NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT TINH BỘT BIẾN HÌNH CÓ DE=25-35 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYM RESEARCH ON THE PRODUCTION OF STARCH MODIFIED CONTAINING DE= 25-35 BY ENZIM METHOD TRƯƠNG THỊ MINH HẠNH Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu biến hình tinh bột bằng phương pháp enzim. Với việc sử dụng 2 enzim Termamyl 120L và Veron M4 trên 2 dạng nguyên liệu là tinh bột (TB) sống và TB hồ hóa, đã chọn được qui trình thủy phân thích hợp và kinh tế nhất đối với từng loại enzim trên. Bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm (QHTN) và tối ưu hóa, đã tìm được các thông số công nghệ tốt nhất để sản xuất TB biến hình có DE= 25- 35. TB biến hình thu được bước đầu ứng dụng làm chất tạo gel trong sản xuất các loại mứt đông có kết quả tương đối khả quan. ABSTRACT This paper presents research results of the modification of starch by enzym method. By using two enzyms Termamyl 120L and Veron M4 on two different forms materials, live and gelatinised starchs, the most approprivate and economical hydrolic process is specified. The experiment design and optimisation methods are also applied to find out the best technology parameters to procedure modified starch having DE= 25-35. This starch is being applied quite well in first step as the gel-creating subtance in the production a lot of jams. 1. GIỚI THIỆU Biến hình tinh bột tức là biến đổi cấu trúc, tính chất của tinh bột (TB) để mang lại cho TB nhiều tính chất mới, vì vậy sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng và hiệu quả kinh tế. Nhờ các thành tựu trong công nghệ sinh học, ngày nay các chế phẩm enzim từ vi sinh vật đã thay thế thành công các chất xúc tác axit trong công nghệ thủy phân TB. Biến hình tinh bột bằng enzim α- amilaza là một trong những phương pháp biến hình sinh học có nhiều ưu điểm như phản ứng nhanh, công nghệ đơn giản và ít gò bó, không độc hại có thể sử dụng trong thực phẩm một cách an toàn. Ngoài ra, sự phân cắt tinh bột rất đặc hiệu, tạo ra những sản phẩm rất đặc thù được sử dụng trong nhiều ngành CN đặc biệt trong CN thực phẩm, làm các chất phụ gia để sản xuất bánh kẹo, thực phẩm cho trẻ em, thực phẩm ăn kiêng và thực phẩm dùng để truyền trực tiếp cho bệnh nhân nặng, làm chất ổn định cho các dạng nước quả, kem, sữa chua v.v [3]. 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu Nguyên liệu củ huỳnh tinh và củ khoai lang mua ở thành phố Huế và được sản xuất tại phòng thí nghiệm để thu nhận TB huỳnh tinh và TB khoai lang. Enzym Termamyl 120L của hãng Novo- Đan Mạch và enzym Veron M4 của Đức. 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Xác định chỉ số “DE” bằng phương pháp Fericyanua [4] - Xác định hàm lượng TB thật bằng phương pháp Ewers [4] - Xác định hàm lượng amyloza bằng phương pháp Balagobalan [5]. - Xác định độ nhớt của hồTB bằng nhớt kế mao quản [2]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát một số tính chất của nguyên liệu TB huỳnh tinh và TB khoai lang - Quan sát kính hiển vi điện tử với độ phóng đại 1000 lần thấy được TB huỳnh tinh gồm hầu hết các hạt lớn có dạng hình elip, trơn nhẵn. TB khoai lang gồm các hạt hình bầu dục và một số hạt hình tròn có kích thước nhỏ hơn TB huỳnh tinh. - Độ nhớt của TB huỳnh tinh nhỏ hơn nhiều lần so với TB khoai lang chứng tỏ TB khoai lang có trọng lượng và chiều dài mạch phân tử lớn hơn TB huỳnh tinh. - Hàm lượng amyloza của TB khoai lang (28,3%) nhỏ hơn của TB huỳnh tinh (41,2%). 