Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ củ gừng tươi bằng phương pháp Enzyme (Zingiber officinale Rosc)

TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát các điều kiện thủy phân củ gừng tươi bằng enzyme α-amylase và tối ưu các điều kiện này, kết quả thu được hiệu suất thu hồi chất khô đạt 5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THỊ KIM HIỀN

NÂNG CAO HIỆU SUẤT THU HỒI CHẤT KHÔ TỪ CỦ GỪNG TƯƠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME

Chuyên ngành: Công nghệ Thực Phẩm và Đồ uống

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2015

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS Đống Thị Anh Đào Cán bộ chấm nhận xét 1: T.S Đặng Quốc Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 2: T.S Phan Ngọc Hòa

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM, ngày 23 tháng 7 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tich: PGS.TS Đồng Thị Thanh Thu 2 Phản biện 1: T.S Đặng Quốc Tuấn 3 Phản biện 2: T.S Phan Ngọc Hòa 4 Ủy viên: T.S Trần Bích Lam 5 Ủy viên: T.S Võ Đình Lệ Tâm

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ THỊ KIM HIỀN Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1989 Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm và Đồ Uống

MSHV: 13110559 Nơi sinh: Phú Yên Mã số: 605402

TÊN ĐỀ TÀI: NÂNG CAO HIỆU SUẤT THU HỒI CHẤT KHÔ TỪ CỦ GỪNG

TƯƠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

- Phân tích một số thành phần cơ bản của củ gừng - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân gừng bằng enzyme

α – amylase và tối ưu hóa điều kiện thủy phân - Khảo sát quá trình thủy phân tuần tự bằng enzyme α-amylase từ điều kiện

tối ưu với hỗn hợp cellulase/pectinase - Đánh giá chất lượng bột gừng sấy phun như thành phần dinh dưỡng, cảm

quan, vi sinh - Đánh giá sự thay đổi thành phần polyphenol, hoạt tính chống oxy hóa từ

nguyên liệu gừng tươi, dịch sau khi thủy phân và bột gừng sấy phun

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 1/2015 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 7/2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS ĐỐNG THỊ ANH ĐÀO

Tp.HCM, ngày 13 tháng 7 năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

(Họ tên và chữ ký) ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học – Trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã hỗ trợ trang thiết bị, máy móc, vật tư và phòng thí nghiệm giúp em hoàn thành luận văn đúng tiến độ

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Đống Thị Anh Đào, người luôn gắn bó, trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Đồng thời, em cũng xin gửi lời cám ơn đến các quý thầy cô Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này

Em cũng xin cảm ơn các bạn sinh viên trong phòng thí nghiệm, đặc biệt là em Tống Bích Trâm đã đồng hành và hỗ trợ em trong thời gian vừa qua

Cuối cùng, em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ông, Bà, Ba, Mẹ và gia đình đã luôn ở bên cạnh, chăm sóc và động viên tinh thần trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Tp HCM, tháng 7 năm 2015 Học viên

Lê Thị Kim Hiền

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát các điều kiện thủy phân củ gừng tươi bằng enzyme α-amylase và tối ưu các điều kiện này, kết quả thu được hiệu suất thu hồi chất khô đạt 52,46±0,8% ở điều kiện pH là 5,8; nhiệt độ là 850C; nồng độ chế phẩm enzyme là 1% (v/w) và thời gian thủy phân là 52 phút Nhằm hỗ trợ cho quá trình lọc đồng thời nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô và các hoạt chất sinh học polyphenol, chúng tôi đã thực hiện thủy phân tuần tự bằng enzyme α-amylase từ điều kiện tối ưu với enzyme cellulase/pectinase ở điều kiện tỷ lệ cellulase/pectinase là 2:1, nồng độ chế phẩm enzyme cellulase/pectinase là 1,2% (v/w), thời gian thủy phân là 90 phút, kết quả thu được hiệu suất thu hồi chất khô tăng 15,09% so với trường hợp thủy phân độc lập bằng enzyme α-amylase Dịch thủy phân trong điều kiện này, có hàm lượng polyphenol đạt 501,2± 2,9mg GAE, hoạt tính chống oxy hóa DPPH tính theo trolox tương đương đạt 171,6±2,3mg TEAC và ABTS tính theo trolox tương đương đạt 255±2,7mg TEAC cao hơn đáng kể so với trường hợp dịch không qua thủy phân Phương pháp sấy phun được sử dụng để sản xuất thử nghiệm bột gừng hòa tan, đã cho sản phẩm đáp ứng được yêu cầu về mặt dinh dưỡng, cảm quan và an toàn cho người sử dụng

ABSTRACT

This research focused on the hydrolysis conditions of fresh ginger by amylase enzyme and optimize hydrolysis conditions The results showed that: the highest yield of the dry matter recovery was obtained 52,46±0,8% at pH 5,8, temperature 850C, enzyme concentration 1% (v/w) and hydrolysis time 52 minutes To support the filtration process and improve the dry matter recovery yield especially the polyphenol compounds We combined α-amylase enzyme from optimal hydrolysis conditions with cellulase/pectinase enzyme at conditions: the ratio of cellulase enzyme and pectinase enzyme was 2:1, the concentration of cellulase and pectinase was 1,2% (v/w), hydrolysis time was 90 minutes, the yield of dry matter recovery increased significantly 15,09% more than the non-hydrolysis one The ginger hydrolysates contained 501,2±2,9mg GAE polyphenol content, DPPH and ABTS radical scavenging activity content was 171,6±2,3 mg TEAC and 255±2,7mg TEAC significantly higher than the case of non- hydrolysis After that, spray dry method was use to manufacture powder product from ginger was enough conditions about nutrition, microbiological objective, sensory evaluation and safety for consumers

1.1.2 Phân loại khoa học và đặc điểm hình thái 3

1.1.3 Điều kiện sinh thái và thu hoạch 5

1.4 Tổng quan về sấy phun 16

1.4.1 Cơ sở khoa học của quá trình sấy phun 16

1.4.2 Ưu và nhược điểm của quá trình sấy phun 17

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun 17

1.4.4 Một số nghiên cứu ứng dụng của sấy phun trong sản xuất thực phẩm18 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Nguyên vật liệu 19

2.1.1 Nguyên liệu củ gừng 19

2.1.2 Enzyme 19

2.3 Phương pháp nghiên cứu 21

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu 21

2.3.2 Quy trình thủy phân dịch gừng bằng enzyme 22

2.3.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm thủy phân dịch gừng bằng enzyme amylase 24

α-2.3.4 Bố trí thí nghiệm thủy phân gừng khi sử dụng enzyme α-amylase với cellulase/pectinase 26

2.3.5 Sấy phun bột gừng và đánh giá sản phẩm bột 28

2.5 Các phương pháp phân tích 28

2.6 Phương pháp xử lý số liệu 29

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 30

3.1 Kết quả xác định một số thành phần dinh dưỡng của củ gừng 30

3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân củ gừng bằng enzyme α-amylase 31

3.2.1 Kết quả xác định tỷ lệ pha loãng thích hợp cho quá trình thủy phân củ gừng 31

3.2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân củ gừng 32

3.2.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân củ gừng 33

3.2.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến quá trình thủy phân củ gừng 35

