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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TIỀN TIẾN NAM NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH DỊCH HÓA, ĐƯỜNG HÓA VÀ LÊN MEN ETHANOL ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHƠ CAO TỪ GẠO Ngành: Cơng nghệ thực phẩm Mã số: 9540101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM Hà Nội - 2023 Cơng trình hồn thành Đại học Bách khoa Hà Nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS CHU KỲ SƠN TS PHẠM TUẤN ANH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội, họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách khoa Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Ethanol (cồn) sản phẩm có vai trị quan trọng kinh tế Trong cơng nghiệp thực phẩm, sản phẩm chứa cồn sử dụng làm đồ uống có từ lâu đời phổ biến giới Trong công nghiệp cồn dùng làm dung môi nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực hóa chất, mỹ phẩm, sinh học, dược, chế biến bảo quản nông sản thực phẩm…Ngày nay, nhu cầu lượng giới tiếp tục tăng cao nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí đốt ) ngày cạn kiệt, nhiên liệu sinh học giải pháp thay thích hợp Trong đó, cồn nhiên liệu thay quan trọng sử dụng rộng rãi hầu hết quốc gia giới Nguyên liệu để sản xuất cồn nguyên liệu chứa đường (đường mía, rỉ đường, củ cải đường…), chứa tinh bột (củ, hạt, ngũ cốc), nguyên liệu chứa cellulose nguyên liệu từ sinh khối tảo [1] Công nghệ sản xuất sản lượng cồn chủ yếu sử dụng nguồn nguyên liệu chứa đường tinh bột [1,2] Trên giới nguyên liệu sản xuất cồn sử dụng nhiều ngơ, đường mía Các ngun liệu cellulose sinh khối tảo tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện [2,3] Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu chứa tinh bột thường sử dụng sản xuất cồn thực phẩm gạo Đây loại lương thực chính, nguyên liệu để sản xuất rượu truyền thống sản xuất cồn thực phẩm nước ta Đây trồng chủ lực có sản lượng lớn Việt Nam, hàng năm nước ta ba nước có sản lượng gạo xuất cao giới [4] Do đó, nội dung nghiên cứu luận án chủ yếu đề cập đến công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột, cụ thể từ gạo Việt Nam Công nghệ sản xuất cồn truyền thống từ nguyên liệu chứa tinh bột thực qua bốn giai đoạn: dịch hóa, đường hóa, lên men chưng cất Quá trình bao gồm nhiều cơng đoạn sử dụng nhiều thiết bị, lượng tiêu tốn nhiều nước cho cơng đoạn cơng đoạn trung gian (làm nguội) sản xuất [5] Hiện nay, công nghệ đường hóa lên men đồng thời (SSF) ứng dụng phổ biến công nghiệp sản xuất cồn Trong cơng nghệ q trình hồ hóa dịch hóa thường thực nhiệt độ 80oC, q trình đường hóa lên men đồng thời thực với tác dụng enzym hệ nấm men giúp nâng cao hiệu suất lên men (HSLM), giảm chi phí sản xuất cồn [3,6,7] Trong năm gần đây, công nghệ sản xuất cồn tiết kiệm lượng không gia nhiệt phát triển nghiên cứu Với việc sử dụng enzym hệ mới, q trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời thực điều kiện nhiệt độ thường thiết bị làm giảm bớt chi phí sử dụng tài nguyên (năng lượng, nước, thiết bị…), giảm chất thải (nước thải, khí CO2) mơi trường giảm giá thành sản phẩm [5,8] Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khơ cao hay cịn gọi quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn (SLSFVHG) tập trung nghiên cứu ưu điểm suất, tiết kiệm lượng, giảm chi phí đầu tư thiết bị giảm thành phần chất thải [8] Tuy nhiên, công nghệ phát triển thời gian gần nên nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ loại ngun liệu khác nhau, chưa có nhiều ứng dụng cơng