Nghiên cứu sản xuất sản phầm nước chuối lên men

1.3 Yêu cầu đề tài Tìm hiểu tổng quan về nguyên liệu chuối, nấm men và các nguyên liệu dùng để sảnxuất nước trái cây lên men  Khảo sát hiệu suất thu hồi của nguyên liệu chuối  Khảo sá

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách hình vẽ v

Danh sách bảng biểu Chương 1: GIỚI THIỆU 01

1.1.Đặt vấn đề 01

1.2.Mục đích đề tài 02

1.3.Yêu cầu đề tài 02

1.4.Giới hạn đề tài 02

Chương 2: TỔNG QUAN 03

2.1 Tổng quan về quả chuối 03

2.1.1 Nguồn gốc phân bố 03

2.1.2 Đặc điểm phân loại 04

2.1.3 Thành phần hóa học của chuối 06

2.1.4 Đặc điểm hóa lý của chuối 12

2.1.5 Thu hoạch và tồn trữ 12

2.1.6 Một số sản phẩm từ chuối 15

2.2 Tổng quan về nấm men 15

2.2.1 Hình thái nấm men 16

2.2.2 Cấu tạo và thành phần cấu tạo của tế bào nấm men 16

2.2.3 Các quá trình sinh lý của tế bào nấm men 17

2.2.4 Các quá trình lên men 18

2.2.5 Bản chất của quá trình lên men 19

2.2.6 Điều kiện của quá trình lên men 21

2.3 Tổng quan về lên men rượu 24

2.3.1 Khái niệm 24

2.3.2 Vi sinh vật chủ yếu 24

2.3.3 Cơ chế 24

2.4 Tổng quan về nước giải khát lên men 25

2.4.1 Đặc diểm 25

2.4.2 Nước giải khát lên menvà rượu vang có điểm gì tương đồng 25

2.5 Enzym pectinase 27

2.5.1 Nguồn gốc- ứng dụng 27

2.5.2 Tính chất 28

2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt độ của enzyme pectinase 29

Chương 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1 Vật liệu và dụng cụ sử dụng 30

3.3 Quy trình chế biến nước chuối lên men dự kiến 31

3.3.1 Quy trình dự kiến 31

3.3.2 Thuyết minh quy trình 31

3.3.3 Sơ đồ nghiên cứu 36

3.4 Nội dung thực hiện 37

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme pectinase và thời gian xử lý enzym đến hiệu suất thu hồi nước chuối 37

3.4.2 Khảo sát tỷ lệ pha loãng lên quá trình lên men 38

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng đường bổ sung lên quá trình lên men39 3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng men và thời gian lên men nước chuối 40

3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng chế độ thanh trung lên mùi vị nước chuối lên men 41

3.4.6 Khảo sát khả năng bảo quản của sản phẩm 42

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 Kết quả khảo sát thành phần hóa học của chuối 43

4.2 Kết quả khảo sát quá trình thủy phân dịch chuối bằng enzyme pectinase 44

4.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian đến hiệu suất thu hồi 44

4.3 Kết quả khảo sát tỷ lệ dịch ép lên thành phần hóa học và giá trị cảm quan của sản phẩm 46

4.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ dịch ép lên độ acid của sản phẩm 46

4.3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ dịch ép lên độ Brix của sản phẩm 47

4.3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ dịch ép lên giá trị cảm quan của sản phẩm 48

4.4 Kết quả khảo sát hàm lượng đường lên thành phần hóa học và giá trị cảm quan của sản phẩm 49

4.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng đường lên độ acid của sản phẩm 49

4.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng đường lên độ Brix của sản phẩm 50

4.4.3 Ảnh hưởng của hàm lượng đường lên giá trị cảm quan của sản phẩm 51

4.5 Kết quả khảo sát hàm lượng nấm men và thời gian lên men lên thành phần hóa học và giá trị cảm quan của sản phẩm 53

4 5.1 Ảnh hưởng của hàm lượng men và thơi gian lên men lên độ acid của sản phẩm 53

4.5.2 Ảnh hưởng của hàm lượng nấm men và thời gian lên men lên độ Brix của sản phẩm 54

4.5.3 Ảnh hưởng của hàm lượng nấm men và thời gian len men lên giá trị cảm quan của sản phẩm 56

4.6 Kết quả khảo sát nhiệt độ và thời gian thanh trùng giá trị cảm quan của sản phẩm 57

4.7 Kết quả khảo sát khả năng bảo quản của sản phẩm 58

4.7.1 Sự biến đổi độ Brix của sản phẩm theo thời gian bảo quản 58

4.7.2 Sự biến đổi độ acid của sản phẩm theo thời gian bảo quản 59

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

5.1 Kết luận 62

5.2 Kiến nghị 63

Tài liệu tham khảo I

Phụ lục 1 II

Phụ lục 2 III

Phụ lục 3 IV

Phụ lục 4 V

Phụ lục 5 IV

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU1.1 Đặt vấn đề

Rau quả là nguồn thực phẩm không thể thiếu đối với con người Đây là nguồn cungcấp chính vitamin và chất xơ Trong sản xuất rau quả chiếm một vị trí quan trọng, đặc biệt vớinước ta có gần 70% dân số tham gia vào nghành nông nghiệp, rau quả đã tạo ra công ăn việclàm và thu nhập cho người dân

