BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC X TO ÂY DỰNG MÔ HÌNH ÁN DỌC ĐỂ ĐI ỂN KỀU KHI ẾT THÚC QUÁ TRÌNH TH Ô ỦY PH ỘT NGÂN TINH B NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐẶNG[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN DỌC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN KẾT THÚC Q TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT NGƠ NGÀNH: CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐẶNG THANH THỦY Người hướng dẫn khoa học: GS.TS HỒNG ĐÌNH HỒ HÀ NỘI 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131698761000000 MỤC LỤC Các nội dung Các bảng biểu Các hình vẽ Các nội dung Phần I MỞ ĐẦU Phần II TỔNG QUAN II.1 Đặc điểm cấu tạo Ngô (Corn/Maize) II.1.1 Cấu tạo II.1.2 Thành phần hoá học II.2 Enzim chế thuỷ phân tinh bột 14 II.2.1 Phân loại chế thủy phân 14 II.2.2 Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,4 glucozid 15 II.2.3 Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,6 glucozid 17 II.3 Các chế phẩm enzim 19 II.4 Ứng dụng sản phẩm thủy phân 22 II.5 Lý thuyết Quy hoạch thực nghiệm điều khiển trình 23 Phần III NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 III.1 Nguyên liệu, thiết bị 35 III.2 Phương pháp nghiên cứu 36 III.2.1 Phương pháp hoá sinh 36 III.2.1.1 Xác định hoạt độ α-amylaza (Hđ.A)- theo Rukhliadeva từ vi khuẩn 36 III.2.1.2 Xác định hoạt độ α- -amylaza (Hđ.A)- theo Rukhliadeva từ nấm mốc 38 III.2.2 Phương pháp hoá lý 38 III.2.2.1 Xác định độ ẩm 38 III.2.2.2 Xác định hàm lượng glucoza: 38 III.2.2.3 Xác định dextrin: Phương pháp kết tủa cồn 40 III.2.2.4 Xác định maltoza: Phương pháp iod 41 III.2.2.5 Xác định đường theo DNS 42 III.2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột 42 III.2.2.7 Xác định nồng độ chất khô theo phương pháp hoá lý dùng chiết quang kế 43 III.2.3 Phương pháp thuỷ phân .43 III.2.3.1 Phương pháp dịch hoá 44 III.2.3.2 Phương pháp đường hóa 44 III.2.4 Phương pháp toán 45 III.2.4.1 Lựa chọn thông số điều khiển trình 45 III.2.4.2 Xây dựng Kế hoạch thực nghiệm làm thí nghiệm nhận thơng tin 48 III.2.4.3 Xây dựng mơ hình tốn học 49 Phần IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 IV.1 Khảo sát đặc tính nguyên liệu 54 IV.1.1 Xác định độ ẩm bột ngô 54 IV.1.2 Xác định hàm lượng glucoza bột ngô 54 IV.1.3 Xác định hàm lượng dextrin bột ngô 55 IV.1.4 Xác định hàm lượng tinh bột bột ngô 55 IV.2 Xác định hoạt lực enzim chế phẩm enzim 55 IV.2.1 Termamyl 120L 55 IV.2.2 Fungamyl 800L 56 IV.3 Khảo sát sát ảnh hưởng thời gian tới trình dịch hố 56 IV.4 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố đơn lẻ đến trình đường hoá 57 IV.4.1 Nhiệt độ 57 IV.4.2 Thời gian 58 IV.4.3 Nồng độ Enzim 59 IV.5 Thiết lập mơ hình quy hoạch thực nghiệm: 60 IV.5.1 Lựa chọn thông số điều khiển trình 60 IV.5.2 Xây dựng Kế hoạch thực nghiệm thí nghiệm nhận thơng tin 60 IV.5.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 61 IV.5.4 Kiểm chứng thực nghiệm 63 IV.5.5 Giải tốn điều khiển q trình đặt 65 Phần V KẾT LUẬN 69 Phần VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Các bảng biểu Bảng II-1 Tỷ lệ trọng lượng vỏ, phôi nội nhũ Bảng II-2 Sự phân bố thành phần hóa học phần hạt ngô Bảng II-3 Thành phần hố học số loại ngơ Bảng II-4 Thành phần amyloza số loại nguyên liệu giàu tinh bột 11 -Đặng Thanh Thủy Bảng II-5 Tính chất tinh bột số loại nguyên liệu giàu tinh bột 12 Bảng II-6 - Độ bền với nhiệt độ α-amylase từ malt (Miller, Johnson Palmer) 17 Bảng II-7 - Đặc tính kỹ thuật số chế phẩm enzim 20 Bảng