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến hình TB 3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ TB, nồng độ enzym và thời gian đến quá trình biến hình TB bằng enzym Veron M 4 Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ TB, nồng độ enzym và thời gian đến quá trình biến hình TB bằng phương pháp QHTN TĐY2 3 . Để có cơ sở số liệu, chúng tôi thực hiện một số thí nghiệm thăm dò. Kết quả thí nghiệm thăm dò ảnh hưởng của nồng độ enzim và thời gian biến hình bằng enzym Veron M 4 trên tinh bột hồ hóa thể hiện ở hình 1 và hình 2. Nhận xét: - Trong quá trình biến hình, nồng độ enzym và thời gian biến hình càng tăng thì chỉ số DE của các TB càng tăng tức là khả năng phân cắt mạch TB càng lớn. Nhưng DE chỉ tăng đến một giới hạn nhất định và sau đó thì tăng không đáng kể vì lúc đó nồng độ enzym đã bão hoà Thời gian biến hình (phút) N ồng độ enzym (%) 10 15 20 25 30 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Chỉ số DE Tinh bột khoai lang hu ỳnh tinh Tinh bột huỳnh tinh 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 Chỉ số DE Tinh bột khoai lang Tinh bột huỳnh tinh Hình 1. Ảnh hưởng của thời gian biến hình đến chỉ số DE Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ enzym đến chỉ số DE với nồng độ cơ chất. Thời gian càng tăng làm hoạt lực enzim giảm nên mức độ biến hình tăng lên không đáng kể. - TB huỳnh tinh có mức độ cắt mạch lớn hơn vì TB huỳnh tinh có kích thước hạt lớn hơn, cấu trúc hạt xốp, độ nhớt thấp nên enzim xâm nhập và tiến hành thủy phân dễ dàng hơn TB khoai lang. Với kết quả trên, mô hình thực nghiệm được trình bày ở bảng 1. Chọn các mức yếu tố đó khi thủy phân cho cả TB sống lẫn TB hồ hoá để tiện so sánh và kết quả tiến hành thực nghiệm theo mô hình TĐY2 3 được cho ở bảng 2. Bảng 1. Các mức của các yếu tố Các yếu tố Các mức X 1 (%) Không thứ nguyên X 2 (%) Không thứ nguyên X 3 (phút) Không thứ nguyên Mức cơ sở ( 0 j X ) 30 0 0.30 0 70 0 Khoảng biến thiên ( j ) 3 0.15 30 Mức trên (+) 33 + 0.45 + 100 + Mức dưới (-) 27 - 0.15 - 40 - Trong đó X 1 , X 2 , X 3 lần lượt là nồng độ TB, nồng độ enzym và thời gian biến hình TB Bảng 2. Kết quả xác định chỉ số DE của TB huỳnh tinh và khoai lang đối với enzym Veron M 4 STT x 0 x 1 x 2 x 3 y 1 y 2 y 3 y 4 1 + - - - 0,57 20,25 0,63 20,78 2 + - + - 1,02 25,07 1,25 24,50 3 + + - - 0,76 23,89 0,96 23,35 4 + + + - 1,45 26,16 1,69 25,00 5 + - - + 1,58 28,85 1,52 23,64 6 + - + + 2,98 33,20 3,48 33,14 7 + + - + 2,45 31,19 2,23 32,48 8 + + + + 3,36 33,72 4,36 33,80 T 1 + 0 0 0 2,66 30,56 2,65 30,65 T 2 + 0 0 0 2,74 30,46 2,55 30,46 T 3 + 0 0 0 2,76 30,45 2,35 30,32 Trong đó: T 1 ,T 2 ,T 3 là các thí nghiệm tại tâm. y 1 , y 2 : chỉ số DE khi thuỷ phân TB sống và TB hồ hoá của huỳnh tinh y 3 , y 4 : chỉ số DE khi thuỷ phân TB sống và TB hồ hoá của khoai lang. Kết quả ở bảng 2 được mô tả bằng các phương trình hồi quy như sau: Giả sử phương trình hồi quy mô tả thực nghiệm có dạng [1]: Y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 + b 3 x 3 + b 12 x 1 x 2 + b 13 x 1 x 3 + b 23 x 2 x 3 + b 123 x 1 x 2 x 3 Qua các tính toán được phương trình hồi quy mô tả gần đúng nhất với thực nghiệm nói lên ảnh hưởng của 3 yếu tố đến quá trình phân cắt mạch TB là: Y 1 = 1,771 + 0,234x 1 + 0,431x 2 + 0,821x 3 + 0,146x 2 x 3 - 0,091x 1 x 2 x 3 .