Nằm trong vành đai nhiệt đới với khí hậu nóng ẩm, cây chuối được trồng ở rất nhiềunơi ở nước ta Đây là một trong số những cây ăn quả chính có khả năng chế biến và xuấtkhẩu Chuối không những có giá trị cao về dinh dưỡng nà còn có giá trị về y học

Về giá trị dinh dưỡng: Người ta đánh giá cao dinh dưỡng của chuối, vừa là nguồncung cấp calori, vừa là nguồn cung cấp vitamin và nguồn khoáng phong phú và cân đối

Về giá trị y học: Chuối có tác dụng làm giảm huyết áp, chữa bệnh về đường tiêu hóa,chữa bệnh táo bón và ngăn ngừa ung thư ruột già

Về giá trị văn hóa: Cây chuối là cây gắn bó và quen thuộc với người Việt Nam Từcây chuối, người ta đã tạo ra những sản phẩm mang nét đặc trưng của văn hóa Việt Nam như:bánh chưng, bánh tét, rau sống bắp chuối

Nước trái cây lên men là loại thức uống rất được ưa chuộng với hương vị thơm ngon

và có tính giải khát Đây là nước uống lên men một phần từ dịch trái cây Nó có độ cồn thấp,giàu chất dinh dưỡng Lợi thế của sản phẩm này là có nguồn nguyên liệu dồi dào và phongphú, sản phẩm có hương vị đặc trưng

Để làm phong phú thêm chủng loại nước trái cây lên men, bắt kịp thị hiếu người tiêudùng và được sự đồng ý của khoa công nghệ thực phẩm trường Đại học Kỹ thuật công nghệTP.Hồ Chí Minh, cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Anh Trinh, tôi đã đăng ký thựchiện đề tài: “Nghiên cứu chế biến sản phẩm nước chuối lên men”

1.3 Yêu cầu đề tài

 Tìm hiểu tổng quan về nguyên liệu chuối, nấm men và các nguyên liệu dùng để sảnxuất nước trái cây lên men

 Khảo sát hiệu suất thu hồi của nguyên liệu chuối

 Khảo sát tỷ lệ phối trộn giữa dịch quả: nước

 Khảo sát hàm lượng đường

 Khảo sát hàm lượng nấm men và thời gian lên men

 Khảo sát quá trình thanh trùng

 Khảo sát khả năng bảo quản của sản phẩm

 Đánh giá các chỉ tiêu của sản phẩm: hóa lý, vi sinh, cảm quan

1.4 Giới hạn đề tài

Sản phẩm được tiến hành nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm của trường nêntrang thiết bị còn hạn chế vì thế thông số kỹ thuật của một số quá trình chưa được tối ưu hóa

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN TÀI LIỆU2.1 Tổng quan về quả chuối

2.1.1 Nguồn gốc- phân bố

Theo truyền thuyết về lịch sử cây chuối được cho từ nguồn gốc từ vườnEden( paradise) , do đó tên musa paradisiacal có nghĩa là” trái của thiên đường” Tiếng anh cóhai từ có nghĩa là chuối là “banana” và “plantain” dùng để chỉ chuối để nấu chin khi ăn.Chuối là loại cây nhiệt đới, được trồng khắp ở Ấn Độ, Nam Trung Quốc, Malaixia, Việt Nam.Các nước Đông Phi, Tây Phi, Mỹ La Tinh Các loài chuối hoang dại được tìm thấy rất nhiều ởcác nước Đông Nam Á, do đó có thể cho rằng Đông Nam Á là quê hương của chuối, sau đóđược phát tán đến các nơi trên thế giới

2.1.2 Đặc điểm phân loại

Cây chuối thuộc bộ Scitaminales, họ Musaceae, họ phụ Musoidae

Trước đây theo Linne, chuối được chia thành các nhóm:

 Musa sapentum L: Trái chín ngọt, ăn tươi

 Musa paradiaca L: Khi chín phải nấu mới ăn được

 Musa cmiculata Rumph: Chuối Tá Quạ

 Musa cavendis, Musa nana: Chuối già lùn

Từ năm 1948, Cheeman đã phân biệt hai nguồn gốc chính của chuối trồng trọt làM.acumilata Colla và M balbisiana Colla Trong họ phụ Musoidae có hai giống Enset vàMusa Từ năm 1955, Simmonds và Shepherd đã dựa vào một số điểm đánh giá 15 đặc điểmngoại hình của chuối để quy định mức độ lai của các giống trồng trọt đối với hai dòngacuminate và balbisian, trong gen đều có gen A và gen B

Đặc điểm M acuminata( gen A) M balbisiana ( Gen B)