nghệ quy mô pilot quy mô công nghiệp Việc ứng dụng công nghệ SLSF-VHG từ gạo số tồn sau: chưa tối ưu nguyên liệu, enzym, chất bổ sung (nguồn nitơ); Hiệu suất lên men thấp, thời gian lên men dài, chế biến đổi thành phần dịch lên men, chế công enzym vào nguyên liệu bột gạo sống chưa giải thích đầy đủ; Chưa có thống kê lượng, đánh giá hiệu chi phí sản xuất quy trình quy mơ sản xuất nhỏ Xuất phát từ vấn đề thực tế trên, chúng tơi thực đề tài “Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa lên men ethanol đồng thời nồng độ chất khô cao từ gạo” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác định nguyên liệu, thơng số cơng nghệ giải thích chế thủy phân lên men bột gạo sống quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời nồng độ chất khơ cao Phát triển ứng dụng quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao quy mô pilot Nghiên cứu ứng dụng chưng cất chân không tách cồn đồng thời để nâng cao hiệu suất, rút ngắn thời gian lên men nâng cao nồng độ chất khô quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khô cao từ gạo Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khô cao Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học chế biến đổi thành phần dịch lên men quy trình SLSF-VHG Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn quy mơ 100 L dịch lên men Nội dung 4: Nghiên cứu lên men chưng cất chân không tách cồn đồng thời quy trình SLSF-VHG Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu bổ sung kết để lựa chọn loại nguyên liệu (gạo, enzym, nấm men) phù hợp cho quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khô cao Việt Nam Luận án cung cấp thơng tin khoa học giải thích đầy đủ động học q trình dịch hóa, đường hóa lên men ethanol quy trình SLSF-VHG tác dụng nhiều yếu tố mới: sử dụng hệ enzym hệ mới, nâng cao nồng độ chất, phương thức lên men, phương thức giảm ức chế sản phẩm cuối làm sở khoa học cho cải tiến công nghệ lên men ethanol Đánh giá hiệu việc sử dụng enzym protease sở thủy phân protein nguyên liệu khả thay hoàn toàn nitơ bổ sung bên Đã phát triển giải pháp ứng dụng chưng cất chân không tách cồn để nâng cao nồng độ chất khô rút ngắn thời gian lên men quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao Ý nghĩa thực tiễn Xác lập điều kiện công nghệ thử nghiệm sản xuất cồn không gia nhiệt với nồng độ chất khô cao quy mô 100 L làm sở phát triển quy trình nâng cao hiệu sản xuất cồn từ gạo Việt Nam, tiết kiệm chi phí giảm thiểu tác động mơi trường Những đóng góp luận án Nghiên cứu cho thấy loại gạo IR50404 loại gạo có hàm lượng amylose nhỏ 26,32% phù hợp cho quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt, sở để lựa chọn nguyên liệu cho sản xuất cồn thực phẩm từ gạo Việt Nam Luận án đề xuất thông số công nghệ, giải thích động học q trình lên men cồn, giải thích chế hoạt động tổ hợp enzym hệ thơng qua cơng nghệ dịch hóa đường hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao từ gạo, làm sở khoa học cho thiết lập cải tiến công nghệ lên men cồn từ gạo Việt Nam Kết nghiên cứu luận án cho thấy ưu điểm bật sử dụng enzym protease thay urea quy trình SLSF-VHG Đã bước đầu ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao quy mô 100 L dịch lên men Hiệu suất lên men 89,07%, nồng độ cồn dịch lên men 17,73%, tạo sản phẩm đảm bảo chất lượng an toàn thực phẩm đáp ứng TCVN 7043:2013 Ứng dụng thành công chưng cất chân không tách cồn nồng độ chất khô 350 g/L đạt nồng độ cồn 19,98% v/v, hiệu suất lên men 89,09% thời gian lên men 72 h, kết nâng cao nồng độ chất khô 12,6%, nồng