Luận án tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: Ứng dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phân tinh bột khoai mì (Manihot esculenta crantz.)

1.1.1 Cac giai đoạn cua quá trình thủy phân1.1.1.1 Giai đoạn hồ hóa Khi gia nhiệt huyền phù tinh bột trong nước, các phân tử nước sẽ khuếch tán vàobên trong hạt tinh bột khiến cho hạt tr

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

TRAN THI THU TRA

UNG DUNG SONG SIEU AM DE NANG CAO HIEU QUA

QUA TRINH THUY PHAN TINH BOT KHOAI MI

(Manihot esculenta crantz.)

LUAN AN TIEN SI KY THUAT

TP HO CHI MINH — NAM 2015

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRAN THỊ THU TRA

UNG DUNG SONG SIEU AM DE NANG CAO HIEU QUA

QUA TRINH THUY PHAN TINH BOT KHOAI MI

(Manihot esculenta crantz.)

Chuyên ngành: Chế biến Thực phẩm va Đồ uốngMã số chuyên ngành: 62 54 02 01

Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Minh ThủyPhản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn Thanh Hằng

Phản biện 1: PGS TSKH Ngô Kế SươngPhản biện 2: PGS TS Trương Thị Minh HạnhPhản biện3: GS.TS Đống Thị Anh Dao

NGƯỜI HUONG DAN KHOA HOC: GS TS LE VĂN VIET MAN

ii

LOI CAM DOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản than tác giả Các kếtquả nghiên cứu và các kết luận trong luận án nảy là trung thực, và không sao chép từ bấtkỳ một nguồn nao và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tai liệu đãđược thực hiện trích dẫn và ghi ngu6n tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chit ký

Trần Thị Thu Trà

TOM TAT LUẬN AN

Với mục dich nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân tinh bột khoai mi banggiải pháp sử dụng sóng siêu âm, nội dung nghiên cứu của luận an gôm có bon phan:

Phan 1: Xử lý siêu âm huyền pho tinh bột khoai mì Phần nay đã đưa ra quy luậtảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình phá vỡ hạt tinh bột và làm tăng lượng tinhbột hòa tan.

Phan 2: Xử lý siêu âm chế phẩm enzyme amylase nhằm tìm hiểu quy luật ảnhhưởng của sóng siêu âm đến hoạt độ của hai chế phẩm Termamyl 120L và DextrozymeGA Phần này đã xác định được quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất và thời giansiêu âm đến hoạt tính amylase Bên cạnh đó, biến đổi hoạt độ amylase theo pH và nhiệtđộ, các thông số động học và nhiệt động học của phản ứng thủy phân, các thông số nhiệtđộng của quá trình vô hoạt enzyme được so sánh giữa mẫu chế phẩm enzyme đã qua vàkhông qua xử lý siêu âm.

Phan 3: Xử lý siêu âm hỗn hợp huyền phi tinh bột khoai mì có chứa enzyme xúctác Phần này đã xác định quy luật ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình giải phóngvà làm tăng hàm lượng tinh bột hòa tan, đến độ thủy phân tính bột

Phần 4: So sánh các giải pháp sử dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả thủyphan tinh bột khoai mi: thông qua độ thủy phân, thời gian thủy phân và năng lượng siêuâm can sử dụng dé tăng thêm 1g đường khử so với mẫu đối chứng

Kết quả nghiên cứu đã khang định sóng siêu âm có thé làm tăng hoạt tính amylasecủa chế phẩm enzyme a — amylase và glucoamylase lần lượt là 47,3% và 11,1 % so vớimẫu đối chứng Giải pháp xử lý siêu âm 2 chế phẩm a — amylase và glucoamylase trướckhi sử dụng trong quá trình thủy phân tinh bột cho độ thủy phân đạt 96,8% và giá tri nàytăng 12,6% so với mẫu đối chứng, chi phi năng lượng siêu âm thấp, chỉ 11J/g đườngkhử tăng thêm.

ii

ABSTRACTThe objective of this research was to improve hydrolysis efficiency of cassavastarch by ultrasound — assisted treatments The thesis consists of four experimentalsections:

Section |: Ultrasonic treatment of cassava slurry The impacts of the sonicationconditions in degradation of starch granules and content of soluble starch wereinvestigated and reported

Section 2: Ultrasonic treatment of amylase preparations The effects of sonicationtemperature, power and time on catalytic activity of Termamyl 120L and DextrozymeGA were clarified Moreover, the influence of pH and temperature on amylase activity,kinetic and thermodynamic parameters of hydrolytic reaction, thermodynamicparameters of enzyme inhibition were compared for the sonicated and non — sonicatedpreparations.

Section 3: Ultrasonic treatment of mixture of cassava slurry and enzymepreparation The impacts of sonication conditions on release of starch molecules fromstarch granules and content of soluble starch were examined and reported

Section 4: Comparison of ultrasound — assisted techniques for improvement inhydrolysis efficiency of cassava starch slurry The hydrolytic yield and time weredetermined, ultrasonic energy for increasing | g reducing sugars in comparison with thecontrol was also calculated.

The experimental results showed that sonication enhanced catalytic activity of thea — amylase preparation (Iermamyl 120L) and the glucoamylase preparation(Dextrozyme GA) by 47.3% and 11.1%, respectively, in comparison with the controls.Application of the sonicated œ — amylase and glucoamylase preparations to cassavastarch hydrolysis resulted in the hydrolytic yield of 96.8% and this value was 12.6%higher than the control; the ultrasonic energy consumption was just 11J/g reducingsugars increased.

lil

LỜI CÁM ƠN

Đề có thể hoàn thành được cuốn luận án này, tôi xin gửi lời cam ơn chân thành đếnPGS.TS Lê Văn Việt Man, thay hướng dẫn luận án va cũng là chủ nhiệm bộ môn Côngnghệ Thực phẩm Trong suốt quá trình làm luận án, tôi không chỉ tiếp thu thêm đượcnhững kiến thức khoa học mới mà thông qua hướng dẫn cua thay, tôi còn học tập đượctác phong làm việc, phong cách viết báo cáo khoa học và cả cách đối nhân xử thế

Xin cảm ơn TS Hoàng Văn Quốc Chương, Giám đốc nhà máy Biên hòa, công tyAjinomoto Việt Nam đã cung cấp nguyên liệu tinh bột khoai mì

Xin cảm ơn Anh Lê Minh Thiên, Giám đốc kỹ thuật sản xuất, và Anh Tạ QuangMinh, KS Hóa, phòng KTSX Công ty Cổ phần Rượu Bình Tây đã cung cấp một phầncác chế phẩm enzyme Termamyl 120L, Dextrozyme GA sử dụng trong luận án

Xin cảm ơn các đồng nghiệp tại bộ môn Công nghệ Thực phâm đã giúp đỡ, độngviên, góp ý kiến hữu ích dé tôi hoàn thành luận án

Xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thay cô Khoa Kỹ thuật Hóa học, phòng Đảo tao SauĐại học, các đơn vị hỗ trợ phân tích: phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Vật liệuPolymer va Composite, phòng thí nghiệm Công nghệ cao, Viện Công nghệ Hoa học.

Xin cảm ơn các em sinh viên đã vất vả cùng tôi trong việc thực hiện các thực nghiệm,xử lý số liệu kết quả thí nghiệm công bồ các bai báo

Cuối cùng, xin cam ơn gia đình đã ủng hộ tinh than và cũng là động lực cho tôi cỗgăng

Nghiên cứu sinhTrần Thị Thu Trà

IV

MỤC LỤC1019509 9 S 4d(/(((((‹443 - VvDANH MỤC HINH cccccccssecececececscvscscecescevevscececsevsvscacecsesevacacecessevavacaceceevevacaceseavecaes viiiDANH MUC BANG 22 xiDANH MỤC CAC TU VIET TẮTT G-G- G6983 3128 g1 gi xiii

2 xinngă—.ÉĐ ,., |

CHUONG 1 TONG QUAN 5c csccé HH ưưn 21.1 Qua trình thủy phân tinh Độ( - << 1 99900 ng nen 21.1.1 Cac giai đoạn của quá trình thủy phân - - 2-5 Ă S311 S1 re seg 21.1.2 Động học quá trình thủy phân tinh bột 5555-2255 sssssss71.2 AmyaS€ - G Gọi 101.2.1 Enzyme Œ - aITVÏiAS€ - G0 9.00 nọ nọ 111.2.2 Enzyme ølucOaImnyÏiS€ - - - << «5 100001 ng 13I.3 Các hiện tượng xảy ra khi sóng siêu âm tac động vào môi trường lỏng 151.4 Ứng dung sóng siêu âm vào quá trình thủy phân tinh bột 181.4.1 Co sở khoa hỌC - c1 11111111 100 110 ng 1814.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân tinh bột dưới tác độngđông thời của enzyme và sóng SIÊU AM - s10 199 ng re 19

1.4.3 Những kết quả nghiên cứu đã thu được - - 2 s5s+ccs+s+secscsee 211.5 Qua trình thủy phân tinh bột có sử dung enzyme ở Việt Nam 241.6 Xác định hướng nghiên cứu của dé tài - 55-52 22+ ss+eseerezrsrered 27CHƯƠNG2 NGUYÊN LIEU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 282.1 NguyÊn LGU - - - << 000 re 282.1.1 Chế phẩm enZyme ¿+ + +%+E+S£SE+E9EEE£E9EE 1231121211211 11x 282.1.2 Tinh bột khoai mì - << << << S111 111111101111 v3 xe 282.1.3 Các hóa chất phân tích ¿+ - ¿6+9 SE+E+EEE£ESEEEEEEEEEEErkrkrrkrerrees 292.2 Nội dung nghiên CỨU SG 2Q 11211121 911 1911111111111 8g rệt 292.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - - 555 553 2+2 +++svessseeesss 302.3.1 Phương pháp cô điỂn - - St SE 3 E5 12151511 21515111111511 111111 302.3.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 5 5S ‡++*sssseesseeses 30

2.4 Bồ trí thí nghiệm - 5c E223 St 2311511211111 21 11111111011 312.4.1 Phần 1: Xử lý siêu âm huyền phù tinh bột khoai mi— Ảnh hưởng của sóngsiêu âm đến giai đoạn h6 hóa - + 25656 2E2E2SESEEE9EEEEEE 3 E122 1125212 2e 3l2.4.2_ Phan 2: Xử lý siêu âm chế phẩm enzyme amylase - - +: 322.4.3 Phần 3: Xử lý siêu âm hỗn hợp huyền phù tinh bột khoai mì có chứaenzyme —- Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến giai đoạn dịch hóa 362.4.4 Phần 4: So sánh các giải pháp sử dụng sóng siêu âm dé nâng cao hiệu quảthủy phân tinh bột Khoai mì - «c0 kh 372.5 Phương pháp phân tích, phương pháp tính toán và thiết bị sử dụng 382.5.1 Phương pháp phân tÍch - + 2 0011111111111 111 11 118989 82 1111111 xkg 382.5.2 Phương pháp tính toan (<< 990 ke 392.5.3 Thiết bị sử dụng - 5c 5c S1 v1 1 1911112121121 0111101111111 cv 452.6 Xử lý số liệu -SC 2S St SE E231 1211111111111 1111110111111 xe 45CHƯƠNG3_ KẾT QUA VA BAN LUẬN cccctieriirrirrrirrirrrrrrreo 47