Màu thân giả Nhiều màu nâu hay đốm đen Có đốm ít hay không có

Rãnh cuống lá Mép thẳng hay bè ra với những cánh Bờ mép khép xung quanh, không

phía dưới, không ôm siết thân giả co cánh phía dưới, ôm siết thân giả

Noãn sào Hai hàng đều nhau ở mỗi ngăn Bốn hàng bất thường

Phai nhạt đến màu vàng Bên trong đỏ liên tục

Bảng 2.1: Đặc điểm phân loại giữa M acuminata và M.balbisiana

Nguồn: www.rauhoaquavietnam.vn

Cách tính điểm: Nếu đồng ý một đặc điểm của loài M.acuminata thì ghi 1 điểm, còn

M balbisiana thì ghi 5 điểm, các đặc điểm trung gian ghi 2, 3, 4 tùy theo mức độ biểu hiện

Dựa vào số điểm ta có thể phân loại các giống chuối sau:

 15 - 24 : gen AA, AAA, AAAA

Vào năm 1967 – 1968, Vakili đã dựa theo Simmon để phân loại các giống chuối trồng

ở Việt Nam trên căn bản di truyền như sau:

 Nhóm AAA: Chuối Già, chuối Cơm, chuối Cau, chuối Mật Mọi, chuối La Bà

 Nhóm AA: Chuối Ba Thơm, Cau Trắng, Móng Chim, Mật Mốc, Già Dẻo,chuối Thượng, chuối Chà, chuối Tiêu

 Nhóm ABB: Chuối Sứ, chuối Lá, chuối Dong, chuối Lá Mật, chuối Bom,chuối Chà To

 Nhóm AAB: Chuối Tá Quạ, chuối Mật

 Nhóm BB: Chuối Hột

Các giống chuối trong vườn có thể nhận dạng nhờ vào hình dạng của cây chuối như :

 Nhóm chuối Cau: Thân tương đối nhỏ, lá xanh lợt

 Nhóm chuối Sứ: Thân cao, lá tương đối nhỏ

 Nhóm chuối Già Cùi: Thân cao, bẹ hồng, lá khá rộng

2.1.3 Thành phần hóa học chung của các loại chuối

Về thành phần hóa học, trái chuối chín chứa:

 Axid: 0, 2%, chủ yếu là acid malic và acid oxalic vì thế chuối có độ chua dịu

 Vitamin: Chuối chứa rất ít vitamin nhưng hàm lượng cân đối

 Hợp chất Polyphenol

 Ngoài ra còn có muối khoáng, pectin

Bảng 2.2: Bảng thành phần hóa học của trái chuối chín thuộc các giống khác nhau.

Thành phần

hóa học (%)

Chuốingự NamĐịnh

Chuối tiêu PhúThọ

Chuối tiêu HảiDương

Chuối bomĐồng Nai

Chuối sứĐồng Tháp

Chuối Già thuộc nhóm tam bội thể của Cavendish và GrosMichel ( nhóm AAA).Chuối Già có quả thon, dáng cong là loại chuối ngọt, thơm, khi chín có màu vàng sáng, vỏdày, trọng lượng quả khoảng 150g

Bảng 2.3: Phân loại chuối theo độ chín

chín

Bảng 2.4: Sự thay đổi thành phần hóa học của chuối già theo độ chín

Nguồn: Étienne Espiard, 2002Qua bảng ta thấy: Trong quá trình chín, hàm lượng tinh bột của chuối giảm dần, hàmlượng đường tăng dần

Bảng 2.5: Hàm lượng polyphenol của chuối theo độ chín

là chuối được sấy khô Ngoài trái chuối, người ta còn sử dụng hoa chuối (chuối sứ, chuối hột)như một loại rau và dùng thân cây chuối làm thức ăn gia súc

Bảng 2.6: thành phần dinh dưỡng của hoa chuối có trong (100g ăn được)

2.1.4 Đặc điểm hoá lý của chuối

Bảng 2.7: Đặc điểm hoá lý của một số loại chuối

Đườngkính

Tỷ lệruột(%)

Khốilượng

Số nảitrong 1

Số quảtrong 1

quả(g) quả(cm) buồng(kg) buồng nải

Trong điều kiện sinh trưởng và khí hậu tốt, thời gian khi trổ buồng đến khi cắt đối vớichuối Tiêu là 85 – 95 ngày Ở Miền Nam thời gian đó là 90 ngày, tuỳ theo mùa

Ngoài ra còn có các cách xác định độ già, độ chín dựa theo:

 Theo độ dày: Căn cứ theo tỉ lệ giữa khối lượng quả (P, kg) và chiều dài ruột(L,cm) thường P/L=7,9 – 8,3

 Theo tỉ trọng của chuối (d): Trị số d tăng dần trong quá trình sinh trưởng vàchín d= 0,96

 Theo độ chắc của trái chuối: Độ chắc giảm theo quá trình chín

 Theo hàm lượng đường và hàm lượng tinh bột: Theo quá trình chín thì hàmlượng tinh bột giảm dần và hàm lượng đường tăng lên

 Theo màu vỏ: Theo màu vỏ thì hàm lượng tinh bột giảm dần và hàm lượngđường tăng lên khi màu vỏ chuyển từ xanh sang vàng

Bảng 2.8: Sự biến đổi của hàm lượng tinh bột và đường theo màu vỏ chuối

Tại trạm xử lí, chuối được vận chuyển về các kho tồn trữ tập trung bằng xe lạnh 11 –

