Cải thiện khả năng chiết xuất tinh bột từ củ khoai lang bằng enzyme thương mại

Bài viết Cải thiện khả năng chiết xuất tinh bột từ củ khoai lang bằng enzyme thương mại được nghiên cứu với mục tiêu là nghiên cứu tác dụng của enzyme bao gồm enzyme nội sinh và enzyme thương mại vào quá trình thủy phân và xác định liều lượng enzyme phù hợp ở điều kiện thích hợp để tăng hiệu quả chiết xuất tinh bột khoai lang.

TC.DD & TP 16 (6) - 2020 CẢI THIỆN KHẢ NĂNG CHIẾT XUẤT TINH BỘT TỪ CỦ KHOAI LANG BẰNG ENZYME THƯƠNG MẠI Bùi Thị Hồng Phương1, Nguyễn Mạnh Đạt2, Đỗ Thị Thủy Lê2 Đỗ Thị Thanh Huyền1, Nguyễn Thị Hồng Lĩnh1 Tinh bột khoai lang nằm thịt củ Thịt củ tế bào nhu mô chứa tinh bột, tùy theo kích thước, trọng lượng củ mà lớp tế bào nhu mơ đơi cịn có lớp tế bào dầy, mỏng khác Cấu tạo tế bào nhu mô chủ yếu xenllulo kết nối với chất pectin Tầm quan trọng nghiên cứu ảnh hưởng enzyme nội sinh enzyme thương mại (cystolase, pectinase cellulase) đến việc phân hủy tế bào nhu mơ dẫn đến khả giải phóng hạt tinh bột có thịt củ Các thí nghiệm cho thấy enzyme tự có (nội sinh) khơng ảnh hưởng đến việc chiết xuất thu hồi tinh bột Tuy nhiên, việc bổ sung enzyme thương mại tìm thấy hiệu chiết xuất tinh bột làm tăng đáng kể nồng độ enzyme thấp Chúng nghiên cứu thấy enzyme cellulase với nồng độ 0,2% (v/w) tăng hiệu chiết tách hiệu suất thu hồi tinh bột lên đến 92,4%, chiết tách tinh bột truyền thống hiệu suất thu hồi đạt 75-78% Bên cạnh việc bổ sung hỗn hợp enzyme cytolase pectinase nồng độ 0,1% -0,1% làm tăng hiệu thu hồi Việc nghiên cứu sử dụng enzyme để chiết tách phương án tốt để thu tinh bột, thời gian nhiệt độ thích hợp cho hoạt động enzyme trình chiết tách đề cập nội dung nghiên cứu Việc sử dụng enzyme chiết tách thay cơng đoạn nghiền mà phá vỡ sợi xenllulo để giải phóng hạt tinh bột, dẫn đến tiết kiệm chi phí cho cơng đoạn nghiền Do chiết xuất có sử dụng enzyme nghiên cứu làm tăng suất chất lượng tinh bột Từ khóa: Cơ chất, thủy phân, enzyme, nghiền củ, khoai lang I ĐẶT VẤN ĐỀ Khoai lang (Ipomoea batatas [L.] Lam) thuộc giới Plantae, Solanales, họ Convolvulaceae, chi Ipomoea, loài I batatas Khoai lang coi lương thực quan trọng hầu hết quốc gia phát triển lương thực đứng thứ khu vực nhiệt đới đứng thứ giới sau lúa mì, gạo, ngô, khoai tây, lúa mạch sắn ThS Viện Công nghiệp Thực phẩm Email: bhphuong1980@gmail.com TS Viện Công nghiệp Thực phẩm 106 Trung Quốc quốc gia có sản lượng khoai lang cao giới 77,375 nghìn năm 2013, tiếp đến Nigeria, Tanzania, Uganda, Indonesia, Việt Nam, Mỹ, Ấn Độ Nhật có sản lượng 3,400; 3,018; 2,646; 2,484; 1,423; 1,201; 876 479 nghìn [2] Hơn 95% sản lượng khoai lang giới có xuất xứ từ nước phát triển khoai lang xếp vào hàng quan Ngày gửi bài: 1/9/2020 Ngày phản biện đánh giá: 1/102020 Ngày đăng bài: 20/11/2020 TC.DD & TP 16 (6) - 2020 trọng thứ năm số lương thực quốc gia (CIP, 2006) Trên tỷ dân nước Châu Á, Châu Phi Châu Mỹ Latin sử dụng khoai lang làm lương thực, thức