Nghiên cứu quá trình lên men rượu khoai lang tím

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xác định các thông số và đặc tính nguyên liệu - Khảo các thông số ảnh hưởng trong quá trình dịch hóa bằng chế phẩm enzyme Termamyl sc - Khảo sát các thông số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG THỊ NHƯ QUỲNH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÊN MEN

RƯỢU KHOAI LANG TÍM

Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm

Mã ngành: 60540101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2018

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Thị Ngọc Yên

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Hoài Hưoĩig

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Nguyễn Đoan Huy

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 11 tháng 01 năm 2018

Thành phần hôi đồng đánh giá luân văn thac sĩ:

1 GS TS Đống Thị Anh Đào

2 TS Nguyễn Hoài Hưong

3 PGS TS Lê Nguyễn Đoan Huy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập ■ Tự do ■ Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đặng Thị Như Quỳnh

Ngày, tháng, năm sinh: 12 - 04 -1990

Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm

I TÊN ĐỀ TÀI:

“Nghiên cứu quá trình lên men rượu khoai lang tím”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xác định các thông số và đặc tính nguyên liệu

- Khảo các thông số ảnh hưởng trong quá trình dịch hóa bằng chế phẩm enzyme

Termamyl sc

- Khảo sát các thông số ảnh hưởng trong quá trình đường hóa bằng chế phẩm enzym Dextrozyme GA

- Khảo sát các thông số ảnh hưởng của quá trình lên men rượu từ khoai lang tím

- Thiết lập quy trình lên men rượu khoai lang tím với các thông số đã chọn, đo độ cồn và hàm lượng anthocyanin trong sản phẩm rượu khoai lang tím

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2017

Mã số : 60540101

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường, đặc biệt xin cảm ơn đến TS Trần Thị Ngọc Yên đã cho em cơ hội được nhận và trình bày luận văn

Em cũng xin cảm ơn đến các bạn cùng lớp Cao học KI 5 Công nghệ thực phẩm đã quan tâm giúp đỡ và chia sẻ với em trong suốt khóa học, đó sẽ là một khoảng thời gian đẹp trong hành trình nâng cao tri thức của chúng em

Lời cảm ơn cuối cùng xin dành cho gia đình, cho ba mẹ và những người bạn thân đã luôn bên cạnh ủng hộ và cho em nhiều động lực trong những thời gian qua

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn bằng tất cả sự nhiệt huyết và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, và những phần nội dung nghiên cứu chưa sâu Rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý của Quý Thầy

Cô

Em xin trân trọng cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2018

Đặng Thị Như Quỳnh

TÓM TẮT

Đề tài được thực hiện nhằm khảo sát xây dựng quy trình lên men rượu từ khoai lang tím Trong nghiên cứu có sử dụng hai chế phẩm enzyme là Termamyl sc và Dextrozyme GA góp phần vào quá trình dịch hóa và đường hóa tinh bột, cùng với sử dụng dòng nấm men thương mại Angel leaven chịu nhiệt để nâng cao độ cồn cho sản phẩm Anh hưởng của nhiệt độ, pH, thời gian và nồng độ enzyme cho quá trình thủy phân của mỗi enzyme đã được khảo sát Khác với các nghiên cứu trên phương pháp truyền thống khảo sát qua từng giai đoạn, đề tài áp dụng phương pháp kết hợp đường hoá và lên men đồng thời, nhằm tận dụng nguồn cơ chất cho quá trình lên men, giảm áp lực của nồng độ cơ chất cao đến hoạt động của nấm men, rút ngắn thời gian lên men Các thông số của quá trình thủy phân bột khoai lang tím sử dụng chế phẩm Termamyl sc là: nồng độ enzyme 0,3 ml/kg nguyên liệu, nhiệt độ thủy phân 90°C và pH ban

đầu của môi trường 6 Sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae thương mại Angel Leaven

và chế phẩm Dextrozyme GA vào quá trình lên men dịch thủy phân khoai lang tím ở điều kiện tốt nhất là: nồng độ enzyme 1 ml/kg nguyên liệu, pH ban đầu của môi trường 5 và nồng độ chất khô hòa tan 18° Bx sẽ cho ra hàm lượng cồn cao nhất Sản phẩm rượu sau khi áp dụng các điều kiện đã khảo sát đều đạt chỉ tiêu hóa học hàm lượng ethanol 11,17% v/v, anthocyanin

là 27,0734 ±0,0002 mg/100ml

ABSTRACT

This research was carried out to investigate the fermentation process of purple sweet potato wine In this study, two enzyme were used, Termamyl sc and Dextrozyme GA for starch hydrolysis, combine with commercial thermal-yeast Angel Leaven to increase the alcohol content of the wine product The effects of temperature, pH, time and enzyme concentration

on each enzyme for hydrolysis process were investigated Different to the fraditional fermentation method - through each stage, this research applied the method of simultaneous saccharification and fermentation - SSF in order to utilize the substrate for fermentation, reduce the pressure of the high concentrate substrate to yeast activity, shorten the fermentation time Using Termamyl sc to hydrolyze purple sweet potato powder, with parameters of: enzyme concentration of 0.3 ml / kg of material, hydrolysis temperature of 90 °C and pH 6

Using commercial Saccharomyces cerevisiae yeast - Angel Leaven and Dextrozyme GA at

condition: enzyme concentration of 1 ml/kg of material, the initial pH 5 of medium and the concentration of dry matter of 18°Bx will give the highest alcohol content in product The

product contains 11,17% v/v of ethanol, and 27,0734 ± 0.0002 mg I 100ml anthocyanin.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng

Tôi xin cam đoan, các thông tin được sử dụng trong luận văn này đã được ghi

rõ nguồn gốc trích dẫn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018

Người thực hiện

Đặng Thị Như Quỳnh

Trang

1

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 6

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 11

2.1 TỔNG QUAN VỀ KHOAI LANG TÍM 12

2.1.1 Giới thiệu về khoai lang tím 13

2.1.2 Thành phần hóa học của khoai lang tím Nhật 14

2.1.3 Thành phần anthocyanin trong khoai lang tím 16

2.2 HỆ ENZYME AMYLASE 21

2.3 NẤM MEN 25

2.3.1 Đặc điểm hình thái và cấu tạo tế bào của nấm men 26

2.3.2 Đặc điểm sinh lý của nấm men 27

2.4 CÁC QUÁ TRÌNH CHỦ YẾU XẢY RA TRONG SẢN XUẤT RƯỢU 29

2.4.1 Quá trình dịch hóa 29

2.4.2 Quá trình đuờng hóa 30

2.4.3 Quá trình lên men ruợu 30

2.5 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN 31

2.5.1 Nghiên cứu trong nuớc 31

2.5.2 Nghiên cứu ngoài nuớc 35

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 40

3.1 VẬT LIỆU 41

3.1.1 Khoai lang tím 41

3.1.2 Chế phẩm enzyme 43

3.1.3 Nấm Men 44

3.2 QUÁ TRÌNH THU NHẬN RUỢU KHOAI LANG TÍM TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 45

3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 47

3.4 BỐ TRÍ THÍ NGHIÊM 48

3.4.1 Xử lý nguyên liệu 48

3.4.2 Khảo sát quá trình thủy phân bột khoai lang tím 49

Trang

2

3.4.3 Khảo sát quá trình lên men dịch thủy phân khoai lang tím 50

3.5 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 51

3.5.1 Phân tích độ ẩm 51

3.5.2 Đo độ nhớt 51

3.5.3 Nồng độ chất khô hòa tan 52

3.5.4 pH 53

3.5.5 Hàm lượng đường khử 54

3.5.6 Hàm lượng tinh bột 55

3.5.7 Hàm lượng cồn 56

3.5.8 Phương pháp đếm khuẩn lạc phát triển trên môi trường đặc 57

3.5.9 Phương pháp xác định đường cong sinh trưởng của nấm men 58

3.6 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 58

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 58

4.1 Kết quả khảo sát thành phần nguyên liệu khoai lang tím 58

4.2 Kết quả xác định thời gian hoạt hóa nấm men 59

4.3 Xác định tỷ lệ bột khoai lang tím/ nước thích hợpcho dịch hóa 60

4.4 Nồng độ chế phẩm Termamyl sc thích hợp cho quá trình dịch hoá bột khoai lang tím theo thời gian 61

4.5 Nhiệt độ thích hợp cho quá trình dịch hoá bột khoai lang tím theo thời gian 64

4.6 pH thích hợp cho quá trình dịch hoá bột khoai lang tím theo thời gian 66

4.7 Nồng độ chế phẩm Termamyl sc thích hợp cho quá trình đường hoá và lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian 67