130 C Việc nhập kho từng phòng làm nhanh để không tốn lạnh và trữ ở nhiệt độ 12 - 14 oC,

độ ẩm 85 - 95% Ở chế độ này chuối tươi xanh không bị chín trong 2 tuần Chuối vừa chín tới

là khi vỏ chuối có màu vàng nhưng đầu, đuôi quả còn xanh, ruột chưa mềm hẳn là chuối có vịngọt, ngon và nhiều hương thơm nhất Khi đó nếu chưa tiêu thụ nên cắt rời từng trái, xếp vàokhay, rồi đưa vào kho lạnh có nhiệt độ 11 – 130 C, độ ẩm 85 - 95% thì có thể bảo quản 3 - 4ngày mà chất lượng không giảm Việc bao gói được thực hiện bằng nhiều loại vật liệu: Giấy,rơm, thùng carton, bao PE

Phương pháp thu hoạch, xử lí, bảo quản và vận chuyển chuối tươi vừa nói trên thườngđược ứng dụng cho chuối xuất khẩu Chuối được tiêu dùng trong nước yêu cầu biện pháp đơngiản và rẻ tiền hơn

2.1.5.3 Xử lí bằng Topsin – M

Topsin – M do Nhật Bản sản xuất, là chất diệt nấm và vi sinh vật mạnh nhưng ít độc

và không ảnh hưởng đến da người Theo GSTS Nguyễn Văn Thoa, khi xử lí chuối xanh bằngdung dịch Topsin – M theo nồng độ 0,1 - 0,2% thì phần lớn nấm mốc trong chuối Tiêu bị diệthoặc ức chế, dư lượng còn lại trên trái cây sau tồn trữ là 0,002 mg/kg, chỉ = 10% so với liềulượng của FAO

Nếu coi hư hỏng 10 – 15% là khả năng tồn trữ của chuối thì hạn tồn trữ của chuối làkhông quá 5 ngày và trong mùa đông không quá 15 ngày Nhưng nếu dùng dung dịch 0,1%Topsin – M thì sau 15 ngày mùa hè chuối còn tốt 88,5% và sau 30 ngày mùa đông còn tốt91,5%

Chuối sau khi tồn trữ, chín bình thường, hương vị không thay đổi so với chuối tươi

Chuối sau khi xử lí được đem đi bảo quản:

 Nếu nhiệt độ từ 30 - 35oC, thời gian tồn trữ là 2 tuần

 Nếu nhiệt độ từ 15 - 20oC, thời gian tồn trữ là 5 tuần

 Nếu nhiệt độ từ 11,1 - 12,80 C, thời gian tồn trữ là 2 tháng

Tuỳ theo tình trạng nguyên liệu mà chúng ta có chế độ bảo quản thích hợp Tuynhiên,Trong kho ta nên trang bị các loại máy lạnh có thể hạ nhiệt độ của kho xuống 12oC

2.1.5.4 Bảo quản bằng chiếu xạ

Trung tâm chiếu xạ Hà Nội hiện nay vẫn còn đang nghiên cứu thêm về phươngpháp này, với tổng cường độ chiếu xạ hiện nay là 200.000 Ci Phương pháp này hiện nay chỉđược sử dụng ở một số nơi nhưng chưa được phổ biến

Nghiên cứu sơ bộ cho thấy: Chuối Tiêu tươi có độ già 80 - 90% khi chiếu xạ với liềulượng tối ưu 0.3 krad đã chậm chín hơn 10 ngày (ở nhiệt độ thường) và 10 - 14 ngày (ở 14oC).Với chuối có độ già 65 - 80%, tồn trữ ở nhiệt độ 19oC, với liều lượng chiếu xạ 200 Krad bảoquản được 44 ngày, với liều lượng chiếu xạ là 400 Krad bảo quản được trong 57 ngày Nếuchuối quá già, bắt đầu chín hoặc chuối quá non thì không có kết quả

2.1.6 Một số sản phẩm từ quả chuối

Từ nguyên liệu chuối ta có thể chế biến ra rất nhiều sản phẩm như là: Chuối khô, kẹochuối, nước chuối trong, bột chuối, rượu vang chuối…

Nước chuối trong Chuối sấy Kẹo chuối

Hình 2.2: Các sản phẩm từ chuối

2.2 Tổng quan về nấm men

Tác nhân chính của quá trình lên men rượu là các loài nấm men Saccharomyces Nấm

men đóng vai trò quyết định trong sản xuất nước giải khát lên men trái cây vì quá trình traođổi chất của tế bào nấm men là quá trình chuyển hóa nguyên liệu thành sản phẩm Quá trìnhchuyển hóa này gắn liền với sự tham gia của hệ enzyme trong tế bào nấm men

2.2.1 Hình thái nấm men

Nấm men có dạng hình cầu, ovan hoặc elip, hình quả chanh, hình trụ, hình trứng đôikhi dài ra thành sợi Tế bào nấm men có kích thước tương đối lớn: đường kính trên 1 m vàdài trên 1m