3.1 Phần 1: Xử lý siêu âm huyền phù tinh bột khoai mi— Ảnh hưởng của sóngsiêu âm đến giai đoạn h6 hóa . ¿- - - 52522 E9 9E E531 E1 1211111251511 EEe, 47

3.1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột khoai mì trong huyền phù ban đầu 47

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm -2+ 5 2 s+s+szsscs+2 51

3.1.3 Ảnh hưởng của công suất siêu AM - +: + 2+2 e+x+xerezxerereceee 533.1.4 Ảnh hưởng của thời gian siêu AM eecccsesesesessesesesseseseesesessseseeeeseseeeeees 553.2 Phan 2: Xử lý siêu âm chế phẩm enzyme amylase -555+: 573.2.1 Phần 2.1: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến chế phẩm enzyme Termamyl

[2L G0 HH nọ 0v k 57

3.2.2 Phan 2.2: Anh hưởng của sóng siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong

chê phâm Dextrozyme 1Á - «G0 nọ re 783.3 Phần 3: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến giai đoạn dịch hóa huyén phù tinhbột khoal ImÌ - <5 901 TT nà 38

3.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột khoai mì trong huyền phù ban đầu 88

3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ bat đầu siêu âm - - 2 2 2 555+c+£zccscs¿ 913.3.3 Ảnh hưởng của công suất siêu AM ¿-¿-+- + 2 2 +E+E+E+EEzzxzxreeree, 94

3.3.4 Ảnh hưởng của thời gian siêu AM - ¿2+ + 2 2£s+s+E+Ezcezxzereeree, 97

VỊ

3.3.5 Ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm trong

giai đoạn dịch hóa đến độ thủy phân tinh bột khoai mì «<<++- 1003.4 _ Phan 4: So sánh các giải pháp sử dụng sóng siêu âm dé nâng cao hiệu quảthủy phân tinh bột Khoal mì eee - << S000 nọ nọ ve 104CHUONG 4 KẾT LUẬN VÀ DE NGHỊ, c5-cccccterkrrrrrerrrrrrrerriee 1094.1 Kết luận ccct nh TH TH HH ng nh 1094.1.1 Về mặt khoa hỌc s +2 E111 1094.1.2 Về mặt Ứng dỤng -¿:- + + +E+ESE E3 EEEEEE 2121111112111 111 109AD DE NNT ceeecccccccccccscssssesscsssessescsesscsesesscsessssesesssscsesecsssesecsssesecsesessessseeeeseses 110CHƯƠNG 5 TÀI LIEU THAM KHẢO - cccccecxrerkrrrrerrrrrrerreee 111

Vil

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đường cong mô tả giai đoạn hồ hóa tinh bột khoai mì của một số giốngkhoai mì trồng tại Brazil ¿ - - 5< S223 19 5E E21 1515251511 111115 1111111111111 01 1111111 kg 3Hình 1.2 Phân loại enzyme amylase dựa vào vi tri và cơ chế xúc tác -«: 11Hình 1.3 Cấu trúc của O-amylase c.ccccccscsssessesssessesssesscsesessesesesseseseescsesesscsssesecsesseeeees 12Hình 1.4 Cơ chế phản ứng thủy phân nhóm glycosyl của a-amylase từ vi khuẩn

[17/71/1 EPP722Ẽ557557A 4. 3-13 13Hình 1.5 Mô phỏng cau trúc cua glucoamylase từ Aspergillus nỉger - 14Hình 1.6 Cơ chế thủy phân liên kết glycoside của glucoamylase - 14Hình 1.7 Sự hình thành, phát triển của bong bóng trong lòng chất lỏng dưới tác dụngCUA SONG SIÊU Âm - G cọ nọ vk 16Hình 1.8 Sơ đồ quá trình thủy phân tinh bột thành dung dich đường glucose trong quytrình sản xuất bột ¡10077 - A4 25Hình 1.9 Sơ đồ quá trình thủy phân tinh bột thành dung dịch đường maltose trong quytrình sản xuất đường nha - - SE E 9E E23 E919 5 1111151152121 11111 111111 26Hình 2.1 Phương pháp xác định Vmax và Km dựa vào phương trình Linewearver vàng dtttddddắ5ŸÝ 39Hình 2.2 Phương pháp xác định năng lượng hoạt hóa Ea theo phương pháp của

0/2/7108 a(-(-(-(|::1 Ô 40Hình 3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban dau đến độ nhớt ở65°C, nồng độ tinh bột hòa tan và độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa 47Hình 3.2 Hình chụp dưới kính hién vi điện tử quét (SEM) hạt tinh bột khoai mì tronggiai đoạn hồ hóa - + SE 1E 521211151515 11111151511 11111 1111011111111 0111501010111 Hy 46Hình 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu đến kích thướchạt tính bột sau xử lý siêu Âm -ĂĂQ S11 10000333119 9 910101111 vn kh 49Hình 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng tỉnh bột trong huyền phù đến độ hòa tan tỉnh bộttại thời điểm cân DANY - 5-5251 1E E123 15151511 11111511 111101151111 11 11.0.1111 rk 50Hình 3.5 Sự thay đổi độ nhớt của huyén phi tinh bột khoai mì 20% theo nhiệt độ 5 IHình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm đến độ hòa tan tỉnh bột sau 60 phúthồ hóa của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng - ¿+ - + 2 2 +*+E+E+E££+E+EzEzEzrzrerered 52Hình 3.7 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến kích thước hạt tinh bột sau quá trìnhxử lý và độ hòa tan tinh Ot -Ă S1 11000003331 9911111011111 11111 111 0 101 khe 53Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến độ hòa tan tinh bột - 55Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến kích thước trung bình của hạt tinh bột0851908700 ag4 (‹{Á 56Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến hoạt độ a — amylase trong chế phẩmTermam yl] Ï2ÌU - << 9900010 0 nọ re 57Hình 3.11 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hoạt độ ơ — amylase trong chế phẩmTermam yl] Ï2ÌU - << 9900010 0 nọ re 59

Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hoạt độ a — amylase trong chế phẩmTermam yl] Ï2ÌU - << 9900010 0 nọ re 60Hình 3.13 Mối tương quan giữa hoạt độ ơ - amylase xác định băng thực nghiệm vàtheo phương trình hồi quy - - + 2 6E S2 SE2EEE*E£EEEEEEEEEEEEE 121111121111 exck 62Hình 3.14 Mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất, thời gian siêu âm và tương tácgiữa chúng đến hoạt độ a — amylase trong chế phẩm enzyme Termamyl 120L 63Hình 3.15 Bề mặt đáp ứng của hoạt độ a- amylase khi thay đôi đồng thời công suất vathời QIAN SIỀU Âm - + 99.00 re 64Hình 3.16 Phé UV — VIS của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng 65Hình 3.17 Kết quả điện di của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng 66Hình 3.18 Phố 'H-NMR của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng 67Hình 3.19 Phố IR của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng 67Hình 3.20 Anh hưởng của pH đến hoạt độ a- amylase của mẫu siêu âm và mẫu đốiJ0 69Hình 3.21 Ảnh hưởng của pH đến các thông số động học của chế phẩm enzyme

Termam yl] Ï2ÌU - << 9900010 0 nọ re 70Hình 3.22 Giản đồ Dixon và Webb dé xác định hang số phân ly pKa¡, pKaa của mẫusiêu âm và mẫu đối CHUN - ¿© + S2 EE+E£E£E#EEEEEE E91 111117111511 11 11551 E xe 71Hình 3.23 Anh hưởng của nhiệt độ phan ứng đến hoạt độ a- amylase của mau siêu âmvà mẫu đối chứng - ¿©E E2 SE SE E919 1 521212151515 1111115 1111111151111 11101 T 72Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến các thông số động học của chế phẩmenzyme Termamy] [2ÖÌU - - << + E63 118 E993 990.0 0 ke 73Hình 3.25 Biến đổi hoạt độ a — amylase của mẫu siêu âm (SA) và mẫu đối chứng(DC) theo thời Ø141 - G G nọ vn 76Hình 3.26 Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩmDextroZyme 6/0010 5 -.- 79Hình 3.27 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chếphẩm Dextrozyme A ¿6E S2 ESE 11919 5 5112115111111 11115 1111111151511 11 10.1111 T 79Hình 3.28 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩmDextroZyme 6/0010 5 -.- 80Hình 3.29 Mối tương quan giữa hoạt độ glucoamylase xác định bang thực nghiệm vatheo phương trình hồi quy - - + 2 6E S2 SE2EEE*E£EEEEEEEEEEEEE 121111121111 exck 32Hình 3.30 Mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất, thời gian siêu âm và tương tácgiữa ba thông số này đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm Dextrozyme GA 83Hình 3.31 Bề mặt đáp ứng của hoạt độ glucoamylase khi thay đổi đồng thời nhiệt độ.công suất và thời gian siêu âim - ¿+ + 2 +E+E£E#EEEEE 3 E155 112511117111 11 111 e 85Hình 3.32 Kết quả điện di của mẫu chế phẩm Dextrozyme GA siêu âm và đối ching 86Hình 3.33 Ảnh hưởng của pH đến hoạt độ glucoamylase của mẫu siêu âm và mẫu đối