4.8 Nồng độ chế phẩm Dextrozyme GA thích hợp cho quá trình đường hoá và lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian 69

4.9 pH thích hợp cho quá trình đường hoá và lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian 73

4.10 Nồng độ chất khô hòa tan thích hợp cho quá trình đường hoá và lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian 75

4.11 Kết quả đường cong sinh trưởng của nấm men Saccharomyces cerevisiae trong thời gian lên men rượu 76

4.12 Ket quả ảnh hưởng mật độ tế bào nấm men đến sự sinh trưởng của nấm men trong quá trình đường hoá và lên men 77

Trang

3

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

5.1 Kết luận 80

5.2 Kiến nghị 83

TÀI LỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 89

PHỤ LỤC A: CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TRONG CHƯƠNG 4 89

PHỤ LỤC B: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 98

PHỤ LỤC C: KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH ENZYME 107

Trang

4

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: So sánh một số thành phần giữa khoai lang tím và khoai lang vàng 13

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của khoai lang tím Nhật 15

Bảng 2.3: Sự biến đổi của hàm lượng anthocyanin qua các quá trình xử lý khác nhau của khoai lang tím 20

Bảng 3.1: Thông tin về chế phẩm Termamyl® sc 44

Bảng 3.2: Khả năng chịu nhiệt của a-amylase từ các nguồn thu nhận khác nhau 45 Bảng 3.3: Thông tin về chế phẩm Dextrozyme® GA 46

Bảng 4.1: Một số thành phần của khoai lang tím Nhật thu hoạch từ Sa Đéc, Đồng Tháp 58

Bảng 4.2: Kết quả xác định một số chỉ tiêu của nguyên liệu bột khoai lang tím 58

Bảng 4.3: Tỷ lệ nấm men nảy chồi qua thới gian hoạt hóa từ nấm men dạng bột 59

Bảng 4.4: Ảnh hưởng của tỷ lệ bột khoai lang tím/nước đến chất lượng dịch khoai lang tím sau khi dịch hóa 60

Bảng 4.5: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân tại pH 6 67

Bảng 4.6: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Termamyl sc đến hàm lượng cồn sinh ra theo thời gian 68

Bảng 4.7: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men dịch thủy phân tại nồng độ chế phẩm Dextrozyme GA là 1 ml/kg nguyên liệu 71

Bảng 4.8: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím tại pH 5 74

Bảng 4.9: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím tại nồng độ chất khô hòa tan 16°Bx 76

Bảng 4.10: số logarit của mật độ tế bào và hàm lượng cồn theo thời gian 76

Bảng 4.11: Bảng so sánh các chỉ tiêu sản phẩm rượu so với quy định 83

Bảng A.l: Độ nhớt thay đổi theo nồng độ chế phẩm Termamyl sc, khảo sát theo thời gian 89

Bảng A.2: Chỉ số DE thay đổi theo nồng độ chế phẩm Termamyl sc và theo thời thời gian 90

Bảng A.3: Chỉ số DE thay đổi theo nhiệt độ và theo thời gian 91

Bảng A.4: Chỉ số DE thay đổi theo pH và theo thời thời gian 92

Bảng A.5: Hàm lượng cồn thay đổi theo nồng độ enzyme và thời thời gian 93

Trang

5 Bảng A.6: Hàm lượng tinh bột sót thay đổi theo nồng độ enzyme và thời gian 94 Bảng A.7: Hàm lượng cồn thay đổi theo pH và theo thời thời gian 95 Bảng A.8: Hàm lượng tinh bột sót thay đổi theo pH và thời gian 96 Bảng A.9: Hàm lượng cồn thay đổi theo nồng độ chất khô hòa tan và theo thời thời gian 97 Bảng B.l: số liệu dựng đường chuẩn hàm lượng glucose xác định bằng phương pháp quang phổ so màu với thuốc thử DNS 99 Bảng B.2: Số liệu dựng đường chuẩn nồng độ ethanol bằng phương pháp quang phổ so màu 104 Bảng C: Số liệu dựng đường chuẩn hàm lượng tinh bột bằng phương pháp quang phổ so màu 107

Trang

6

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Khoai lang tím 14

Hình 2.2: Hình chụp SEM của hạt tinh bột khoai lang tím và bột khoai lang tím sau khi xử lý ở 77°c trong 6 giờ 16

Hình 2.3: Công thức và chất màu anthocyanin từ khoai lang tím 17

Hình 2.4: cấu tạo của cyanidin (RI = H); peonidin (RI = CH3) 3-sophoroside-5- glucoside (a), caffeic acid (b), ferulic acid (c), and p-hydrobenzoic acid (d) 18

Hình 2.5: Cơ chế của các enzyme amylase 22

Hình 2.6: Nam men Saccharomyces cerevisiae dưới kính hiển vi Die 23

Hình 3.1: Quy trình xử lý nguyên liệu ban đầu thành bột khoai lang tím 50

Hình 3.2: Quy trình thu nhận rượu khoai lang tím trong phòng thí nghiệm 52

Hình 4.1: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm Termamyl sc đến quá trình thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian qua độ nhớt 62

Hình 4.2: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm Termamyl sc đến quá trình thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian qua chỉ số DE 63

Hình 4.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian 64

Hình 4.4: Ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân bột khoai lang tím theo thời gian 66

Hình 4.5: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm Dextrozyme GA đến quá trình lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím 70

Hình 4.6: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme lên hàm lượng tinh bột sót theo thời gian 72

Hình 4.7: Ảnh hưởng của pH đến quá trình lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím 73

Hình 4.8: Ảnh hưởng của pH lên hàm lượng tinh bột sót theo thời gian 74

Hình 4.9: Ảnh hưởng của nồng độ chất khô hòa tan đến quá trình lên men dịch thủy phân bột khoai lang tím 75

Hình 4.10: Đường cong sinh trưởng của nấm men trong thời gian lên men rượu 77 Hình B.l: Đường chuẩn hàm lượng glucose xác định bằng phương pháp quang phổ so màu với thuốc thử DNS 100

Hình B.2: Hệ thống chưng cất rượu 102 Hình B.3: Đường chuần hàm lượng ethanol xác định bằng phương pháp quang phổ so

Trang

7 màu .105 Hình c.l: Đường chuần hàm lượng tinh bột xác định bằng phương pháp quang phổ so màu .108 Hình C.2: Kết quả kiểm tra hoạt độ hai chế phẩm enzyme đã sử dụng trong đề tài nghiên cứu 110

Đề tài luận văn “Nghiên cứu quy trình lên men rượu từ khoai lang tím” được đưa ra như một sự góp phần mang lại những giá trị cao cho nghề sản xuất rượu trong nước

MỞ ĐẦU

Trang

9

Đề tài chọn lọc nguyên liệu giàu tinh bột là khoai lang tím làm đối tượng nghiên cứu, tập trung vào vấn đề nghiên cứu trên quá trình lên men rượu khoai lang tím trong phòng thí nghiệm, áp dụng hai chế phẩm enzyme là Termamyl sc và Dextrozyme GA thu nhận từ

vi sinh vật và một dòng nấm men thương mại vào quá trình xử lý nguyên liệu, tạo tiền chất cho quá trình đường hoá và lên men đồng thời, nhằm giúp rút ngắn thời gian, độ cồn tăng cao hơn, quá trình lên men triệt để hơn với hiệu suất nâng cao, hàm lượng đường sót và tinh bột thấp, hạ giá thành sản phẩm

Số liệu được thu thập qua thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Vi sinh và phòng thí nghiệm Công nghệ Thực phẩm 2 của Bộ môn Công nghệ Thực phẩm

Tiến hành thí nghiệm để xác định các quá trình :

Quá trình xử lý nguyên liệu khoai lang tím với tỷ lệ cơ chất/ nước thích hợp cho dịch hóa Thời gian hoạt hóa nấm men thích hợp cho hoạt lực cao để bổ sung vào cơ chất cho lên men

Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng trong quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời

Đề tài đi theo hướng nghiên cứu mới trong nghiên cứu quy trình sản xuất rượu từ nguyên liệu giàu tinh bột như khoai lang tím ở bước kết hợp quá trình đường hoá và lên men đồng thời Các kết quả của đề tài đã cho thấy tác dụng hiệu quả của việc sử dụng kết hợp hai chế phẩm enzyme cho quá trình đường hóa, dịch hóa tạo nguồn cơ chất cho nấm men hoạt động tốt, hiệu suất lên men cao, quá trình đường hoá và lên men đồng thời cũng làm rút ngắn thời gian lên men, tăng hiệu suất sử dụng đường trong quá trình, tăng nguồn

cơ chất cho nấm men sinh trưởng và hoạt động Việc sử dụng sản phẩm nấm men thương mại tinh khiết được thu nhận từ chủng thuần với nhiều đặc tính cao cho sản phẩm lên men trong thời gian ngắn Đề tài thúc đầy các nghiên cứu sau chuyên sâu hơn vào sự tác động

và ảnh hưởng của enzyme một cách hiệu quả, chuyển hóa triệt để tạo sản phẩm cho quá trình lên men hiệu suất cao hơn, độ cồn cao hơn như mong muốn; đồng thời mở ra con đường nghiên cứu trên các chế phẩm enzyme đặc chủng khác tương thích với quá trình lên men như enzyme Rhizozyme

Trang

10

CHƯƠNG 2

TÔNG QUAN

Trang

11 2.1 TỔNG QUAN VÈ KHOAI LANG TÍM

Khoai lang có tên khoa học là Ipomoea batatas (L.) Lam, thuộc họ Convolvulaceae

Khoai lang là nhóm cây nông sản đứng hàng thứ bảy trên thế giới Khoai lang chủ yếu đuợc

trồng ở các nước đang phát triển, đóng vai trò là nguồn thực phẩm cung cấp dinh dưỡng cho

người có thu nhập thấp (theo báo cáo của tổ chức Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên

Hiệp Quốc năm 2014) Cũng theo tổ chúc này, khoai lang đứng thứ ba trong nhóm thực phẩm

giàu tinh bột quan trọng trên thế giới, chỉ sau khoai mì và khoai tây

Trong chi khoai lang, các giống khoai lang tím và khoai lang vàng là nguồn dinh dưỡng

tuyệt vời với các hợp chất tự nhiên như beta-carotenoid, polyphenol, acid ascorbic, chất xơ ăn

kiêng (Van Hal M 2000) Trong đó có hợp chất màu anthocyanin có tiềm năng tiêu thụ

cao, đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu có tác dụng như một sản phẩm cải thiện sức

khỏe con người (Teow và cộng sự 2007), (Bellail và cộng sự 2012)

Theo Vincent và cộng sự (1997), khoai lang tím có sự vượt trội về một số thành phần

so với khoai lang vàng được thể hiện qua bảng 2.1 Các nghiên cứu trên nguồn nông sản này

ngày càng nhiều để có thể tận dụng tối đa các đặc tính hữu ích của chúng

Trang

12 Đảng 2.1 : So sảnh một số thành phần giữa khoai lang tím và khoai lang vàng [5]

Khoai lang tím còn có tên gọi khác là khoai lang Pêru vì nó có nguồn gốc từ Nam Mỹ,

có tên khoa học là Soỉanum andỉgenum

Khoai lang tím thuộc loài thân thảo dạng dây leo sống lâu năm, cỏ lá mọc so le hình trái tỉm hay xẻ thủy chân vịt Củ hình thuôn dài, lớp vỏ nhẵn nhụi cố màu tím (cũng cỗ màu khác

là đen, nâu, trắng hay vàng) và cỗ tới hàng trăm loài khác nhau Tùy theo giống khoai mà củ của nó có kích thước, độ ngọt và mùi thơm khác nhau Khoai lang tím giống Nhật Bản (còn được gọi là Ayamurasaki), là một loại khoai lang được đưa vào sản xuất hồi viện nghiên cứu nông nghiệp quốc gia Nhật Đản có tên là Okinawan[2], trong những năm gần đây đã được trồng phổ biến ở nhiều quốc gia, đặc biệt là những quốc gia ở vùng khí hậu nhiệt đới

Hình 2.1: Khoai lang tím

Trang

13

Ở nước ta khoai lang tím chủ yếu được trồng ở cảc tỉnh miền Tây, huyện Tam Bình, Bình Tân (Vĩnh Long) hay Sa Đéc (Đồng Tháp) là những vùng trọng điềm có diện tích trồng khoai lớn Riêng huyện Bình Tân có diện tích tròng khoai lang tím chiếm hơn 8000 ha, sản lượng trên 250000 tấn cho năm 2015

Việc sản lượng khoai lang tím tăng nhưng giá thành lại hạ, dẫn đến thức đẩy sự phát triền trong chế biến nhằm đa dạng hóa cảc sản phẩm từ khoai lang tím, tăng giả trị sử dụng nguồn nguyên liệu dồi dào và mang lại thu nhập cao cho người trồng khoai lang tím Cùng với lợi ích dinh dưỡng cao, là những lí do khiến cảc nhà khoa học ngày càng quan tâm và chú trọng phát triển các nghiên cứu trên nguồn nguyên liệu dồi dào này

2.1.2 Thành phần hóa học của khoai lang tím Nhật

• Tinh ưu việt của khoai lang tím Nhật so vởi các loại khoai lang khác

Khoai lang tím Nhật còn có những ưu điểm vượt trội so với các giống khoai lang khác Khoai lang tím cung cấp nhiều chất dinh dưỡng tốt cho cơ thề như tỉnh bột, protein, cảc acid amin, vitamin A,Đ,C,E và hơn 10 loại nguyên tố vỉ lượng cần thiết khác như calcỉ, kẽm, sắt, magìe, kali, natri, phosphor , có giá trị cung cấp năng lượng Những nghiên cứu gàn đây cho thấy giống khoai lang tím cố chứa một lượng anthocyanin đảng kể với tác dụng kháng oxy hỏa rất mạnh, cố khả năng kiềm chế sự đột biến của tế bào ung thư, ngăn ngừa ung thư, hạ huyết áp, phòng ngừa bệnh tim mạch; giúp bảo vệ các lipoprotein tỷ trọng thấp khỏi các quá trình oxy hóa, loại bỏ gốc tự do, cải thiện chức năng thị giác, ức chế sự tích tụ tiểu cầu và nhều chức năng sinh lý khác (Kano và cộng sự 2005) [6] Chất màu trong khoai lang tím hiện đang được một số nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu để thu nhận chất màu thực phẩm thiên nhiên thay thế cho chất màu nhân tạo Bao gồm các hợp chất phenol, anthocyanin,

Trang

14 carotenoid, trong đỗ khoai lang tím chứa chất chống oxy hóa tổng số nhiều nhất Ngoài ra, khoai lang tím là một trong những nguyên liệu chủ ỵếu để chế biến loại nước uổng chức năng Bảng 2.2: Thành phần hóa học của khoai lang tím Nhật (tính trên lOOg nguyên liệu tươi) [7]

Do có khác biệt về cấu trúc, khả năng tạo liên kết hydro hay khả năng giữ nước giữa các loại tỉnh bột trong nhóm khoai lang nên tỉnh bột khoai lang tím sau quá trình xử lý nhiệt ẩm ở 77°c frong 6 giờ có mức độ trương nở cao hơn so với khoai lang vàng, theo thí nghiệm khảo sát sự biến đổi tính chất của tinh bột khoai lang của Widya Dwi Rukmi Putri [8] Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao trong một thời gian nhất định sẽ ảnh hưởng đến tính chất của tinh bột khoai lang nhưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa thì sự ảnh hưởng gần như không đáng

kể so với ban đầu

Trang

15

Hình 2.2: Hình chụp SEM của hạt tinh bột khoai lang tím và bột khoai

lang tím sau khi xử lý ở 77°c trong 6 giờ [8]

Hình chụp SEM cho thấy sau khỉ xử lý nhiệt ẩm cấu trúc của hạt tỉnh bột khoai lang tím trương nở lên lên nhưng hình dạng vẫn chưa bị phả vỡ hoàn toàn vớì nhiệt độ xử lý 77°c và thời gian rất dài là 6 giờ