3.2.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân củ gừng 36

3.2.6 Kết quả tối ưu các điều kiện thủy phân bằng enzyme α-amylase 38

3.2.7 Kết quả kiểm chứng giá trị H% tối ưu từ mô hình với giá trị thực nghiệm 44

3.3 Kết quả khảo sát quá trình thủy phân dịch gừng kết hợp enzyme α-amylase

với enzyme cellulase/pectinase 44

3.3.1 Kết quả xác định tỷ lệ kết hợp enzyme cellulase/pectinase xúc tác cho quá trình thủy phân củ gừng 45

3.3.2 Kết quả xác định nồng độ cellulase/pectinase xúc tác cho quá trình thủy phân củ gừng 47

3.3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý cellulase/pectinase đến quá trình thủy phân củ gừng 48

3.3.4 So sánh hiệu suất thu hồi khi thủy phân độc lập bằng α-amylase và khi sử dụng α-amylase với cellulase/pectinase 50

3.3.5 Kiểm tra thành phần dịch sau khi thủy phân 50

3.4 Kết quả đánh giá chất lượng bột gừng sau sấy phun 52

3.4.1 Kết quả xác định một số thành phần dinh dưỡng và các chỉ tiêu vi sinh vật 52

3.4.2 Kết quả đánh giá cảm quan 53

3.4.3 Kết quả đánh giá sự biến đổi một số thành phần dinh dưỡng quan trọng từ nguyên liệu đến sản phẩm 54

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

4.1 Kết luận 57

4.2 Kiến nghị 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng của củ gừng trong 100g phần ăn được 5

Bảng 1.2 Các nghiên cứu về tác dụng có lợi cho sức khỏe của gừng 9

Bảng 1.3 Chỉ tiêu chất lượng enzyme α-amylase từ Bacillus lichneniformis 11

Bảng 1.4 Chỉ tiêu chất lượng enzyme cellulase từ Trichoderma reesei 13

Bảng 1.5 Chỉ tiêu chất lượng enzyme pectinase từ Aspergillus aculeatus 14

Bảng 1.6 Một số nghiên cứu về ứng dụng sấy phun trong thực phẩm 18

Bảng 3.1 Kết quả xác định một số thành phần dinh dưỡng trong 100g gừng 30

Bảng 3.2 Các thông số của thí nghiệm tối ưu hóa 38

Bảng 3.3 Kết quả H (%) theo các yếu tố pH, nhiệt độ, nồng độ chế phẩm enzyme và thời gian thủy phân khi tiến hành thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm 38

Bảng 3.4 Hệ số phương trình hồi quy và độ tin cậy của các hệ số tương ứng với các yếu tố của quá trình thủy phân bằng enzyme 40

Bảng 3.5 H % từ phương trình hồi quy và thực nghiệm 44

Bảng 3.6 kết quả so sánh hiệu suất thu hồi khi thủy phân độc lập bằng α-amylase và khi sử dụng α-amylase với cellulase/pectinase 50

Bảng 3.7 Thành phần đường khử trong nguyên liệu và trong dịch thủy phân có trong 100g gừng tươi 50

Bảng 3.8 Hàm lượng polyphenol và hoạt tính chống oxy hóa trong dịch thủy phân và dịch không thủy phân có trong 100g gừng tươi 51

Bảng 3.9 Kết quả xác định một số thành phần dinh dưỡng trong bột gừng 52

Bảng 3.10 Kết quả xác định một số chỉ tiêu vi sinh trong bột gừng 52

Bảng 3.11 Kết quả đánh giá cảm quan dịch hoàn nguyên bột gừng 53

Bảng 3.12 Hàm lượng polyphenol, DPPH, ABTS trong các mẫu khảo sát 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Gừng vàng 3

Hình 1.2 Vi giải phẩu thân rễ gừng 4

Hình 1.3 Thành phần của tinh dầu dễ bay hơi trong gừng 6

Hình 1.4 Các thành phần tạo nên vị cay chủ yếu trong nhựa dầu gừng 7

Hình 1.5 Cơ chế tác động của phức hệ cellulase lên cellulose 12

Hình 1.6 Vị trí phân cắt của enzyme pectinase 14

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha loãng đến H % gừng 31

Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH đến H % gừng 33

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến H % gừng 34

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến H % 35

Hình 3.5 Ảnh hưởng của thời gian đến H % 37

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ thủy phân đến H % 42

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH và nồng độ chế phẩm enzyme đến H % 42

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH và thời gian thủy phân đến H % dịch gừng 42

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ chế phẩm enzyme đến H % 43

Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thủy phân đến H % dịch gừng 43

Hình 3.11 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme và thời gian đến H % 43

Hình 3.12 Mặt cắt tế bào gừng 45

Hình 3.13 Ảnh hưởng của tỷ lệ cellulase/pectinase đến H% 46

Hình 3.14 Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme đến H% 48

Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme cellulase/pectinase đến H% 49

Hình 3.16 Hàm lượng đường khử trong gừng tươi và không thủy phân 51

Hình 3.17 Hàm lượng polyphenol và hoạt tính chống oxy hóa trong dịch thủy phân và không thủy phân từ 100g gừng tươi 51

Hình 3.18 Mức độ đánh giá của người thử đối với sản phẩm 53

Hình 3.19 Sự biến đổi hàm lượng polyphenol và hoạt tính chống oxy hóa trong 100g nguyên liệu đến sản phẩm 55

Hình 3.20 Quy trình thủy phân gừng tươi bằng enzyme α-amylase và enzyme cellulase/pectinase 58

TSVSVHK: Tổng số vi sinh vật hiếu khí TSNM-M: Tổng số nấm men, nấm mốc v/w: volume/weight – thể tích/khối lượng tính trên chất khô

MỞ ĐẦU

Gừng là một trong những loại gia vị quan trọng và phổ biến từ xa xưa ở các nước châu Á đặc biệt là Trung Quốc, Ấn Độ và một số nước châu Phi Ngoài ra, gừng còn là một trong những cây thuốc được sử dụng rộng rãi trong y học truyền thống ở Ấn Độ, Trung Quốc và hệ thống y học của Nhật Bản nhờ vào các thành phần tinh dầu, nhựa gừng với các hợp chất và mùi vị đặc trưng của gừng Theo hệ thống y học của Ấn Độ (Ayurveda) gừng là thuốc tống hơi và tiêu hóa Ở Trung Quốc, Nhật Bản gừng được chỉ định để điều trị một số bệnh như nôn mữa, tiêu chảy, chấn động, giảm nhiệt độ cơ thể và huyết áp cao [19]

Ở Việt Nam, người ta thường sử dụng gừng ở dạng nguyên liệu tươi trong chế biến món ăn, trong hỗ trợ điều trị các bệnh về khớp, các bệnh đường tiêu hóa…Tuy nhiên, việc sản xuất gừng nguyên liệu thường mang tính thời vụ và khó kiểm soát, do đó trong một lúc không thể sử dụng hết nguồn nguyên liệu này khi vào mùa vụ thu hoạch Chính vì vậy, người ta đã sử dụng những phương pháp khác nhau để chế biến gừng thành các sản phẩm tiện dụng như: bột gừng, kẹo gừng, trà gừng…Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu khoa học rõ ràng về các hoạt chất sinh học trong các sản phẩm từ gừng Do đó, để tăng thêm hiệu quả sử dụng gừng và nâng cao giá trị dược học từ gừng chúng tôi đã thực hiện đề tài

“Nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ củ gừng tươi bằng phương pháp enzyme”

Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân củ gừng bằng phương pháp enzyme để thu được dịch thủy phân có hiệu suất thu hồi chất khô là cao nhất Từ đó chọn điều kiện phù hợp cho quá trình thủy phân củ gừng, sản xuất thử nghiệm sản phẩm bột gừng sấy phun Đánh giá chất lượng sản phẩm bột gừng sấy phun và sự biến đổi các hoạt chất sinh học polyphenol, khả năng chống oxy hóa của sản phẩm

Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung các nội dung sau: Tổng quan tài liệu về củ gừng, enzyme dùng trong quá trình thủy phân Phân tích một số thành phần cơ bản của củ gừng, hoạt tính enzyme Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân củ gừng bằng enzyme α – amylase và tối ưu hóa điều kiện thủy phân

Khảo sát quá trình thủy phân tuần tự bằng enzyme α-amylase từ điều kiện tối ưu với hỗn hợp cellulase/pectinase

Đánh giá chất lượng bột gừng sấy phun như thành phần dinh dưỡng, cảm quan, vi sinh

Đánh giá sự thay đổi thành phần polyphenol, hoạt tính chống oxy hóa từ nguyên liệu gừng tươi, dịch sau khi thủy phân và bột gừng sấy phun

Ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài

Kết quả nghiên cứu góp phân nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ củ gừng, và ứng dụng cho sản xuất bột gừng sấy phun Bên cạnh đó, còn làm tăng chất lượng sản phẩm bột gừng như một loại giải khát có hoạt tính sinh học khá cao

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nguyên liệu gừng 1.1.1 Nguồn gốc và phân bố

Vào năm 1807, cây gừng được nhà thực vật học người Anh William Roscoe

(1753-1981) đặt tên khoa học là: Zingiber officinale Rosc Tên này có nguồn gốc từ

tiếng Phạn “stringavera” có nghĩa là “hình dạng thân rễ giống như gạc hươu” Gừng được cho là có nguồn gốc từ miền Nam Trung Quốc, cây gừng được trồng hầu hết các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới châu Á (khoảng 50% sản lượng gừng ở thế giới được sản xuất tại Ấn Độ) [15]

Chi Zingiber ở châu Á có khoảng 45 loài, Việt Nam có 11 loài được trồng

phổ biến từ Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn) vào Nam (Cà Mau) Hiện nay, ở Việt Nam

phổ biến nhất có 3 loại gừng: gừng dại (Zingiber purpureum Rosc), gừng gió (Zingiber zerumbet), và gừng vàng (Zingiber offcianale) [3]

1.1.2 Phân loại khoa học và đặc điểm hình thái

Có rất nhiều loại gừng khác nhau đã được phát hiện và gây trồng, nhưng trong khuôn khổ bài nghiên cứu này chúng tôi chỉ khảo sát loại gừng vàng được gây trồng phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam [3], [5]

Giới: Plantae Bộ: Zingiberales Họ: Zingiberaceae Chi: Zingiber Loài: Z.officinale Tên khoa học: Zingiber officinale Rosc

Hình 1.1 Gừng vàng Thân: là thân cỏ lâu năm một lá mầm, cao khoảng từ 0,6 ÷ 1m Cấu tạo từ nhiều bẹ lá ôm lấy lõi thân

Thân rễ: thân rễ phình to, chứa các chất dinh dưỡng và thường được gọi là củ gừng, không có hình dạng nhất định, phân nhánh trên một mặt phẳng, làm thành

nhiều đốt, kích thước không đều, dài 3 ÷ 7cm, dày 0,5 ÷ 1,5cm, mặt ngoài màu trắng tro hay vàng nhạt, có vết nhăn dọc, ở đầu đốt có vết tích của thân cây đã rụng, trên các đốt có vết sẹo của các lá khô (vảy), vết bẻ màu trắng tro hoặc ngà vàng, lõi tròn rõ, mùi thơm, vị cay nóng

Mặt cắt thân rễ tròn, từ ngoài vào trong có: biểu bì (1) gồm một lớp tế bào hình chữ nhật, nhỏ xếp tương đối đều đặn Dưới lớp biểu bì là mô mềm vỏ (2) gồm 5 ÷ 6 lớp tế bào hơi dẹp, vách tẩm chất gỗ Phía dưới lớp mô mềm vỏ này có khoảng 5 lớp bần Lớp bần (3) gồm những tế bào hình chữ nhật, xếp thành vòng đồng tâm Nội bì (5) gồm một lớp tế bào thành hóa gỗ tạo thành vòng Vỏ trụ (6) cấu tạo từ những tế bào thành cellulose tạo thành vòng xếp sát nội tế bào Các bó libe (8), gỗ (9) rải rác trong mô mềm vỏ, mô mềm ruột và tập trung nhiều sát vỏ trụ Trong mô mềm ruột, mô mềm vỏ có nhiều tế bào chứa tinh dầu (4), tinh bột (7)

Hình 1.2 Vi giải phẩu thân rễ gừng [54]

1 Biểu bì; 2 Mô mềm vỏ; 3 Bần; 4 Tế bào chứa tinh dầu; 5 Nội bì; 6 Vỏ trụ; 7 Tinh bột; 8 Bó mạch dẫn; 9 Gỗ

Lá: lá màu xanh đậm, dài 15 ÷ 20cm, rộng khoảng 2cm, lá mọc so le thành hai dãy, thẳng đứng, có bẹ lá, không cuống, hình ngọn giáo, thắt lại ở gốc, mặt trên màu lục sẫm bóng, mặt dưới nhạt, gân lá song song và có màu nhạt Bẹ nhẵn, có thể ôm vào nhau thành một thân giả

Hoa: cây gừng ít khi ra hoa, trục hoa mọc từ gốc, dài 15 ÷ 20cm Hoa màu vàng xanh, dài 5cm, rộng 2 ÷ 3cm, có ba cánh hoa dài khoảng 2cm, mép cánh hoa và nhị hoa màu tím

1.1.3 Điều kiện sinh thái và thu hoạch

Gừng là một loài cây thân thảo, ưa sáng nhưng có khả năng chịu bóng Cây gừng cũng sinh trưởng bình thường dưới tán che của các vườn cây ăn quả và rừng Thời gian sinh trưởng mạnh của cây trùng với mùa hè – thu nóng và ẩm Gừng tái sinh dễ dàng bằng những đoạn thân rễ có nhú mầm, có thể trồng quanh năm nhưng tốt nhất vào mùa xuân

Sau khi thu hoạch, gừng được loại bỏ đất, rễ, gốc và được chuyển vào kho bảo quản nơi thông thoáng

Điều kiện bảo quản tối ưu ở nhiệt độ 10 ÷ 150

C, độ ẩm 75%, thời gian bảo quản từ 6 ÷ 24 tuần [10], [22]

1.1.4 Thành phần hóa học

Trong củ gừng có các hợp chất tinh dầu bay hơi, acid béo, các hợp chất cay, nhựa gừng, protein, enzyme, pentosan, tinh bột và muối khoáng Thành phần các hợp chất này khác nhau tùy thuộc theo giống, vùng đất, điều kiện canh tác, độ trưởng thành của cây gừng