2.2.2 Cấu tạo và thành phần hóa học của tế bào nấm men

Nấm men có cấu tạo đơn bào Tế bào có thành phần và cấu tạo phức tạp Trong tế bào

có rất nhiều các cấu tử lớn nhỏ khác nhau Nhưng mỗi thành phần, mỗi cấu tử trong đó đều

có một vai trò riêng Cấu tạo tế bào được giới thiệu như hình 2.3

Hình 2.3 Cấu tạo tế bào nấm men

Cấu tạo của tế bào nấm men thay đổi khác nhau tùy theo loài, độ tuổi và môi trườngsống, nhưng nhìn chung bao gồm:

 Nước: 75 ÷ 85%

 Chất khô: 15 ÷ 25% Trong đó, chất khoáng chiếm 2 ÷ 14% hàm lượng chất khô

Đặc biệt, trong tế bào nấm men có chứa một số enzyme xúc tác có tác dụng thủy phânchuyển hóa các glucid đơn giản Vì vậy, khả năng chuyển hóa cơ chất sẽ phụ thuộc nhiều vào

tỷ lệ và thành phần các loại enzyme có trong tế bào nấm men

Bảng 2.9: Một số enzyme thủy phân trong tế bào nấm men S cerevisiae

2.2.3 Các quá trình sinh lí của tế bào nấm men

Nấm men cũng như các sinh vật sống khác cần oxy, hydro, cacbon, nitơ, phospho,kali, magie…Dinh dưỡng cacbon: nguồn cacbon cung cấp là các loại đường khác nhau nhưsaccharose, maltose, lactose, glucose… Dinh dưỡng oxy, hydro: được cung cấp cho tếbào từ nước của môi trường nuôi cấy hay dịch

Dinh dưỡng nitơ: nấm men không có men ngoại bào để phân giải protein, nên khôngthể phân cắt albumin của môi trường mà phải cung cấp nitơ ở dạng hòa tan, có thể là đạm hữu

cơ hoặc vô cơ Dạng hữu cơ thường dùng là acid amin, pepton, ure Đạm vô cơ là các muốiamon khử nitrat, sulfat…Các vitamin và chất khoáng: phospho, lưu huỳnh, magie cần thiếtcho hoạt động sống của nấm men

Quá trình sinh trưởng của nấm men trong dịch lên men tĩnh có thể chia làm 4 giaiđoạn: pha lag (pha tiềm phát), pha logarit (pha phát triển chỉ số), pha ổn định và pha suythoái

 Pha lag (pha tiềm phát): giai đoạn nấm men cần phải thích nghi với môi trường mới,

số lượng tế bào nấm men không tăng hoặc tăng rất ít, giai đoạn này kéo dài nếu môitrường kém dinh dưỡng và ngắn hơn nếu môi trường giàu chất dinh dưỡng

 Pha logarit (pha phát triển chỉ số): đây là giai đoạn tế bào nấm men tăng sinh khối theocấp số nhân, chất dinh dưỡng trong môi trường giảm đáng kể do được nấm men sửdụng để sinh sản và phát triển

 Pha ổn định (pha tĩnh): số lượng tế bào nấm men sống là ổn định (số lượng tế bào sinhsản bằng số lượng tế bào chết đi)

 Pha suy thoái (pha chết): tế bào sống giảm dần và già đi, tế bào chết tăng nhanh.

Hình 2.4: Biểu đồ đường cong sinh trưởng đặc trưng của nấm men.

2.2.4 Các quá trình lên men

Lên men theo nghĩa hẹp là thuật ngữ dùng để chỉ các quá trình phân giải các chất đểthu năng lượng, trong đó hydro được tách ra từ một cơ chất (thường là glucose), được chuyểnđến chất nhận cuối cùng là hợp chất hữu cơ Oxy phân tử không tham gia vào quá trình lênmen (sự phân giải yếm khí) Theo định nghĩa của Pasteur thì “sự lên men là sự sống không cóoxy phân tử” Ví dụ trong lên men rượu hydro được tách ra trong quá trình phân hủy glucose

kị khí được chuyển đến acetaldehyde (CH3CHO) hình thành trong quá trình đường phân đểtạo etanol Đối với tế bào thì ý nghĩa của sự lên men ở chỗ chúng thu được năng lượng ở dạngATP, dự trữ cho cơ thể sinh vật

Ở vi sinh vật trong quá trình tiến hóa đã hình thành nhiều kiểu lên men khác nhau.Dựa vào bản chất của sản phẩm chính cuối cùng của quá trình lên men cũng như các conđường trao đổi chất đặc trưng cho từng loại vi sinh vật mà người ta phân loại các quá trình lênmen như lên men rượu, lên men lactic, lên men do nấm men, do nấm mốc…

Ngày nay trong lĩnh vực công nghiệp cũng như trong thực tiễn đời sống, quá trình lênmen được hiểu theo nghĩa rộng hơn Đó là quá trình trao đổi chất, qua đó các chất hữu cơ màchủ yếu là đường bị biến đổi dưới tác dụng của enzyme vi sinh vật Sự hình thành các chấtkhác nhau xảy ra trong điều kiện kị khí hoặc hiếu khí

Lên men yếm khí (kị khí)

Lên men yếm khí là sự biến đổi đường hay các hợp chất hữu cơ phức tạp thành cácchất đơn giản, dưới tác dụng của enzyme vi sinh vật, trong điều kiện không có sự tham giacủa oxy phân tử Đây chính là sự lên men theo đúng định nghĩa lên men của Pasteur đã nóitrên Thuộc loại lên men này có lên men rượu, lactic, aceton-butylic…

 Lên men hiếu khí

Lên men hiếu khí là dạng lên men theo nghĩa mở rộng hơn, là quá trình phân giảiđường hay các chất hữu cơ khác thành sản phẩm đơn giản, dưới tác dụng của enzyme vi sinhvật trong điều kiện có oxy tham gia Thuộc loại này có lên men acid acetic, lên men citric,acid glutamic…

2.2.5 Bản chất của quá trình lên men

Dầu các quá trình lên men có khác nhau về hình thức, cơ chế, tiến trình phản ứng, sảnphẩm cuối và hệ vi sinh vật tham gia, hệ enzyme xúc tác… nhưng các quá trình lên men cóbản chất cơ bản giống nhau

Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình lên men là những phản ứng chuyểnhydro và điện tử (e- và H+) Các enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme oxyhóa khử (dehydrogenase, oxydase…) chủ yếu từ vi sinh vật Như vậy, thực chất các quá trìnhlên men là các quá trình oxy hóa – khử sinh học để thu năng lượng và các hợp chất trung gian.Năng lượng này rất cần thiết cho hoạt động sống của sinh vật như sinh trưởng, phát triển, sinhsản…Tùy theo chủng vi sinh vật, môi trường, và điều kiện lên men chúng ta thu được các sảnphẩm chính, phụ khác nhau

Trong quá trình oxy hóa khử sinh học, hydro được tách khỏi cơ chất ban đầu nhờenzyme dehydrogenase, và chuyển đến những chất tiếp nhận khác nhau Tùy theo chất tiếpnhận hydro từ cơ chất mà người ta phân biệt các dạng lên men và hô hấp như sau:

 Lên men yếm khí: hydro được tách ra khỏi cơ chất và chuyển đến chất nhận là chấthữu cơ chưa no Sau khi nhận hydro các chất này tạo thành các chất hữu cơ nhất định,đây chính là sản phẩm của quá trình lên men tích tụ trong môi trường (ví dụ etanol,acid lactic…) Trong lên men rượu, hydro được tách ra trong quá trình phân hủy

glucose, được chuyển hóa đến acetaldehyde (CH3CHO) hình thành trong quá trìnhđường phân và tạo thành etanol trong điều kiện thiếu oxy

 Hô hấp hiếu khí: hydro được tách ra từ cơ chất hữu cơ trải qua hàng loạt các giai đoạntrung gian, cuối cùng kết hợp với oxy để tạo ra H2O Ví dụ acid pyruvic, bị oxy hóahoàn toàn trong chu trình Krebs, qua hàng loạt sản phẩm trung gian cuối cùng tạo CO2

và H2O và giải phóng năng lượng Quá trình hô hấp hiếu khí giải phóng ra năng lượnglớn cung cấp cho quá trình hoạt động sống của cơ thể vi sinh vật

 Hô hấp kị khí: các vi sinh vật sống trong điều kiện hiếu khí thường có thể sống trongđiều kiện kị khí hoặc kị khí không bắt buộc hoàn toàn Chất nhận điện tử và hydrocuối cùng không phải oxy mà là nitrat hay sulfat Kiểu chuyển điện tử và H+ này giúpcho vi khuẩn oxy hóa hoàn toàn cơ chất mà không cần sự tham gia của oxy phân tử

So với quá trình lên men trong hô hấp kị khí vi sinh vật thu được nhiều năng lượnghơn

2.2.6 Điều kiện của quá trình lên men

 Nguyên liệu để lên men

Một trong những thành phần chủ chốt của môi trường lên men là glucid Glucidkhông những là nguồn cung cấp năng lượng mà còn là nguồn cung cấp vật liệu xây dựng cầnthiết để sinh tổng hợp các cấu tử cần thiết của tế bào Dạng glucid dễ lên men làmonose, đặc biệt là glucose, fructose…là dạng đường dễ lên men, ngoài ra nấm men cũnglên men được disaccharide như saccharose và maltose bởi vì nấm men có men saccharase vàmaltase thủy phân các đường di-saccharide trên thành đường đơn là glucose và fructose Vớipolisaccharide như tinh bột, nấm men không lên men được, mà phải qua khâu trung gian làthủy phân tinh bột ra đường đơn giản, nhờ xúc tác là enzyme amilase của malt hay nấm mốchoặc tác nhân hóa học khác

Trong điều kiện sản xuất công nghiệp người ta thường chú ý sử dụng nguyên liệu tựnhiên, ngoài thành phần chính là glucid cần cho lên men, còn có các thành phần khác cần cho

sự sinh trưởng và phát triển của tế bào vi sinh vật như: muối khoáng, vitamin, yếu tố vi lượng,

acid amin, chất thơm chất màu Ví dụ trong công nghiệp lên men để đạt được mục đíchngười ta thường dùng nguyên liệu tự nhiên như nước chiết trái cây, nước chiết bắp, rỉ đường(mật rỉ), malt, nước chiết thịt… Một số vi sinh vật khác có thể lên men từ nguyên liệu làpectin…