IX

Hình 3.34 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hoạt độ glucoamylase của mẫu siêuâm và mẫu đối chỨng - - + 2£ +EE+EEE S123 E9 E1 1111515151111 1151511111115 1 01010 Hy 87Hinh 3.35 Anh hưởng cua ham lượng tinh bột ban dau dén nơng độ đường khử và độthủy phân tinh bột sau 80 phút dich hĩa 1S ng reh 89Hình 3.36 Hình chụp hạt tinh bột của mẫu đối chứng va mẫu siêu âm trong giai đoạndịch hĩa dưới kính hiến vi điện tử quét (SEM) - ¿2 5- + +2 2+E£E+Ez£z£rereresree 90Hình 3.37 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù đến độ thủy phân tinhbột tại thời điểm cân DANY ¿©5221 1 E2 1 121 1511131121 11111111 1111131101111 xe 91Hình 3.38 Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm đến độ thủy phân tinh bột sau 80phút dịch hĩa của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng - 2 2 2 2+s+s+£+££szx2 92Hình 3.39 So sánh giản đỗ phân bố kích thước hạt giữa mẫu siêu âm và mẫu đối chứngtại các nhiệt độ siêu âm khác nhau 5 5c 55501000021111111111 11111155 11111 1v s2 93Hình 3.40 Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến độ thủy phân tỉnh bột tại thời điểm cânbăng của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng + ¿+ + 2£ +E£E+E+E£E£E£E£EzEererersred 94Hình 3.41 So sánh giản đồ phân bố kích thước hat của các mẫu xử lý siêu âm ở cáccơng suất khác nhau ¿- 55% SE9E9E9 E823 E919 511111151515 11 21115151111 111501 0111110 y0 95Hình 3.42 Ảnh hưởng của cơng suất siêu âm đến độ thủy phân tỉnh bột sau 80 phútich 816; NH‹((((''AáŨỪỲùŨùŨÙŨÙIIII)IIaađiÝÃẢẢ 96Hình 3.43 Anh hưởng của thời gian siêu âm đến độ thủy phân tinh bột sau 80 phútdịch hĩa và tại thời điểm cân bang của mau siêu âm va mẫu đối chứng 97Hình 3.44 So sánh giản đồ phân bố kích thước hat của các mẫu xử lý siêu âm ở cácthời gian khác nhau - - - << + 1119331010111 199 9010 nọ re 99Hình 3.45 Mối tương quan giữa độ thủy phân tinh bột được xác định bang thực

nghiệm và theo phương trình hồi quy - + 25255 S2 S2 SE£E£E+E££££E£ErEeEzeerrsred 101Hình 3.46 Mức độ anh hưởng của nhiệt độ, cơng suất, thời gian siêu âm và tương tácgiữa chúng đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm enzyme Dextrozyme GA 102Hình 3.47 Bé mặt đáp ứng của độ thủy phân sau 80 phút dịch hĩa khi thay đổi đồngthời nhiệt độ, cơng suất và thời gian siêu âm ¿-5- + + 2 2 +*+E+Ez££E+xzeeeerrsred 103Hình 3.48 Sự thay đổi độ thủy phân tinh bột khoai mì theo thời gian 105Hình 3.49 Ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm Termamyl 120L đã qua xử lý siêu âmđến độ thủy phân tinh bột khi kết thúc giai đoạn dịch hĩa - 5-2 2 2 2 s se: 108

DANH MỤC BANG

Bảng 1.1 Kết quả nghiên cứu động hoc quá trình thủy phân tinh bột khoai mì bằngCTZYME 277777 10Bang 1.2 Một số tính chat của các a-amylase từ chủng vi khuan Bacillus 13Bảng 1.3 Một số tính chất của glucoamylase từ NAM mỐc - + 2 2 +c+cscscse: 15Bang 1.4 Ứng dụng sóng siêu âm trong giai đoạn hồ hóa tinh bột - 23Bang 2.1 Bồ trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tô trong quá trình xử lýsiêu âm đến hàm lượng tinh bột hòa tan trong giai đoạn hồ hóa -. 5-5 32Bảng 2.2 Bồ trí thí nghiệm theo phương pháp cô điển về ảnh hướng của các yếu tố xửlý siêu âm đến hoạt độ amylase của chế phẩm enzyme thương mại -: 33Bảng 2.3 Bồ trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu t6 quá trình siêu âm đếnđộ thủy phân tinh bột trong giai đoạn dich hóa - << <1 S999 11 ke 36Bảng 3.1 Ma trận quy hoạch thực nghiệm va kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởngđồng thời của nhiệt độ công suất va thời gian siêu âm đến hoạt độ a- amylase trongchế phẩm Termamayl 20 L - ¿2 - 2 £+E+E SE EEEEEE£E£E£EEEE£E£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEErErrrreri 61Bang 3.2 Cac hệ số của phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ, công suấtvà thời gian siêu âm đến hoạt độ a — amylase trong chế phẩm enzyme Termamyl 120Ltheo biến mã hÓa - G- G- < + E111 51E1E1 11 1 1111111111111 1111111111111 ng gggưyi 62Bang 3.3 Hàm lượng protein hòa tan của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm vàđối CHUNG - ¿c6 222123 1515 5112111511511 111115111111 111511T1 1101 150511010111 110101011110 y0 65Bảng 3.4 Biến đổi cấu trúc bậc hai của chế phẩm enzyme trước va sau siêu âm 68Bảng 3.5 Các thông số nhiệt động của phản ứng thủy phân tinh bột với xúc tác là mẫuenzyme siêu âm và mẫu enzyme đối chứng .-. - + ¿2+ + 2£2+*+E+E+£z£E+EzE+Ezrzree 75Bang 3.6 Hang số tốc độ vô hoạt enzyme kin và thời gian bán hủy ti của mẫu siêu âmvà mẫu đối chứng ở các giá trị nhiệt độ khác nhau - ¿+5 - 55 2 2£2+£+£+£z£z£zzs2 77Bảng 3.7 Các thông số nhiệt động của quá trình vô hoạt enzyme của mẫu siêu âm vàmau đối chứng ở các giá trị nhiệt độ khác nhau - ¿2-2 + 2 2+2+S+S+£z£z£ezEzescze 77Bảng 3.8 Ma trận quy hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởngđồng thời của nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm đến hoạt độ glucoamylase củachế phẩm Dextrozyme A ¿ ¿6 + SE SE 2E E919 51121115111 5211111151111111115 11011110 Ey 81Bảng 3.9 Cac hệ số của phương trình hồi quy mô ta ảnh hưởng của nhiệt độ, công suấtvà thời gian siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm enzyme DextrozymeGA theo biến mã hÓa - - EEE E3 E199 5 5 515151511 1 1111111115151 11 T111 1yU 32Bảng 3.10 Hàm lượng protein hòa tan của mẫu chế phẩm Dextrozyme GA siêu âm vàđối CHUNG - ¿c6 222123 1515 5112111511511 111115111111 111511T1 1101 150511010111 110101011110 y0 85Bảng 3.11 Ma trận quy hoạch thực nghiệm và kết quả - 2 2 55555552555: 100Bảng 3.12 Các hệ số của phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ, côngsuất và thời gian siêu âm đến ARS sau 80 phút dịch hóa theo biến mã hóa 101

XI

Bảng 3.13 Năng lượng siêu âm cần sử dụng dé tăng hoạt độ chế phẩm amylase và xửlý huyền phù tỉnh bộtt - ¿¿© + SE SE 2E£E9EEEEEEEEEEE E1 12111151111 1111 11111111 xe, 107Bảng 3.14 Năng lượng siêu âm cần sử dụng tính cho 100g tinh bột 107

XI

DANH MỤC CÁC TU VIET TAT

DE Chỉ số đương lượng dextrose (Dextrose equivalent).DH Độ thủy phan (degree of hydrolysis)

DNS 3,5- dinitrosalisylic acidDP Mức độ polymer hóa của phan tử tinh bot (Degree of Polymerization)DSC thiết bi đo nhiệt lượng (differential scanning calorimetry)

DSOL Độ hòa tan tinh bột (degree of solubilization)DC Đối chứng

E EnzymeE—S Phức “cơ chất — enzyme”E—P Phức “sản phẩm — enzyme”HD Hoạt độ a - amylase

HĐc Hoạt độ glucoamylaseHSAx Độ chênh lệch tính chất X của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứngP Sản phẩm

QT Quá trìnhRVA thiết bị đo nhanh độ nhớt (rapid visco analyzer)S Cơchất

SA Siêu âmSEM Kính hién vi điện tử quét (scanning electron microscopy)SP Độ trương nở của hạt (swelling power)

Tpaste Nhiệt độ bat đầu hỗ hóaTpeak Nhiệt độ khi độ nhot của hỗn hợp bột — nước trong giai đoạn hồ hóa đạt cực đại

npea DO nhớt cực đại của hỗn hợp bột — nước trong giai đoạn hồ hóa

Xiil

MỞ ĐẦU

Quá trình thủy phân tinh bột được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩmvà công nghiệp lên men Hiệu suất thủy phân tinh bột phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạnpha vỡ hạt tinh bột để giải phóng các phân tử amylose va amylopectin, nhờ đó enzymetiếp xúc được với co chất dé chuyển hóa tinh bột thành đường Hiện nay, các nhà sảnxuất ở trong và ngoài nước đều sử dụng nhiệt kết hợp với chế phẩm a — amylase dé phávỡ hạt tinh bột Phương pháp này có nhược điểm là cần sử dụng chế phẩm enzyme vớihàm lượng cao và thời gian xử lý dài [1].

Trong mười năm gần đây, nhiều giải pháp công nghệ mới đã được nghiên cứunhăm giảm lượng chế phẩm enzyme cần dùng và rút ngăn thời gian thủy phân, từ đólàm tăng hiệu quả kinh tế của quy trình sản xuất Trong số đó, sử dụng sóng siêu âm đểhỗ trợ quá trình thủy phân tinh bột bước đầu mang lại một số kết quả tích cực [1], [2].Những nghiên cứu này được thực hiện chủ yếu tại Trung Quốc và Thái Lan Đến nay,chưa có công bố khoa học về sử dụng sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tỉnh bộttại Việt Nam.

Hiện nay ở nước ta, tinh bột khoai mì (tinh bột san - Manihot esculenta crantz.) cógid thành rẻ, pho bién và được sử dung rộng rãi trong quá trình thủy phân dé sản xuấtdextrin, maltodextrin, maltose va glucose [3] Quá trình thủy phân tinh bột có thé dàiđến hàng chục gid, lượng enzyme sử dụng nhiều và hiệu suất thủy phân chưa cao [4]

Xuất phát từ những van dé thực tế trên, chúng tôi thực hiện dé tài “Ứng dụngsóng siêu âm dé nâng cao hiệu qua quá trình thủy phân tinh bột khoai mì (Manihotesculenta cranfz.) `

Mục đích nghiên cứu là nâng cao hiệu qua của quá trình thủy phân tinh bột khoaimì bằng giải pháp sử dụng sóng siêu âm dé rút ngắn thời gian thủy phân hoặc tiết kiệmlượng enzyme sử dụng.

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN

1.1 Quá trình thủy phan tỉnh bộtVề bản chat, quá trình thủy phân tinh bột là quá trình phân cắt mach phân tử tinhbột có sự tham gia của nước Xúc tác được sử dụng phổ biến hiện nay là các enzymeamylase Quá trình thủy phân tỉnh bột thường được chia thành ba giai đoạn: hồ hóa, dịchhóa và đường hóa [5].