(I) Y 2 = 27,791 + 0,949x 1 + 1,746x 2 + 3,949x 3 – 0,546x 1 x 2 – 0,234x 1 x 3 .(II) Y 3 = 2,015 + 0,295x 1 + 0,68x 2 + 0,883x 3 +0,342x 1 x 3 . (III) Y 4 = 28,14 + 0,62x 1 + 0,97x 2 + 4,73x 3 – 0,33x 1 x 2 – 0,37x 2 x 3 . (IV) Từ 4 phương trình hồi quy, nhận thấy rằng đối với cả 2 loại TB huỳnh tinh và khoai lang thì kết quả DE thu được khi thuỷ phân TB sống đều nhỏ hơn nhiều so với TB đã hồ hoá. Do đó chúng tôi chọn 2 phương trình Y 2 và Y 4 (sử dụng phương pháp thuỷ phân TB đã hồ hoá) để tối ưu. 3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ TB, nồng độ enzym và thời gian biến hình đến quá trình biến hình TB bằng enzym Termamyl 120L Qua tham khảo một số tài liệu [5], dựa vào hoạt lực của enzym Termamyl và trên cơ sở một số thí nghiêm thăm dò chúng tôi chọn các thông số kỹ thuật giống với các thông số khi biến hình bằng enzym Veron M 4 để tiến hành thực nghiệm theo mô hình TĐY 2 3 . Kết quả được cho ở bảng 3. Bảng 3. Kết quả xác định chỉ số DE của TB huỳnh tinh và khoai lang đối với enzym Termamyl 120L STT x 0 x 1 x 2 x 3 y 5 y 6 y 7 y 8 1 + - - - 15,82 17,05 15,80 16,22 2 + - + - 19,90 21,33 22,80 22,83 3 + + - - 17,91 18,51 19,77 20,40 4 + + + - 21,40 23,67 21,79 27,35 5 + - - + 23,81 25,89 20,32 21,00 6 + - + + 28,20 30,36 26,80 27,09 7 + + - + 27,14 28,63 25,44 25,98 8 + + + + 30,83 32,95 30,09 30,25 T 1 + 0 0 0 26,66 27,24 27,94 28,65 T 2 + 0 0 0 26,63 27,13 28,50 28,86 T 3 + 0 0 0 26,57 27,25 28,32 29,05 Với y 5 , y 6 : chỉ số DE khi thuỷ phân TB sống, hồ hoá của TB huỳnh tinh y 7 , y 8 : chỉ số DE khi thuỷ phân TB sống, hồ hoá của TB khoai lang Các phương trình hồi quy tính được: Y 5 = 23,126 + 1,194x 1 + 1,956x 2 + 4,369x 3 – 0,161x 1 x 2 + 0,296x 1 x 3 . (V) Y 6 = 24,799 + 1,141x 1 + 2,279x 2 + 4,659x 3 + 0,191x 1 x 3 – 0,129x 1 x 2 x 3 . (VI) Y 7 = 22,85 + 1,42x 1 + 2,52x 2 + 2,80x 3 – 0,85x 1 x 2 + 0,67x 1 x 3 . (VII) Y 8 = 23,89 + 2,12x 1 + 2,9x 2 + 2,19x 3 – 0,4x 2 x 3 . (VII) Từ 4 phương trình hồi quy trên, thấy rằng DE thu được khi thuỷ phân TB sống và TB đã hồ hoá đối với cả hai loại nguyên liệu đều không có sự khác biệt lớn. Do đó chúng tôi chọn qui trình thủy phân tinh bột sống và tiến hành tối ưu hóa (Y 5 , Y 7 ). 3.2.3. Tối ưu hoá quá trình biến hình TB bằng enzym để thu DE lớn nhất Do các phương trình hồi quy tìm được không tuyến tính nên chúng tôi tiến hành tối ưu theo phương pháp tìm cực trị bằng cách giải phương trình bởi chương trình Excel solver. Kết quả thu được là: y 2max = 33,45; y 4max = 33,65; y 5max = 30,80; y 7max = 29,43 tương ứng với các giá trị X 1 = 33(%); X 2 = 0,45(%); X 3 = 100 (phút). Dựa vào kết quả trên, nhận thấy rằng với cùng các thông số kỹ thuật, đối với hai loại tinh bột, khi thuỷ phân bằng enzym Veron M 4 thì DE thu được lớn hơn khi thuỷ phân