Phosphate

Phosphate có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa năng lượng của hệ thốngsinh học Vì vậy phosphate rất cần thiết trong thành phần dung dịch lên men, nó được đưavào môi trường dưới dạng phosphate vô cơ như phosphate kali hay phosphate amon Nồng độphosphate thường xê dịch từ 0,1 – 0,5% Ngoài ra người ta cũng đưa vào môitrường một lượng nhỏ phosphate ở dạng hợp chất hữu cơ

 Nitơ

Nitơ là cấu tử quan trọng trong thành phần protein và acid nucleic Là thành phần rấtcần cho sự sống của vi sinh vật Nitơ được đưa vào môi trường lên men ở dạng nitrat, muốiamon, ure, hợp chất nitơ có nguồn gốc sinh học

 Nguyên tố vi lượng

Nguyên tố vi lượng rất cần cho phát triển, sinh trưởng của vi sinh vật Nguyên tố vilượng thường gặp là: Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, Cl2, Na, Si…

Ngoài các nguyên tố vi lượng vô cơ, các nguyên tố vi lượng hữu cơ cũng rất cần thiết

và quan trọng trong quá trình lên men, tuy sử dụng với nồng độ cực nhỏ, cũng có hiệu quả rõrệt

Ví dụ: acid pantotenic với nồng độ 1 : 50000, alanin với nồng độ 1 : 108 cũng đã có tác dụngrất rõ rệt đến sự lên men

Thông thường các nguyên tố vi lượng đã có mặt trong nguyên liệu tự nhiên ban đầu

Vitamin cũng là chất cần cho sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật và ảnh hưởng trực tiếpđến hiệu quả của quá trình lên men Đặc biệt là vitamin nhóm B như B1, B2, PP pantotenic,biotin (H) Riêng biotin là vitamin quan trọng cho sinh trưởng của vi sinh vật đôi khi còn gọi

là “yếu tố sinh trưởng” thường sử dụng trong môi trường nuôi vi sinh vật

 Nhiệt độ của môi trường lên men

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vi sinh vật vàhiệu quả lên men

Vì vậy trong thực tế sản xuất người ta sử dụng yếu tố này để điều chỉnh vận tốc phảnứng, và chiều hướng phản ứng tạo sản phẩm theo mong muốn

Trong ngành công nghiệp lên men sử dụng vi sinh vật và chuyển hóa các chất doenzyme vi sinh vật xúc tác do vậy nhiệt độ sử dụng trong quá trình sản xuất phải phù hợp vớinhiệt độ sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật và nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ tối ưu củavận tốc phản ứng enzyme xúc tác Tùy từng chủng giống vi sinh vật và từng loại lên men

mà ta chọn chính xác khoảng nhiệt độ phù hợp, tối ưu nhất

 pH môi trường lên men

Cũng như nhiệt độ pH cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến sinh trưởngphát triển của vi sinh vật và hiệu quả lên men của chúng Đối với vi sinh vật baogiờ cũng có một khoảng pH thích hợp với sinh lý của chúng cũng như một khoảng pH tối ưu

để vận tốc lên men đạt cực đại, hoặc theo đúng hướng tạo sản phẩm theo yêu cầu Ở các giátrị pH khác nhau của môi trường lên men, ta có thể thu nhận các sản phẩm khác nhau

Ví dụ: ở pH 4 – 5 nấm men sẽ lên men đường tạo etanol là sản phẩm chính Nếu pH kiềm thì

chiều hướng lên men của nấm men sẽ tạo sản phẩm chính là glycerin

 Lượng oxy

Tùy theo kiểu lên men chúng ta phải khống chế lượng oxy sao cho phù hợp Ví dụ: lênmen yếm khí như lên men lactic, lên men rượu, bia, cần tạo điều kiện yếm khí nghiêm ngặt

Lên men hiếu khí như lên men citric, lên men acid gluconic… cần cung cấp oxy vàomôi trường lên men, hoặc tạo điều kiên thoáng khí tối đa cho môi trường Trong cùng mộtquá trình lên men các giai đoạn khác nhau cũng cần thay đổi điều kiện yếm khí hay hiếu khínhư trong lên men rượu giai đoạn đầu cần oxy cho tế bào nấm men sinh sản phát triển đủlượng yêu cầu, giai đoạn sau cần tạo điều kiện yếm khí, để nấm men chuyển hóa đường thànhetanol

2.3 Tổng quan về lên men rượu

2.3.1 Khái niệm

Lên men rượu là quá trình lên men được thực hiện nhờ nấm men trong điều kiện yếmkhí, cơ chất chủ yếu là đường được chuyển thành rượu etylic và CO2, đồng thời giải phóngnăng lượng