1.1.1 Cac giai đoạn cua quá trình thủy phân1.1.1.1 Giai đoạn hồ hóa

Khi gia nhiệt huyền phù tinh bột trong nước, các phân tử nước sẽ khuếch tán vàobên trong hạt tinh bột khiến cho hạt trương nở Sự hình thành liên kết hydro giữa cácphân tử tỉnh bột ở bên trong hạt với phân tử nước sẽ làm yếu đi liên kết giữa các phântử tinh bột với nhau Vùng cấu trúc tinh thé của hạt tinh bột chuyền dân thành vô địnhhình Sự biến đối cấu trúc này là bất thuận nghịch Tiếp theo, các phân tử amylose vàamylopectin mạch ngắn sẽ khuếch tán ra bên ngoài hạt tinh bột Một số hạt tinh bột bịvỡ ra và không còn hình dạng nhất định Các phân tử nước sẽ bao quanh phân tử amylosevà amylopectin được giải phóng ra từ hạt tinh bột dé tạo thành micell “nước — tinh bột”.Cac phân tử tính bột nay được gọi là tinh bột hòa tan (soluble starch) Giai đoạn nàyđược gọi là hồ hóa (gelatinization) [6] Hồ hóa làm chín tỉnh bột, tăng khả năng tiêu hóa[7] Trong quá trình thủy phân tỉnh bột với xúc tác enzyme, giai đoạn hồ hóa sẽ giảiphóng một số phân tử tinh bột ra khỏi hạt tỉnh bột ban dau và làm tăng khả năng tiếpxúc giữa enzyme và cơ chat [8].

Trong khoa học, có nhiều phương pháp để nghiên cứu giai đoạn hồ hóa như xácđịnh mức độ hút nước - trương nở của hạt tính bột bang cách tính chênh lệch khối lượngcủa hạt tinh bột trước va sau giai đoạn hồ hóa [9], [10] [11]: xác định mức độ gia tanglượng tinh bột hòa tan bằng các phương pháp so màu phức iod - tinh bột [11], [12]; xácđịnh sự biến đối độ nhớt của hỗn hợp theo thời gian hồ hóa băng thiết bi đo nhanh độnhớt (rapid visco analyzer — RVA) [6]; quan sát biến đối cau trúc hat bang kinh hién viphân cực (polarization microscope) [13], [14] hay bang kính hiển vi điện tử quét(scanning electron microscopy - SEM) [15]; xác định lượng nhiệt huyén phù tinh bột

_2-hấp thu trong giai đoạn hỗ hóa bang thiết bi đo nhiệt lượng (differential scanningcalorimetry — DSC [16]); xác định sự biến đổi vùng cau trúc tinh thé thành vô định hìnhbăng cách phân tích hình ảnh nhiễu xạ khi chụp X quang, tán xạ ánh sáng, phố cộnghưởng từ hạt nhân NMR [16], [17] Trong sản xuất công nghiệp, các biến đối của giaiđoạn hồ hóa thường được quan tâm là mức độ hút nước - trương nở của hạt, mức độ giatăng hàm lượng tinh bột hòa tan, biến đổi về độ nhớt và năng lượng cần tiêu thụ [6],

[16], [18], [19].Dua vào biến đổi độ nhét, giai đoạn hồ hóa được xem là bat đầu khi độ nhớt củahuyén phù tăng vọt Nhiệt độ tại thời điểm đó được gọi là nhiệt độ bat đầu hồ hóa(Pasting Temperature - Tpaste hay To) Nhiệt độ tại thời điểm độ nhớt đạt cực đại (T|peak)goi là nhiệt độ đạt đỉnh nhớt (Peak temperature - Tpeak) Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ vượtquá giá trị nhiệt độ đạt đỉnh nhớt, độ nhót của hỗn hợp sẽ giảm Khoảng nhiệt độ từ Tpasteđến Tpea¿ được gọi là khoảng nhiệt độ hồ hóa (Hình 1.1a) [6] Khoảng nhiệt độ hồ hóacủa các loại tinh bột có nguồn gốc khác nhau sẽ khác nhau Đó là do sự khác nhau vềcau trúc hạt của loại tinh bột Dựa vào sự bién đổi độ nhớt, khoảng nhiệt độ hồ hóa của

tinh bột khoai mì thường là 57 — 77°C [20], [21], [22].

Hình 1.1 Đường cong mô tả giai đoạn hồ hóa tinh bột khoai mì của một số giống

khoai mì trồng tại Brazil(a) Giản đồ thay đổi độ nhớt theo thời gian

(b) Đường cong hap thu năng lượng nhiệt [23]Dựa vào đường cong mô tả năng lượng nhiệt hấp thu, có ba điểm uốn ứng với bagiá tri nhiệt độ được quan tam nhiều nhất là Tonset, Tpeak và Tend Nhiệt độ tương ứng vớithời điểm độ hap thu nhiệt của hỗn hop bat dau tăng mạnh là nhiệt độ bat đầu hồ hóaTonset Giá trị nhiệt độ tại đó hỗn hop hấp thu năng lượng nhiệt nhiều nhất thì được gọi

là Tpeak Giá trị nhiệt độ tương ứng với thời điểm đường hấp thu năng lượng nhiệt batđầu 6n định được gọi là Tena Khi đó, giai đoạn hồ hóa được xem là kết thúc Khoảngnhiệt độ từ Tonse đến Tena gọi là khoảng nhiệt độ hồ hóa (Hình 1.1b) [16], [24] Tonset của

tinh bột khoai mi dao động trong khoảng 50,0 — 66,7°C, Tpeak dao động trong khoảng60 — 70,5°C va Tena dao động trong khoảng 69,0 — 82 79C [21], [22], [25], [26], [27].

Đề biểu diễn mức độ hồ hóa, hai thông số thường được sử dụng là độ trương nở(swelling power — SP) và độ hòa tan tinh bột (degree of solubilization — DSOL) của hạttinh bột Hai thông số nay được xác định băng cách lẫy một lượng thể tích mẫu huyềnphù tinh bột trong giai đoạn hồ hóa để phối trộn với nước, sau đó ly tâm thu phan cặn.Thông số SP được tính theo công thức (1.1) Thông số này càng cao chứng tỏ hạt cànghút được nhiều nước và trương nở cảng lớn Thông số DSOL được xác định theo côngthức (1.2) Thông số này càng lớn thì mức độ phân rã hạt tinh bột dé giải phóng các phântử tinh bột ra ngoài hạt sẽ càng cao [9], [10], [11] Đối với tinh bột khoai mì, trongkhoảng nhiệt độ hồ hóa 65 — 85°C, giá trị SP là 40 — 60 g/g [28] và DSOL là 0,13 —0,24g/g [29].

Voi mz là lượng chat khô của tinh bột trong mau huyền phủ ban dau [g]

mạ là lượng tinh bột ướt thu được sau khi ly tâm (phan cặn) của VmL mẫu tronggiai đoạn hồ hóa [g]

ma là lượng tinh bột hòa tan trong giai đoạn hồ hóa huyền phù [g]1.1.1.2 Giai đoạn dịch hóa

Sau giai đoạn hồ hóa, nếu bổ sung a — amylase vào huyền phi tinh bột, độ nhớtcủa hỗn hợp giảm nhanh, giai đoạn này được gọi là dịch hóa (liquefaction) Khi đó, cácphân tử tinh bột hòa tan bị thủy phân, cắt ngắn mạch dưới tac dụng của ơ-amylase.Enzyme a — amylase là endo-enzyme có khả năng thủy phân liên kết a- 1,4 glycosidetại vị trí giữa mach phân tử amylose và amylopectin [30] Nếu b6 sung a — amylase chịunhiệt vào huyền phù từ đầu quá trình thủy phân, giai đoạn hồ hóa và dịch hóa xảy ra

đồng thời và được gọi chung là dịch hóa Khi đó, quá trình thủy phân dưới xúc tác củahệ enzyme amylase chỉ được chia thành hai giai đoạn dịch hóa và đường hóa [8].

Trong công nghiệp, dịch hóa tính bột được sử dụng để sản xuất dextrin,maltodextrin và là giai đoạn đầu của đường hóa dé sản xuất maltose, glucose [8]

Đề nghiên cứu giai đoạn dịch hóa tinh bột, các nhà khoa học có thể dựa vào mứcđộ giảm hàm lượng tinh bột hòa tan, mức độ giảm chiều dài mạch phân tử tinh bột haymức độ tăng hàm lượng “đường khử” trong dung dịch phản ứng Hàm lượng tinh bộthòa tan được xác định bang các phương pháp so mau phức iod - tinh bột [31], [32].Chiéu dai mach phan tu tinh bot — chi số DP (Degree of Polymerization) được xác địnhbang các phương pháp sắc ky, phổ biến nhất là sắc ký long cao áp (HPLC) [33], [34]

Hàm lượng “đường khử” trong hỗn hợp thủy phân tinh bột được xác định dựa vào phản

ứng giữa nhóm khủ-CHO của “đường khử” với các chất oxy hóa như Cu?" [35], hay3,5- dinitrosalisylic (DNS) [36].

Đề biểu diễn mức độ dịch hóa, các nhà khoa học sử dụng một trong ba thông SỐ:

độ dài trung bình của mach dextrin DP, (Number-average Degree of Polymerization)[37], đương lượng dextrose DE (Dextrose Equivalent) [33] hay độ thủy phân tinh bộtDH (Degree of Hydrolysis) [38], [39] Hai chỉ số DE va DH có y nghia khoa hoc vacông thức tính tương tự nhau nhưng khác nhau về đơn vị đo Chỉ số DH có đơn vị là %,chỉ số DE không có thứ nguyên

Độ dài trung bình của mạch maltodextrin là đại lượng cho biết chiều đài trung bìnhcủa các maltodextrin trong hỗn hợp thủy phân Khi mức độ thủy phân càng nhiều thi giá

trị DP, càng nhỏ DP, được tính theo phương trình (1.3), trong đó c¡ và Mi được xác

định bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp [40]

=—=— My 1 Ye (1.3)

Din = 162 162¥(c;/M;)

Voi DP, là độ dài trung bình của mach dextrin

M› là phan tử lượng trung bình cua dextrin [dvc]

mj

LIM;phân tu glucose [%]

x 100% là ty lệ khối lượng cua phân tu dextrin được tạo thành từ 1

Ci =

mj là hàm lượng phan tu dextrin được tạo thành tii phân tử glucose [g]|M; là phân tử lượng cua phân tử dextrin được tạo thành từ i phân tử glucose [dvc]Đương lượng dextrose hay còn gọi là chi số DE là đại lượng chỉ khả năng khử củacác sản phẩm thủy phân trong hỗn hợp so với mẫu chuẩn là đường glucose (dextrose).Giá trị DE thay đồi từ 0 (tương ứng với mẫu chứa tinh bột không hòa tan) đến 100 (tươngứng với dung dịch glucose nguyên chất) Chỉ số DE được tinh bang số gram sản phẩmthủy phân có gốc khử được quy đổi thành D-glucose trong 100g chất khô trong huyềnphù ban đầu (phương trình 1.4) [41].

MaDE =—x 100 (1.4)

myVới ma là lượng nhóm khử quy đổi thành đường glucose [g]

mi là lượng tinh bột tính theo chat khô trong huyện phủ ban đâu [g]Độ thủy phân tinh bột DH được định nghĩa là lượng đường khử tạo thành (quy đổira đường glucose) so với lượng nguyên liệu khô ban dau (Phương trình 1.5) DH thayđổi từ 0% đến 100% Quá trình thủy phân càng nhiêu thì giá trị DH càng cao [42]

1.1.1.3 Giai đoạn đường hóaGiai đoạn đường hóa là giai đoạn cuối của quá trình thủy phân tinh bột Ngoài a-amylase, giai đoạn đường hóa còn sử dụng các exo-enzyme và các enzyme cắt nhánhnhư B-amylase (thủy phân liên kết a, 1 — 4 glycoside từ đầu không khử và tạo sản phẩmlà đường maltose), y-amylase (thủy phân liên kết a, 1 — 4 và a, 1 — 6 glycoside từ đầukhông khử va tạo sản phẩm là đường glucose), pullulanase (thủy phân liên kết a, 1 — 6glycoside làm giảm độ phân nhánh của amylopectin) Sản phẩm của giai đoạn này là

hỗn hợp các loại đường tan, chủ yếu là maltose va glucose Các sản phẩm thông dụngtrên thị trường gồm: maltose có DE = 40-45, “high maltose” có DE = 50-55, “highconversion syrup” có DE = 55-70 va “high content of glucose” có DE = 95-97, [43].1.1.2 Động học quá trình thủy phân tinh bot

1.1.2.1 Động học giai đoạn hồ hóa tinh bộtPhương trình động học mô tả tốc độ hồ hóa theo thời gian có thể dựa vào sự giatăng độ nhớt của hỗn hop (Phương trình 1.6), [44], [45] sự gia tăng nồng độ tinh bộthòa tan (phương trình 1.7) [44], [46], [47], [48], sự gia tang enthalpy (Phương trình1.8) [27], [49] hay sự biến đối của các tính chất lưu biến của hỗn hợp hồ tinh bột như độchắc (Phương trình 1.9) [26], modul đàn hồi (Phương trình 1.10), [50]

dx

“ —k (1— (1.6)

: dt nh{ x)Với x = += ** là ty số độ nhớt [không thứ nguyên]

da

et =k (1 — a)" 18dt hh{ œ) (1.8)

Voi a =—* là độ hồ hóa tinh bột tại thời điểm đang khảo sát [không thứ nguyên]

AH; và AH là enthalpy hỗn hợp đã hap thu cho đến thời điểm đang khảo sát vàtại thời điểm hồ hóa hoan toàn [J]

n là bậc phản ứng giai đoạn hồ hóa [không thứ nguyên]

F

In (=) = —kunt (1.9)

Fo

Với F,va Fo là độ chắc của hồ tinh bột tại thời điểm đang khảo sát và tại thời điểm

ban đầu [N]

Ew — E;Eœ — Ep

Với E,, Eo, Ew là modul đàn hồi tại thời điểm dang khảo sát, thời điểm bat đầu hồ hóa

và thời điểm quá trình hồ hóa đạt cân bang [g.cm]

= e Knnt” (1.10)

Giá trị hăng số tốc độ hồ hóa tinh bột (km) phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng theophương trình động học Arrhenius (1.11)

Knn = kạet-Fa/R?) (1.11)Với T là nhiệt độ phan ứng [°K]

Ea là năng lượng hoạt hóa của giai đoạn hỗ hóa [kJ/mol]R là hăng số khí lý tưởng, R = 8,314J/mol.K

ko là hệ số phản ứng (reaction frequency factor)Trong thực tế, một số loại tinh bột khi hồ hóa sẽ tăng độ nhớt rất cao, tạo ra hỗnhợp đặc quánh nên kết quả đo độ nhớt sẽ không chính xác Đề xác định nhiệt năng tiêuthụ và các tính chất lưu biến của hỗn hợp hồ tinh bột thì cần phải có thiết bị đo chuyêndụng Vì vậy, động học của quá trình hồ hóa thường được mô tả theo độ tăng của hàmlượng tinh bột hòa tan (phương trình 1.7) [46].

1.1.2.2 Động học giai đoạn dịch hóa và đường hóa tinh bộtCó hai cách dé mô ta động hoc quá trình thủy phân tinh bột khi có mặt enzyme xúctác: mô tả biến đối vận tốc phản ứng theo nồng độ co chất ban đầu và mô tả biến đổinông độ cơ chất hay sản phẩm theo thời gian phản ứng

Michaelis va Menten (1913) đã dé nghị mô hình động học mô tả sự tương quangiữa vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác với nồng độ cơ chất ban đầu Giai đoạn dịchhóa và đường hóa tinh bột đều có xúc tác của enzyme nên có thé được mô tả theo phươngtrình Michaelis-Menten (1.12) [51].

v= Umax [S]Km + [Š]

Với: v và Vmax là vận tốc phản ứng và vận tốc phản ứng cực đại [mol/phút|

[S] là nông độ cơ chat [mol/L]Km là hang số phân ly biểu kiến của phức enzyme — cơ chất hay còn gọi là hangsố Michaelis — Menten [mol/L]

(1.12)

Khi nồng độ cơ chất ban dau quá cao thì enzyme bị ức chế Ví dụ như khi nghiêncứu quá trình thủy phân tinh bột, Yankov và cộng sự (1986) nhận thay phuong trinhMichaelis - Menten chỉ đúng trong khi hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu nhỏhơn hay băng 250g/L Khi hàm lượng cơ chất cao hơn 250g/L, vận tốc phản ứng khôngcòn tuân theo mô hình phương trình Michaelis — Menten, vì vậy cần có các mô hìnhkhác để mô tả động học phản ứng [52].

Theo Ofoli (1990), sự thay đối lượng sản phẩm thủy phân theo thời gian được biểudiễn dưới dạng phương trình (1.13)

Khi thời gian tiễn tới vô cùng hay tại thời điểm phản ứng đạt cân bang thì nông độsản phẩm tiến tới giá tri a/b Day là lượng sản phẩm tôi đa có thé thu được sau phản ứng[53].

Theo Marangoni (2002), sự thay đôi lượng của co chất va sản phẩm thủy phân theothời gian có thể được biểu diễn theo phương trình (1.14) và phương trình (1.15)

AS, = AS4(1 — e7 ant) (1.14)AP, = AP„(1 — e~*ant) (1.15)

Với AS: và AS„ là lượng cơ chất giảm đi so với ban dau tại thời điểm khảo sát và tại

thời điểm vô cùng (Lượng cơ chất tại thời điểm vô cùng được hiểu là lượng cơ

chất còn lại khi phản ứng đạt cân bằng) [g/L]

AP; và AP là lượng sản phẩm tăng thêm tại thời điểm khảo sát và tại thời điểmvô cùng (Lượng sản phẩm tại thời điểm vô cùng được hiểu là lượng sản phẩm tạora khi phản ứng đạt cân băng) [g/L]

kan là hăng số tốc độ thủy phân (giai đoạn dịch hóa hay giai đoạn đường hóa) tinhbột [1/phut]

Giá trị hăng số tốc độ dịch hóa hay đường hóa tinh bột (kan) cũng phụ thuộc vàonhiệt độ phản ứng theo phương trình động hoc Arrhenius (1.16)

_9-— w „(_9-—Ea/RT)

Kan = koe (1.16)

Với T là nhiệt độ phan ứng [°K]

Ea là năng lượng hoạt hóa của giai đoạn dich hóa hay đường hóa [kJ/mol]ko là hệ số phản ứng (reaction frequency factor)

Khi thời gian tiễn tới vô cùng hay tại thời điểm phản ứng đạt cân bang thì AS:tiễn tới AS va AP; tiễn tới AP», từ đó suy ra được lượng sản phẩm tối đa có thé thu đượcsau phản ứng [54].

Khi nghiên cứu về giai đoạn dich hóa và đường hóa tinh bột, do sản phẩm làđường khử nên có thé thay AP bằng lượng đường khử tăng thêm ARS [1], [55], [56].[57], [58], [59], [60], [61], ADH hay ADE [62], [63].

Bang 1.1 giới thiệu kết quả nghiên cứu động hoc quá trình thủy phân tinh bộtkhoai mì có sử dụng xúc tac enzyme đã được công bồ trong thời gian gần đây

Bảng 1.1 Kết quả nghiên cứu động học quá trình thủy phân tinh bột khoai mì băng

enzyme

SIT Enzyme Điêu kiện thi nghiệm Mô hình động học Tài liệu tham khảo

Hàm lượng tinh bot daGiai đoạn hô hóa, 60g/kg huyện phù, —— = k„np,(1 — ø)" ` A

1 không sử dung không chỉnh pH, dt Zhang và cong sựVới In(km) = 73.8 + 5.43 và (2013) [27]

enzyme nhiệt thay đôi từ 50°C n= 0,985 + 0,002

lên 95°C

Ché pham ` : ^ _ — a-kant

STARGEN Hàm lượng tinh bột A Py = AFRa( — en") x | Nitayavardhana va

2 TM 001 250g/L Với AP„ = 12,2 (g/100g mau) công sự (2008) [1]

pH 7,0; T = 100°C kph = 0,296 (1/gi0) Hào

Amylase từ nam A Hàm lượng tinh bột Mô hình Michaelis-Menten

3 fumigatus KIBGE- SIg/L; pH 6,0; với Km = 0,046mg/mL va

IB33 T=6SC, Vmax = 769U/mg

Pervez va cộng sự

(2014) [64]

1.2 AmylaseAmylase là một hệ enzyme rat phổ bién trong thé giới sinh vật Các enzyme naythuộc nhóm thủy phân, xúc tác phân giải liên kết O — glucoside của các polysaccharidevới sự tham gia của nước (Phương trình 1.17).

Son : HO - >9 «on * HOR (1.17)

-10-Amylase thủy phân tinh bột, glycogen va dextrin thành glucose, maltose và dextrin

mach ngăn Các enzyme amylase có trong nước bọt của một số động vật, trong dịch tiêu

hóa của người và động vật, trong hạt nảy mầm, nắm sợi, nắm men, xạ khuẩn và vi khuẩn.Amylase là một trong những loại enzyme được ứng dụng rộng rãi nhất trong côngnghiệp, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm Hai nhóm amylase được sửdụng nhiều nhất là glucoamylase (GA) chiém 26% và œ - amylase chịu nhiệt chiếm 24%[65].

Việc phân loại các enzyme khác nhau trong hệ amylase có thé dựa vào nguồn gốc,khả năng chịu nhiệt, vi trí tác động của enzyme trên cơ chất hay cơ chế tác dụng lên tinhbột Thông thường các nhà khoa học dựa vào cả cơ chế và vị trí xúc tác dé phân loại cácenzyme amylase theo như Hình 1.2 [66], [67].