ăn chăn ni có thu nhập trực tiếp từ khoai lang Các liệu trung tâm quốc tế khoai lang (CIP) cho thấy tỷ lệ chiết xuất tinh bột thay đổi từ 30%- 85% tổng lượng tinh bột giống sử dụng [7] Sự chiết xuất tinh bột từ giống khoai lang khác Thái Lan tìm thấy 37 đến 62% [4] Tỷ lệ chiết xuất (từ củ tươi) theo phương pháp truyền thống qui mô công nghiệp Trung Quốc thường không 12% -15% [3] Tỷ lệ chiết xuất thấp làm giảm sức hấp dẫn việc chế biến khoai lang tinh bột Việc sử dụng enzyme tăng cường chiết xuất tinh bột khoai lang phương án có khả thi giải pháp cơng nghệ chiết tách thu hồi tinh bột Enzyme đưa vào khối dịch nghiền thủy phân điều kiện thích hợp Các enzyme hỗ trợ giải phóng tinh bột từ chất xơ Padmanabhan cộng [5] chiết xuất bổ sung enzyme cao 65% 24 so với mẫu chiết tách thu nhận thơng thường Mức độ giải phóng tinh bột xác định phụ thuộc vào loại enzyme nồng độ enzyme điều kiện phản ứng enzyme Việc sử dụng enzyme dẫn đến cải thiện chất lượng tinh bột Hàm lượng tro giảm so độ hòa tan tinh bột tăng so với mẫu không xử lý enzyme [5] Mục tiêu nghiên cứu nghiên cứu tác dụng enzyme bao gồm enzyme nội sinh enzyme thương mại vào trình thủy phân xác định liều lượng enzyme phù hợp điều kiện thích hợp để tăng hiệu chiết xuất tinh bột khoai lang II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu Tinh bột chiết xuất từ giống khoai lang Nhật- VC7, thu mua từ chợ Thanh Xuân siêu thị Coopmart - Các chế phẩm enzym thương mại sử dụng: Bảng Thông số kỹ thuật chế phẩm enzyme Tên chế phẩm Nhà cung cấp Điều kiện khuyến cáo Điều kiện tối ưu Biocon India Ltd, Ấn Độ pH 3,0 – 5,0; nhiệt độ 20-55°C pH 4,0; Nhiệt độ 50°C Pectinex® Novozymes, Đan Mạch pH 4,5 – 6,0; nhiệt độ 50 - 60°C pH 4,5; Nhiệt độ 50°C Cellulast 1.5L Novozymes, Đan Mạch pH 4,0 – 6,0; nhiệt độ 50 - 60°C pH 4,5; Nhiệt độ 50°C Cytolase (PCL5) 107 TC.DD & TP 16 (6) - 2020 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu - Qui trình thí nghiệm: Thu nhận, chiết xuất tinh bột từ khoai lang Củ khoai lang tươi rửa Sau đó, cắt thành độ dày 2-3 mm theo chiều ngang Cân 200g mẫu bổ sung 360 ml nước, hỗn hợp nghiền phút máy xay Phillip Sau đó, enzyme thêm vào theo điều kiện đề cập hình Tinh bột lọc qua vải nylon cỡ lưới 150200 mesh Sữa tinh bột thu để lắng bốn Sau đó, lớp nước phía bị loại thu tinh bột ướt Lượng tinh bột ướt sấy nhiệt độ sấy 50- 55oC Cuối cùng, mẫu thu hồi lượng tinh bột tính từ công thức sau [3] Lượng tinh bột = Hiệu suất thu hồi = Lượng tinh bột thu Khối lượng mẫu củ đưa vào x 100 (1) Lượng tinh bột chiết xuất x 100 (2) Hàm lượng tinh bột Chiết xuất tinh bột sử dụng enzyme nội sinh (tự có) Người ta biết enzyme tự có trái rau tự tác động lên chúng sau thu hoạch dẫn đến làm hư hỏng hay biến đổi tính chất sau thu hái Trong khoai lang chứa nhóm enzyme α,β- amylase; cellulase pectinase có mơ củ ahtj tinh bột khoai lang Khả ảnh hưởng enzyme có tác dụng lên mơ củ khoai lang dẫn đến làm tăng hiệu chiết xuất Tác dụng enzyme nội sinh việc chiết xuất tinh bột nghiên cứu cách ủ khối củ nghiền thu cách tách củ nước muối (NaCl 0,09%) Các thí nghiệm thực ủ 30oC giữ điều kiện tĩnh (không lắc) điều kiện động (có lắc - 200 vịng /phút) từ đến (hình 1) Những thí nghiệm thực khoai lang Nhật - VC7 thu mua từ chợ Thanh Xuân siêu thị Coopmart Các tham số thử nghiệm đưa bảng Bảng Các tham số nghiên cứu để xác định ảnh hưởng enzyme nội sinh Stt Chỉ số Yếu tố kiểm soát Tối thiểu pH Nhiệt độ ( Thời gian (h) o C) Tối đa 30 50 Chiết xuất tinh bột có bổ sung enzyme thương mại: Chiết xuất tinh bột bổ sung enzyme thực cách khối củ nghiền sau bổ sung loại chế phẩm enzyme Cellulast, Pectinex® 108 Cytolase (PCL5) nồng độ khác Các chế phẩm enzyme cung cấp hãng Novozyme (Đan Mạch); Biocon India Ltd, Ấn Độ Enzyme hoạt TC.DD & TP 16 (6) - 2020 động có dải nhiệt từ 20°C đến 55°C pH 3.0 đến 6.0 Trong thí nghiệm này, củ khoai lang rửa sạch, cắt nhỏ sau nghiền nhẹ máy xay 60 giây nước muối độ pH điều chỉnh thành 4,5 Sau đó, lượng enzyme thêm vào hỗn hợp nghiền trộn kỹ Tất mẫu ủ Giống khoai lang khoai lang Nhật- VC7 chọn cho thử nghiệm Phương pháp phân tích - Xác định hàm lượng tinh bột [1] - Xác định hiệu suất thu hồi tinh bột [3] Enzyme hỗ trợ chiết tách Enzyme nội sinh Điều kiện tĩnh 30 phút Điều kiện khuấy 200 vòng/ phút Cytolase (PCL5) (0.1; 0.2; 0.3%) Thời gian phản ứng (1-5h) Enzyme thương mại Nhiệt độ phản ứng (30-55 oC) Pectinex (0.1; 0.2; 0.3%) pH p/ứng (3,0-6,0) Cellulast(0.1; 0.2, 0.3 %) ) Điều kiện tĩnh (tại 30-55 o C) Điều kiện động (tại 30-55 o C) Pectinex+Cellulast (0.1; 0.2; 0.3 %) Hình Sơ đồ chiết tách tinh bột khoai lang có sử dụng enzyme khơng sử dụng enzyme III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Chiết xuất tinh bột enzyme nội sinh Sự thu hồi tinh bột từ khoai tươi khô xác định 80% 59% Do đó, chúng tơi thấy việc chiết xuất tinh bột từ lượng lớn khoai lang khơ có sẵn mùa vụ khơng khả thi Tuy nhiên, enzyme hoạt động củ khơ tăng cường giải phóng tinh bột Điều tìm thấy việc chiết xuất dầu từ dừa [6] sử dụng enzyme vốn có Ban đầu, nghiên cứu sử dụng enzyme vốn có (nội sinh) có củ khoai lang Hai mẫu thí nghiệm thực nhiệt độ pH khối củ nghiền giữ không đổi Việc ủ khối củ nghiền điều kiện: điều kiện tĩnh điều kiện có lắc Hiệu suất tinh bột xác định sau nhiều thời gian ủ khác (1 đến giờ) Kết thí nghiệm đưa bảng Kết âm tính có gia tăng tinh bột hai trường hợp so với đối chứng Vì điều kiện enzyme nội sinh cần phải tối ưu để chiết xuất tốt Trong thí nghiệm này, ba thông số 109 TC.DD & TP 16 (6) - 2020 nghiên cứu thời gian ủ (từ - giờ), nhiệt độ (30 - 55oC) pH (4,0 -7,0) Mẫu dịch nghiền ủ điều kiện thí nghiệm điều kiện tĩnh (khơng lắc) Khơng có cải thiện đáng kể tinh bột chiết xuất thí nghiệm (bảng & 5) so với đối chứng Những thí nghiệm cho thấy enzyme vốn có khơng hỗ trợ trình chiết xuất tinh bột Bảng Ảnh hưởng enzyme nội sinh điều kiện tĩnh động chiết xuất tinh bột khoai lang Hiệu