2.1.3 Thành phần anthocyanin trong khoai lang tím

Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, trong đó anthocyanin là sự kết hợp giữa Anthos - nghĩa là hoa và Kysanesos - nghĩa là màu xanh Tuy nhiên không chỉ cỗ màu xanh, anthocyanin còn mang đến nhiều màu sắc như hồng, đỏ, cam và các gam màu trung gian Các anthocyanin khi mất hết nhóm đường được gọi là các anthocyanidin hay aglycon Anthocyanin là hợp chất màu thiên nhiên, thuộc nhóm flavonoid, cỗ màu từ đỏ đến tím,

có nhiều trong rau quả như bắp cải tím, trà đỏ, quả dâu tằm, vỏ nho, đậu đen, dâu tây đỏ và khoai lang tím Anthocyanin là thành phần chính trong việc tạo ra màu sắc đẹp cho các loạỉ hoa quả trong thiên nhiên mà các hợp chất màu tổng hợp không tể thay thế

Anthocyanin là chất có nhiều đạc tính tốt nên ngày càng được chú trọng để sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm Anthocyanin không những có tác dụng giảm nguy cơ ung thư, kìm hãm sự phát triển của tế bào gây ung thư, còn có khả năng chống oxỉ hỏa, chống viêm, chổng lão hóa và tang cường hệ miễn dịch cho cơ thể

Mười hai đơn chất được xác định trong đó đều có mang thành phần là glucose và sophorose liên kết trong anthocyanin Mười một đơn chát trong đó trừ cyanidin 3- sophorosìde-5-glucoside đều cỏ mối liên kết với cảc chất phenolic như là caffeic acid, ferulic acid, và p-hydroxybenzoic acid như được biểu diễn ở Hình 2.4.[10]

Trang

17 Hình 2.4: cấu tạo của cyanidin (RI = H); peonidin (RI = CH3) 3- sophoroside-5- glucoside (a), caffeic acid (b), ferulic acid (c), and p-hydrobenzoic acid(d).[10]

Hai đơn chất 7 non-, mono-, hoặc di-acylated cyanidin và 5 mono- hoặc diacylated peonỉdin lần lượt cố tỷ lệ 67% và 33% của tổng lượng anthocyanin trong khoai lang tím Nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hàm lượng anthocyanin của khoai lang tím cho thấy khỉ quá trình nướng không ảnh hưởng gì đến hàm lượng anthocyanin nhưng nấu dưới áp suất cao, hấp, hay sử dụng lò vi sóng đều làm giảm hàm lượng của anthocyanin 8-16% của lượng ban đầu Đây thực tế là một sự giảm không nhiều so với hàm lượng của anthocyanin có trong khoai lang tím (1,4% khối lượng khô), khi so sánh vớỉ dâu (350 mg/kg) và bắp cải (250 mg/kg).[10]

Dựa theo 2 nhóm chính của thành phần anthocyanin thì cỗ thể phân loại khoai lang thành hai loại là loại chứa nhiều cyanỉdin (tỷ lệ của peonỉdỉn/cyanỉndin (pn/cy) <1) và loại chứa nhiều peonidin (tỷ lệ của peonidin/cyanindin (pn/cy) > 1) Sự khác biệt này dẫn đến những đặc tính khác nhau của màu sắc của khoai lang cũng như một số tính chất của anthocyanin Với loại khoai lang chứa nhiều peonỉdỉn (pn/cy >1) thường thể hỉện màu từ hồng đến đỏ ở trạng thái tươi của thịt củ khoai Như vậy, khi hàm lượng cyanidin cao thì màu của thịt củ sẽ dần chuyển sang tím và tím đậm Cyanidin có bản chất chứa nhiều các nhóm -OH nên có đặc tính kháng oxy hóa mạnh hơn các nhóm chất peonidin (JiantengXu và cộng sự 2014) [11]

2.1.3.2 Tính chẩt của anthocyanin [12]

Anthocyanin tinh khiết ở dạng tinh thể hoặc vô định hình là hợp chất khá phân cực nên tan tốt trong dung môi phân cực (ví dụ như nước) Màu sắc của anthocyanin thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất màu và nhiều tố khác Khi tăng số lượng nhóm OH trong vòng benzen thì màu càng xanh đậm Còn nếu mức độ methyl hóa các nhóm OH ở vòng benzen càng cao thì màu càng đỏ Nếu nhóm OH ở vị trí c - 3 kết hợp với các gốc đường thì màu sắc cũng sẽ thay đổi theo các gốc đường là gì Các anthocyanin cũng phụ thuộc vào pH của môi trường

Dưới tác dụng của nhiệt sẽ có sự bẻ gãy các mối liên kết trong hợp chất anthocyanin nên hàm lượng sẽ giảm theo thời gian xử lý Nhưng sự ảnh hưởng này còn phụ thuộc vào bản chất của nhóm chất anthocyanin, chính là sự khác biệt của các nhóm chức liên kết chẳng hạn như, mono-acylated anthocyanin có liên kết với p- hydroxybenzoic acid cho khả năng bền cao nhất trong nhóm chất anthocyanin của khoai lang tím nghiên cứu, kế đến là liên kết với ferulic acid

và caffeic acid Monoacylated anthocyanins thường có độ bền nhiệt cao hơn so với các di- và non-acylated Trong số đó, cyanidin 3-p- hydroxybenzoylsophoroside-5-glucoside có tính bền

Trang

18 nhất dưới tác dụng của nhiệt Đó có thể là lý do mono-acylated và cyanidin-predominated anthocyanins trong khoai lang tím nghiên cứu có khả năng bền khi xử lý nhiệt Mặt khác cũng

có thể dưới tác dụng của nhiệt giúp giải phóng những anthocyanin ở dạng tiền chất dưới những liên kết với các thành phần khác, nên có sự thay đổi ttong một số thành phần anthocyanin sau quá trình xử lý nhiệt cyanidin 3-p- hydroxybenzoylsophoroside- 5- và peonidin 3-p- hydroxybenzoyl sophoroside-5- glucoside

Đảng 2.3: Sự biến đổi của hàm lượng anthocyanin qua các quả trình xử lý khác nhau của khoai lang tím (mg/100g DW [12]

Anthocyanin là chất màu tự nhiên cỏ nhiều tính chất, tác dụng quý báu, bởi vậy nó được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp thục phẩm cũng như trong y học Trong sản xuất thục phẩm: cùng với các chất màu tự nhiên khác như carotenoid, clorofil, anthocyanin giúp sản phẩm hồi phục màu tự nhiên ban đầu, tạo ra màu sắc hấp dẫn cho mỗi sản phẩm Đồng thời do có khả năng kháng oxy hóa nên chúng còn được dùng để làm bền chất béo

Trang

19 Trong y học: tảc dụng của anthocyanin rất đa dạng nên được ứng dụng rộng rãỉ:

Do khả năng làm giảm tính thấm thành mạch và thành tế bào nên được sử dụng trong trường hợp chảy máu, hoặc có nguy cơ chảy máu

Do có khả năng chống oxy hóa nên anthocyanin được sử dụng để chống lão hóa, hạn chế sự giảm sức đề kháng do sự suy giảm của hệ thống miễn dịch

• Do có tác dụng chống tia phóng xạ nên có thể hỗ trợ cho cơ thể sống trong môi trường có những bức xạ điện từ

• Được dùng trong điều trị chống dị ứng, viêm loét do nguyên nhân nội sinh hay ngoại sinh, kháng nhiều loại vi khuẩn khó tiêu diệt, tăng chức năng chống độc của gan, ngăn ngừa sự nhiễm mỡ gan và hoại tử mô gan, điều hòa lượng cholesterol trong máu, tránh nguy cơ tắc nghẽn xơ vữa động mạch, phục hồi trượng lực tim, điều hòa nhịp tim và huyết áp, điều hòa chuyển hóa caxi, làm giảm đau do tác dụng co thắt cơ trơn, làm giảm các đám xuất huyết nhỏ trong bệnh tiểu đường

Ngoài ra anthocyanin còn có thể có nhiều ứng dụng khác do các phản ứng đa dạng của chúng trong các enzym và các quá trình trao đổi chất khác nhau, chính vì vậy việc quan tâm tới thực phẩm giàu anthocyanin ngày càng được tăng cường vì nó có lợi cho sức khỏe con người

2.2 HỆ ENZYME AMYLASE [13]

Enzym amylase là nhóm enzym thủy phân tinh bột Amylase thuộc nhóm enzym thủy

phân, xúc tác sự phân giải các liên kết glucosid nội phân tử trong polysaccharide với sự

tham gia của nước Amylase thủy phân tinh bột, glycogen và dextrin thành glucose, maltose, dextrin hạn chế Tốc độ phản ứng của amylase phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, tốc

độ polymer hóa cơ chất Các amylase từ nguồn gốc khác nhau sẽ có thành phần, tính chất,

nhiệt độ hoạt động, pH tối ưu, các đặc điểm thủy phân, cơ chế tác dụng và sản phẩm cưới của quá trình thủy phân sẽ khác nhau

Hệ amylase gồm có 6 enzyme: trong sản xuất công nghiệp người ta thường gặp 3 enzyme là a - amylase, p - amylase và glucoamylase

Trang

20

CUftl UUM >**1*** I.H.I.H cu>r

'H 1*1

Hình 2.5: Cơ chế của các enzyme amylase.[13]

Amylase có nhiều loại khác nhau, với phạm vi đề tài nghiên cứu tập trung vào hai loại amylase sử dụng chủ yếu là a - amylase và glucoamylase

* Enzvm a - amylase

Là enzym có khả năng xúc tác phản ứng phân cắt liên kết a - 1,4 - glucosid ở dạng

cơ chất nên gọi là endoamylase hay enzym nội bào Enzym a - amylase không chỉ có khả

năng phân hủy tinh bột mà còn phân hủy cả tinh bột nguyên vẹn chua xử lý nhung với tốc

độ rất chậm Sụ thủy phân tinh bột của a - amylase trải qua nhiều giai đoạn, duới tác dụng của a - amylase tinh bột sẽ chuyển hóa thành maltose, maltosetriose, maltosetetraose và

một dextrin phân tủ thấp (không cho màu với iod)

Tuy nhiên đuờng a - amylase chỉ thủy phân tinh bột chủ yếu thành dextrin phân tủ thấp và maltose Khả năng dextrin hóa của a - amylase do đó nguời ta còn gọi a - amylase

là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa (Lê Ngọc Tú, 2002) [13]

Trong đề tài nghiên cứu này ta sử dụng enzym a - amylase duới dạng chế phẩm

enzym từ vi sinh vật Bacillus lichenfomis với tên gọi cụ thể là Termamyl sc 120L

ứng dụng: trong sản xuất bia, enzym này được sử dụng để xúc tác thủy phân liên kết

a - 1,4 - glucoside từ đầu không khử của mạch polymer, tạo thành đường a - maltose, sự thủy phân sẽ không diễn ra hoàn toàn đối với amylopectin Phản ứng sẽ dừng ở điểm phân nhánh giúp việc dịch hóa dễ dàng Do tính ổn nhiệt của enzym này nên quy trình nấu được đơn giản hơn

dextrin, panose, isomaltose và maltose thành glucose mà không cần có sự tham gia của

các amylase khác Các polysaccharide có nhánh như amylopectin, glycogen, p - dextrin bi

Trang

21

glucoamylase thủy phân rất nhanh Đa số các glucoamylase có hoạt lực cao nhất ở vùng

pH = 3,5 - 5,5 và nhiệt độ 65°c Nó bền với acid hơn a-amylase nhưng kém bền hơn trong

Hiện nay trong công nghiệp, nấm men Saccharomyces cerevisiae là loài vi sinh vật chủ yếu được sử dụng cho quá trình lên men rượu Nấm men Saccharomyces cerevisiae

có ưu điểm vượt trội hơn các loài vi sinh vật khác là khả năng chuyển hóa đường thành ethanol với hiệu suất khoảng 90%

Nấm men Saccharomyces cerevisiae là loại nấm men được sử dụng nhiều nhất trong

sản xuất ethanol Nó có nhiều ưu điểm như: hiệu suất lên men cồn cao, chịu được độ acid thấp, chịu được nồng độ ethanol và chất ức chế cao, ít tạo ra sản phẩm phụ, có khả năng tạo hương tốt

Hình 2.6: Nấm men Saccharomyces cerevisiae dưới kính hiển vi

DIC [Wikipedia.org]

Trang

22 2.3.1 Đặc điểm hình thái và cấu tạo tế bào của nấm men

2.3.1.1 Hình thái

Tế bào hình cầu, hình ovan, hình trụ, hình chùy hoặc đôi khi là hình sợi Nấm men

có thể thay đổi hình dáng và kích thước trong các giai đoạn phát triển và điều kiện môi trường xung quanh

Tế bào nấm men có kích thước tương đối lớn, đường kính khoảng 1 pm, chiều dài 8

pm Trọng lượng riêng của nấm men (1,055 - 1,060 KDa) không khác mấy so với vi khuẩn (1,050 - 1,142 KDa)

2.3.1.2 Cẩu tao

Nấm men là sinh vật đơn bào, tế bào nấm men có cấu tạo phức tạp và có thể chia thành: các cơ quan nội bào và các chất chứa trong tế bào

Vỏ tế bào: bao quanh nấm men là một lớp màng mỏng dày đặc, được cấu tạo bởi

protein, polysaccharide, phosphate và lipid Trong đó polysaccharide chiếm 90% chất khô của vỏ, polysaccharide bao gồm 2 thành phần là glucan (chủ yếu) và mannan

Glucan là thành phần chính của vỏ, là một polymer của glucose Nằm phía trong tiếp giáp màng tế bào chat Neu lớp glucan bị phá hỏng thì toàn bộ tế bào bị phá hủy Mannan

có thể kết hợp với protein tạo thành lớp manoprotein rất khó phá hủy

Màng tế bào chất', là lớp màng mỏng, dày 0,1 nm dính chặt với tế bào chất Chức

năng của màng tế bào chất:

• Bảo vệ, hàng rào thẩm thấu

• Điều chỉnh chất dinh duỡng từ ngoài vào trong và ngược lại

• Thực hiện tổng hợp thành phần của vỏ tế bào

• Noi khư trú của một số enzyme và bào quan (như ribosome)

Vận chuyển vật chất qua màng liên quan đến tính thẩm thấu chọn lọc của màng tế bào Đặc tính này phụ thuộc vào các enzyme phospholipase và lipase

Tế bào chất', ở thể keo, được cấu tạo từ protein, lipid, khoáng, nước (90%) và các

hợp chất khác Có độ nhớt cao, chứa các bào quan, cấu trúc thay đổi tùy theo thời kĩ của nấm men

Ti thể' Dạng hạt nhỏ hoặc hình que, dạng sợi số lượng ti thể dao động mạnh từ 1-

50 Trong môi trường có nồng độ glucose thấp tế bào nấm men có tới 100 - 200 ti thể,

Trang

23 nhưng ở nồng độ glucose cao chỉ thấy 30 - 40 Hầu hết các phản ứng sinh năng lượng đều xảy ra ở đây cấu trúc của ti thể biến đổi khi nấm men chuyển từ điều kiện kị khí sang hiếu khí

Nhãn', cấu tử bất biến, nhân chứa DNA và RNA Kích thước nhân không đồng nhất

ở các chủng nấm men và ngay cả cùng một chủng

Các bào quan khác: không bào, ribosome, mạng lưới nội chất, thể golgi, Có cấu

tạo giống như tế bào thực vật

2.3.2 Đặc điểm sinh lý của nấm men

2.3.2.1 Thành phần hóa hoc của tế bào nẩm men

Nước chiếm 75% khối lượng Thành phần sinh khối thô (%) là:

2.3.2.2 Dinh dưỡng của nẩm men

Nấm men có 2 nguồn dinh dưỡng là dinh dưỡng ngoại bào và dinh dưỡng nội bào Chất dinh dưỡng ngoại bào được thấm qua màng tế bào vào tế bào chất, đó là các chất dinh dưỡng từ môi trường nuôi cấy bên ngoài Khi môi trường bên ngoài nghèo hay cạn kiệt chất dinh dưỡng thì những chất dự trữ nội bào như glycogen, lipid hay các hợp chất chứa nitơ sẽ được sử dụng như là nguồn dinh dưỡng nội bào

• Dinh dưỡng cacbon

Nấm men có thể sử dụng đường làm nguồn cacbon, không sử dụng trực tiếp tinh bột,

cellulose, hemicellulose Nấm men Saccharomyces cerevisiae sử dụng glucose, fructose,

maltose, saccharose, galactose, không sử dụng được pentose, lactose, melibiose

Trong quá trình nuôi cấy nấm men glucose và fructose được sử dụng trước, kế tiếp là acid béo nhưng còn tùy vào thành phần của các acid này Trong đó acid acetic và glucose được sử dụng đồng thời Nấm men sẽ sử dụng nguồn dinh dưỡng có lợi trước

• Dinh dưỡng nitơ

Nguồn nitơ cần thiết cho việc tổng họp các cấu tử trong tế bào, là những hợp chất hữu