độ cồn tăng 2,16% v/v, rút ngắn thời gian lên men 24 h so với quy trình SLSF-VHG tối ưu (ở nồng độ chất khô 310,8 g/L) Lần ứng dụng chưng cất chân không tách cồn nâng cao nồng độ chất khô quy trình SLSF-VHG lên 500 g/L đạt hiệu suất thời gian lên men tương đương với trình lên men nồng độ chất khô 310,8 g/L TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tình hình sản xuất cồn giới Việt Nam Tình hình sản xuất cồn giới Tình hình sản xuất cồn Việt Nam Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt Các nghiên cứu quy trình tích hợp khơng gia nhiệt nồng độ chất khơ cao cịn ít, số nghiên cứu cho hiệu suất chưa cao, chưa có nghiên cứu động học q trình, chưa có nghiên cứu mơ tả đầy đủ chế, hình thái hạt tinh bột bị thủy phân Hình 1.3 Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm lượng Nguyên liệu sản xuất cồn Nguồn chất sản xuất cồn Nguyên liệu gạo sản xuất cồn 1.2.2.1 Tình hình sản xuất sử dụng gạo sản xuất cồn 1.2.2.2 Thành phần hóa học gạo 1.2.2.3 Cấu tạo tinh bột gạo 1.2.2.4 Hình 1.5 Hình ảnh tinh bột gạo [73] Cấu tạo bột gạo Hình 1.6 Cấu tạo bột gạo [68,73] Enzym sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột Hình 1.9 Cấu tạo glucoamylase từ A niger [96] Nấm men dùng công nghệ sản xuất cồn Các yếu tố công nghệ chế thủy phân nguyên liệu quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khô cao Ảnh hưởng chế độ nghiền kích thước nguyên liệu Ảnh hưởng nồng độ enzym thủy phân nguyên liệu sống Cơ chế thủy phân enzym nguyên liệu quy trình SLSF-VHG 1.3.3.1 Cơ chế thủy phân enzym amylase tinh bột Hình 1.11 Cơ chế thủy phân enzym Stargen tinh bột ngơ [32] Có hai dạng cơng enzym tinh bột điển hình ăn mịn ngoại bề mặt ăn mịn hướng tâm[116] Rất khơng có cơng bố giải thích chế công enzym đối tượng bột nguyên liệu tác động hiệp đồng amylase protease quy trình khơng gia nhiệt cụ thể biến đổi hình thái cấu trúc 1.3.3.2 Ảnh hưởng cấu trúc bột nguyên liệu Hình 1.12 Hình thái bột sắn bị thủy phân [162] Động học trình sản xuất cồn không gia nhiệt Ảnh hưởng nồng độ chất khô Ảnh hưởng mật độ nấm men Ảnh hưởng số yếu tố công nghệ khác Tình hình ứng dụng quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt Ứng dụng chân không tách cồn đồng thời trình lên men NGUYÊN VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nguyên vật liệu Gạo Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên liệu gạo sử dụng cho nghiên cứu Độ ẩm (%) STT Tên gạo Đặc tính Nguồn gốc Tiền Giang OM5451 11,80±0,27 Dẻo mềm Long An Bụi Sữa 11,82±0,19 Nở mềm Long An IR 64 11,23±0,25 Dẻo mềm Tiền Giang 404 11,20±0,16 Nở xốp, mềm Tiền Giang Hàm Châu 11,37±0,46 Nở xốp, cứng Chế phẩm enzym Bảng 2.2 Thông số enzym sử dụng nghiên cứu Enzym Glucoamylase α-amylase Glucoamylase Protease Tên thương mại Stargen 002 Nhà sản xuất Dupont Hoạt tính pH tối ưu 570 GAU/ga 4,0-4,5 Amigase Mega L DSM Distillase ASP Dupont 580 GAU/g GA-260 Angel Spirizyme Novozymes Fermgen 2.5X Dupont 2500 SAPU/gb 4,0-4,5 4,0-4,5 4,2-4,5 4,0-5,0 4,0-5,0 Nhiệt độ tối ưu (oC) 20-40 55-60 55-65 60-62 30-35 28-35 Chế phẩm nấm men Bảng 2.3 Các chế phẩm nấm men sử dụng nghiên cứu Loại nấm men thương mại Thơng số kỹ thuật Ethanol Red® Thermosacc® AS Nhà sản xuất Fermentis Lallemand Angel Yeast pH tối ưu 4,2-4,5 3,5-6,0 3,5-5,5 Nhiệt độ tối ưu (oC) 30-40 38 28-42 Mật độ tế bào (tb/g)* ≥ 2,0 ×1010 ×1010 ×1010 Mật độ tb tt (tb/g)** 3,8 ×1010 2,7 ×1010 2,9 ×1010 Tỉ lệ tế bào sống (%)** 88,4 91,1 87,5 Chất bổ sung Hóa chất, thiết bị, địa điểm nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố trí thí nghiệm 