bằng enzym Termamyl. Trong đó khi thuỷ phân TB khoai lang sống bằng enzym Veron M 4 sẽ cho DE lớn hơn khi thuỷ phân TB huỳnh tinh. Đối với enzym Termamyl thì ngược lại, TB huỳnh tinh sẽ cho giá trị DE lớn hơn khoai lang. 3.4. Ứng dụng TB biến hình được ứng dụng để thay thế cho pectin (là chất tạo gel trong sản phẩm mứt đông) với mục đích giảm giá thành, chủ động nguồn nguyên liệu và giảm lượng đường trong thực đơn. Kết quả bước đầu thu được khá khả quan, trong đó khả năng tạo gel sản phẩm đối với tinh bột huỳnh tinh tốt hơn tinh bột khoai lang Quy trình sản xuất mứt dứa: Thực đơn sản xuất: - Purê quả: 0,7kg. - Đường: 0,3kg. - TB biến hình: 0,0075kg (7,5g). 4. KẾT LUẬN - Đã xây dựng được các phương trình hồi qui mô tả được ảnh hưởng của các yếu tố nồng độ enzim, nồng độ tinh bột và thời gian đến trị số DE trong quá trình biến hình tinh bột bằng enzim Veron M4 và Termamyl trên cả hai phương pháp thuỷ phân tinh bột sống và tinh bột hồ hóa. - Bằng phương pháp tối ưu hóa đã chọn được các điều kiện công nghệ tốt nhất để sản xuất các tinh bột biến hình TB có chỉ số DE max. Giá trị tốt nhất đó là: nồng độ TB 33%, nồng độ enzym 0,45% so với cơ chất và thời gian biến hình 100 phút. - Đã chọn được quy trình biến hình phù hợp với mỗi loại enzym: đối với enzym Veron M4 tốt nhất là dùng phương pháp thủy phân TB sống và đối với enzym Termamyl thì phương pháp thuỷ phân TB đã hồ hoá. - Kết quả ứng dụng tinh bột biến hình cho sản phẩm mứt dứa đông có hàm lượng đường thấp rất triển vọng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Cảnh, Quy hoạch thực nghiệm, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, 1993. [2] Trương Thị Minh Hạnh, Nghiên cứu các dạng biến hình tinh bột hoa màu và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, Luận án Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật, Đà Nẵng, 2003. [3] Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lưu Duẩn, Đặng Thị Thu, Lê Thị Cúc, Lâm Xuân Thanh, Phạm Thu Thuỷ, Biến hình sinh học các sản phẩm từ hạt, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2000. [4] Hà Duyên Tư (chủ biên), Quản lý và kiểm tra chất lượng thực phẩm, Đại học Bách khoa Hà Nội, 1996. [5] Các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học và công nghiệp thực phẩm (giai đoạn 1986-1995), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1996. [6] Balagopalan C. and Padmaja G., Cassava in Food, Feed and Industry, CRC Press Inc.Boca Raton, Florida, 1988. Phân loại Rửa Gọt vỏ, cắt mắt Cắt nhỏ Nghiền Định lượng Phối chế Đường Nấu mứt TB biến hình Rót hộp Thanh trùng Bảo quản Dứa . trên cả hai phương pháp thuỷ phân tinh bột sống và tinh bột hồ hóa. - Bằng phương pháp tối ưu hóa đã chọn được các điều kiện công nghệ tốt nhất để sản xuất các tinh bột biến hình TB có chỉ số. 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Xác định chỉ số “DE” bằng phương pháp Fericyanua [4] - Xác định hàm lượng TB thật bằng phương pháp Ewers [4] - Xác định hàm lượng amyloza bằng phương pháp Balagobalan. gel sản phẩm đối với tinh bột huỳnh tinh tốt hơn tinh bột khoai lang Quy trình sản xuất mứt dứa: Thực đơn sản xuất: - Purê quả: 0,7kg. - Đường: 0,3kg. - TB biến hình: