Xác định chế phẩm enzyme và điều kiện thích hợp để xử lý lớp nhớt cà phê vối bằng phương pháp ướt

- Xác ñịnh các tham số tối ưu trị số pH, nhiệt ñộ, liều lượng enzyme trong quá trình lên men xử lý lớp nhớt hạt cà phê vối.. - Xác ñịnh mức ñộ ảnh hưởng của quy trình chế biến sử dụng en

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN VĂN THƯỜNG

Đà Nẵng - Năm 2011

Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN THƯỜNG

Phản biện 1: TS Đặng Minh Nhật

Phản biện 2: GS TSKH Lê Văn Hoàng

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 7 năm

2011

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đối với cà phê Việt Nam, tuy diện tích, năng suất và sản lượng không ngừng tăng lên nhưng chi phí sản xuất trên một ñơn vị sản phẩm vẫn cao, chất lượng cà phê còn thấp, nên giá bán sản phẩm

bị giảm, dẫn ñến sức cạnh tranh của cà phê Việt Nam trên thị trường thế giới chưa cao, giá cả không ổn ñịnh, làm cho cuộc sống người dân còn nhiều khó khăn Để tăng chất lượng cà phê trong nước cũng như ổn ñịnh giá cà phê chúng ta cần phải nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê trong chế biến

Trong các phương pháp chế biến, chế biến ướt sẽ ñem lại chất lượng cà phê cao nhất Tuy nhiên phương pháp chế biến ướt theo cách truyền thống phải ñầu tư nhiều trang thiết bị, sử dụng nhiều nước sạch, thải ra nhiều nước bẩn, chi phí xử lý nước thải lớn;

và lại cần công nhân lành nghề ñể thực hiện; do ñó giá thành sản phẩm chế biến ướt thường cao Vì vậy, việc tìm ra giải pháp kỹ thuật mới ñể cải tiến phương pháp chế biến ướt nhằm rút ngắn thời gian chế biến, giảm chi phí ñầu tư và nâng cao ñược chất lượng sản phẩm

là vấn ñề rất cấp thiết

Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi mạnh dạn chọn ñề tài:

“Xác ñịnh chế phẩm enzyme và ñiều kiện thích hợp ñể xử lý lớp nhớt quả cà phê vối bằng phương pháp ướt”, nhằm ñáp ứng yêu

cầu này

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Lựa chọn ñược loại enzyme tốt nhất ñể xử lý lớp nhớt của

cà phê vối trong chế biến ướt

- Xác ñịnh các tham số tối ưu (trị số pH, nhiệt ñộ, liều lượng enzyme) trong quá trình lên men xử lý lớp nhớt hạt cà phê vối

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào giai ñoạn xử lý lớp nhớt quả cà phê tại một xưởng chế biến ở Đăklăk (quy mô nhỏ)

- Xác ñịnh mức ñộ ảnh hưởng của quy trình chế biến sử dụng enzyme ñến chất lượng cà phê nhân bảo quản so với quy trình lên men tự nhiên và ñánh nhớt cơ học

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu quả cà phê vối (Robusta) tại tỉnh ĐăkLăk

- Các nguồn enzyme thương phẩm do các hãng/ công ty ña quốc gia sản xuất và có ñại diện tại Việt Nam (chứa nhóm enzyme

pectinases)

- Quy trình cần nghiên cứu: xử lý lớp nhớt trong công nghệ chế biến ướt

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Xác ñịnh các ñiều kiện tối ưu ñể chế phẩm enzyme

pectinase có khả năng xử lý lớp nhớt cao nhất

- Thiết lập cơ sở khoa học cho việc ứng dụng enzyme trong chế biến cà phê tại Việt Nam

5.2 Ý nghĩa thực tiễn của ñề tài

- Việc sử dụng chế phẩm enzyme trong quá trình sản xuất cà phê ở giai ñoạn tách nhớt ñể loại bỏ lớp nhớt ngoài vỏ thóc bao quanh nhân cho sản phẩm là cà phê thóc ướt sạch nhớt ñể thuận tiện cho phơi sấy

- So với các phương pháp trước ñây thì việc sử dụng chế phẩm enzyme vào sản xuất sẽ có thể tiết kiệm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cà phê ñể tăng tính cạnh tranh của sản phẩm cà phê Việt Nam trên thị trường thế giới

- Ngoài ra nó còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường, giảm ñược lượng nước rửa, giảm chỉ số BOD5 và TSS trong nước thải theo phương pháp chế biến ướt

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn gồm các chương và các phần chính như sau:

Mở ñầu

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ BIẾN CÀ PHÊ

1.1.1 Các chủng loại/giống cà phê

1.1.2 Cấu tạo của quả cà phê

1.1.3 Phương pháp chế biến cà phê nhân

1.1.4 Tổng quan về chất lượng hạt cà phê, các yếu tố tác ñộng ñến chất lượng

1.2 TỔNG QUAN VỀ ENZYME

1.2.1 Giới thiệu về chế phẩm enzyme pectinase

1.2.2 Pectin và cơ chế tác dụng của pectinase

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.3.1 Các công trình trong nước

1.3.2 Các công trình ngoài nước

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Nguyên liệu

Quả cà phê vối chín ñược thu hoạch vào tháng 11- 12/2010

và tháng 01/2011 từ các vườn cây của Viện Khoa học Kỹ thuật Nông lâm nghiệp Tây Nguyên

2.1.2 Các enzyme sử dụng trong nghiên cứu

Các enzyme thương phẩm do các hãng/ công ty ña quốc gia

sản xuất và có ñại diện tại Việt Nam, gồm: Lumipect-CP, Rohapect®

10L, Rohament® pulpex, Pectinex® Ultra SP-L

2.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Bố trí thí nghiệm

2.3.1.1 Thành phần hóa học chủ yếu trong lớp nhớt cà phê vối 2.3.1.2 Lựa chọn loại chế phẩm enzyme thích hợp ñể xử lý lớp nhớt cà phê vối

2.3.1.3 Xác ñịnh liều lượng enzyme thích hợp cho xử lý lớp nhớt của cà phê thóc

2.3.1.4 Xác ñịnh pH thích hợp ñể chế phẩm có hiệu lực cao nhất 2.3.1.5 Xác ñịnh nhiệt ñộ tối ưu ñể chế phẩm có hiệu lực cao nhất

2.3.2 Các chỉ tiêu theo dõi và phương pháp xác ñịnh

2.3.2.1 Phương pháp tiến hành làm mẫu thí nghiệm

2.3.2.2 Phương pháp lấy mẫu

2.3.2.3 Xác ñịnh ñộ nhớt

2.3.2.4 Xác ñịnh pH nước rửa cà phê sau ủ

2.3.2.5 Xác ñịnh ñộ ẩm nhân

2.3.2.6 Tỉ lệ cà phê nhân khô thu ñược ở ẩm ñộ 12,5%

2.3.2.7 Ph ương pháp xác ñịnh tỷ lệ sạch nhớt cà phê thóc tươi sau

ủ enzyme

2.3.2.8 Phương pháp toán học

Các phương pháp này ñược xử lý bởi các phần mềm chuyên dùng trong nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm MSTATC 1.2 for Windows (2005), Excel (2003)

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CHỦ YẾU CỦA LỚP NHỚT

liều lượng sử dụng enzyme pectinase bổ sung vào cho phù hợp,

nhằm tăng tối ña khả năng làm sạch lớp nhớt của hạt cà phê thóc, và giảm thiểu tác ñộng xấu ñến chất lượng cà phê nhân thành phẩm

3.2 XÁC ĐỊNH CHẾ PHẨM ENZYME THÍCH HỢP ĐỂ XỬ

LÝ L ỚP NHỚT QUẢ CÀ PHÊ VỐI

Hình 3.1 biểu diễn quá trình giảm ñộ nhớt của dịch chiết bằng số tương ñối (%) trong ñó ñộ nhớt của dịch chiết trước khi xử

lý enzyme là 270 mPa.s tương ứng 100% Với ñối chứng sau 30 phút

ñộ nhớt vẫn còn 97,5%, trong khi các công thức ñược xử lý enzyme sau 30 phút ñộ nhớt chỉ còn 6 - 35% Sau 84 phút, ñộ nhớt của ñối chứng (dịch nhớt) vẫn còn 92,0%, trong khi ñộ nhớt của các công thức xử lý enzyme chỉ còn dưới 10%

Hình 3.1 Sự thay ñổi ñộ nhớt của dịch chiết xuất lớp nhớt cà phê

vối sau khi xử lý các loại enzyme khác nhau

Trong 4 chế phẩm enzyme thử nghiệm, Lumipect-CP (chứa

Polygalacturonase ñơn lẻ) có hiệu lực thấp (sau 30 phút xử lý, ñộ

nhớt của dịch chiết vẫn còn 35%) còn lại 3 enzyme khác có hiệu lực rất tốt, sau 30 phút làm ñộ nhớt của dịch chiết giảm chỉ còn 5 - 10% Tuy nhiên trong 3 loại này, Pectinex® Ultra SP-L (chứa chủ yếu

Polygalacturonase và tỷ lệ nhỏ hemicellulase) có hiệu lực kém hơn

hai loại còn lại

Từ kết quả thử nghiệm 4 chế phẩm enzyme, ñã loại ñược hai

chế phẩm là Lumipect-CP và Pectinex® Ultra SP-L; sơ tuyển ñược 2 loại chế phẩm enzyme là Rohapect® 10L và Rohament® Pulpex

Mặt khác, xét về tính sử dụng thì Rohament® Pulpex phức tạp và rườm rà hơn Rohapect® 10L và lại có nguy cơ làm chất lượng

sản phẩm không ñồng ñều nếu các thao tác xử lý không ñược thực

hiện nghiêm túc Tôi quyết ñịnh chọn chế phẩm Rohapect® 10L ñể

làm các thử nghiệm tiếp theo

3.3 XÁC ĐỊNH LIỀU LƯỢNG ENZYME THÍCH HỢP CHO

XỬ LÝ LỚP NHỚT QUẢ CÀ PHÊ VỐI

3.3.1 Kết quả xác ñịnh liều lượng enzyme thích hợp cho xử lý thời gian 2 giờ

3.3.1.1 Mức ñộ sạch nhớt của cà phê thóc sau xử lý enzyme 2 giờ

97 96 86

100 100 98 95 95 84

Hình 3.2 Hiệu quả xử lý lớp nhớt của enzyme Rohapect® 10L ở

các liều lượng khác nhau xử lý 2 giờ

Kết quả thu ñược ở hình 3.2 cho thấy, mức ñộ sạch nhớt tăng dần theo sự tăng liều lượng enzyme Tuy nhiên tỉ lệ sạch nhớt từ 90% trở lên mới ñược coi là sạch thì trong 6 công thức về liều lượng

ở tỷ lệ cà phê/nước là 10/5, 10/4, 10/3 chỉ có hai liều lượng là 300 ppm và 350 ppm mới ñáp ứng yêu cầu tách lớp nhớt ra khỏi vỏ thóc tốt nhất, còn với tỷ lệ 10/2 nhớt ñược làm sạch ở liều lượng 250 ppm Riêng ñối với tỷ lệ 10/1 chỉ với liều lượng 150 ppm hạt cà phê thóc

34,4

33,3

32,4

31,6 31,4

31,1

33,5 33,3 32,4

31,6

33,8 33,7

31,3

31,4 30,9 32,2

33,4 34,1

31,4

34,3

35

32,2 31,8 31,4

32,3

36,2

34,4 34,5 35,1 35,3 35,3

Từ kết quả hình 3.3 cho thấy, tỉ lệ cà phê nhân khô thu ñược

ở ẩm ñộ 12,5% lại có xu hướnggiảm dần theo sự tăng của liều lượng

enzyme Rohapect® 10L từ 150 - 350 ppm

Kết quả cũng cho thấy khối lượng cà phê nhân thu ñược tăng dần theo sự tăng của tỉ lệ cà phê/nước và sự khác biệt về tỉ lệ cà phê nhân thu ñược Ở tỉ lệ 10 cà phê/1 nước thì khối lượng cà phê nhân khô ñạt cao nhất so với các tỉ lệ khác

Tóm lại, liều lượng chế phẩm enzyme Rohapect®10L thích

hợp nhất ñể xử lý lớp nhớt cà phê vối trong thời gian 2 giờ là 150 ppm (tính theo khối lượng cà phê thóc ướt còn nhớt) với tỉ lệ pha trộn 10 cà phê/1 nước

3.3.2 Kết quả xác ñịnh liều lượng enzyme thích hợp cho xử lý lớp nhớt với thời gian 10 giờ

3.3.2.1 Mức ñộ sạch nhớt của cà phê thóc sau xử lý enzyme 10 giờ

Hình 3.4 Hiệu quả xử lý lớp nhớt của enzyme Rohapect® 10L ở

các liều lượng khác nhau xử lý 10 giờ

Kết quả hình 3.4 cho thấy mức ñộ sạch nhớt của cà phê thóc tăng khi liều lượng enzyme tăng Ở các tỉ lệ cà phê/nước khác nhau thì mức ñộ sạch nhớt của cà phê thóc ñều tăng dần theo liều lượng

35

36,9

35,6

34,4 36,6

34,3 36,7

34,2

36

34,6 35,3

Kết quả ở hình 3.5 cho thấy giữa liều lượng enzyme và tỉ lệ

cà phê nhân khô ở ẩm ñộ 12,5% có sự tương quan nghịch với nhau; tức là liều lượng enzyme càng cao thì tỉ lệ cà phê nhân khô thu ñược càng thấp.Tỉ lệ cà phê nhân thu ñược giảm dần theo sự tăng của liều

lượng enzyme Rohapect® 10L từ 40 - 90 ppm

Kết quả cũng cho thấy tỉ lệ nhân thu hồi ñạt cao nhất ở tỉ lệ

cà phê/nước là 10/5 và thấp nhất ở tỉ lệ cà phê/nước 10/1 Chênh lệch giữa tỉ lệ thu hồi cao nhất và tỉ lệ thu hồi thấp nhất là 1% Do vậy, kết hợp với sự ñánh giá mức ñộ sạch nhớt, chúng tôi chọn tỷ lệ cà phê/nước là 10/3

3.4 XÁC ĐỊNH pH THÍCH HỢP ĐỂ CHẾ PHẨM ENZYME

CÓ HIỆU LỰC CAO NHẤT

3.4.1 Xử lý 2 giờ với các công thức liều lượng enzyme cao

94,3 95

96,7 95,7

Kết quả hình ở 3.6 cho thấy, với thời gian ủ 2 giờ chế phẩm

enzyme Rohapect®10L hoạt hóa lớp nhớt của hạt cà phê vối trong

môi trường acid tốt hơn trong môi trường trung tính (pH = 6,8~7) Khoảng pH thích hợp nhất là từ 4,5 - 5,5 Tuy vậy, pH 3,5 và 6 cũng cho kết quả khá

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên tỷ lệ cà phê nhân thu hồi ở ẩm ñộ 12,5% ñược thể hiện ở hình 3.7

Kết quả ở hình trên cho thấy, tỉ lệ cà phê nhân khô thu ñược

ở ẩm ñộ 12,5% có sự chênh lệch rất có ý nghĩa thống kê (p<0,05), ở giá trị pH thấp thì tỉ lệ cà phê nhân khô thu ñược thấp hơn so với ở giá trị pH cao cụ thể ở pH = 3,5 thì tỉ lệ cà phê nhân khô là 36% trong khi ñó ở pH = 7 thì tỉ lệ cà phê nhân khô là 38,1% Theo quan sát của chúng tôi, cà phê thóc sau khi phơi ở công thức pH thấp thì màu trắng hơn so với công thức pH cao

Xét khía cạnh tiết kiệm chi phí sản xuất ñể làm tăng hiệu quả của chế biến thì ở pH môi trường (6,8~7) với liều lượng enzyme 150 ppm ñã có kết quả tốt, không cần phải ñiều chỉnh pH môi trường mà

vẫn ñảm bảo sạch nhớt, tỷ lệ thu hồi nhân khô cao hơn so với các công thức khác pH từ 3,5 - 6 Do ñó chúng tôi chọn pH môi trường (6,8~7) ñể tiến hành các thí nghiệm tiếp theo

3.4.2 Xử lý 10 giờ với các công thức liều lượng enzyme thấp

Kết quả còn cho thấy, ñiều kiện pH 4,5 – 5 là thích hợp cho enzyme có hoạt tính cao nhất

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt ñộ lên tỷ lệ cà phê nhân thu hồi ở ẩm ñộ 12,5% ñược thể hiện ở hình 3.9:

3.5 XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TỐI ƯU ĐỂ CHẾ PHẨM ENZYME CÓ HI ỆU LỰC CAO NHẤT

3.5.1 Xử lý 2 giờ với các công thức liều lượng enzyme cao

Từ kết quả hình 3.10 cho thấy, mức ñộ sạch nhớt của cà phê thóc ñều ñạt sau thời gian xử lý 2 giờ ở liều lượng 150 ppm với tỉ lệ

là 10 cà phê/1 nước

chế phẩm enzyme Rohapect®10L cũng làm sạch lớp nhớt, tuy kém

hơn ñiều kiện môi trường có nhiệt ñộ cao hơn, nhưng không kém là bao

Từ kết quả ở hình 3.11 cho thấy, ñể làm tăng hiệu quả của chế biến thì cần xử lý ở nhiệt ñộ môi trường với liều lượng enzyme

150 ppm, tỷ lệ 10 kg cà phê/1 lít nước ñã có kết quả tốt, tỷ lệ thu hồi nhân khô cao hơn so với các công thức khác nhiệt ñộ Do ñó trong thí nghiệm này chúng tôi chọn nhiệt ñộ môi trường (20~25oC)

Kết quả hình 3.12 cho thấy, mức ñộ sạch nhớt của cà phê

thóc tăng dần theo sự tăng nhiệt ñộ của khối ủ

Ở mức nhiệt ñộ từ 30o

C ñến 55oC chế phẩm enzyme

Rohapect® 10L hoạt hóa lớp nhớt của hạt cà phê vối ñều rất tốt Tại

nhiệt ñộ môi trường trong mùa lạnh 18~25oC (môi trường), chế

phẩm enzyme Rohapect® 10L cũng làm sạch lớp nhớt, tuy kém hơn

ñiều kiện môi trường có nhiệt ñộ cao hơn

Qua hình 3.13 cho thấy, khối lượng cà phê nhân thu ñược giảm dần theo sự tăng của nhiệt ñộ và sự khác biệt về tỉ lệ cà phê nhân thu ñược có ý nghĩa thống kê (p<0,001) Ở nhiệt ñộ môi trường thì khối lượng cà phê nhân khô ñạt cao nhất so với ở các mức nhiệt

enzyme 60 ppm, tỷ lệ 10 kg cà phê/3 lít nước ñã có kết quả tốt, tỷ lệ thu hồi nhân khô cao hơn so với các công thức khác nhiệt ñộ Do ñó trong thí nghiệm này chúng tôi chọn nhiệt ñộ môi trường (18~25oC)

3.6 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO GIAI ĐOẠN LÊN MEN CÀ PHÊ VỐI TẠI XƯỞNG CHẾ BIẾN CÀ PHÊ Ở ĐĂKLĂK

3.6.1 Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào chế biến ướt trong sản xuất

Kết quả thu ñược ở hình 3.15:

Hình 3.15 Mức ñộ sạch nhớt của qui trình sản xuất thông thường của xưởng chế biến và quy trình có bổ sung enzyme

Dựa vào kết quả hình 3.15 chúng tôi nhận thấy, ở hai công thức xử lý enzyme ñều sạch nhớt, sau thời gian 2 giờ (CT1) cà phê

xử lý enzyme với liều lượng 150 ppm ñã sạch nhớt ñạt tới 97%, còn

xử lý thời gian 10 giờ (CT2) với liều lượng 60 ppm ñạt 95,7%, ñồng thời theo quan sát của chúng tôi, nước trong bể có màu vàng trong và

cà phê có mùi thơm sạch, trong khi ñó cà phê ñược xử lý bằng acid

oxalic kết hợp với ñánh nhớt cơ học sau 12 giờ ủ vẫn chưa sạch nhớt

(75%) nước trong bể ủ có màu nâu ñen và cà phê có mùi chua

Qua quan sát hình 3.16, chúng tôi cũng nhận thấy, tỷ lệ cà

phê nhân thu hồi ở quy trình có bổ sung enzyme (xử lý enzyme 2 giờ

với liều lượng 150 ppm ñạt 37,8%, xử lý 10 giờ với liều lượng 60

ppm ñạt 36,4%) cao hơn so với quy trình không bổ sung enzyme

Li ều lượng enzyme (ppm)

Hình 3.16 Tỷ lệ thu hồi nhân ở ẩm ñộ 12,5% của qui trình sản

xuất thông thường của xưởng và qui trình có bổ sung enzyme

3.6.2 Tính toán hiệu quả kinh tế

Lợi nhuận = Tổng giá trị sản phẩm - Tổng chi phí Tổng giá trị sản phẩm = Số lượng sản phẩm × ñơn giá sản

phẩm