III-1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình thuỷ phân tinh bột 45 Bảng III-2 Mẫu ma trận thực nghiệm 23 48 Bảng III-3 Hằng số tìm phương trình hàm mục tiêu 51 Bảng IV-1 Ma trận thực nghiệm 23 60 Bảng IV-2 Ma trận thực nghiệm mở rộng 61 Bảng IV-3 Các số tìm hàm mục tiêu y 61 Bảng IV-4 Hằng số tìm hàm mục tiêu y 62 Bảng IV-5 Hằng số tìm hàm mục tiêu y 62 Bảng IV-6 Giá trị hàm mục tiêu y thực nghiệm lý thuyết 63 Bảng IV-7 Giá trị hàm mục tiêu y thực nghiệm lý thuyết 64 Bảng IV-8 Giá trị hàm mục tiêu y thực nghiệm lý thuyết 64 Bảng IV-9 Thông số q trình thuỷ phân với tốn 65 Bảng IV-10 So sánh giá trị hàm mục tiêu lý thuyết thực nghiệm 66 Bảng IV-11 Sai số lý thuyết thực nghiệm 66 Các đồ thị Đồ thị II-1 Tỷ lệ thành phần nội nhũ hạt ngô Đồ thị II-2 Hàm lượng tinh bột loại ngô khác 10 Đồ thị II-3 Sản lượng ngô dùng cho sản xuất tinh bột 13 Đồ thị IV-1 Hàm lượng tinh bột trung bình nguyên liệu 55 Đồ thị IV-2 Hoạt lực enzim trung bình chế phẩm Termamyl 120L 56 Đồ thị IV-3 Hoạt lực enzim trung bình chế phẩm Termamyl 120L 56 Đồ thị IV-4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng thuỷ phân 58 Đồ thị IV-5 Ảnh hưởng thời gian đến trình thuỷ phân 58 Đồ thị IV-6 Ảnh hưởng nồng độ enzim đến trình thuỷ phân 59 Các hình vẽ Hình II-1 Cấu tạo amyloza amylopectin 11 Hình II-2 Hình dạng, kích thước tinh bột ngơ 12 Hình II-3 Sự biến đổi hạt tinh bột ngơ q trình hồ hố 13 Hình II-4 Sơ đồ thuỷ phân tinh bột tác dụng α β- amylaza 14 -Đặng Thanh Thủy Hình II-5 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu 28 Hình II-6 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng 29 Hình II-7 Các bước thuật tốn xây dựng mơ hình điều khiển 32 Hình III-1 Sơ đồ thuỷ phân chế phẩm enzim 43 Hình III-2 Sơ đồ yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thuỷ phân 46 Hình III-3 Mơ tả phần mềm giải hệ phương trình bậc ẩn 52 Phụ lục Bảng phụ lục 39 Bảng phụ lục 41 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Phần I MỞ ĐẦU Từ xa xưa đến xã hội ngày nay, thực phẩm mối quan tâm hàng đầu vấn đề trì xã hội lồi người Cùng với phát triển tiến khoa học kĩ thuật, ngành khoa học chế biến thực phẩm phát triển tương xứng, tạo sản phẩm đa dạng, đáp ứng nhu cầu ngày khắt khe người tiêu dùng Quy hoạch thực nghiệm sở phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm đại Lý thuyết thực nghiệm cho phép lựa chọn chiến lược nghiên cứu tối ưu chưa hiểu biết q trình cách tồn diện Đối tượng phức tạp, hiệu phương pháp cao Người nghiên cứu tìm mơ hình tốn học q trình để giải tốn tối ưu theo quan điểm sử dụng mơ hình để xem xét điều kiện q trình Bài tốn tìm kết phản ứng hóa-sinh học với nhiều yếu tố đầu vào khác hệ phức tạp, phù hợp để áp dụng phương pháp Phản ứng thủy phân tinh bột chẳng hạn, yếu tố đầu vào gồm nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như: hóa chất, enzim, nhiệt độ, mơi trường, pH, thời gian, Bản thân yêu tố có tác động lẫn tham gia trình Trong luận văn nghiên cứu cách áp dụng phương pháp điều khiển trình cho phản ứng thuỷ phân tinh bột từ nguyên liệu ngô Nước ta nước nông nghiệp với sản lượng lương thực lên đến 39,9 triệu tấn, ngơ nguồn ngun liệu chưa trọng tạo sản phẩm có giá trị kinh tế cao, chủ yếu sử dụng cho gia súc Từ nguyên liệu giàu tinh bột qua giai đoạn dịch hoá, đường hoá, lên men kết hợp với yếu tố sinh, hoá, lý khác nhau…tạo nhiều sản phẩm đa dạng bánh kẹo, rượu, đồ uống… -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Trong trình thuỷ phân tinh bột, enzim đóng vai trị đặc