Trang

24

cơ hoặc vô cơ

Nguồn nitơ chính là muối amoni: amoni sulfat, phosphat, muối axetat, lactat, maltat, tuy nhiên nấm men không sử dụng được nitrat Môi trường lỏng amoniac (NH4+) là môi trường lý tưởng cho nấm men chỉ sau acid amin Nấm men sử dụng cả ure và pepton Nấm men tiêu hóa tốt các acid amin tự nhiên, các nucleotide purin, pyrimidin, protein, một số amin và không sử dụng protein Các acid amin đóng vai trò là nguồn dinh dưỡng nitơ và cacbon Nấm men chỉ sử dụng acid amin dạng tự nhiên Hàm lượng nitơ phụ thuộc vào điều kiện môi trường, điều kiện hiếu khí và chủng loại nấm men

Luu huỳnh có trong protein và coenzyme, nếu thiếu lưu huỳnh sẽ phá hỏng sự trao đổi chất và tổng hợp enzyme, protein

Nguyên tố vi lượng cũng cần thiết cho quá trình sinh lý tế bào như: mangan, đồng, sắt, kẽm,

2.3.2.3 Sinh trưởns của nẩm men

Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong lên men gồm 4 pha: pha thích nghi (pha lag), pha tăng trưởng (pha log), pha cân bằng, pha suy vong

• Pha thích nghi (pha lag)

Nấm men từ môi trường nhân giống mới cấy vào môi trường lên men nên cần thời gian thích nghi với môi trường mới Vận tốc sinh trưởng coi như gần bằng không, nồng độ chất dinh dưỡng còn rất nhiều Đây là thời kĩ tiềm phát của nấm men, trong đó có một số tế bào

bị ức chế số lượng tế bào nấm men trong giai đoạn này không tăng hoặc tăng không đáng

kể Nếu trong môi trường lên men càng đầy đủ các chất dinh dưỡng thì nấm men càng nhanh thích nghi và pha lag càng ngắn giúp quá trình lên men hiệu quả hơn

• Pha tăng trưởng (pha log)

Nấm men tăng sinh khối, tế bào phát triển ồ ạt theo cấp số nhân 2n, đạt tốc độ tăng trưởng cực đại Kích thước tế bào nấm men ở pha này nhìn chung là nhỏ nhất vì chúng còn phải sinh sản nhiều Đối với tế bào trong pha này chúng có hoạt tính sinh lý, sinh hóa rất đặc trưng và rất nhạy cảm với những nhân tố bất lợi của môi trường

Trang

25 Trong pha này chất dinh dưỡng giảm mạnh và bắt đầu xuất hiện sản phẩm trao đổi chất cần thiết đối với giống và quá trình chuyển sang pha ổn định

• Pha cân bằng

Số lượng tế bào nấm men ổn định, tỉ lệ sinh ra bằng tỉ lệ mất đi Sản phẩm ttao đổi chất tích tụ nhiều, chất dinh dưỡng cạn kiệt Thu sản phẩm trao đổi chất trong pha này

• Pha suy vong

Chất dinh dưỡng trong môi trường lên men cạn kiệt, nấm men chết dần, các tế bào sống trở nên già đi Kích thước tế bào nhỏ lại, biến dạng do tế bào nấm men có khả năng tự phân

do enzyme protease nội bào

2.4 CÁC QUÁ TRÌNH CHỦ YẾU XẢY RA TRONG SẢN XUẤT RUỢU [15]

2.4.1 Quá trình dịch hóa

2.4.1.1 Cơ sở lỷ luân

Tinh bột của các loại nguyên liệu: gạo, ngô, khoai, sắn Có lớp màng bền vững bảo vệ

nó khỏi bị men amylase tác dụng Mặt khác, ở trạng thái bình thường tinh bột không ở trạng thái hòa tan nên sự tác dụng của men amylase lên nó rất yếu

Muốn tăng cường quá trình đường hóa cần phải phá vỡ cấu trúc tế bào chuyển tinh bột

về trạng thái hòa tan và đến lúc đó enzym a - amylase đã được bổ sung vào sẽ hoạt động phân

cắt những tinh bột thành dextrin mạch ngắn và một lượng nhỏ đường glucose tạo thuận lợi cho quá trình đường hóa

2.4.1.2 Những biến đổi xảv ra trong auá trình dỉch hóa

Khi đun tinh bột với nước lên tới 40°C, hạt tinh bột bắt đầu trương nở Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, thể tích của hạt tinh bột tiếp tục tăng, mối liên kết giữa các phần tử của hạt tinh bột yếu dần và tới một lúc nào đó thì các phần tử tinh bột được tan ra trong dung dịch Hiện tượng

tan ra của tinh bột này gọi là hiện tượng hồ hóa Khi tinh bột bị hồ hóa thì enzym a - amylase

phân cắt tinh bột thành những mạch ngắn làm dịch cháo loãng ra

2.4.2 Quá trình đường hóa

2.4.2.1 Cơ sở lý luân

Trong quá trình sản xuất rượu, tế bào nấm men không có khả năng chuyển hóa tinh bột,

hồ tinh bột thành rượu Chúng chỉ có khả năng sử dụng đường, chuyển hóa đường thành rượu

Vì vậy, sau khi dịch hóa, dịch tinh bột cần được chuyển thành đường trước khi lên men về lý thuyết, sự chuyển tinh bột thành đường có thể xảy ra nhờ sự xúc tác của các chất hóa học (acid, bazơ) hoặc men amylase Trong sản xuất rượu người ta chỉ sử dung enzym amylsae để đường hóa

Trang

26

2.4.2.2 Những biến đoi xảy ra trong quả trình đường hóa

Sau khi dịch hóa tinh bột chủ yếu bị biến đổi thành dextrin mạch ngắn và một phần glucose khi vào ở thời điểm thích hợp cho glucoamylsae hoạt động thì các enzym này sẽ tiến hành phân cắt dextrin và tạo ra các sản phẩm chủ yếu là đường glucose để chuẩn bị cho quá trình lên men

2.4.3 Quá trình lên men rượu

2.4.3.1 Khải auảt về auả trình lên men rươu

Lên men rượu là một quá trình trao đổi chất nhờ tác dụng của các enzym tương ứng gọi

là chất xúc tác sinh học (được sinh ra từ sự trao đổi chất để duy trì sự sống của nấm men) Tùy theo sản phẩm tích tụ sau quá trình lên men người ta chia làm nhiều kiểu lên men khác nhau Lên men rượu, bia đều là quá trình lên men yếm khí với sự có mặt của nấm men Nấm men chuyển hóa đường thành rượu etylic và CO2 Người ta còn gọi lên men là quá trình cồn hóa, rượu hóa Trong quá trình lên men rượu người ta chia làm hai thời kỳ chính:

Thời kỳ phát triển sinh khối: giai đoạn này với sự có mặt của O2 tế bào nấm men phát triển sinh khối (gia tăng kích thước và số lượng)

Thời kỳ lên men chuyển đường thành rượu và CO2: giai đoạn này, nấm men hấp thụ các chất dinh dưỡng và sử dụng các enzym sẵn có của mình để thực hiện xúc tác sinh hóa trong quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống tạo thành rượu và CO2 (Nguyễn Đức Lượng, 2007)

2.4.3.2 Cơ chế của quá trình lên men

Cơ chế của giai đoạn lên men này như sau: đường và các chất dinh dưỡng của môi trường lên men được hấp thụ và khuếch tán vào trong tế bào nấm men qua màng tế bào và được giữ lại trong tế bào Thông qua các hoạt động sống của tế bào, sự xúc tác của hàng loạt các men khác nhau do nấm men tiết ra, rượu và CO2 được tạo thành và thoát ra khỏi tế bào Rượu tan tốt trong nước nên khuếch tán rất nhanh vào môi trường CO2 thoát ra bám vào tế bào nấm men, khi bọt khí CO2 đủ nhiều thì lực nâng sẽ lớn hơn trọng lượng tế bào nấm men, làm cho bọt khí và cả tế bào nấm men cùng nổi lên bể mặt dịch lên men, CO2 thoát ra đi vào không khí, còn tế bào nấm men thì chìm xuống trở lại và sau đó lại có bọt khí CO2 khác bám vào, tiếp tục nhiều lần như vậy cho đến khi tế bào nấm men không chuyển động lên xuống nữa thì xem như kết thúc quá trình lên men