trích ly tinh bột (%) Điều kiện động Điều kiện tĩnh Thử nghiệm Thời gian ủ (h) 2 8,27 (±0,02) 8,34 (±0.27) 8,26 (±0,02) 8,32 (±0,03) 3 8,29 (±0,05) 8,28 (±0,08) 4 8,31 (±0,06) 8,29 (±0,06) 5 8,40 (±0,02) 8,36 (±0,05) Bảng Ảnh hưởng pH đến việc chiết xuất thu hồi tinh bột khoai lang Mẫu pH 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 Hiệu trích ly tinh bột (%) 8,30 8,36 8,41 8,43 8,44 8,38 8,42 Bảng Ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ đến việc chiết xuất thu hồi tinh bột khoai lang 110 Mẫu Nhiệt độ (oC) Hiệu trích ly tinh bột (%) 30 35 40 45 50 55 8,43 8,48 8,51 8,55 8,56 8,53 TC.DD & TP 16 (6) - 2020 Chiết xuất tinh bột bổ sung enzyme thương mại Các tinh bột có rễ củ nằm sợi xellulo liên kết với chất pectic Khi có tác động enzyme chúng công phá vỡ liên kết sợi dẫn đến giải phóng hạt tinh bột tốt Đây lý để sử dụng enzyme cho mục đích Hiệu enzyme việc chiết xuất tinh bột xác định cách so sánh tinh bột chiết xuất ủ khối củ nghiền với enzyme mẫu không bổ sung thêm enzyme (đối chứng) Chúng xác định việc bổ sung enzyme điều kiện động (có lắc) để cải thiện suất tinh bột đáng kể (bảng 6) Việc sử dụng enzyme cellulast nồng độ 0,2%-0,3% lắc dường mang lại khả thu tinh bột cao (90-92%) Tinh bột chiết xuất phương pháp có xử lý enzyme cao hiệu xuất tăng lên 10-11% so với mẫu thực mà không bổ sung enzyme Tuy nhiên, nồng độ enzyme cellulase cao hơn, hiệu suất tinh bột tìm thấy thấp chút Điều việc bổ sung thêm enzyme dẫn đến thủy phân tinh bột số hoạt động tự phân có enzyme Phức hợp enzyme pectinase enzyme cellulase không tự cải thiện việc chiết xuất tinh bột nồng độ enzyme thử Tuy nhiên, hỗn hợp cytolase (0,1%) pectinex (0,1%) cho khả thu hồi tinh bột cao (92,5%), kết giống với kết báo cáo nghiên cứu [3].Thu hồi tinh bột giảm xuống 90,43 % nồng độ enzyme cellulast 0,3% giống cytolase tăng nồng độ enzyme Mặt khác, xu hướng phục hồi tinh bột gia tăng tăng nồng độ hỗn hợp pectinase cellulase Bảng Ảnh hưởng loại enzyme đến việc chiết xuất thu hồi tinh bột khoai lang Mẫu Enzyme Hiệu suất trích ly (%) Điều kiện động (lắc 200v/ phút, 30 oC) Điều kiện tĩnh 30 o C Cytolase 6,40 (±0,39) 7,14 (±0,13) Pectinase 8,17 (±0,20) 8,01 (±0,33) Cellulase 9,19 (±0.54) 8,21 (±0,35) Cytolase + Pectinase 8,51 (±0,20) 4,96 (±0,33) Pectinase+ Cellulase 10,72(±0.54) 10,69 (±0,35) Cytolase + Cellulase 8,51 (±0,20) 4,96 (±0,33) ĐC 7,40 (±0,39) 7,14 (±0,13) 111 TC.DD & TP 16 (6) - 2020 Bảng Ảnh hưởng nồng độ enzyme đến việc chiết xuất thu hồi tinh bột khoai lang điều kiện động Nồng độ (%) Năng suất (%) 0,1 9,19 Hiệu suất thu hồi (%) 89,19 0,2 0,3 0,1 0,2 11,68 91,68 10,43 6,68 90,43 86,68 8,31 88,31 0,3 0,1 7,50 6,82 87,50 86,82 0,2 8,89 88,90 0,3 8,17 88,27 Cytolase + Pectinase 1:1 (0,1%- 0,1%) 7,18 87,13 Pectinase+ Cellulase 1:1 (0,1% - 0,1%) 7,69 87,72 Cytolase + Cellulase 1:1 (0,1%- 0,1%) 8,05 88,00 Enzyme Cellulase Pectinase Cytolase Trong thí nghiệm động (có lắc q trình ủ) chúng