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng của củ gừng trong 100g phần ăn được

Tinh dầu gừng: hương thơm và mùi vị của gừng được xác định bởi các thành

phần dễ bay hơi trong tinh dầu gừng, trong đó bao gồm chủ yếu là sesquiterpene hydrocacbon, monoterpene hydrocarbon và monoterpene oxy hóa Các thành phần monoterpene được cho là đóng góp quan trọng nhất vào hương thơm của gừng, nó có nhiều hơn trong tự nhiên khi chưng cất tinh dầu từ gừng tươi so với chưng cất tinh dầu từ gừng khô Sesquiterpene oxy hóa chiếm số lượng tương đối nhỏ trong các thành phần của tinh dầu dễ bay hơi nhưng nó góp phần đáng kể trong việc tạo nên hương vị của gừng [15], [22]

Hình 1.3 Thành phần của tinh dầu dễ bay hơi trong gừng [15]

Tinh dầu gừng là chất lỏng có màu vàng đến màu vàng chanh Hàm lượng các chất này khoảng từ 1 ÷ 3% khối lượng củ gừng tươi, phần chủ yếu của tinh dầu gừng có nhiệt độ sôi khoảng 256 ÷ 2660C [22] Tinh dầu gừng thường được sản xuất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơn nước, trích ly CO2 siêu tới hạn từ gừng nguyên liệu Chất lượng hương thơm và các thành phần cũng như tính chất dược lý phụ thuộc vào giống, đất, điều kiện trồng trọt…

Nhựa dầu gừng (oleoresin): nhựa dầu gừng chứa các hợp chất không bay

hơi là các hợp chất gây cay chủ yếu trong gừng, ngoài ra một vài hợp chất không bay hơi khác cũng như tinh dầu không bay hơi, carbohydrate và các acid béo cũng nằm trong nhựa gừng [19]

Nhựa dầu thu được bằng phương pháp trích ly dung môi (acetone, ethanol, methanol, dichloromethane, dichlorethane và trichloroethane) Hàm lượng của nhựa dầu dao động 5,3-8,59% khối lượng củ gừng tươi [22]

Hợp chất cay: các thành phần tạo nên vị cay trong gừng là do đồng đẳng của

n-gingerol, là một dãy đồng đẳng của phenols, là các hợp chất khó bay hơi Nhiều nhất là 6-gingerol Ngoài sự hiện diện của 6-gingerol thì còn các hợp chất khác như: 3- gingerol, 4- ginerol, 8-gingerol, 10-gingerol và 12-gingerol Gingerols trong gừng nhiều nhất là các đồng đẳng với n = 6; 8; 10 Vị cay của gừng khô chủ yếu là do các shogaols và paradols là kết quả của quá trình hydrate hóa hoặc do thời gian bảo quản lâu từ gingerols và gingerone Nếu nhựa dầu gừng tốt thì trong đó thành phần chất cay chiếm khoảng 25 ÷ 30% trong thành phần nhựa dầu [15], [44]

Hình 1.4: Các thành phần tạo nên vị cay chủ yếu trong nhựa dầu gừng [15]

Carbohydrate: Carbohydrate trong gừng chủ yếu là tinh bột Tinh bột trong

gừng chiếm tỷ lệ khá lớn, hàm lượng tinh bột tối đa khi gừng phát triển đầy đủ sẽ thay đổi từ 40,34 ÷ 49,72% (so với % chất khô) Một số nghiên cứu khác cũng báo cáo sự gia tăng hàm lượng tinh bột có giới hạn tối đa 59% đến tối thiểu 40,4% [15], [38], [41]

Ngoài tinh bột, trong gừng còn chứa một lượng nhỏ các loại đường tự do, glucose, fructose và sacharose… [38]

Lipid: hàm lượng lipid trong gừng khác nhau tùy theo giống, chúng dao động

từ khoảng 3-11% trên hàm lượng nhựa dầu nhưng nhìn chung trung bình khoảng 5% Lipid trong gừng chứa nhiều acid béo không no như oleic, linoleic, linolenic tương ứng chiếm 22,9%, 23,2%, 6,6% tổng chất béo và có thể gây mùi ôi và mất mùi thơm trong bột gừng và dịch trích trong quá trình bảo quản [19]

1.1.5 Một số nghiên cứu đã công bố từ gừng

Từ lâu gừng đã được nhiều nhà khoa học chú ý đến bởi các tác dụng có lợi cho sức khỏe Một nghiên cứu [52] đã làm thí nghiệm so sánh gừng và scopolamine và damphetamine nhận thấy bột gừng khô có hiệu lực chống say tàu xe hơn scopolamine và damphetamine, trong khi gừng không gây ra cảm giác buồn ngủ, khô miệng, táo bón và bí tiểu như dùng scopolamine và damphetamine Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, trước khi lên tàu xe (khoảng 30 phút) nếu nhai một củ gừng nhỏ sẽ giảm thiểu hiện tượng say tàu xe suốt cuộc hành trình Những nghiên cứu khác [29], [48], [53] cho rằng gừng có tác dụng kích thích nhu động ruột, nhưng lại không gây nên sự co thắt quá mức ở bộ máy tiêu hóa Điều này giải thích được tác dụng giúp dễ tiêu hóa thức ăn, chống tiêu chảy, đầy hơi, chống ối mữa và say tàu xe

Trong gừng có các hoạt chất chống oxy hóa, ức chế hình thành các chất gây viêm Gừng được xem có tác dụng điều hòa miễn dịch, dùng làm giảm đau kháng viêm Nghiên cứu [14] cho 18 người bị viêm khớp, 10 người bị đau cơ dùng gừng từ 3 tháng đến 30 tháng (với liều từ 500 – 1000mg gừng ) thì 75% người viêm khớp và 100% người đau cơ đã được giảm đau và giảm sưng Ở một thí nghiệm khác, 7 người bị thấp khớp nặng không đáp ứng với nhiều loại thuốc khác nhưng

khi dùng mỗi ngày 5g gừng tươi hoặc 100 -1000mg gừng khô thì bệnh biến chuyển rõ rệt: giảm đau, cải thiện độ hoạt động của khớp, giảm cứng khớp vào buổi sáng

Ngoài ra, còn một số nghiên cứu khác trên thế giới đã công bố từ gừng được tóm tắt trong bảng 1.4 dưới đây

Bảng 1.2 Các nghiên cứu về tác dụng có lợi cho sức khỏe của gừng

Loại nghiên cứu

Tác dụng có lợi

Hợp chất tác dụng

Tác giả

Chống oxy hóa Ức chế sự oxy hóa lipid Dịch trích gừng [24]

Ức chế sinh tổng hợp hydrogen peroxide (H2O2) trong tế bào sụn do acid fulvic

Thuốc trị ho, chống dị ứng Shogaol, gingerol [25] Kháng khuẩn (salmonella và

staphylococcus)

Dịch trích gừng, nhựa dầu gừng

[50]

Làm giảm các hoạt động của vi khuẩn gây nhiễm đường hô hấp

Sesquiterpene [33],[37]

1.2 Tổng quan về enzyme 1.2.1 Enzyme amylase

Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật Các enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước [6]

Có 5 loại enzyme được xếp vào 2 nhóm: endoamylase (enzyme nội bào) và exoamylase (enzyme ngoại bào)

