- Lotaustralin(C11H19O6), có phân tử lượng M = 261,2 , nhiệt độ nóng chảy 123,5 – 124,5 0C

Bình thường phazeolunatin không độc nhưng khi bị thủy phân thì các glucozit này sẽ giải phóng HCN

- Hàm lượng HCN trong củ sắn tươi nhỏ hơn 50mg/kg chưa gây độc hại cho người, từ 50 – 100 mg/kg, người sẽ bị ngộ độc và trên 100mg/kg thì người ăn sẽ bị tử vong (tùy ăn nhiều hay ăn ít) Để tránh bị ngộ độc sắn trước khi luộc cần ngâm và bóc vỏ cùi

- Sắn tươi đã thái lát và phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây độc ở trên Trong sản xuất rượu cồn khi nấu lâu ở nhiệt độ cao đã đã pha loãng nước nên với hàm lượng ít chưa ảnh hưởng đến nấm men Hơn nữa các muối xyanat khi chưng cất không bay hơi nên bị loại cùng bã rượu

- Sắn dùng trong sản xuất rượu chủ yếu là sắn lát khô hoặc sắn dui, thường dùng sắn khô, nhằm dễ bảo quản, chủ động được nguồn nguyên liệu

và giảm đáng kể hàm lượng chất độc trong sắn

Tính chất của tinh bột sắn

Tinh bột sắn có màu rất trắng Trong quá trình sản xuất nếu củ được nghiền khi chưa bóc vỏ, tinh bột thu được thường có màu tối Màu xám của tinh bột sắn ảnh hưởng tới chất lượng cũng như giá của sản phẩm

Củ sắn và bột sắn thường có pH trong khoảng 6,0 – 6,3 Theo tiêu chuẩn của Viện Tiêu chuẩn Ấn Độ, các loại sắn ăn được có pH trong khoảng 4,7- 7 Còn theo tiêu chuẩn của Mĩ, các loại sắn tốt có pH từ 4,5 – 6,5 và độ axit thấp

Hạt tinh bột sắn có kích thước từ 5 - 40m với những hạt lớn 25 -

35m, hạt nhỏ 5 - 15m và nhiều hình dạng, chủ yếu là hình tròn, bề mặt nhẫn, một bên mặt có chỗ lõm hình nón và một núm ở giữa

Khi hạt tinh bột sắn bị vỡ, có thể quan sát được các rãnh tạo cấu trúc xốp của hạt Các rãnh vô định hình kéo dài từ bề mặt tới tâm của hạt tạo thành các lỗ

xốp Chính các lỗ xốp này giúp nước thâm nhập làm trương nở tinh bột, phá vỡ các liên kết hidro giữa các phân tử trong cấu trúc tinh thể, tạo điều kiện cho tác dụng phân hủy của enzyme Tinh bột sắn có cấu trúc hạt tương đối xốp, liên kết giữa các phần tử trong cấu trúc tinh thể yếu, vì vậy nó dễ bị phân hủy bởi các tác nhân như axit, enzyme hơn các loại tinh bột khác như bắp, gạo

Tinh bột sắn có hàm lượng amylopectin và phân tử lượng trung bình tương đối cao nhưng nhìn chung đa số các giống sắn có tỉ lệ amylase 16 – 18%

Tinh bột sắn có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng 58,5 – 700C so với 55 –

660C ở khoai tây và 62 – 720C ở tinh bột bắp

Độ nhớt là tính chất quan trọng giúp tinh bột có nhiều ứng dụng như chất làm đặc trong công nghiệp thực phẩm, chất hồ vải trong công nghiệp dệt hay chất phủ trong công nghiệp giấy Khả năng hồ hóa sớm, độ nhớt cao của tinh bột sắn thể hiện lực liên kết yếu giữa các phân tử tinh bột trong cấu trúc của hạt Do có tính chất này nên nó có thể được đường hóa dễ dàng thành các đường đơn nhờ axit và enzyme

Khả năng nở và hòa tan cao của tinh bột sắn cũng thể hiện lực liên kết yếu trong cấu trúc hạt tinh bột (lực nở được hiểu là thể tích và khối lượng lớn nhất mà tinh bột có thể đạt được khi nở tự do trong nước)

Đặc biệt lợi thế chính của sắn trong sản xuất cồn đó là sự hiển diện của các đường có khả năng lên men cao (high fermentable) sau khi đường hóa (Hoàng Kim Anh, Ngô Thế Xương, Nguyễn Xích Liên, 2006)