tơi thấy enzyme cellulase nồng độ cao (0,2%) tạo suất thu hồi tốt (11,68%) 30oC hiệu suất thu hồi đạt 91,68% Trong tất trường hợp, chiết xuất tinh bột tốt chế độ có lắc so với thí nghiệm chế độ tĩnh Kết đồng quan điểm với tác giả M Mahfuzur Rahman, 2003 [3], họ với chiết xuất có bổ sung enzyme chế độ có lắc kết đạt hiệu xuất thu hồi tinh bột 95% Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả chiết xuất thu hồi tinh bột Trong thí nghiệm nhiệt độ cao 30oC điều kiện động (có lắc), cellulase 112 nồng độ 0,2% cho suất cao 12,34 % tương đương với thu hồi 92,34% Nói chung suất cao nhiệt độ cao điều kiện tĩnh Nhưng nhiệt độ thấp hơn, chế độ có lắc tăng suất thu hồi Do đó, có lắc nhiệt độ cao mong muốn để chiết xuất tinh bột sử dụng có hỗ trợ enzyme Mặc dù nghiên cứu trước quan trọng tương tác enzyme chất nghiên cứu, trường hợp này, chất xơ chất pectin khác, phụ thuộc vào điều kiện tối ưu enzyme sử dụng Các nhà cung cấp enzyme thương mại khuyến cáo cho biết rằng, nhiệt độ sử dụng nghiên cứu TC.DD & TP 16 (6) - 2020 thực phạm vi hoạt động enzyme Khả có nhiệt độ cụ thể giúp sàng lọc tốt thời gian ngắn cần nghiên cứu Do vậy, chúng tơi tiến hành thí nghiệm với enzyme sử dụng Cellulase nồng độ 0,2% khoảng nhiệt độ nghiên cứu từ 30- 60oC, bước nhảy nhiệt 5oC Kết trình bày bảng Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ đến việc chiết xuất thu hồi tinh bột khoai lang Nhiệt độ ( oC) Năng suất (%) Hiệu suất thu hồi (%) 30 11,68 91,68 35 11,75 91,75 40 11,96 91,96 45 12,09 92,09 50 12,34 92,34 55 12,03 92,03 Như vậy, với việc nghiên cứu tác động yếu tố nhiệt độ đến hiệu thu hồi xác định nhiệt độ nhiều ảnh hưởng đến cơng đoạn chiết xuất tinh bột xử lý enzyme, với kết thu bảng thấy hiệu suất thu hồi tinh bột đạt 92,34% Trong tất thí nghiệm báo cáo đây, củ khoai lang nghiền 60 giây Để giải phóng hạt tinh bột từ củ cơng đoạn nghiền tăng thời gian nghiền từ phút lên hai đến ba phút thí nghiệm Điều dẫn đến việc tăng suất tinh bột lên 16,5% Vấn đề nghiên cứu chiết xuất tinh bột tăng lên cách xử lý phương pháp nghiền enzyme Việc bổ sung enzyme làm giảm nhu cầu nghiền giúp giải phóng tinh bột từ chất xơ Trong giảm cơng đoạn nghiền làm giảm chi phí lượng, tốn đặt xem chi phí thực enzyme chi phí nghiền đâu thích hợp cho cơng nghệ thu hồi để giảm chi phí sản phẩm Ngồi ra, kết cho thấy phục hồi hoàn toàn tinh bột cách nghiền nhẹ xử lý enzyme phịng thí nghiệm, trước áp dụng vào thí nghiệm quy mơ cơng nghiệp cần thiết Điều liên quan đến bể bùn phụ có khơng có máy khuấy để ủ Tuy nhiên, điều dẫn đến phải sử dụng máy móc cơng suất cao, chi phí lượng cao, lượng nước thải sử dụng lớn Vì vậy, sử dụng enzyme việc cải thiện chiết xuất tinh bột khơng tiết kiệm chi phí mà cịn đánh giá có tác động đến mơi trường 113 TC.DD & TP 16 (6) - 2020 IV KẾT LUẬN Enzyme nội sinh (vốn có) khơng có ảnh hưởng đáng kể việc cải thiện chiết xuất tinh bột Khả sử dụng enzyme để giải phóng tinh bột từ chất xơ cho thấy rằng, việc bổ sung enzyme thương mại enzyme Cellulase, pectinase, cytolase hay hỗn hợp enzyme cytolase pectinase cytolase cellulase hiệu việc cải thiện việc chiết xuất tinh bột Enzyme hỗ trợ giải phóng tinh bột nồng độ thấp Ở nghiên cứu xác định hiệu sử dụng enzyme thương mại Cellulase nồng độ 0,2% cho hiệu suất thu hồi cao đạt 92,4% TÀI LIỆU THAM KHẢO DuBois, M., et al (1956) Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances Analytical Chemistry 28(3): 350-356 FAO (2014) FAO Stat 2014 M Mahfuzur Rahman, S and S K Rakshit (2003) Improved Extractibility Of Sweet Potato Starch Using Commercial Hydrolytic Enzymes St Joseph, MI, ASAE Maneepun, S R S a M Y (1992) Sweet potato Starch and Flour Research in Thailand Workshop proceedings on Product Development for Root and Tuber Crops- Asia Padmanabhan, S., et al (1993) Enzymic treatment of cassava flour slurry for enhanced recovery of starch Food Biotechnology 7(1): 1-10 Tano-Debrah, K and Y Ohta (1997) Aqueous Extraction of Coconut Oil by an Enzyme-Assisted Process 74(4): 497-502 Wheatley, C (1996) Sweet potato starch: production, properties and utilization in East and South East Asia Advanced Post-Academic Course on Tapioca Starch Technology 2.(c-06-1-23) Summary IMPROVING EXTRACTIBILITY OF SWEET POTATO STARCH USING COMMERCIAL HYDROLYTIC ENZYMES The starch of sweet potato is in the roots The root meat is the tissue containing starch, depending on the size and weight of the bulb, but between the layers of parenchyma cells, there are sometimes different thick and thin layers of cells The structure of parenchymal cells is mainly cellulose, which is connected by the pectin substrate The importance of this study is the effect of endogenous and commercial enzymes (cystolase, pectinase, and cellulase) on the breakdown of parenchymal cells leading to the release of starch granules in tuber flesh The experiments revealed that the inherent or endogenous enzyme had no substantial effect on improving starch extraction However, the addition of commercial enzyme was found to increase the extraction of starch considerably even at lower levels of rasping It was found that cellulase enzyme at 0.2% (v/w) gave also more than 92.4% starch recovery Keywords: The starch, hydrolysie, enzyme, sweet potato 114 ... lượng tinh bột tính từ cơng thức sau [3] Lượng tinh bột = Hiệu suất thu hồi = Lượng tinh bột thu Khối lượng mẫu củ đưa vào x 100 (1) Lượng tinh bột chiết xuất x 100 (2) Hàm lượng tinh bột Chiết xuất. .. 0.2; 0.3 %) Hình Sơ đồ chiết tách tinh bột khoai lang có sử dụng enzyme không sử dụng enzyme III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Chiết xuất tinh bột enzyme nội sinh Sự thu hồi tinh bột từ khoai tươi khô xác... kể việc cải thiện chiết xuất tinh bột Khả sử dụng enzyme để giải phóng tinh bột từ chất xơ cho thấy rằng, việc bổ sung enzyme thương mại enzyme Cellulase, pectinase, cytolase hay hỗn hợp enzyme