Endoamylase gồm có α-amylase và nhóm enzyme khử nhánh Nhóm enzyme khử nhánh này được chia thành 2 loại: khử trực tiếp là Pullulanase (hay α-dextrin 6-glucosidase); khử gián tiếp là Transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) và maylo-1,6-glucosidase Các enzyme này thủy phân các liên kết bên trong của chuỗi polysaccharide

Exoamylase gồm β-amylase và γ-amylase (hay glucoamyalse) Đây là những enzyme thủy phân tinh bột từ đầu không khử của chuỗi polysaccharide [13]

Trong sản xuất công nghiệp người ta thường gặp 3 enzyme là α-amylase,

β-amylase, glucoamylase [6] Các giai đoạn của quá trình thủy phân tinh bột của α-amylase:

Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-amylase là quá trình đa giai đoạn Giai đoạn dextrin hóa:

α-amylase Tinh bột dextrin phân tử lượng thấp Giai đoạn đường hóa:

Dextrin tetra và trimaltose disaccharide và monosacchride Amylose oligosaccharide polyglucose

Maltose maltotriose maltotetrose α-amylase (α-1,4-glucan-glucanhydrolase) EC.3.2.1.1, có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trong phân tử tinh bột một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả

Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử lượng thấp (α-dextrin), độ nhớt của

Sang giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa): các dextrin phân tử lượng thấp tạo thành bị thủy phân tiếp tục tạo ra các tetra – trimaltose Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho tới disaccharide và monosaccharide Dưới tác dụng của α-amylase, amylose bị phân giải khá nhanh tạo thành oligosaccharide gồm 6÷7 gốc glucose

Sau đó, các oligosaccharide này bị phân cắt tiếp tục tạo nên các mạch polyglucose cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose và maltotriose và maltose Tác dụng của α-amylase lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α-1,6-glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng, ngoài các đường nói trên còn có dextrin phân tử lượng thấp và isomaltose [13], [51]

Tóm lại, dưới tác dụng của α-amylase, tinh bột có thể chuyển thành maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử lượng thấp Tuy nhiên, sản phẩm chủ yếu vẫn chính là dextrin phân tử lượng thấp Vì vậy, người ta hay gọi enzyme này là enzyme dextrin hóa hay enzyme dịch hóa

Giới thiệu enzyme amylase sử dụng trong nghiên cứu

Sử dụng enzyme α-amylase được sản xuất từ Bacillus lichneniformis Theo

khuyến cáo của nhà sản xuất enzyme này hoạt động tối ưu trong khoảng nhiệt độ từ 70-900C, pH từ 4,5-6,5 và tùy thuộc vào điều kiện cơ chất cụ thể [6], [55]

Bảng 1.3 Chỉ tiêu chất lượng enzyme α-amylase từ Bacillus lichneniformis [55]

Enzyme cellulase được các nhà khoa học phân làm các nhóm chủ yếu sau: Nhóm Exoenzyme gồm:

1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase (CBH) (EC 3.2.1.91): xúc tác thủy phân liên kết β-1,4-glycoside từ đầu không khử của cellulose cho ra cellobiose Enzyme này còn gọi là cellobiohydrolase, exoglucanase, exocellulase, cellobiosidase, không có khả năng phân hủy cellulose dạng kết tinh mà chỉ thay đổi tính chất hóa lý của chúng giúp cho endocellulase phân hủy

1,4-β-D-glucanglucohydrolase (EC.3.2.1.74): xúc tác thủy phân liên kết β – 1,4 glycoside trong phân tử các cellulose và β-1,4 glucan từ đầu không khử để giải phóng ra sản phẩm là glucose

Nhóm Endoenzyme: 1,4-β-D-glycosideglucohydrolase (EC.3.2.1.4) có khả năng cắt liên kết β-1,4-glucoside ở giữa mạch trong cellulose, lichenin và β-D -glucan Sản phẩm của quá trình thủy phân là cellodextrin, cellobiose và glucose Chúng tham gia tác động đến cellulose vô định hình, tác động yếu dần đến cellulose kết tinh Enzyme này có một tên khác là endoglucanase, endo 1,4-β -glucanase

Nhóm β-glucosidase: β-D-glycosideglucohydrolase (EC 3.2.1.21) thủy phân những đoạn oligomer của cellulose và cellobiose Đối với cơ chất là các oligomer của cellulose, enzyme sẽ xúc tác thủy phân liên kết β-1,4-glycoside từ đầu không khử và cho các đường đơn glucose Chúng không có khả năng phân hủy cellulose nguyên thủy

Cơ chế tác động hiệp đồng của các enzyme:

Hình 1.5 Cơ chế tác động của phức hệ cellulase lên cellulose [49]

Enzyme endocellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết bằng tương tác giữa CBD với cellulose tạo thành các oligosaccharide

Enzyme exocellulase tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu không khử thông qua tương tác của CBD với cellulose, tạo thành cellobiose và glucose

β – glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan tạo glucose [7] [49]

Giới thiệu về enzyme cellulase dùng trong nghiên cứu

Enzyme cellulase là chế phẩm thương mại được thu nhận từ chủng nấm mốc

Trichoderma reesei Theo khuyến cáo của nhà sản xuất, điều kiện hoạt động của

enzyme này ở khoảng pH 4÷6; nhiệt độ hoạt động là 35÷600

C [55] Một số nghiên cứu khác thì nhiệt độ hoạt động của enzyme này ở 40-500C [16], [47]

Bảng 1.4 Chỉ tiêu chất lượng enzyme cellulase từ Trichoderma reesei [55]

Nhóm 2: thủy phân liên kiết α-1,4-glycoside bao gồm: Polygalacturonic (PG): tác dụng lên các phân tử acid pectic hay acid pectinic, xúc tác thủy phân các liên kết α-1,4-glycoside ở các vị trí giữa mạch (endo PG) hay từ đầu không khử của phân tử cơ chất (exo PG)

Polymethylgalacturonase (PMG): tác dụng lên pectin, xúc tác thủy phân các liên kết α-1,4-glycoside ở vị trí giữa mạch (endo PMG) hay từ đầu không khử của phân tử pectin (exo PMG)

Nhóm 3: pectin transeliminase (xúc tác phản ứng cắt liên kết α-1,4-glycoside và không có sự tham gia của phân tử nước) bao gồm:

Polygalacturonatelyase (PGL): xúc tác trên cơ chất là acid pectin hay acid pectinic, phân cắt liên kết α-1,4-glycoside ở các vị trí giữa mạch (endo PGL) hay từ đầu không khử của phân tử cơ chất (exo PGL)

Polymethylgalacturonatelyse (PMGL): xúc tác trên cơ chất là pectin, phân cắt liên kết α-1,4-glycoside ở các vị trí giữa mạch (endo PMGL) hay từ đầu không khử của phân tử pectin (exo PMGL)

Nhóm 4: những enzyme thủy phân hoặc phân cắt liên kết α-1,4-glycoside trong các oligo-D-galacturonate

Hình 1.6 Vị trí phân cắt của enzyme pectinase [35]

Giới thiệu về enzyme pectinase sử dụng trong nghiên cứu

Sử dụng enzyme pectinase được sản xuất từ nấm mốc Aspergillus aculeatus

Điều kiện hoạt động của enzyme này ở khoảng nhiệt độ 25÷ 600C, pH là 3÷6 [6]