2.3.1.1 Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, nấm men, enzym cho quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khơ cao Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định loại gạo, enzym đường hóa phụ trợ, nấm men (i) Lựa chọn loại gạo (ii) Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ (iii) Lựa chọn chế phẩm nấm men 2.3.1.2 Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học chế biến đổi thành phần dịch lên men quy trình SLSFVHG (i) Lựa chọn kích thước lưới nghiền gạo (ii) Ảnh hưởng enzym dịch hóa, đường hóa KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình SLSFVHG Lựa chọn gạo cho quy trình SLSF-VHG Nồng độ cồn (% v/v) 18 16 OM5451 a ab ab a ab b IR 64 Bụi Sữa bc a ab c a 404 b a a Hàm Châu a b a a a b 14 12 10 120 144 Thời gian (h) Hình 3.1 Nồng độ cồn theo loại gạo quy trình SLSF-VHG Gạo 404 loại gạo phổ biến trồng nhiều có sản lượng lớn, hàm lượng tinh bột cao nhất, độ cồn đạt thời gian lên men tương đương so với hai loại gạo OM5451 IR64, giá thành chi phí sản xuất thấp Do nghiên cứu lựa chọn gạo 404 làm nguyên liệu cho nghiên cứu cho quy trình SLSF-VHG Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ cho quy trình SLSF-VHG 3.1.2.1 Biến đổi đường tổng nồng độ cồn 18 300 17 250 16 200 15 14 150 13 100 12 50 11 10 24 48 72 96 120 Đường tổng-AMLThời gian (h) Đường tổng-GA-260 Đường tổng-SC Đường tổng-DA Ethanol-AML Ethanol-GA-260 Hình 3.2 Ảnh hưởng enzym phụ trợ đến đường tổng, độ cồn Nồng độ cồn (% v/v) 96 Nồng độ đường tổng (g/L) 72 11 200 Đường tổng-AS 16 150 Ethanol-ER 15 100 Ethanol-TD 14 Ethanol-AS 50 13 Nồng độ cồn (% v/v) Nồng độ đường tổng (g/L) Enzym Amigase® Mega L (AML) có hiệu cao việc nâng cao độ cồn hiệu suất lên men, nghiên cứu lựa chọn enzym đường hóa AML cho nghiên cứu Lựa chọn chế phẩm nấm men Nấm men Ethanol Red (ER) có nồng độ cồn hiệu suất lên men cao nhất, có lượng cân cấp giống thấp so với hai nấm men lại (0,92 g/L so với 1,28 1,20 g/L TD AS) Do lựa chọn Ethanol Red cho nghiên cứu quy trình SLSF-VHG 18 300 Đường tổng-ER 17 250 Đường tổng-TD 12 24 48 72 Thời gian (h) 96 120 Nồng độ tế bào (CFU/ml x 106) Hình 3.3 Biến đổi độ cồn đường tổng (a), đường khử (b) theo loại nấm men 600 500 400 300 ER TD AS 200 100 0 24 48 72 96 120 Thời gian (h) Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng nấm men ER, TD AS 12 Nồng độ cồn (% v/v) Tỉ lệ hạt lọt qua sàng (%) Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học chế biến đổi thành phần dịch lên men quy trình SLSF-VHG Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo 3.2.1.1 Kết phân tích kích thước hạt bột gạo qua lưới nghiền 110 100 90 80 70 60 0,3 mm 50 0,5 mm 40 30 1,0 mm 20 1,5 mm 10 2,0 mm 0,125 0,25 0,5 Kích thước lỗ sàng (mm) Hình 3.6 Phân bố kích thước hạt theo kích thước lưới máy nghiền Lưới nghiền 1,0 mm có phân bố kích thước hạt bột gạo khác biệt so với kích lưới nghiền cịn lại Có 36,18% hạt lọt qua rây 0,125 mm, 59,08% hạt lọt qua rây 0,25 mm 83,71% hạt lọt qua rây có kích thước 0,5 mm 3.2.1.2 Biến đổi nồng độ cồn theo kích thước lưới nghiền 19 0,3mm 0,5mm 1,0mm 1,5mm 2,0mm 18 a a a b a a a c 17 b b a a a b 16 c 15 14 13 12 72 96 120 Thời gian (h) Hình 3.7 So sánh nồng độ cồn theo kích thước hạt Nghiền gạo qua lưới 1,0 mm cho độ cồn dịch lên men tương đương có thời gian nghiền công suất tiêu thụ điện thấp đáng kể so với lưới 0,3 0,5 mm Vì nghiên cứu chọn kích thước lưới nghiền 1,0 mm cho nghiên cứu 13 300 250 200 150 100 50 15 10 0 24 48 72 Thời gian (h) Đường tổng-1,130 GAU/g RF Đường tổng-2,259 GAU/g