Amylase

| |

roams: Endoamylase

B - amylase y - amylase enzyme khử nhánh ơ - amylase

Khử trực tiếp Khử gián tiếp

(Pullulanase) (Transglucosylase và Amylo —

-|l]-Enzyme a-amylase là protein có cau trúc bậc ba, phân tử lượng thấp, thường namtrong khoảng 50.000 đến 60.000 Da Cấu tạo cơ bản của ơ - amylase gồm ba domain:domain A là domain lõi có cau trúc đặc trưng kết vòng gồm 8 đoạn xoăn a va gấp nếpB xen kẽ liên tiếp nhau (Helix (œ/B)s-barrel), được nối với domain C có cau trúc 8 đoạnB — sheet song song Domain B gồm 2 đoạn — sheet được lồng vào giữa đoạn B - sheetthứ 3 và a - Helix thứ 3 của domain A Domain B quyết định hoạt tinh enzyme và liênkết enzyme — cơ chất [69], [70] Có một ion Ca?* nối giữa domain A va domain B Môhình chung của ơ-amylase được trình bay trong Hình 1.3a Cau trúc cụ thé của a-amylasetừ Bacillus licheniformis được trình bày trong Hình 1 3b.

Đầu N

Region |

teen br rr) =

Region IV Region Ill Region II

Hình 1.3 Cau trúc của a-amylase(a) Mô hình cầu trúc a-amylase vi khuẩn (Vi trí của 4 vùng trong cấu trúc không gian được biéu diễn

băng nét gach dut) [71 |

(b) Mô hình cấu trúc của œ — amylase từ vi khuẩn Bacillus licheniformis Domain A có màu xanh lá cây,

domain B có mau hông tim và domain C có màu xanh đương lon Calcium và Kali tương ung được biêudién bởi qua cẩu do và cam Trung tâm hoạt động với Asp231, Glu261 và Asp328 có mau do, Vùng noitừ L7 đên K7 có màu vàng [7I], [72].

Cơ chế xúc tác của d-amylase từ vi khuẩn Bacillus do Nielsen (1999, 2000, 2003)đưa ra [71], [73], [74], [75] và được trình bày trong Hình | 4 [73].

-

]2-oar “ a 231 dZ Asp 231

OH o

HO HO—.= OH OH

(III) Tái hình thành phân tử cho proton ban dauMột số tính chat của ơ—- amylase từ vi khuân Bacillus đã được Gupta và công sựbáo cáo tong hợp vào năm 2003 Các kết quả nay được trình bay trong Bảng 1.2 [76]

Bảng 1.2 Một số tính chất của các a-amylase từ chủng vi khuẩn BacillusNguồn vi sinh vật sinh tong hợp amylase pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu (°C)

B brevis HPD 31 6.0 4555B licheniformis CUMC 305 9.0 90B licheniformis NCIB 6346 7.0 70-90B licheniformis M27 6.5—7.0 85-90B stearothermophilus 4.6-5.1 55-70B stearothermophilus ATCC 12980 5.0-6.0 70-80B stearothermophilus MFF4 5.56.0 70-75B subtilis 65 6.0 60Bacillus sp IMD 434 6.0 65Bacillus sp US 100 5.6 82Bacillus sp WN 11 5.5 75-80Bacillus sp XAL 601 9.0 70

1.2.2 Enzyme glucoamylaseGlucoamylase là enzyme thủy phân carbohydrate va dẫn xuất thành các don vi B-D-glucose từ đầu không khử của phân tử cơ chất Mac dù co chất tự nhiên củaglucoamylase là những hợp chất có liên kết ø-1 4 glucoside, glucoamylase cũng có thêthủy phân các liên kết ơ-l 6; a, B- 1,1; a- 1,3 nhưng với tốc độ tương ứng giảm dần [77].Theo lý thuyết, glucoamylase có thé thủy phân hoàn toan tinh bột thành glucose Ứngdụng chủ yếu cua enzyme nay là trong sản xuất glucose syrup có hàm lượng glucose cao96-98% [76].

-13-Glucoamylase chủ yếu được thu nhận từ canh trường nam mốc Aspergillus,Trichoderma như A niger [79], A awamori [80], Trichoderma reesei [81] Enzymeglucoamylase là protein có cau trúc bậc ba, phân tử lượng nam trong khoảng từ 25 — 112kDa Các loại nam mốc sinh ra hai loại glucosamylase là GAI va GAIL GAI chứa 616amino acid và có ba domain: domain xúc tác (từ acid amin 1 - 470), domain nối (từ 471— 514), va domain liên kết với tinh bột (từ acid amin 515 — 616) GAII chi có 514 acid

amin, va chỉ có GAI co kha năng thủy phân hat tinh bột thô (Hình 1.5) [82], [83].

| |

y |

4 ' 616

i Í1 514

-14-Một số tinh chất của glucoamylase từ vi sinh vật đã được Gupta và công sự báocáo tổng hợp vào năm 2003 Các kết qua tổng hop này được trình bày trong Bang 1.3

[S1], [83].

Bảng 1.3 Một số tính chất của glucoamylase từ nam mốcNguôn vi sinh vật sinh tong hợp glucoamylase pH tôi ưu Nhiệt độ tôi ưu (°C)

A awamori 45 60A fumigatus 45-55 65

A niger C 45 40A oryzae 40-45 56Aspergillus sp K-27 4,0-7,1 45

A saitoi 45 50Trichoderma reesei 55 70

1.3 Các hiện tượng xay ra khi sóng siêu 4m tác động vào môi trường longSóng siêu âm là tên gọi của sóng có tần số cao hơn tần số sóng âm mà con ngườinghe được (Tần số lớn hơn 20 kHz) Giới hạn trên của tần số sóng siêu âm không đượcphân định rõ ràng nhưng thường được quy ước là SMHz trong môi trường không khí và500MHz trong môi trường chất long [84], [85]

Sóng siêu âm khi truyền qua chất lỏng sẽ làm xuất hiện hiện tượng “xâm thực”(cavitation), các “vi dong” (micro-streaming), “vi tia” (microjet), làm gia tăng nhiệt độvà tao ra các vùng có áp lực cao [85].

Dưới tác động của sóng siêu âm, các phân tử trong chất lỏng sẽ nhận năng lượngvà truyền chuyển động theo những chu kỳ nén và giãn (Hình 1.7a) Tại thời điểm cácphân tử bị nén, áp lực do sóng siêu âm tạo ra sẽ tăng cao; trong khi đó ở thời điểm giãn,giá trị áp lực sẽ thấp hơn so với khi không có tác động của sóng siêu âm Áp lực tại mộtđiểm trong lòng chất lỏng sẽ biến đổi theo chu ky va được miêu ta bằng phương trình(1.18) và Hình 1.7b [86].

(= Pụ + Pa = Pụ + Pasin 2n /Ì (1.18)

Với: P, là áp suất tong tại điểm đang xét [Pa]P, là áp suất thủy tĩnh tại điểm đang xét [Pa]P„ là ap suất do sóng siêu âm tạo ra tại thời điểm t [Pa]Pa là biên độ áp suất do sóng siêu âm tạo ra tại điểm đang xét [Pa]fla tần số của sóng siêu âm [Hz]

t là khoảng thời gian ké từ khi sóng siêu âm tác động vào môi trường đến thời điểmđang xét [phút]

_15-Trong hỗn hợp chat lỏng, tôn tại trạng thái cân bang giữa chuyển động nhiệt hỗnloạn và các lực tĩnh điện của các phân tử dung môi lỏng và chất phân tán (bao gồm cảchất khí, chất lỏng và chất ran hòa tan) Tại một vi tri x xác định, trong nửa chu ky nén,giá tri áp lực tang và khoảng cách trung bình giữa các phan tử bị giảm Ngược lai, trongnửa chu ky giãn, giá tri áp lực giảm và khoảng cách trung bình giữa các phan tử sẽ tănglên Lực liên kết giữa các phân tử sẽ giảm đi khi khoảng cách giữa chúng cảng xa Cácphân tử khí và lỏng chuyền động nhiệt hỗn loạn hơn làm hình thành các bong bóng rấtnhỏ được gọi là các vi bong bóng trong lòng chất lỏng [29], [87].

Nửachukỷ Nén Giãn Nén Giãn Nén Giãn Nén Giãn Nén Giãn Nén

Hình 1.7 Sự hình thành, phát triển của bong bóng trong lòng chất lỏng dưới tác dụng

của sóng siêu âm.(a) Do thị mô tả dao động của hàm vị trí ; ;(b) Do thị mô tả “dao động ” cua ham ap suất do sóng siêu âm tạo thành trong lòng chat long

(c) Sự hình thành, phái trién và triệt tiêu cua bong bóng

(4) Sự hình thành, phái triển và no tung của bong bóngVi bong bóng thường không bên Áp suất tăng sẽ đây các phân tử lại gần nhau đểtái tao các liên kết phân tử, các phân tử khí hay hơi bị day trở về pha lỏng: hệ quả là vibong bóng có thé bị triệt tiêu (Hình 1.7c) Tuy nhiên nếu trong chu kỳ nén, áp suất tongP; không đủ lớn dé triệt tiêu vi bong bóng thì tại các nửa chu kỳ giãn tiếp theo, vi bongbóng sẽ dần dan to lên Một số bong bóng lớn cũng có thé được hình thành do sự kết

_16-chùm của những bong bóng nhỏ hơn [88], [89] Đối với các bong bóng lớn, nếu áp lựctrong bong bóng không lớn hơn áp suất tại “ngưỡng tới hạn”, bong bóng sẽ nổi lên rồinô tung ở bề mặt phân chia pha lỏng khí; nếu áp lực trong bong bóng cao hơn áp suấttại “ngưỡng tới hạn” thì nó sẽ nỗ tung trong lòng chất lỏng (Hình 1.7d) Áp suất tạingưỡng tới hạn được gọi là “áp suất cân bang” và chịu ảnh hưởng của sức căng bề mặt,độ nhớt, áp suất hơi (o,u, Pv) Theo Mason và cộng sự (2002), áp suất cân bang là ápsuất hơi và khí bên trong bong bóng [86] tuân theo phương trình (1.19).