biệt quan trọng suốt thời gian phản ứng Chúng tạo thành phần khác gluco, malto, dextrin… thay đổi tỷ lệ thành phần hỗn hợp Quá trình phản ứng xảy phức tạp, người ta dừng mức nhận biết kết đầu so với yếu tố đầu vào phản ứng xác định thay đổi yếu tố tham gia trình phản ứng thời gian, nhiệt độ, pH, nồng độ enzim…Trong đề tài nghiên cứu cách áp dụng phương pháp điều khiển trình cho phản ứng thuỷ phân tinh bột từ nguyên liệu ngô Luận văn giải vấn đề sau đây: Lựa chọn phương pháp thuỷ phân bột ngô Lựa chọn nguyên liệu loại enzim phù hợp cho thực phản ứng thuỷ phân Xây dựng phương pháp thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm lấy số liệu Xây dựng đường hồi quy thực nghiệm dựa số liệu có Xây dựng đường hồi quy lý thuyết theo phương pháp bình phương bé Kiểm tra xác nhận đường hồi quy lý thuyết chuẩn thống kê toán học thực nghiệm Đưa kết luận phương pháp điểm cần phát triển, địi hỏi có thời gian nghiên cứu sâu -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Phần II II.1 TỔNG QUAN Đặc điểm cấu tạo Ngô (Corn/Maize) II.1.1 Cấu tạo Ngơ giống cho có nguồn gốc từ Mexico vùng Trung Mỹ Ngô lương thực quan trọng sau lúa mì gạo, loại lương thực quan trọng Từ ngô chế biến nhiều loại thực phẩm cho người, nguyên liệu công nghiệp thức ăn gia súc Đặc biệt ngô nguồn sản xuất tinh bột nhiều quan trọng so với loại ngũ cốc khác Hạt ngô dùng nhiều công nghiệp sản xuất rượu, bia, tinh bột, đường glucoza Phôi ngô để ép dầu ngô sản xuất vitamin E, vitamin B1 [6] Hạt ngô mặt thực vật loại dĩnh; hạt riêng rẽ có vỏ hạt hạt Có cấu trúc chính: vỏ hạt, phơi mầm, phơi nhũ cuống hạt [19] Tỷ lệ thành phần số loại ngũ cốc sau: Bảng II-1 Tỷ lệ trọng lượng vỏ, phôi nội nhũ Loại hạt Vỏ, % Phôi, % Nội nhũ, % Lúa 16,0 – 27,0 2,0 – 2,5 72 Ngô 5,0 - 8,5 10,0 – 15,0 79 – 83 Lúa mì 15,0 - 19,0 2,2 – 3,2 77 – 82 Vỏ Là phận bảo vệ cho phôi nội nhũ khỏi bị tác động học hóa học từ bên ngồi Thành phần vỏ xenluloza, hemixenluloza, lignin, khơng có dinh dưỡng Lớp alơrong nội nhũ -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Bên lớp vỏ lớp alơrong cấu tạo từ hàng tế bào lớn, thành dày Trong tế bào alơrong có chứa hợp chất nitơ, chất khống giọt chất béo Sau lớp alơrong tế bào lớn, thành mỏng có hình dạng khác nhau, xếp khơng thứ tự Đó tế bào nội nhũ Nội nhũ phần dự trữ chất dinh dưỡng hạt Thành phần chủ yếu tế bào nội nhũ tinh bột protein Ngoài nội nhũ cịn có lượng nhỏ chất béo, muối khống sinh tố Phơi Phơi phần phát triển thành non hạt nảy mầm, có nhiều chất dinh dưỡng: 35% protein, 25% gluxit hòa tan, 40% chất béo Phần lớn lượng sinh tố enzim hạt tập trung phôi [5] Bảng II-2 Sự phân bố thành phần hóa học phần hạt ngơ Thành phần hóa học Vỏ hạt Nội nhũ Mầm Protein 3,7 8,0 18,4 Chất béo 1,0 0,8 33,2 Chất xơ thô 86,7 2,7 8,8 Tro 0,8 0,3 10,5 Tinh bột 7,3 87,6 8,3 Đường 0,34 0,62 10,8 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Đồ thị II-1 Tỷ lệ thành phần nội nhũ hạt ngơ II.1.2 Thành phần hố học u cầu chất lượng ngơ tùy thuộc vào mục đích sử dụng sản xuất tinh bột, đường glucoza cần loại ngơ có hàm lượng tinh bột cao, hàm lượng protit chất béo thấp Ngày có nhiều giống ngơ lai nhằm cải thiện tính chất thành phần Dưới số loại ngô thành phần hóa học chúng (% theo chất khơ) [5, 19, 20] Bảng II-3 Thành phần hoá học số loại ngô Loại ngô Protit Tinh bột Lipid Tro Ngô bột 11,3 64,2 7,2 1,05 Ngô ngựa 12,2 61,5 7,7 1,16 Ngô đá 12,3 60,0 7,9 1,28 Ngô sáp 12,9 61,6 7,8 1,10 Ngô đường 13,8 31,2 14,4 1,37 Ngô nổ 14,3 59,9 6,36 1,33 -Đặng Thanh Thủy