RF Độ cồn-1,130 GAU/g RF 96 120 Nồng độ cồn (% v/v) Nồng đường tổng (g/L) Ảnh hưởng nồng độ enzym đường hóa (Stargen 002) Đường tổng-1,506 GAU/g RF Đường tổng-3,012 GAU/g RF Độ cồn-1,506 GAU/g RF Nồng độ đường tổng (g/L) (a) 400 20 200 10 0 24 48 72 96 Thời gian (h) R-đường tổng P-đường tổng R-nồng độ cồn 14 120 144 U-đường tổng UP-đường tổng U-nồng độ cồn Nồng dộ cồn (% v/v) Hình 3.8 Biến đổi đường tổng-độ cồn (a), đường khử (b) theo nồng độ enzym StargenTM 002 Ở mức nồng độ 1,506 GAU/g RF chọn nồng độ thích hợp cho quy trình SLSF-VHG từ gạo nồng độ dùng cho nghiên cứu Ảnh hưởng nguồn nitơ 3.2.3.1 Ảnh hưởng urea protease đến đường tổng, đường khử nồng độ cồn Hình 3.9 Ảnh hưởng urea protease đến độ cồn - đường tổng (a), đường khử (b) 3.2.3.2 Ảnh hưởng nguồn nitơ đến thành phần protein hòa tan, FAN hòa tan 3.2.3.3 Ảnh hưởng nguồn nitơ đến sản phẩm phụ SLSF-VHG 3.2.3.4 Ảnh hưởng urea protease đến nấm men 3.2.3.5 Ảnh hưởng protease urea đến hình thái bột gạo Hình 3.12 Ảnh SEM bột gạo 24 h lên men (a)-R, (b)-U, (c)-P (d)-UP 3.2.3.6 Ảnh hưởng protease urea đến biến đổi cấu trúc bột gạo 15 (a) Cường độ 6000 4000 0h 24h 72h 96h (b) 3000 Cường độ 8000 4000 2000 2000 1000 24h 72h 96h 120h 10 15 20 25 30 35 40 2θo 4000 (c) 24h 6000 (d) 72h 96h 120h 4000 Cường độ Cường độ 3000 10 15 20 25 30 35 40 2θo 2000 24h 72h 96h 120h 2000 1000 0 10 15 20 25 30 35 40 10 15 20 25 30 35 40 2θo 2θo Hình 3.14 Biến đổi cấu trúc bột gạo qua phổ XRD (a)-R, (b)-U, (c)-P, (d)-UP 3.2.3.7 Ảnh hưởng nồng độ protease đến hiệu suất lên men Bảng 3.8 Ảnh hưởng nồng độ protease đến độ cồn hiệu suất lên men Lượng Fermgen 2.5X Nồng độ cồn 120 h (% Hiệu suất lên (SAPU/kg RF) v/v) men 120 h (%) 300 17,15±0,14b 86,17±0,48b 600 17,96±0,17a 90,29±0,69a 900 17,89±0,22a 89,89±1,02a 1200 17,92±0,20a 90,03±1,01a 1500 17,76±0,25a 89,26±1,26a Nồng độ 600 SAPU/kg RF nồng độ tối ưu enzym Fermgen 2.5X cho quy trình SLSF-VHG từ nguyên liệu bột gạo nồng độ dùng cho nghiên cứu 16 Ảnh hưởng nồng độ chất khô Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ chất khô đến độ cồn hiệu suất lên men theo thời gian Nồng độ cồn (% v/v) theo thời gian lên HSLM 120 Nồng độ men (h) h (%) chất khô (g/L) 96 120 144 310,8 325 350 17,71±0,42aA 17,77±0,09cA 17,82±0,04cA 89,23±0,46a 17,89±0,24aB 18,26±0,09bA 18,31±0,11bA 87,68±0,44b 17,93±0,22aB 18,52±0,18aA 18,76±0,16aA 82,58±0,80c Nồng độ cồn (% v/v) Kết luận: nồng độ chất khô 325 350 g/L với cho hiệu suất lên men thấp thời gian lên men kéo dài (120 h) Vì nồng độ chất khơ 310,8 g/L (quy trình P mục 3.2.3) nồng độ chất khô tối ưu cho quy trình SLSF-VHG từ bột gạo với hiệu suất lên men cao (90,29%, thời gian lên men 96 h) Ảnh hưởng mật độ nấm men 19 a a a a b a 18 a 17 a a 16 c 15 14 b b 13 12 72 1,75E+07 tb/ml 96 120 Thời gian (h) 3,50E+07 tb/ml Hình 3.16 Nồng độ cồn theo mật độ nấm men Kết luận: nồng độ cồn đường tổng tỉ lệ cấp giống 1X; 1,5X 2X tương đương (mặc dù mức 2X cho độ cồn cao nhất) Mặt khác chi phí nấm men cao sử dụng với lượng 1,5X 2X không làm tăng đáng kể độ cồn Vì nồng độ nấm men cấp giống ban 17 đầu 1X (tương đương 0,92 g/L) tối ưu cho quy trình SLSF-VHG từ gạo Xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG quy mơ phịng thí nghiệm (1 L dịch lên men) Như nội dung này, luận án lựa chọn hoàn thiện thống số cơng nghệ quy trình SLSF-VHG từ nguyên liệu gạo với thông số thống kê Hình 3.20 Bảng 3.12 sau: Gạo (404) + Nước (>310,8 g CK/L) Chỉnh pH (4,5) (Ethanol Red) 3,5 × 10 tb/mL Dịch hóa, Đường hóa Lên men Đồng thời 30°C, 96 h Stargen002 (1506 GAU/kg