Bảng 1.5 Chỉ tiêu chất lượng enzyme pectinase từ Aspergillus aculeatus [55]

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme

Enzyme là xúc tác sinh học mang bản chất là protein nên hoạt động của enzyme phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH môi trường, lượng chế phẩm enzyme, nồng độ cơ chất, sự có mặt của các chất hoạt hóa hoặc kìm hãm enzyme trong nguyên liệu

Lượng chế phẩm enzyme, nồng độ cơ chất:

Trong phản ứng có enzyme làm xúc tác, khi các điều kiện khác được giữ cân bằng thì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào lượng chế phẩm enzyme và nồng độ cơ chất Muốn đạt được tốc độ cực đại, thì nồng độ của cơ chất phải cao hơn nồng độ của enzyme hàng triệu lần và luôn ở trạng thái thừa Tuy nhiên tốc độ của phản ứng enzyme thường rất nhanh, nên khi phản ứng diễn ra thì nồng độ cơ chất sẽ giảm xuống một cách nhanh chóng theo thời gian, đồng thời nồng độ sản phẩm tăng lên

Nhiệt độ:

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ đến tốc độ phản ứng Dưới tác dụng của nhiệt độ, tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh, nhưng đến một giới hạn nào đó enzyme sẽ bị biến tính Các loại enzyme khác nhau sẽ có mối liên quan đến nhiệt độ khác nhau Ở nhiệt độ thấp enzyme cũng bị giảm hoạt tính hoặc vô hoạt, nhưng khi tăng nhiệt độ trở lại thì hoạt tính enzyme sẽ được phục hồi Do đó, người ta thường bảo quản enzyme ở 0÷50C ở dạng lỏng hoặc trong khoảng từ -200C đến -300C ở dạng bột

pH môi trường:

pH ảnh hưởng rõ rệt đến phản ứng Mức độ ảnh hưởng của pH còn phụ thuộc vào cơ chất, tính chất dung dịch đệm, nhiệt độ…Mỗi loại enzyme có một khoảng pH tối ưu, tại đó hoạt tính enzyme đạt giá trị cao nhất pH tối ưu của enzyme không cố định mà phụ thuộc các loại cơ chất và điều kiện thí nghiệm

Tác dụng của ion kim loại:

Một số enzyme không bị ảnh hưởng rõ rệt với sự có mặt hay không có mặt của ion kim loại Tuy nhiên cũng có những enzyme khác lại chịu ảnh hưởng của nồng độ và bản chất kim loại

Tác dụng của chất hoạt hóa:

Các chất hoạt hóa có khả năng làm tăng hoạt động xúc tác của enzyme, hoặc làm cho enzyme không hoạt động trở thành hoạt động Các chất hoạt hóa có bản chất khác nhau, có thể là các anion, các ion kim loại hoặc các chất hữu cơ khác Tác động hoạt hóa chỉ ở những nồng độ xác định, khi vượt quá giới hạn có thể làm giảm hoạt động của enzyme [6],[51]

1.3 Tổng quan về maltodextrin

Maltodextrin là một loại tinh bột biến tính được sản xuất bằng phương pháp thủy phân với acid hoặc enzyme từ tinh bột Các tính chất vật lý của maltodextrin được xác định tùy theo mức độ thủy phân của tinh bột Mức độ thủy phân của tinh bột được thể hiện thông qua chỉ số DE (dextrose equivalent – DE), là lượng đường khử dựa trên hàm lượng glucose có trong 100g chất khô

Maltodextrin là chất rắn vô định hình, dạng bột trắng, không màu, không mùi, được sản xuất bằng các phương pháp sấy phun và sấy tầng sôi Maltodextrin hút ẩm khi môi trường có hàm ẩm tương đối lớn hơn 50% vì vậy cần bảo quản maltodextrin với dụng cụ chứa kín và môi trường có hàm ẩm tương đối thấp Ngoài ra, khả năng hút ẩm của maltodextrin tăng khi giá trị DE tăng [2], [45]

Ứng dụng: Maltodextrin được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực chế biến thực phẩm và dược phẩm, vào các đặc tính quan trọng như làm tăng khối lượng/ thể tích sản phẩm, tạo màng bao, ức chế quá trình kết tinh, tạo kết dính và kiểm soát quá trình đông đặc Maltodextrin trong thực phẩm được sử dụng như chất độn, làm màng bao cho hương và màu, sử dụng trong công nghệ bánh kẹo, đồ uống, các sản phẩm từ sữa [7]

1.4 Tổng quan về sấy phun 1.4.1 Cơ sở khoa học của quá trình sấy phun

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:

Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Quá trình sấy phun có một số đặc điểm khác biệt hơn là so với các quá trình sấy khác Mẫu nguyên liệu đưa vào sấy phun có dạng lỏng và sản phẩm thu được sau khi sấy có dạng bột Thực chất, mẫu nguyên liệu khi vào thiết bị sấy sẽ được phân tán thành những hạt nhỏ li ti trong buồng sấy Chúng được tiếp xúc với tác nhân sấy Kết quả là hơi nước được bốc đi nhanh chóng Các hạt sản phẩm được tách ra khỏi tác nhân sấy nhờ một hệ thống thu hồi riêng

Quá trình sấy phun bao gồm ba giai đoạn cơ bản sau: Giai đoạn phân tán dòng nhập liệu thành những hạt sương nhỏ li ti (giai đoạn phun sương) Giai đoạn phân tán mẫu vào không khí nóng và sẽ xảy ra quá trình bốc hơi nước trong mẫu Giai đoạn thu hồi sản phẩm sau khi sấy từ dòng khí thoát

1.4.2 Ưu và nhược điểm của quá trình sấy phun

Ưu điểm: thời gian tiếp xúc giữa các hạt lỏng và tác nhân sấy trong thiết bị rất ngắn, do đó nhiệt độ của mẫu nguyên liệu đem sấy không bị tăng quá cao Nhờ đó sự tổn thất các hợp chất dinh dưỡng mẫn cảm với nhiệt độ có trong mẫu là không đáng kể Sản phẩm sấy phun thu được là những hạt có hình dạng và kích thước tương đối đồng nhất Thiết bị sấy phun trong thực tế sản xuất thường có năng suất cao và làm việc theo nguyên tắc liên tục Sản phẩm dạng bột có hàm ẩm thấp ≤ 5% đáp ứng cho sản phẩm quy mô công nghiệp

Nhược điểm: không thể sử dụng cho những mẫu nguyên liệu có độ nhớt quá cao Mỗi thiết bị sấy phun thường được thiết kế để sản xuất một số sản phẩm với những tính chất và chỉ tiêu đặc thù riêng Vốn đầu tư thiết bị khá lớn khi so sánh với các thiết bị sấy đối lưu cổ điển

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun nhưng quan trọng nhất là những yếu tố sau:

Nồng độ chất khô của nguyên liệu:

Trong quá trình sấy phun, nếu nồng độ chất khô của nguyên liệu càng cao thì lượng nước bốc hơi để sản phẩm đạt giá trị độ ẩm cho trước sẽ càng thấp Như vậy, các nhà sản xuất sẽ tiết kiệm được thời gian sấy và năng lượng cần cung cấp cho quá trình Tuy nhiên, nếu nồng độ chất khô quá cao sẽ làm tăng độ nhớt của

nguyên liệu, gây khó khăn cho quá trình tạo sương mù trong buồng sấy, cơ cấu phun dễ bị tắc nghẽn hoặc tạo hạt với hình dáng và kích thước không như mong muốn