2.4.3.3 Các yếu tổ ảnh hưởns đến auả trình lên men

Có năm yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình lên men rượu như: ảnh hưởng của nồng

độ đường, nhiệt độ, của pH, nồng độ rượu, ảnh hưởng của oxy

Trang

27

* Ảnh hưởne của none đô dườne irons dich lên men

Nồng độ đường trong dịch lên men ảnh hưởng đến hiệu suất, hoạt động của nấm men, quá trình lên men Đường cung cấp nguồn cacbon là nguồn thức ăn cho nấm men hoạt động Hàm lượng đường trong khoai lang tím thấp hơn nhu cầu của nấm men trong quá trình lên men Để tăng độ đường ta tiến hành đường hóa tinh bột trong khoai lang và bổ sung đường tinh luyện sacharose vào dịch lên men

Với nấm men rượu vang có khả năng lên men biến đường thành rượu nồng độ đường 16

- 25%, nồng độ đường quá cao sẽ ức chế nấm men và khả năng lên men rượu giảm khi nồng

độ đường 30 - 35%, ngược lại nồng độ đường quá thấp giảm năng lực lên men

* Ảnh hưởng nhiêt đô

Nhiệt độ lên men ảnh hưởng đến nấm men, quá trình lên men, chất lượng sản phẩm Nhiệt độ thấp thì quá trình lên men kéo dài nhưng chất lượng, hương vị rượu tốt hơn Nhiệt

độ lên men càng cao thì thời gian lên men càng ngắn nhưng hàm lượng các chất không mong muốn (aldehyl, diacetyl, furfurol ) càng cao, hàm lượng rượu càng thấp và hương vị sản phẩm không tốt

Để thấy rõ ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động sống của nấm men, cụ thể nấm men

Saccharomyces cerevisiae trong quá trình lên men rượu nấm men phát triển tốt nhất ở nhiệt

độ 20 - 30°C, nhiệt độ tối đa là 38°c, tối thiểu là 5°c Nấm men được nuôi cấy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu 17 - 22°c có năng lực lên men rất lớn Quá trình nên men thì nấm men sẽ chịu được giới hạn nhiệt độ khá rộng từ 1 - 45°c Nếu nhiệt độ quá 50°C nấm men sẽ chết

* Ảnh hưởng của vH

pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình lên men, tạo sản phẩm chính và phụ khác nhau Nấm men có thể phát triển trong môi trường có chỉ số pH 2 - 8 Vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH 4,2 và cao hơn, khi pH < 4,2 chỉ có nấm men phát triển.Vì vậy, trong lên men rượu để ngăn ngừa khả năng nhiễm khuẩn người ta thực hiện ttong giới hạn pH 3,5 - 4,0, với độ pH thấp nên ngoài việc ứng dụng điều chỉnh pH thích hợp còn phải kết hợp sử dụng các chất sát trùng Khi pH 8 nấm men phát triển rất kém, ngược lại vi khuẩn phát triển rất mạnh Ỏ pH 3,5 nấm men phát triển mạnh thì hầu như vi khuẩn chưa phát triển

* Ảnh hưởng nồng đô rươu

Rượu được sinh ra trong quá trình lên men có ảnh hưởng tới sự lên men

Nồng độ rượu sinh ra có ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát triển của nấm men Đa

số nấm men có thể lên men cho đến khi nồng độ rượu đạt 12 - 14% v/v Khi nồng độ rượu cao hơn mức giới hạn này sẽ ức chế nấm men và kìm hãm sự lên men rượu Khả năng sống sót

Trang

28 trong môi trường có nồng độ cồn cao là tiêu chuẩn cần có của chủng nấm men dùng trong sản xuất rượu vang Những chủng nấm men dại chỉ chịu được độ cồn thấp, do vậy chúng chỉ sống sót trong giai đoạn đầu quá trình lên men Khi độ cồn tăng cao thì chủng nấm men chịu được

độ cồn cao sẽ chiếm ưu thế

* Ảnh hưởne của oxv

Nấm men thuộc loại vi sinh vật hô hấp tùy tiện Trong điều kiện yếm khí và pH acid nó

sẽ lên men đường tạo ra rượu và CO2 Trong điều kiện đầy đủ oxy nấm men sinh sản và phát triển mạnh nó oxy hóa đường và tạo ra các sản phẩm là CŨ2và H2O, chỉ một lượng rất nhỏ rượu được hình thành Do vậy trong sản xuất rượu, giai đoạn đầu tạo điều kiện hiếu khí để nấm men sinh sản nhanh và đầy đủ số lượng tế bào cần thiết cho quá trình lên men rượu, sau

đó phải tạo môi trường tuyệt đối yếm khí để nấm men thực hiện vai trò lên men chuyển hóa đường thành rượu etylic

Trong giai đoạn bảo quản thì chúng sẽ làm cho sản phẩm có nhiều aldehyt, sản phẩm rất

dễ biến màu do các phản ứng oxy hóa, phản ứng hóa nâu gây tối màu cho sản phẩm, làm chua sản phẩm do hình thành acid hữa cơ (vi khuẩn lactic, acetic ) gây thối cho sản phẩm rượu theo thời gian bảo quản (do rượu bia là môi trường rất giàu chất dinh dưỡng cho vi khuẩn gây thối phát triển) (Nguyễn Đức Lượng, 2002)

2.5 CÁC NGHIÊN cứu TRONG VÀ NGOÀI NVỚC LIÊN QUAN

ĐẾN ĐÈ TÀI

Những nghiên cứu trong và ngoài nước chủ yếu xoay quanh việc ứng dụng nguồn tinh bột của khoai lang tím vào sản xuất cồn như các nghiên cứu của Wen-Shiang Lee và cộng sự (2012)[16], Muhammad Jusuf và Erliana Ginting (2014)[17], Liang Zhang và cộng sự (2011)[ 18]; ứng dụng vào sản xuất acid citric của Eriola Betiku và Olusola A Adesina (2013)[19J; khảo sát sự biến đổi của thành phần dinh dưỡng trong quá trình lên men của O.A Abu và cộng

sự (2000)[20J; các nghiên cứu điển hình về thành phần quan trọng nhất của khoai lang tím là anthocyanin[l 1, 21]; và thời gian gần đây các nghiên cứu lên men trên khoai lang tím và áp dụng sản phẩm rượu khoai lang tím vào các quá trình tiếp theo càng được chú trọng

2.5.1 Nghiên cứu trong nước

“Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ chế biến rượu vang từ bột khoai lang tím” [9]

Kết quả:

- Xác định được các thông số thích hợp cho quá trình dịch hóa tinh bột khoai lang tím

là nhiệt độ 70°C, pH 5,5; thu được hàm lượng chất khô hòa tan tổng số là 18,16 °Bx

Trang

29

- Xác định được các thông số thích hợp cho quá trình đường hóa tinh bột khoai lang

tím bằng enzym glucoamylase: Nồng độ enzyme thích hợp 0,3% Khi sử dụng enzym này thu

được hàm lượng đường khử và hàm lượng chất khô hòa tan tổng số lần lượt là 12,63% và 13,5°Bx; nhiệt độ xử lý là 65°c, với nhiệt độ này thu được hàm lượng chất khô hòa tan tổng

số là 17,89°Bx; pH thích hợp là 3,5, giá trị pH này thu được hàm lượng chất khô hòa tan tổng

- Khảo sát và đánh giá được ảnh hưởng của một số điều kiện như nồng độ chất khô hòa tan, pH dịch lên men, tỷ lệ giống nấm men đến quá trình lên men và chất lượng rượu vang tạo thành

- Khảo sát một số chỉ tiêu về cảm quan, hóa lý, vi sinh trên rượu vang tạo thành

Nhuơc điểm:

- Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động enzyme trong hai quá trình xử lý chưa được khảo sát về sự làm biến đổi cơ chất theo thời gian, chưa thấy được sự thay đổi hàm lượng đường khử và hàm lượng chất khô ở mỗi yếu tố theo thời gian

- Quá trình đường hóa và lên men riêng biệt, nên chưa đánh giá được tác động của hai quá trình này và sản phẩm tạo ra trong đường hóa có tác động đến sự phát triển và hoạt động của nấm men

“ Tối ưu hóa quá trình lên men giấm vang khoai lang tím (Ipomoea batatas L.) và ổn

định anthocyanin, hoạt tính chống oxi hóa trong quá trình tồn trữ”| 221

Nôi duns: Nghiên cứu đi qua hai quá trình lên men rượu và sử dụng nguồn cơ chất đó

cho lên men giấm vang Quá trình lên men sử dụng hai enzyme alpha-amylase (132,5 u/g) và

glucoamylase (296,5 u/g) và dòng nấm men Saccharomyces cerevisiae phân lập từ rượu vang

khóm [17], đi qua ba giai đoạn là dịch hóa, đường hóa và lên men Giống vi khuẩn sử dụng

cho lên men giấm vang là vi khuẩn Acetobacter aceti ( ATCC, Mỹ) Các nhân tố tối ưu cho

- Sử dụng được dòng nấm men Saccharomyce serevisiae từ nghiên cứu trước và chủng

vi khuẩn Á aceti vào quy trình nghiên cứu

- Ôn định hoạt chất anthocyanin trong sản phẩm

Nôi dung: hai bước thủy phân bang enzyme đối với vỏ khoai lang tím (là phế phẩm của

quá trình sản xuất) được tối ưu hóa Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và liều lượng enzyme cho mỗi tiến trình thủy phân (dịch hóa và đường hóa) đến hàm lượng chất khô hòa tan và hàm lượng đường khử đã được nghiên cứu

- Dịch đường glucose thu được sau đường hóa có thể được sử dụng tiếp như là nguồn carbon và được nghiên cứu chuyển đổi thành các sản phẩm hữu ích khác

Nhươc điểm:

- Yếu tố pH chưa được khảo sát sự ảnh hưởng trong quá trình dịch hóa và đường hóa

- Chưa xác định thời gian cụ thể cho xử lý mẫu ban đầu, điều kiện nhiệt độ để giữ ổn định mẫu ban đầu

> Với các nghiên cứu trong nước về quá trình lên men trên khoai lang tím, chủ yếu tiến hành thí nghiệm trên ba qua trình riêng biệt theo thứ tự là dịch hóa, đường hóa và lên men, tập trung vào khảo sát một số điều kiện có tác động ảnh hưởng đến ba quá trình này Trong bước xử lý nguyên liệu, một số nghiên cứu xử dụng hấp nguyên liệu cũng là một phương pháp gia nhiệt góp phần làm tăng hàm lượng anthocyanin, hoạt tính chống oxi hóa trong khoai lang tím Các nghiên cứu sử dụng dòng nấm men nuôi cấy được phân lập từ các môi trường lên men có nấm men phát triển trong đó Tuy nhiên hoạt tính có thể thoái hóa sau một thời gian giữ giống, không được cấy chuyền để bổ sung cơ chất mới hay là đặc tính nấm men chỉ biểu hiện tối đa trên môi trường thích nghi và phù hợp, chưa thể hiện hết hoạt tính trên môi trường

cơ chất cần lên men

> Với mục đích khảo sát quá trình lên men rượu khoai lang tím cho nồng độ cồn cao, bài luận văn đã sử dụng một dòng nấm men thương mại được phân lập và sản xuất dưới dạng bột khô, trên mỗi đơn vị sản phẩm đã có sẵn số lượng tế bào nấm men cố định, nhằm bỏ qua các giai đoạn nuôi cấy tăng sinh trong thời gian dài để có được mật độ tế bào mong muốn như trước đây Dòng nấm men có đơn vị hoạt động mạnh, phù hợp cho lên men trên các nguồn cơ chất giàu tinh bột sau khi được chuyển hóa thành đường Đề tài cũng áp dụng tiến hành đường hóa và lên men đồng thời để hạn chế sự ức chế nấm men từ môi trường có nồng độ đường cao, rút ngắn thời gian lên men và nang cao hiệu suất

Trang

32

2.5.2 Nghiên cứu ngoài nước

“Sử dụng trực tiếp các loại men sake trên khoai lang màu tím để tạo ra thức uống có cồn giàu chất anthocyanin” (Ja-Yeon Lee và cộng sự, 2015) [24]

Nôi duns: Trong nghiên cứu này để sản xuất thức uống có cồn giàu chất anthocyanin từ nguồn tinh bột trong bột khoai lang tím, một dòng Saccharomyces cerevisiae có thể sản xuất

cả glucoamylase và amylase hoặc enzym phân hủy sẽ là thuận lợi hơn cho việc sản xuất cả thức uống có cồn và ethanol nhiên liệu (Eksteen và cộng sự, 2003)[17] Nấm men rượu sau tái tổ hợp biểu hiện gien GAMl(biểu hiện enzyme glucoamylase) hoặc AMY (biểu hiện enzyme amylase) đã được nuôi cấy trong môi trường có chứa tinh bột làm nguồn carbon duy nhất để kiểm tra năng lực của chúng để thủy phân và hấp thu tinh bột

Các nồng độ khác nhau của bột khoai lang màu tím đã được thử nghiệm để xác định nồng độ nào là phù hợp nhất cho mức độ biểu hiện cao và tiết đồng thời glucoamylase và a-amylase

Kết quả:

- Dòng KCTC 7904SG có thể sử dụng tinh bột và nồng độ tế bào của nó đạt đến giá trị tối đa là 8,8 mg ml-1 sau 3 ngày tăng trưởng trong dung môi chứa tinh bột hòa tan 2% (w/v), trong khi KCTC 7904SA không thể phát triển tốt

- Dòng KCTC 7904SA cho thấy tốc độ tăng trưởng tương đối thấp (0,27 mg ml-1 1)

ngày Hoạt động glucoamylase thể hiện bởi KCTC 7904SGSA cao hơn 1,9 lần so với KCTC 7904SG

- KCTC 7904SGSA cho thấy hoạt động a-amylase cao gấp 23 lần so với KCTC 7904SA Các hoạt tính enzym được cải thiện trong KCTC 7904SGSA có tương quan dương với tốc độ đồng hoá và tăng trưởng tinh bột cao của nó

- KCTC 7904SGSA sử dụng 100% tinh bột trong môi trường nuôi cấy có chứa 2% tinh bột trong 2 ngày tăng trưởng

- Bột khoai lang tím nhiều hơn 4% (w/v) cho kết quả lên men cao nhất

- KCTC 7904SGSA cho thấy một sự phân huỷ tinh bột đáng kể hơn và hoạt tính glucoamylase cao gấp hai lần so với KCTC 7904SG Hiện tượng này có thể là do sự biểu hiện của gen GAM1 và AMY trong KCTC 7904SGSA (Eksteen và cộng sự, 2003, Kim và cộng

sự 2010)

- KCTC 7904SGSA trực tiếp lên men tinh luyện ethanol Sau 2 ngày lên men, 8,2% (v/v) ethanol được sản xuất và đạt được hàm lượng tối đa 12% (v/v) ethanol sau 5 ngày Có

Trang

33 đến 98% hàm lượng tinh bột trong bột khoai lang đã được tiêu thụ trong cùng thời kỳ, làm tăng năng suất ethanol

ưu điểm: Trong nghiên cứu này, một dòng nấm men chuyển hóa tinh bột (KCTC

7904SGSA) đã được xây dựng để đạt được sự dịch hóa trực tiếp, và lên men cho một bước chuyển đổi tinh bột từ khoai lang màu tím, có thể cung cấp một sự thay thế rẻ hơn so với sử dụng số lượng lớn enzyme thương mại và đơn giản hoá quá trình lên men tinh bột (Kim et al., 2011)

Nhươc điểm: cần nghiên cứu thêm các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng biểu hiện gen thể

hiện hoạt tín hai enzyme này, nghiên cứu để xây dựng các chất tổng hợp biểu hiện hoạt tính enzyme amylase tăng lên để lên men hiệu quả Nghiên cứu này có thể dẫn đến sự phát triển của các men nấm men rượu, nấm men vang và men bia sử dụng các hệ thống tích hợp như đề tài đã nghiên cứu

“Sản xuất và đánh giá chất lượng của giấm Makgeollỉ từ khoai lang tím sử dụng phương pháp lên men 2 giai đoạn” (Ji-Eun Chun và cộng sự, 2014) [27]

Nôi duns nshiên cứu:

Giấm khoai lang makgeolli tím được làm bằng cách lên men 2 giai đoạn đã được đánh giá

Chiết xuất chất màu từ khoai lang màu tím Chiết xuất khoai lang tím (1, 2, và 3%) được trộn với 25% chưng cất soju để xác định sự ổn định của chiết xuất chất màu và sự ổn định của dung dịch đối với chiết xuất soju Hàm lượng cồn 20% với 1% axit xitric là điều kiện thích hợp nhất để chiết xuất chất màu