1.3.3 Tổng quan về enzyme amylase dùng trong sản xuất cồn

Amylase là hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật Các

enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham ra của nước

Amylase là một trong những hệ enzyme quan trọng nhất trong ngành công nghệ sinh học hiện nay do có những ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, công nghiệ lên men, công nghiệp dệt, giấy

Amylase lần đầu tiên sản xuất ở quy mô công nghiệp vào năm 1984, nó

có nguồn gốc từ nấm mốc và được sử dụng như một loại dược phẩm để chữa bệnh tiêu hóa Ngày nay các mylase vi sinh vật đã thay thế thành công axit trong công nghiệp thủy phân tinh bột Amylase cũng được sử dụng rộng rãi để đường hóa tinh bột trong sản xuất rượu, bia

Theo phân loại gần đây nhất của Nigam(1995), hệ enzyme amylase tham ra vào quá trình thủy phân tinh bột gồm các enzyme chính sau đây: endo 1 , 4 amylase glucanase

1.exomaltohexa-   1 , 4glucanase hydrogenase 2.exomalto-

exo  1 , 4 pentahydrogenase glucanase 3.exomaltotetra-

hydrogenase

4.-amylase 5.glucoamylase Enzyme thủy phân 6. amylo- Tinh bột glucosidase

endo 1,6 pullulanase glucanase isoamylase   1 , 6glucanase

exo  1 , 6 exopullulanase glucanase

Đặc tính và cơ chế tác dụng của enzyme amylase

Đặc tính

- amylase dễ tan trong nước, dung dịch muối và rượu loãng

- Protein của các amylase có tính axit yếu

- Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH = 4,2 – 5,7

- Mỗi phân tử amylase đều có chứa 1- 30 nguyên tử gam canxi/mol nhưng không ít hơn 1 – 6 nguyên tử gam/mol Canxi tham gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì hoạt động của enzyme (Modolova, 1965) Do đó, canxi còn có vai trò duy trì sự tồn tại của enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và tác động của các enzyme phân giải protein Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết canxi thì nó sẽ hoàn toàn bị mất hết khả năng thủy phân cơ chất amylase bền với nhiệt hơn các enzyme khác, đặc tính này liên quan đến hàm lượng caxi trong phân tử và nồng độ Mg2+

- amylase của nấm mốc hầu như chỉ tấn công những hạt tinh bột bị thương tổn Sản phẩm cuối cùng của thủy phân bằng amylase là glucose và maltose

- amylase của nấm sợi không tấn công liên kết 1,6 – glucosid của

amylopectin, nên khi thủy phân nó sẽ tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh

- Sản phẩm thủy phân cuối cùng của tinh bột dưới tác dụng của amylase nấm sợi chủ yếu là maltose, thứ đến là maltotriose Nếu dùng amylase của nấm mốc để thủy phân thì mức độ đường hóa đến glucose và maltose có thể lên tới 84 – 87%

- Điều kiện hoạt động của amylase từ các nguồn khác nhau thường không giống nhau

+ pH tối thích cho hoạt động của amylase từ nấm sợi là 4,0 – 4,8 còn

amylase từ Asp.oryzae là 5,6 – 6,2 (Liphis), theo số liệu của Fenixova thì pH tối thích cho amylase từ Asp.oryzae là 6 – 7

+ Độ bền với tác dụng của axit cũng khác nhau: amylase của

Asp.oryzae bền vững đối với axit tốt hơn là amylase của malt và vi khuẩn

B.subtilis Ở pH = 3,6 và 00C, amylase của malt bị vô hoạt hoàn toàn sau

15 – 30 phút; amylase của vi khuẩn bị bất hoạt đến 50%, trong khi đó hoạt lực của amylase của nấm sợi hầu như không giảm bao nhiêu (Fenilxova, Rmoshinoi 1989)

+ Nhiệt độ tối thích cho hoạt động xúc tác của amylase từ các nguồn khác nhau cũng không đồng nhất: amylase từ nấm sợi có nhiệt độ tối thích

500C và bị vô hoạt ở 700C (Kozmina,1991); trong dung dịch đệm pH = 4,7



 amylase của Asp.oryzae rất nhạy cảm với tác động của nhiệt độ cao, thậm chí ở 400C trong 3h hoạt lực dextrin hóa của nó chỉ còn 22 – 29%, hoạt lực đường hóa còn 27 – 85% Ở 500C trong 2h, amylase của nấm sợi này bị vô hoạt hoàn toàn (Miller)