Peb=Py-cb + Pech = Ph+ Pat 26/Ro (1.19)Với: Pe là áp suất khí va hơi trong bong bóng tai thời điểm cân bằng [Pa]

Py.c› là áp suât hơi trong bong bóng tại thời điêm cân băng [Pa]Pech là áp suât khí trong bong bóng tại thời diém cân bang [Pa]o là Sức căng bé mặt giữa 2 pha long — “khí” [N/m]

Ro là bán kính của bong bóng ở trạng thái cân băng [m]Khi các bong bóng nồ tung theo mọi hướng sẽ tạo ra các vi bong bóng mới; cácphân tử sẽ chuyền động rất nhanh và hỗn loạn tạo nên các “vi dòng” Các “vi dong” xuấthiện trong chat lỏng sẽ tạo nên sự “khuấy đảo do sóng âm” (acoustic streaming) Tronghệ huyền phù, các “vi dòng” xuất hiện ở gần bề mặt phân chia pha lỏng - ran và hướngvề pha ran sẽ được gọi là các “vi tia” Các “vi dòng” va “vi tia” trong hệ huyền phù đượcgọi chung là các “dòng chảy rối” “Dòng chảy rối” có năng lượng rất lớn sẽ tạo nên lựccat (shear forces) mạnh, có khả năng phá vỡ các hat ran trong huyền phù đồng thời bẻgãy liên kết phân tử và có thể tạo ra các gốc tự do [11], [90], [91], [92] Hiện tượng nayđược gọi là “xâm thực” [93] Tại vi trí bong bóng vỡ, ap lực và nhiệt độ rất cao và cóthé lên đến 20000 kPa và 5000°C Tuy nhiên, giá trị áp lực và nhiệt độ này chỉ tồn tạitrong vài nano giây [87] Kích thước bong bóng trước thời điểm nỗ tung trong lòng chấtlỏng được gọi là kích thước tới hạn Khả năng phát triển cũng như kích thước tới hạncủa bong bóng phụ thuộc bản chất sóng siêu âm và bản chất môi trường long [94], [95].Tùy thuộc vào giá tri của áp suất tong P¡ mà sóng siêu âm có thé sinh ra “xâm thực”khí hay hơi Trong “xâm thực” khí, bong bóng chứa chủ yếu là các khí đã hòa tan vàochất lỏng trước đó Trong “xâm thực” hơi, bong bóng chứa chủ yếu là hơi dung môi.Hai quá trình “xâm thực” hơi và “xâm thực” khí thường xảy ra song song Tùy vào loạisóng âm và điều kiện thí nghiệm ma chúng xảy ra với tỷ lệ khác nhau [87], [96], [97]

-_17-Tóm lại, các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng “xâm thực” bao gồm:

- Ban chất và các thông số hóa lý của khí và hơi: độ tan của khí trong hỗn hợp, áp suấthơi bão hòa

- Ban chất va các thông số vật lý, hóa lý của hỗn hợp lỏng như độ nhót, sức căng bémặt, nhiệt độ, áp suất

- Tan số, công suất của sóng siêu âm.1.4 Ứng dụng sóng siêu âm vào quá trình thủy phân tỉnh bột1.4.1 Cơ sở khoa học

Có hai nguyên nhân chính làm thay đối hiệu suất thủy phân khi sóng siêu âm tácđộng vào huyén phi tinh bột:

— Tác động của các “dòng chảy rối” làm tăng va chạm hữu hiệu giữa các phân tử, từđó thúc đây phản ứng xảy ra nhanh hơn

— Tác động của “xâm thực” hỗ trợ sự giải phóng phân tử tinh bột ra khỏi hạt tinh bộtvà làm thay đối cau trúc enzyme Đối với enzyme, nếu như tác động “xâm thực” ởmức độ thích hợp thì sẽ làm biến đổi cấu trúc enzyme theo hướng dé tao phức vớicơ chất hơn và thúc day sự khuếch tán sản phẩm ra khỏi phức enzyme — cơ chất, giảiphóng enzyme tự do, từ đó làm tăng hiệu quả phản ứng Ngược lại, nếu cấu trúcenzyme bị biến đối theo hướng làm biến dạng tâm hoạt động, giảm kha năng tạophức giữa enzyme và cơ chất thì hiệu quả của phản ứng thủy phân sẽ giảm đi hayenzyme bị vô hoạt [95].

1.4.1.1 Tác động của sóng siêu âm lên dung mỗi nướcSóng siêu âm có khả năng phân giải phân tử nước trong huyền phù tinh bột dé tạothành các gốc tự do Năng lượng từ “dòng chảy rối” có thé bẻ gãy liên kết giữa hydrovà oxy trong phân tử nước, tạo thành các gốc tự do hydrogen va hydroxyl (°H và *OH).Trong trường hợp thủy phân tinh bột có enzyme xúc tác, sự hình thành gốc tự do lànguyên nhân làm giảm hoạt độ enzyme, từ đó có thể làm giảm hiệu suất phản ứng thủyphân [98], [99], [100], [101], [102], [103], [104].

_18-1.4.1.2 Tác động của sóng siêu âm lên hoạt độ enzyme amylase

Các “dòng chảy rối” xuất hiện trong huyền phù tinh bột khi được xử lý siêu âmtạo nên sự khuấy trộn mãnh liệt và làm xuất hiện “lực cắt” Sự khuấy trộn tốt trong dungdịch phản ứng sẽ làm tăng hiệu quả truyền khối, tăng khả năng tạo phức “cơ chất —enzyme” và khả năng tách rời phức “sản phẩm — enzyme” Kết quả là làm tăng hiệu suấtcủa phản ứng thủy phân Các “lực cat” có thé làm biến đối cau trúc phân tử nên có thélàm tăng hay giảm hoạt độ cua enzyme [105], [106], [107] Các gốc tự do sinh ra dosóng siêu âm tác động vào phân tử nước có thé làm biến đối các acid amin trong phântử enzyme nên hoạt độ enzyme có thê bị giảm đi [106], [109]

1.4.1.3 Tác động của sóng siêu âm đến hạt tinh bộtKhi xảy ra “xâm thực”, lực tác động của các “vi tia” trên bề mặt hạt tỉnh bột tạo racác vết nứt [110] Qua các vết nứt này, nước khuếch tán vào bên trong hạt dễ dàng hơnvà tốc độ quá trình phân rã hạt sẽ nhanh hơn [111], [112], [113] Sóng siêu âm làm giảmkích thước hạt và tăng hàm lượng tinh bột hòa tan [1], [57], [114], [115] “Lực cắt” tạora từ các “dong chảy rối” có thé cắt đứt các liên kết glycoside trong phân tử tinh bột hòatan, làm giảm độ nhớt hồ tinh bột [9] nồng độ tinh bột hòa tan và đường khử sinh ranhiều hơn [116], [117]

1.4.2 Các yếu tổ ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân tinh bột dưới tác động dong

thời của enzyme và sóng siêu âm1.4.2.1 Tính chất sóng siêu âm

a Anh hưởng cua tân số songQuá trình “xâm thực” xảy ra qua 3 giai đoạn: hình thành, lớn lên và nỗ tung cácbong bóng Cả 3 giai đoạn này đều cần có một khoảng thời gian nhất định Nếu sóngsiêu âm có tần số càng cao thì thời gian diễn ra các chu kỳ giãn và nén sẽ càng ngăn,thời gian không đủ dé hình thành bong bóng khí, tăng kích thước va gây nỗ tung, vi vậyhiện tượng “xâm thực” xảy ra rất yếu hay không xảy ra “X4m thực” xảy ra mạnh khitan số sóng siêu âm thấp Khoảng tan số thường dùng để hiện tượng “xâm thực” xảy ramạnh mẽ là 20 — 50 kHz [86].

b Anh hưởng của nhiệt độ siêu âm

_19-Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt hỗn hợp giảm, sức căng bề mặt cũng giảm, các bongbóng khí và hơi được hình thành dễ bị nỗ tung Ngoài ra, tăng nhiệt độ còn làm cho sựkhuếch tán của các phân tử trong hỗn hợp phản ứng diễn ra mạnh hơn, từ đó làm tăngkhả năng phá vỡ hạt tỉnh bột trong giai đoạn hồ hóa Tuy nhiên, khi nhiệt độ lên đến giátrị đạt đỉnh nhớt của hồ tinh bột, độ nhớt tăng cao làm cho hiện tượng xâm thực yếu di,hiệu qua pha vỡ hạt do sự “xâm thực” sẽ giảm [118], [119].

Bên cạnh đó, nhiệt độ tăng sẽ làm giảm độ hòa tan của khí bên trong chất lỏng và

làm tăng áp suất hơi cân bằng của nước nên các bong bóng được tạo thành nhanh vànhiều hơn, lượng hơi nước trong bong bóng cao hơn Vì hơi nước có hệ số truyền nhiệtnhỏ hơn khí nên lượng hơi nước nhiều sẽ làm giảm nhiệt độ cũng như áp suất cục bộkhi bong bóng nồ tung Ngoài ra, nhiệt độ cao làm giảm sức căng bề mặt giữa hai phalỏng — “khí” nên P‹p giảm (Phương trình 1.19), do đó gia tri áp suất cục bộ sẽ không caokhi bong bóng n6 tung Dựa trên những lập luận này thì nhiệt độ cao làm giảm hiệu quacủa quá trình xâm thực Ở nhiệt độ sôi, hiện tượng xâm thực sẽ biến mất, sự vô hoạtenzyme xảy ra là do tác động chủ yếu của nhiệt [86]

Như vậy, tùy theo các tính chất hóa ly của huyền phù tinh bột mà sẽ tôn tại giá trịnhiệt độ siêu âm thích hợp để hiệu quả thủy phân là cao nhất Trong quá trình siêu âm,hầu hết năng lượng sinh ra từ hiện tượng xâm thực sẽ được phân tán dưới dạng nhiệtlượng, vì vậy nhiệt độ của hỗn hợp sẽ tăng Khi nhiệt độ tăng đến giá trị làm biến tínhprotein thì enzyme sẽ bị vô hoạt bởi nhiệt Nếu trong quá trình siêu âm có hệ thống giảinhiệt, nhiệt độ không vượt quá giá trị gây biến tính enzyme thì tác động khuấy trộn củasóng siêu âm sẽ làm tăng sự tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất, từ đó hiệu suất phản ứngsẽ tăng lên [107].

c Anh hưởng cua năng lượng sóng siêu âmSóng siêu âm năng lượng thấp sẽ hạn chế phản ứng tạo ra những gốc tự do Đốivới sóng siêu âm năng lượng cao, kha năng tạo bong bóng sẽ gia tang, từ đó làm tănghàm lượng tinh bột hòa tan nhưng lại tạo ra nhiều gốc tự do hơn Vì vậy, với mỗi mộthỗn hợp huyền phù tinh bột cụ thé sẽ có một năng lượng siêu âm thích hợp dé làm tănghiệu suất thủy phân [1] [117] [120], [121] [122] [123]

_ 20

-d Anh hưởng của thời gian siêu âmKhi tăng thời gian siêu âm, thời gian tác động của các “vi dòng” và “vi tia” kéodai, hạt tinh bột bị phá vỡ nhiều hơn va khả năng tiếp xúc giữa enzyme với cơ chất sẽtốt hơn, do đó hiệu suất phản ứng tăng Nghiên cứu của Huang và cộng sự (2007) [114].Shewale và cộng sự (2009) [121], Montalbo-Lomboy và cộng sự (2010) [117], Zhengvà cộng sự (2013) [124] đều đưa ra kết luận là khi tăng thời gian siêu âm, hiệu suất phảnứng sẽ tăng lên Tuy nhiên, khi các tác động của “vi dòng”, “vi tia” và lực cat quá lớn,đồng thời sự tích tụ của gốc tự do tăng dan theo thời gian siêu âm thì hoạt tinh enzymebi giảm đi Các nghiên cứu của Junging va cộng sự (2011) [122], Nikolic và cộng sự(2011) [116], Miao va cộng sự (2014) [123] lại đưa ra kết quả là khi tăng thời gian siêuâm, hiệu suất phản ứng tăng dan đến giá trị cực đại rồi giảm dan.