RF) Fermgen 2.5X (600 SAPU/kg RF) Amigase Mega L (0,035% w/w) KH2PO4 (4,8 mM) Chưng cất Bã Cồn Hình 3.17 Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG quy mô L dịch lên men Bảng 3.11 Thơng số tối ưu quy trình SLSF-VHG Thơng số Giá trị Ghi o Nhiệt độ lên men 30 C pH ban đầu 4,5 Dùng H2SO4 10% Chế độ khuấy trộn Liên tục 24 h đầu lên men 50 vòng/phút Ngun liệu Gạo 404 18 Nồng độ chất khơ Kích thước lưới nghiền Amygase Mega L StargenTM 002 Fermgen 2.5X Nấm men Ethanol Red KH2PO4 Thời gian lên men Nồng độ cồn đạt Hiệu suất lên men (96 h) 310,8 g/L 1,0 mm 0,035% w/w 1,506 GAU/g RF 0,6 SAPU/g RF 3,5 × 107 tb/mL 4,8 mM 96 h 17,82% v/v 89,5% 0,3 mL/kg RF 2,29 g/kg RF 0,24 g/kg RF 0,92 g/L 0,66 g/L Nồng độ đường (g/L) Động học q trình lên men khơng gia nhiệt nồng độ chất khô cao Theo kết nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến quy trình lên men không gia nhiệt nồng độ chất khô cao Quy trình tối ưu (mục 3.2.6) sử dụng để đánh giá tiêu động học trình lên men 3.2.7.1 Biến đổi số thông số vật lý hóa lý dịch lên men 3.2.7.2 Cơ chế thủy phân tinh bột quy trình SLSF-VHG 40 Maltosetriose 30 Maltose Glucose 20 10 0 24 48 72 96 120 Thời gian (h) Hình 3.18 Biến đổi thành phần đường tan dịch lên men 19 3.2.7.3 Các thơng số động học lên men quy trình SLSF-VHG Hình thái, cấu trúc bột gạo quy trình SLSF-VHG Hình 3.20 Ảnh SEM hình thái bột gạo chế độ khác Kết luận: protease có tác dụng hỗ trợ tách tinh bột khỏi mạng lưới protein-tinh bột, enzym đường hóa khoan lỗ bề mặt theo hai cách mở rộng khoét sâu lỗ mở rộng công lan bề mặt tinh bột Quan sát XRD cho thấy vùng kết tinh vô định hình tiếp cận cơng đồng thời, vùng vơ định hình bị suy giảm nhiều tương ứng với thành phần amylose giảm mạnh giai đoạn cuối lên men Tốc độ tăng trưởng riêng tối đa µmax thấp đặc thù quy trình khơng gia nhiệt nồng độ VHG Thời gian lên men cịn dài (96 h) so với quy trình lên men từ dịch đường quy trình truyền thống có gia nhiệt 20 Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn quy mơ 100 L dịch lên men 300 250 200 150 100 50 15 Đường tổng Nồng độ cồn 10 0 24 48 72 Thời gian (h) 96 Nồng độ cồn (% v/v) Nồng đường tổng (g/L) Nghiên cứu quy trình SLSF-VHG quy mô 100 L dịch lên men 3.3.1.1 Quá trình lên men 120 Hình 3.22 Biến đổi độ cồn, đường tổng đường khử quy mô 100L Thống kê điện, nước chi phí sản xuất cồn quy mơ 100 L Bảng 3.19 Tính chi phí sản xuất cồn thiết bị tích hợp SLSF-VHG quy mơ 100 L Khối Đơn giá Thành tiền Thành phần lượng (VNĐ) (VNĐ) Gạo (kg) 35 9.500 332.500 Stargen 002 (kg) 0,08 188.000 15.040 Fermgen 2.5X (kg) 0,0088 700.000 6.160 Amygase Mega L (kg) 0,012 345.000 4.140 Nấm men (kg) 0,03 275.000 8.250 KH2PO4 (kg) 0,066 45.000 2.970 Acid citric (kg) Điện (kWh) Nước (m3) Nhân công (ngày công) Khấu hao thiết bị (ngày) 0,015 39,7 2,66 0,88 32.000 1.864 11.000 300.000 41.333 480 74.001 29.260 264.000 206.665 Tổng cộng chi phí sản xuất * Lượng sản phẩm rượu quy rượu 40% v/v 21 943.466 Độ cồn, % v/v Kết luận: Chất lượng rượu kiểm sốt tốt, quy trình đơn giản, nhân công vận hành lợi thiết bị quy trình so với mơ hình sản xuất rượu thủ công Việt Nam Ngồi việc ứng dụng mơ hình xem xét sản xuất cồn thực phẩm quy mô lớn Nghiên cứu lên men chưng cất chân khơng tách cồn đồng thời quy trình SLSF-VHG Ảnh hưởng thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất lên men 20 10 SLSF-VHG SLSFD-VHG-30 SLSFD-VHG-60 96 120 144 0 24 48 72 Thời gian (h) Hình 3.24 Biến đổi nồng độ cồn theo thời gian áp chân không Nghiên cứu nâng cao nồng độ chất khơ quy trình SLSFVHG chưng cất