Cơ chế tác dụng của amylase

- amylase có khả năng phân cắt các liên kết 1,4 – glucosid nằm ở bên trong phân tử cơ chất (tinh bột) một cách ngẫu nhiên amylase không chỉ thủy phân tinh bột đã hồ hóa mà nó còn thủy phân cả hạt tinh bột nguyên, song với tốc độ rất chậm

- Quá trình thủy phân tinh bột bởi amylase là quá trình đa giai đoạn:

+ Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp, độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh (các amylase và amlopectin đều bị dịch hóa nhanh)

+ Sang giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa): các dextrin phân tử thấp tạo thành tiếp tục bị thủy phân tạo ra các tetra – trimaltose không cho màu với iodine Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi amylase cho tới disaccharide

và monosaccharide Dưới tác dụng của amylase, amylase bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6 – 7 gốc glucose

+ Sau đó các polyglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo thành các mạch polyglucose cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose

và maltose Qua một thời gian dài, sản phẩm thủy phân của amylase chứa 13% glucose và 87% maltose Tác dụng của amylase lên amylopectin cũng

xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết 1,6 – glucosid ở chỗ

mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có tác dụng lên thì sản phẩm

cuối cùng ngoài các đường trên (72% maltose và 19% glucose) còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose 8%

Giới thiệu về hai loại enzyme amylase được sử dụng trong công đoạn nấu dịch đường để sản xuất cồn

Termamyl 120 L

Termamyl 120 L được sử dụng trong công đoạn đường hóa sơ bộ Enzyme này được sản xuất bởi hãng Novo Nordis, là chế phẩm enzyme có chứa amylase đặc biệt chịu nhiệt, được sản xuất từ chủng vi khuẩn đã được

biến đổi gen Bacillus Licheniformis Enzyme là endo – amylase, thủy phân

liên kết 1,4 – glucosid trong amylose và amylopectin Vì thế tinh bột đã hồ hóa nhanh chóng bị thủy phân thành các dextrin và oligosaccharide hòa tan

- Ứng dụng:

+ Termamyl được sử dụng trong các ngành công nghiệp cho mục đích dịch hóa tinh bột hoặc các nguyên liệu có chứa tinh bột như: công nghiệp chế biến tinh bột, công nghiệp sản xuất cồn và đường

+ Trong công nghiệp sản xuất bia, termayl được sử dụng để dịch hóa các nguyên liệu phụ (nguyên liệu thay thế malt) ở nồi nấu nguyên liệu phụ Nhờ

có tính chất chịu nhiệt cao của enzyme, chương trình nấu được đơn giản hóa, giúp cho quá trình dịch hóa tinh bột được thực hiện tốt

- Phương pháp sử dụng:

+ Vì lượng sử dụng tương đối nhỏ nên cần pha loãng termamyl vào nước có chất lượng tốt ở nhiệt độ thường nhằm đảm bảo sự phân tán đồng đều khi bổ sung enzyme vào nồi

+ Chất ổn định: Methionine, NaCl, Sucrose

+ Vi sinh vật sản xuất: B.licheniformis Được sản xuất từ quá trình lên

men chìm của vi sinh vật

- Đặc điểm kỹ thuật:

Bảng 1.7 Đặc điểm kỹ thuật của enzyme termamyl 120L

+ Trong công nghiệp sản xuất bia, fungamyl được bổ sung vào nồi malt

để thủy phân tinh bột Ngoài ra fungamyl cũng được bổ sung vào đầu giai đoạn lên men để tăng độ lên men của dịch đường

+ Trong công nghệ sản xuất cồn fungamyl được sử dụng để đường hóa tinh bột

- Phương pháp sử dụng: vì lượng sử dụng tương đối nhỏ nên cần pha loãng fungamyl vào nước có chất lượng tốt ở nhiệt độ thường, nhằm đảm bảo

sự phân tán đồng đều khi bổ sung enzyme vào nồi

+ Tỉ trọng: 1,26 g/ml

+ Chất ổn định: NaCl, sorbitol

+ Chất bảo quản: kali sorbate

+ Sinh vật sản xuất: Asp.oryzae Được sản xuất từ quá trình lên men

chìm của vi sinh vật

- Đặc điểm kỹ thuật:

Bảng 1.8 Đặc điểm kĩ thuật của enzyme fungamyl 800L

Mức dưới Mức trên Đơn vị