1.4.2.2 Tính chất của huyền phù tinh bộta Loại tinh bot

Mỗi loại tinh bột sé có ty lệ amylose/amylopectin và cấu trúc của hạt tinh bột khácnhau Cấu trúc hạt tinh bột giàu amylose có ty lệ vùng vô định hình nhiều hơn nên sóngsiêu âm dễ tác động làm phá vỡ hạt hơn [125]

b Hàm lượng tinh bộtHàm lượng tỉnh bột cao trong huyền phù sẽ làm tăng độ nhót, từ đó gây cản trở sựlan truyền của sóng siêu âm đồng thời làm giảm khả năng “xâm thực”, do đó tác độngcủa sóng siêu âm lên hiệu suất quá trình thủy phân tỉnh bột sẽ giảm [9]

1.4.3 Những kết quả nghiên cứu đã thu đượcSóng siêu âm thường được ứng dụng trong giai đoạn tiền xử lý các hạt bột hay tỉnhbột từ hạt và củ Quá trình siêu âm làm giải phóng phân tử tinh bột ra khỏi hạt bột vàtinh bột, tăng khả năng tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất và nâng cao hiệu suất thủy phân

21

-Bảng 1.4 giới thiệu các công bố về sử dụng sóng siêu âm để giải phóng phân tửtỉnh bột ra khỏi hạt bột hay tinh bột trước khi bồ sung chế phẩm enzyme, từ đó giúp giaiđoạn tiếp theo của quá trình thủy phân diễn ra tốt hơn và làm tăng hiệu suất thủy phân.

_22-Bảng 1.4 Ứng dụng sóng siêu âm trong giai đoạn hồ hóa tỉnh bộtSTT | _ Nguôn nguyên liệu Điêu kiện siêu âm Kết quả nghiên cứu Tài liệu tham khảo

Bot ngô trong đệm Í a rêu âm 20kHz, 2,2 kw, | Lượng đường khử sau dich | (a anal và cộng sự1 acetate pH 4.3, ham 40 siâv không điều nhiêt hóa tăng 32 % so với đôi (2007) [120]

lượng 16,6% wiv olay, 8 chứng

Thanh siêu âm, 500W, siêu2 Bột ngô trong nước, | âm theo chu ky hoạt động 15 Độ thủy phân DH tăng Huang và cộng sự

hàm lượng 30% w/v | giây, nghỉ 5 giây, thời gian 18,4% so với đôi chứng (2007) [114]

15 phut, khong diéu nhiétBot khoai mi trong Ran Lượng đường khử sau giai : `3 | nước, hàm lượng 25% Bê siêu âm 20kHz, 2,2kW, đoạn địch hóa tăng 177% so Nitayavardhana va

w/w40 gidy, khong diéu nhiét với đôi chứng cộng sự (2008) [1]Bột cao lương trong

Lượng đường khử cuối giai

A dém acetate 0,05M, Thanh siéu 4m 20 kHz, đoan đường hóa tăng 8% so Shewale và cộng

pH 6,0, hàm lượng 750W, I1 phút : ne hoa tang, đáo su (2009) [121]30% w/v với đôi chứng

Tinh bột ngô lai trong | Thanh siêu âm 20 kHz, 563 | Lượng đường khử sau 96 | Montalbo-Lomboy

5 đệm acetate pH 4,5, |— 963W/g, 5, 10, 15,20 va40| giờ dịch hóa - đường hóa | và cộng sự (2010)

hàm lượng | %w/v giây tăng 10% so với đôi chứng [117]

6 Bột ngô trong nước, | Bê siêu âm 40kHz, 600W, 10 ye corns Kin sau em Nikolic va cộng sự

np A Â HẠ CA , Hiệu suât phản ứng thủy ¬

4 Bột ngô trong nước, | Bê siêu âm 400W, 15 phút, hân tăng thêm 7.9% so với Junqing và cộng sự

R , Luong glucose va maltose

8 Bot mach ba gee trong Bé siéu 4m 40kHz, 125W,5 | sau dịch hóa tăng lần lượt Pejin và cộng sự

10 Ba ran từ quá trình sản| Thanh siêu âm,20kHz, | Luong đường khử tăng thêm và công se 2013)

xuât tinh bột khoai tây 40W, 240 giây, 60°C 1% so với đôi chứng ï 26|

H hone nước Thâm Thanh siêu âm, 20kHz, 200 on dường Hóa tine sắp Miao và cộng sự

lượng 10% wiv W, 55°C, 10 phút đôi so với đối chứng (2014) [123]

? v Ọ 4 v 0503wJ/v 100W, 20°C, 10 phút chứng (2014) [127]

Thiết lập được phương trình

l3 | hamiugng 10) |,„ Thanh siêuâm24KH2 - | Jõ cong suất thời gian siêu | Amini và công sự

20%w/w JS0W,25— 65C, 5 — 15 phút âm và nông độ cơ chất đến (2015) [128]

DSOL, SP, DP của tinh bộtBê siêu âm có 2 tan sô 25kHz

và 20kHz, 400W, siêu âm Bồt ngô trong nước liên tục trong suôt quá trình Giảm độ nhớt của hôn hợp Hu và công su

-14 Í nam han 159% wiw | Sia nhiệt từ 30°C lên 92°C, | lan lượt 18.87% va 17.66% | 2012 1129]

<< giữ nhiệt 5 phút và giảm | ở tần số 25 kHz và 20 kHz

nhiệt xuông 50°C, tôc độ7,5°C/phut

Bột ngô trong nước, Thanh siêu âm 20kHz, Giảm độ nhớt của hỗn hợp Kane và công sư

15 hàm lượng 5và |13.5W và 29,9W, 25°C,0,5—| 30 lần và giảm nửa kích (201 6) 130]

10%w/w 20 phut thước hạt

_23-Đến nay, có rất ít công bố sử dụng sóng siêu âm trong giai đoạn dịch hóa (xử lýsiêu âm huyén phù tinh bột có chứa chế phẩm enzyme ơ — amylase ngay từ ban dau) délàm tăng hiệu quả thủy phân tỉnh bột Có thé kế đến nghiên cứu của Leaes va cộng sự(2013) sử dụng bể siêu âm (tần số 40kHz, công suất 132 W, tong diện tích bề mặt truyềnsóng 282,2cm?, nhiệt độ ôn định 6 40°C trong thời gian 8 giò) để xử bã ran từ quy trìnhsản xuất tinh bột khoai mì có b6 sung hỗn hợp enzyme a-amylase và amyloglucosidase.Kết qua cho thay hàm lượng các đường lên men thu được từ mẫu siêu âm cao hơn mẫuđối chứng là 1,4 lần [131].

1.5 Quá trình thủy phân tỉnh bot có sứ dụng enzyme 6 Việt NamỞ Việt nam, quá trình thủy phân tỉnh bột được sử dụng trong sản xuất đườngølucose, đường nha và một số sản phẩm lên men như ethanol, bột ngọt, lysine Một sốcông ty thực phẩm có phân xưởng đường hóa tinh bột theo quy mô công nghiệp có thékế đến như Công ty cổ phan bánh kẹo Biên Hòa, Công ty cỗ phan rượu Bình Tây, Côngty cô phần cồn — rượu Hà nội, Công ty Ajinomoto Việt Nam, Công ty trách nhiệm hữuhạn Miwon Việt Nam, Công ty cô phan hữu han Vedan Việt Nam

Nguyên liệu được sử dụng trong quá trình thủy phân tinh bột ở nước ta chủ yếulà tinh bột khoai mì Huyền phù nguyên liệu ban đầu có hàm lượng chất khô dao độngtrong khoảng 20 — 35% [132], [133] Quá trình thủy phân tinh bột được chia thành 2 giaiđoạn: giai đoạn đầu là hồ hóa — dịch hóa, giai đoạn sau là đường hóa Dé hỗ trợ cho giaiđoạn hồ hóa — dịch hóa tinh bột, các nhà sản xuất sử dụng chế phẩm a — amylase chịunhiệt, ví dụ như chế phẩm a — amylase Bacillus licheniformis hoặc Bacillusstearothermophilus Những ché phẩm a — amylase này có xúc tác tối ưu ở nhiệt độ xấpxỉ 100°C; khi nhiệt độ lên đến 105 — 108°C, hoạt độ enzyme giảm nhưng không bị vôhoạt hoàn toàn [134] Đề thực hiện giai đoạn đường hóa, các nhà sản xuất sử dụng chếphẩm maltogenase (là œ— amylase thủy phân tinh bột thành đường maltose) từ nam mốcAspergillus oryzae hoặc glucoamylase từ nắm mốc Aspergillus niger [135] Nhiệt độxúc tác tối ưu của các enzyme này dao động trong khoảng từ 55 — 65°C Các nha sanxuất có xu hướng chọn chế phẩm enzyme có nhiệt độ tối thích lớn hơn 60°C dé hạn chếsự phát triển của các vi sinh vật làm hư hỏng dịch thủy phân [8], [134]

_24-Ở Việt Nam, các nhà máy chủ yếu chọn phương án hồ hóa — dịch hóa tỉnh bột ởáp suất thường Hình 1.8 giới thiệu một ví dụ về phương pháp hồ hóa và dịch hóa tinhbột ở áp suất thường trong quá trình thủy phân tinh bột thành glucose tại một công tysản xuất bột ngọt ở tỉnh Đồng Nai Huyễn phù tinh bột được bổ sung chế phẩm enzymeơ — amylase chịu nhiệt với tỷ lệ 0,035% so với khối lượng tỉnh bột, chỉnh pH về 6.0 rồigia nhiệt nhanh đến 98°C và giữ ở nhiệt độ này trong 3 giờ Khi đó, dung dịch tinh bộtthủy phân có chỉ số DE = 10 — 20 Tiếp theo, dung dịch được điều chỉnh về 62°C, pH =4,2 rồi bỗ sung thêm chế phẩm glucoamylase với tỉ lệ 0,07% so với khối lượng tinh bộtban đầu để đường hóa Thời gian đường hóa kéo dài 60 giờ cho đến khi hiệu suất thủyphân đạt 96%.

Tinh Bộtkhoai mì

(done dich aucose )

Hình 1.8 Sơ đồ quá trình thủy phân tinh bột thành dung dịch đường glucose trong quy

trình sản xuât bột ngọtHình 1.9 giới thiệu một ví dụ khác về phương pháp hỗ hóa và dịch hóa tinh bộtở áp suất thường trong quá trình thủy phân tinh bột thành đường nha tại một công tybánh kẹo cũng ở tỉnh Đồng Nai Giai đoạn hồ hóa được thực hiện bằng cách phối trộnhỗn hợp huyền phù tinh bột và chế phẩm a — amylase chịu nhiệt (ty lệ 0,04% so với khốilượng tinh bột) với hơi nước bão hòa trong thiết bị jet — cooker Thời gian gia nhiệt là 5phút Khi kết thúc quá trình gia nhiệt, nhiệt độ hỗn hợp trong thiết bị đạt 105°C Sau đó,