chân khơng Trong phần này, ứng dụng kết quy trình SLSFD-VHG-60 với thời gian áp chân không 60 phút nồng độ chất khô cao 350, 400, 500 600 g/L từ bột gạo để đánh giá khả hiệu quy trình Nồng độ cồn (% v/v) 32 28 24 20 16 12 0 24 Cồn thực-350 g/L Cồn thực-600 g/L Cồn tổng-500 g/L 48 72 Thời gian (h) Cồn thực-400 g/L Cồn tổng-350 g/L Cồn tổng-600 g/L 96 120 Cồn thực-500 g/L Cồn tổng-400 g/L Hình 3.28 Độ cồn áp chân không nồng độ chất khô 22 Bảng 3.21 Hiệu suất, thời gian lên men theo nồng độ chất khô chế độ chân không Độ cồn 120 h Hiệu suất 120 Thời gian Chất khô (g/L) (% v/v) h (%) lên men (h) 350 19,98 ± 0,21d 89,09 ± 0,93a 72c 400 22,94 ± 0,03c 89,52 ± 0,13a 96b b a 500 29,0 ± 0,44 90,53 ± 1,37 96b 600 32,02 ± 0,57a 83,29 ± 1,47b 120a Giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (SD) ba lần đo Các ký hiệu (a, b, c, d) cột thể khác biệt với mức ý nghĩa p < 0,05 Kết luận: Ứng dụng chưng cất chân không rút ngắn thời gian lên men 40% nồng độ 350 g/L Nghiên cứu lần ứng dụng kỹ thuật chân không để lên men nồng độ chất khô cao (500 g/L) đạt hiệu suất (90,53%) thời gian lên men (96 h) tương đương với quy trình SLSF-VHG điều kiện tối ưu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án chọn lựa loại gạo 404 (IR50404), chế phẩm nấm men thương mại Ethanol Red enzym đường hóa phụ trợ Amigase Mega L làm sở cho việc lựa chọn nguyên liệu quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khơ cao Lựa chọn loại gạo có hàm lượng amylose 26,32% phù hợp cho sản xuất cồn theo quy trình Luận án xác định điều kiện thích hợp cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao từ nguyên liệu gạo Nhiệt độ lên men 30°C, pH ban đầu 4,5, chế độ khuấy trộn liên tục 50 vòng/phút 24 h đầu lên men, enzym đường hóa phụ trợ 0,035% w/w chất bổ sung KH2PO4 4,8 mM Kích thước lưới nghiền gạo 1,0 mm, nồng độ enzym StargenTM 002 1.506 GAU/kg bột gạo, enzym protease (Fermgen 2.5X 600 SAPU/kg bột gạo), nồng độ chất khô 310,8 g/L, nồng độ nấm men khởi động 3,5 × 107 CFU/mL Quy trình thích hợp có thời gian kết thúc lên men 96 h, nồng độ cồn đạt 17,82% v/v, hiệu suất lên men 89,54% Kết nghiên cứu rút ngắn thời gian lên men 24 h tăng hiệu suất lên men 3,24% so với nghiên cứu cơng bố trước Đã xác định thông số động học q trình lên men biến đổi thơng số vật lý hóa lý, thành phần đường, protein hịa tan, FAN, sản phẩm phụ (glycerol, metanol, axit lactic, axit acetic, aldehyt, rượu bậc cao…) Luận án lần giải thích 23 chế thủy phân đồng thời tổ hợp enzym amylase protease bột gạo (so với cơng bố trước đối tượng tinh bột) Kết luận án cho thấy hiệu việc sử dụng enzym protease thủy phân protein bột gạo có tác dụng nâng cao hiệu suất rút ngắn thời gian lên men, thay hoàn toàn nitơ bổ sung từ bên (urea) Luận án thử nghiệm thành cơng quy trình SLSF-VHG quy mơ 100 L dịch lên men Nồng độ cồn dịch lên men đạt 17,73% v/v, hiệu suất lên men 89,07% thời gian kết thúc lên men 120 h Sản phẩm chưng cất 29,5 lít rượu nồng độ 52,3% v/v Các tiêu rượu chưng cất hoàn toàn đáp ứng theo tiêu chuẩn TCVN 7043:2013 rượu trắng chưng cất Đã thống kê lượng (điện), nước tính chi phí sản xuất cho quy mơ 100 L Kết cho thấy tiềm ứng dụng mơ hình thiết bị cơng nghệ để sản xuất rượu an tồn quy hộ gia đình quy mơ sản xuất nhỏ Việt Nam Luận án ứng dụng thành cơng quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt chưng cất chân không tách cồn đồng thời Nồng độ chất khô 350 g/L đạt nồng độ cồn 19,98% v/v, hiệu suất lên men 89,09% thời gian lên men 72 h Kết có độ cồn cao 2% v/v, hiệu suất cao 7,5% rút ngắn 48 