Nhiệt độ tác nhân sấy:

Nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố ảnh hưởng đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm của sản phẩm bột thu được sẽ giảm đi nếu ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tác nhân sấy tăng quá cao, độ ẩm cuối cùng của sản phẩm bột sẽ không giảm thêm nhiều Hơn nữa, việc gia tăng nhiệt độ có thể gây phân hủy một số cơ cấu trong nguyên liệu mẫn cảm và làm tăng mức tiêu hao năng lượng cho toàn bộ quá trình

Các yếu tố khác:

Tốc độ bơm đưa dòng nguyên liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo và kích thước buồng sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy phun [7]

1.4.4 Một số nghiên cứu ứng dụng của sấy phun trong sản xuất thực

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên vật liệu 2.1.1 Nguyên liệu củ gừng

Gừng (Z.officinale Rosc) sử dụng trong nghiên cứu được mua từ Xí Nghiệp Chế Biến Kinh Doanh Rau Quả - công ty VISSAN, thành phố Hồ Chí Minh Chọn những củ gừng không sâu bệnh, không úng, dập, mốc và không nảy mầm

Nguồn gốc: gừng vàng ở tỉnh Lạng Sơn

2.1.2 Enzyme

α-amylase từ vi khuẩn Bacillus lichneniformis, khoảng pH hoạt động 4,5-6,5;

nhiệt độ 70-900C, hoạt tính 3177,9U/ml

Cellulase từ nấm mốc Trichoderma reesei, khoảng pH hoạt động 4-6, nhiệt độ

35-600C, hoạt tính 5021U/ml

Pectinase từ nấm mốc Aspergillus aculeatus, khoảng pH hoạt động 3-6, nhiệt

độ hoạt động 25-600C, hoạt tính 4751U/ml Chế phẩm enzyme được mua của hãng NovozymeR

Đan Mạch, phân phối bởi công ty BrennTag Việt Nam (202 Hoàng Văn Thụ, phường 9, quận Phú Nhuận)

2.1.3 Maltodextrin

Sử dụng sản phẩm GLUCIDEX 12D của Pháp, độ ẩm 3,3%

2.1.4 Hóa chất

Methanol (Merck, Đức) Ethanol (Việt Nam) Acid galic (Merck, Đức) Na2CO3 (Merck, Đức) K2Cr2O7 (Merck, Đức) Folin – Ciocalteu (Merck, Đức) Acid citric (Trung Quốc)

Sodium citrate (Trung Quốc) Ether dầu hỏa (Trung Quốc)

ABTS (BioBasic, Canada) DPPH (Sigma – Aldrich, Mỹ) Trolox (Sigma – Aldrich, Mỹ)

2.2 Dụng cụ và thiết bị 2.2.1 Dụng cụ

Bình định mức 50ml, 100ml Bình tam giác 100ml

Lon thủy phân Phểu thủy tinh Nhiệt kế Thau inox Bình hút chân không Ống nghiệm có nắp Cuvet

2.2.2 Thiết bị

Bể điều nhiệt Máy lắc Tủ sấy Vortex pH kế Máy quang phổ UV- VIS (Genesys 6 Thermo spectroic USA) Máy khuấy từ

Bơm chân không Máy sấy phun (SD – 06 AG spray dryer, Anh) Cân điện tử 1, 2 và 4 số lẻ

Cân sấy ẩm (IR 35 Denver Instrument Germany) Micropipet 10 ÷ 100µl, 100 ÷ 1000µl

Tủ đông, tủ lạnh

2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu

Phân tích thành phần củ gừng

tươi

Carbohydrate, protein, lipid, khoáng

Khảo sát quá trình thủy phân

Khảo sát quá trình thủy phân bởi

α- amylase

- Tỷ lệ nguyên liệu/nước - pH

- Nhiệt độ - Nồng độ chế phẩm enzyme - Thời gian

- Tối ưu các điều kiện trên

Khảo sát quá trình thủy phân gừng tuần

tự bằng enzyme α-amylase từ điều

kiện tối ưu với cellulase/pectinase

Sấy phun và đánh giá chất lượng sản phẩm bột gừng

Hóa lý: độ ẩm, carbohydrate, protein, lipid, khoáng Cảm quan: màu sắc, mùi, vị, ưa thích chung

Vi sinh: tổng vsv hiếu khí, nấm men, mốc, Coliform

Đánh giá sự biến đổi một số thành phần từ nguyên liệu đến sản phẩm

Hàm lượng polyphenol Hoạt tính chống oxy hóa (DPPH, ABTS)

- Hiệu suất thu hồi chất khô - Hàm lượng polyphenol - Hoạt tính chống oxy hóa (DPPH, ABTS)

2.3.2 Quy trình thủy phân dịch gừng bằng enzyme

Gừng tươi Phân loại

Rửa

Hấp

Nghiền

Thủy phân bằng α-amylase

Lọc

Dịch gừng

Bã lọc Vô hoạt enzyme

Nước

Thủy phân bằng cellulase/pectinase Thủy phân bằng

α-amylase

(2) (1)

Thuyết minh quy trình Phân loại

Mục đích: loại bỏ những củ bị dập, hư hỏng hay bị bệnh và không đạt chất lượng

nhằm đảm bảo nguyên liệu đồng nhất về chất lượng

Cách thực hiện: quan sát bằng mắt thường, loại bỏ những củ gừng không đạt

Cách thực hiện: sử dụng vòi nước phun mạnh lên thân củ gừng, dưới áp lực vòi

phun, đất, cát, các chất bẩn sẽ được tách ra khỏi gừng

Nghiền

Mục đích: làm nhỏ kích thước gừng, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy

phân

Cách thực hiện: sử dụng máy xay gia dụng hiệu Philip, tốc độ xay là 15000

vòng/phút, thời gian xay là 2 phút

Thủy phân bằng enzyme α-amylase

Mục đích: dùng α-amylase để thủy phân tinh bột trong gừng, tăng hiệu suất thu hồi

chất khô

Cách thực hiện: quá trình thủy phân được thực hiện trong bể điều nhiệt có lắc đảo

Thủy phân bằng hỗn hợp enzyme cellulase/pectinase

Mục đích: dùng hỗn hợp enzyme cellulase/pectinase để phá vỡ thành tế bào, nâng

cao hiệu suất thu hồi chất khô đặc biệt là các hợp chất sinh học đồng thời hỗ trợ cho quá trình lọc

Cách thực hiện:

Gừng sau khi thủy phân bằng enzyme α-amylase tiếp tục thủy phân bằng hỗn hợp cellulase/pectinase

Quá trình thủy phân được thực hiện trong bể điều nhiệt có lắc đảo

Vô hoạt enzyme

Mục đích: đình chỉ hoạt động của enzyme bổ sung trong quá trình thủy phân, tránh

gây biến đổi sản phẩm

Cách thực hiện: Cho các mẫu thủy phân vào nước ở nhiệt độ 1000C trong 10 phút [6]

Thời gian thủy phân: 30 phút

Yếu tố thay đổi:

Tỷ lệ pha loãng gừng/nước là 1/0; 1/0,5; 1/1; 1/1,5; 1/2

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

Thí nghiệm 2: khảo sát ảnh hưởng của pH trong quá trình thủy phân đến H % dịch gừng enzyme

Các yếu tố cố định:

Tỷ lệ pha loãng gừng/nước theo kết quả thí nghiệm 1

Nồng độ chế phẩm enzyme tính trên chất khô: 0,6% (v/w) Nhiệt độ thủy phân: 800C

Thời gian thủy phân: 30 phút

Yếu tố thay đổi:

pH: 4,6; 5,0; 5,4; 5,8; 6,2

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

Thí nghiệm 3: khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình thủy phân đến H % dịch gừng

Các yếu tố cố định:

Tỷ lệ pha loãng gừng/nước theo kết quả thí nghiệm 1 pH theo kết quả thí nghiệm 2

Nồng độ chế phẩm enzyme: 0,6% (v/w) Thời gian thủy phân: 30 phút

Yếu tố thay đổi:

Nhiệt độ (0

C): 70; 75; 80; 85; 90

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

Thí nghiệm 4: khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm enzyme trong quá trình thủy phân đến H % dịch gừng

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

Thí nghiệm 5: khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến H % dịch gừng

Các yếu tố cố định:

Tỷ lệ pha loãng gừng/nước theo kết quả thí nghiệm 1 pH theo kết quả thí nghiệm 2

Nhiệt độ theo kết quả thí nghiệm 3 Nồng độ chế phẩm enzyme theo kết quả thí nghiệm 4

Yếu tố thay đổi:

Thời gian thủy phân (phút): 0; 15; 30; 45; 60; 75; 90

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

Thí nghiệm 6: tối ưu hóa các điều kiện thủy phân dịch gừng bằng enzyme amylase

α-Mục đích: tìm ra điều kiện tối ưu về nồng độ chế phẩm enzyme, pH, nhiệt độ và

thời gian xử lý dịch gừng bằng chế phẩm enzyme để thu được dịch bán thành phẩm có hàm lượng chất khô cao nhất

Phương pháp: thí nghiệm được tiến hành theo phương pháp quy hoạch thực

nghiệm quay 4 yếu tố có tâm xoay với hàm mục tiêu là hàm lượng chất khô Phần mềm được sử dụng để thiết kế thí nghiệm và xử lý kết quả là Modde 5.0 Giá trị tối ưu là điểm mà tại đó hàm lượng chất khô đạt cực đại

Thí nghiệm 7: Kiểm chứng giá trị tối ưu từ lý thuyết bằng thực nghiệm

Từ các thông số tối ưu pH, nhiệt độ, nồng độ chế phẩm enzyme, thời gian thủy phân từ phương trình hồi quy, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng với điều kiện tối ưu trên Đánh giá tính xác thực của mô hình

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô H%

2.3.4 Bố trí thí nghiệm quá trình thủy phân gừng thu nhận chất khô bằng sự xúc tác tuần tự 2 giai đoạn enzyme α-amylase với hỗn hợp cellulase/pectinase

Mục đích:

Sau khi tối ưu hóa các điều kiện thủy phân gừng bằng enzyme α-amylase, chúng tôi tiếp tục khảo sát quá trình thủy phân gừng khi kết hợp với enzyme cellulase/pectinase để nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô

Ở khảo sát này, chúng tôi tiến hành thủy phân bằng α-amylase theo thông số đã tối ưu được ở các thí nghiệm trước Sau đó, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp enzyme cellulase/pectinase qua ba thông số: tỷ lệ kết hợp cellulase/pectinase, nồng độ chế phẩm enzyme cellulase/pectinase và thời gian thủy phân, cố định thông số nhiệt độ và pH theo thông số tối ưu mà nhà sản xuất đã công bố Đánh giá hiệu quả thủy phân bằng xác định hiệu suất thu hồi chất khô

Thí nghiệm 8: xác định tỷ lệ cellulase và pectinase xúc tác quá trình thủy phân dịch gừng

Thời gian: 60 phút Nồng độ chế phẩm enzyme: 0,6% (v/w)

Yếu tố thay đổi:

Tỷ lệ enzyme cellulase/pectinase: 0/0; 0/1; 1/0; 1/1; 1/2; 2/1; 1/3; 3/1

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

Thí nghiệm 9: xác định nồng độ cellulase và pectinase xúc tác quá trình thủy phân dịch gừng

Thời gian: 60 phút Tỷ lệ kết hợp enzyme cellulase/pectinase: kết quả từ thí nghiệm 8

Yếu tố thay đổi:

Nồng độ chế phẩm enzyme (% v/w): 0; 0,6; 0,9;1,2; 1,5

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

Thí nghiệm 10: khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý cellulase/pectinase đến quá trình thủy phân củ gừng

Các yếu tố cố định:

Điều kiện thủy phân α-amylase: theo thông số tối ưu hóa Điều kiện thủy phân bằng cellulase/pectinase:

Nhiệt độ: 500C pH: 5,8

Tỷ lệ kết hợp enzyme cellulase/pectinase: kết quả từ thí nghiệm 8 Nồng độ chế phẩm enzyme (% v/w): kết quả từ thí nghiệm 9

Yếu tố thay đổi:

Thời gian xử lý (phút): 0; 30; 60; 90; 120; 150

Chỉ tiêu đánh giá: hiệu suất thu hồi chất khô (H %)

2.3.5 Sấy phun bột gừng và đánh giá sản phẩm bột Thí nghiệm 11: đánh giá sản phẩm bột gừng

Các thông số của quá trình sấy: lưu lượng nạp liệu 6 (tương đương 5,4 ml/phút), áp lực sấy 3bar, bổ sung maltodextrin vào dịch lọc gừng đến 21% chất khô, nhiệt độ sấy 1400C

Chỉ tiêu đánh giá dịch hoàn nguyên:

Đánh giá cảm quan theo phương pháp cho điểm thị hiếu Các chỉ tiêu hóa lý: độ ẩm, carbohydrate, protein, lipid, hàm lượng polyphenol, hoạt tính chống oxy hóa (DPPH, ABTS)

Các chỉ tiêu vi sinh: tổng số vi sinh vật hiếu khí (TSVSVHK), tổng số nấm

men, mốc, Coliform

Thí nghiệm 12: đánh giá sự biến đổi thành phần từ nguyên liệu đến sản phẩm bột gừng

Mục đích: Để đánh giá toàn diện sự biến đổi về hàm lượng các hợp chất có hoạt

tính sinh học cao đặc trưng của củ gừng, chúng tôi tiến hành phân tích và đánh giá sự biến đổi của các hợp chất này từ nguyên liệu, dịch sau khi thủy phân và sản

phẩm sấy phun Chỉ tiêu đánh giá: hàm lượng polyphenol, hoạt tính chống oxy hóa (DPPH,

ABTS)

2.5 Các phương pháp phân tích

Xác định hàm lượng polyphenol – phương pháp Folin – Ciocalteu (phụ lục A1) Xác định hoạt tính chống oxy hóa DPPH (2-2, diphenylpicrylhydrazyl) (phụ lục A2)

Xác định hoạt tính chống oxy hóa theo phương pháp ABTS (phụ lục A3)