h lên men so với quy trình khơng chưng cất chân không tương đương với công nghệ sản xuất cồn có gia nhiệt Nghiên cứu lần nâng cao nồng độ chất khô lên 500 g/L với quy trình chưng cất chân khơng Nồng độ cồn tổng đạt 29,0% v/v, hiệu suất lên men đạt 90,53% thời gian lên men 96 h Kết cho thấy tiềm việc ứng dụng kỹ thuật chưng cất chân không tách cồn đồng thời quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn Kiến nghị Cần nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tượng lắng bột gạo sống trình lên men để có phương án khuấy trộn phù hợp trước đưa sản xuất quy mô lớn Triển khai quy trình SLSF-VHG quy mơ thử nghiệm sản xuất công nghiệp để đưa công nghệ vào thực tế, giúp tiết kiệm lượng, đơn giản hóa quy trình sản xuất, nhân cơng, chất thải: (i) triển khai ứng dụng thiết bị tích hợp quy mơ hộ gia đình sản xuất nhỏ để đảm bảo chất lượng an toàn thực phẩm cho sản phẩm rượu (ii) ứng dụng quy trình SLSF-VHG cho sản xuất cồn thực phẩm quy mô công nghiệp (iii) thử nghiệm quy trình tích hợp sản xuất cồn khơng gia nhiệt chưng cất chân không quy mô pilot Nghiên cứu thu hồi nâng cao giá trị gia tăng phụ phẩm quy trình SLSF-VHG làm nguyên liệu ngành công nghiệp thực phẩm đặc biệt nguyên liệu giàu protein từ bã rượu gạo 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Yves Waché, Thuy-Le Do,Thi-Bao-Hoa Do, Thi-Yen Do, Maxime Haure, Phu-Ha Ho, Anil Kumar Anal, Van-Viet-Man Le, Wen-Jun Li, Hélène Licandro, Da Lorn, Mai-Huong Ly-Chatain, Sokny Ly, Warapa Mahakarnchanakul, Dinh-Vuong Mai, Hasika Mith, DzungHoang Nguyen, Thi-Kim-Chi Nguyen, Thi-Minh-Tu Nguyen, ThiThanh-Thuy Nguyen, Viet-Anh Nguyen, Hai-Vu Pham, Tuan-Anh Pham, Thanh-Tam Phan, Reasmey Tan, Tien-Nam Tien, Thierry Tran, Sophal Try, Quyet-Tien Phi, Dominique Valentin, Van-QuocBao Vo, Kitiya Vongkamjan, Duc-Chien Vu, Nguyen-Thanh Vu, Son Chu-Ky (2018), “Prospects for food fermentation in South-East Asia, topics from the Tropical Fermentation and Biotechnology Network at the end of the AsiFood Erasmus+ project”, Frontiers in Microbiology, 9:2278.,doi: 10.3389/fmicb.2018.02278; https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fmicb.2018.02278/full (SCIE, IF 4.01) [2] Tien Nam Tien, Nguyen Chinh Nghia, Pham Tuan Anh, Chu Ky Son (2018), “Application of vacuum to improve efficiency of non-cook process at very high gravity for ethanol production”, in National Biotechology Conference, pp 417–422 [3] (2021) Quyết định chấp nhận đơn hợp lệ Cục sở hữu trí tuệ - Bộ Khoa học Cơng nghệ, Số 3706w/QĐ-SHTT, ngày 06 tháng 05 năm 2021 Số đơn: 1-2021-01723, ngày nộp 31/03/2021 Chủ đơn: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (VN) Tên sáng chế: Hệ thống tích hợp lên men chưng cất đa Tác giả: Chu Kỳ Sơn, Tiền Tiến Nam, Nguyễn Tiến Thành, Nguyễn Chính Nghĩa, Nguyễn Tiến Cường, Phạm Tuấn Anh, Phạm Ngọc Hưng, Nguyễn Thị Hoài Đức [4] Tien Nam Tien, Tien Cuong Nguyen, Chinh Nghia Nguyen, Tien Thanh Nguyen, Tuan Anh Pham, Ngoc Hung Pham, Son Chu-Ky (2022), “Protease increases ethanol yield and decreases fermentation time in no-cook process during very-high-gravity ethanol production from rice”, Process Biochem., vol 117, March, pp 10-18 https://doi.org/10.1016/j.procbio.2022.03.005 (SCIE, IF 4.78) [1] [5] Tiền Tiến Nam, Nguyễn Tiến Cường, Nguyễn Chính Nghĩa, Phạm Tuấn Anh, Chu Kỳ Sơn (2023), “Nghiên cứu ảnh hưởng nguyên liệu gạo, nấm men enzyme đường hóa đến hiệu suất lên men quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khơ cao”, Tạp chí Nơng Nghiệp Phát Triển Nông Thôn, Vol.7, pp.46–56