2.3.2.Vi sinh vật chủ yếu

Hệ vi sinh vật chủ yếu là các chủng nấm men Saccharomyces gồm: S cerevisiae, S vini, S uvarum, S oviforrmis, S carlbergensis Lên men rượu vang thường sử dụng chủng

2.3.3 Cơ chế

Quá trình hô hấp, nấm men sẽ sử dụng một lượng đường và chất dinh dưỡng bằng cáchhấp thụ qua màng tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong Ở đó, dưới tác dụng của các enzymetrong nấm men sẽ chuyển hóa đường qua nhiều giai đoạn theo con đường EMP Sản phẩmcuối cùng là rượu và CO2

Hầu hết các chủng nấm men đều nhạy cảm với môi trường có nồng độ acid cao Ví dụ,acid pyruvic giải phóng ra theo con đường EMP Vì vậy, trong quá trình tiến hóa, tự bản thânchúng đã hình thành một cơ chế giải độc acid bằng cách chuyển hóa acid pyruvic thành rượu

Glycerin chỉ tạo thành rất ít trong giai đoạn cảm ứng nên nó là sản phẩm phụ của quátrình lên men rượu bình thường

Phương trình tổng quát của quá trình lên men rượu bình thường:

 Nồng độ chất khô hòa tan: 5 – 8 % khối lượng

 Axit tổng số: 0,6 – 2% thể tích

 Nồng độ rượu: 0,5 – 1,5 % thể tích (Nguyễn Đình Thưởng)

Trong nước giải khát lên men, quá trình sinh hóa vẫn tiếp tục dù để ở nhiệt độ thấp

Do đó, người ta có thể loại bớt tế bào nấm men rồi đem thanh trùng để tăng thời gian bảoquản

2.4.2 Nước giải khát lên men và rượu vang có đặc điểm gì tương đồng và khác biệt?

Nước trái cây lên men và rượu vang đều là sản phẩm lên men từ dịch ép trái cây tựnhiên nên có nhiều đặc điểm chung Có thể kể đến đó là:

 Có hương vị thơm ngon của trái cây tự nhiên: được lên men từ dịch ép trái cây nên sauquá trình lên men vẫn mang đậm hương vị của trái cây

 Chứa nhiều thành phần như:

 Rượu etylic: đây là thành phần không thể thiếu sau quá trình lên men Nồng độ cồn

ở hai sản phẩm có sự khác nhau rõ rệt nhưng nhìn chung là thấp, tạo cảm giác dễchịu cho người uống, đặc biệt thích hợp cho phụ nữ

 Axit: là thành phần quan trọng tạo nên hương vị sản phẩm Vị chua của axit cân

bằng với vị ngọt của đường, vị nồng của cồn và các thành phần khác tạo nên mùi

vị đặc trưng cho sản phẩm Các axit trong sản phẩm gồm các axit có sẵn trong dịchquả như: axit citric, axit malic, axit tartric… và các axit sinh ra trong quá trình lênmen như: axit succinic, axit lactic, axit cacbonic… Ngoài việc tạo ra vị chua vàhương thơm sản phẩm, các axit này còn giúp ngăn chặn quá trình hư hỏng của sảnphẩm

 Đường: cả hai dạng sản phẩm đều chứa một lượng đường nhất định tạo nên vị

ngọt đặc trưng cho sản phẩm

 Vitamin: hai dạng sản phẩm này đều giau vitamin như trong dịch quả Quá trình

lên en giúp giữ nhiều vitamin trong dịch quả

 Muối khoáng: trong sản phẩm có chứa một lượng nhỏ khoáng chất như: S, P, K,

Na, Ca, Fe, Cu, Mn… Chúng góp phần làm tăng hương vị và giá trị dinh dưỡngcủa sản phẩm

 Các hợp chất gây mùi thơm: chất gây mùi thơm hầu như chưa được biết rõ nhưng

nhìn chung, đó là các hợp chất sinh ra trong quá trình lên men là cồn và các ester

 Ngoài ra trong sản phẩm còn chứa nhiều hợp chất như: Polyphenol, aldehyde,acetone, glycerin…

Tuy có nhiều đặc điểm giống nhau nhưng vẫn có sự khác biệt giữa hai loại sản phẩmnày

 Về cách thức lên men:

 Nước trái cây lên men: là sản phẩm của quá trình lên men chưa kết thúc, thời gianlên men ngắn từ 24 đến 48 giờ nên còn giữ lại nhiều hương vị đặc trưng của nướcquả tự nhiên.

 Rượu vang: là sản phẩm của quá trình lên men hoàn chỉnh Thời gian lên men kéodài và trải qua nhiều công đoạn trước khi đạt được thành phẩm

 Về thành phần sản phẩm:

 Hàm lượng ethanol: nước trái cây lên men nồng độ rượu thấp khoảng 0,5 – 1,5 %

thể tích Trong khi sản phẩm rượu vang độ cồn tự nhiên vào khoảng 7 – 16 % thểtích

 Đường: độ ngọt và độ cồn của sản phẩm có liên quan với nhau bởi vì quá trình lên

men biến đổi thành đường ethanol Đường trong sản phẩm bao gồm các loại đườngnhư glucose, fructose, một ít galactose, các đường không thể lên men nhưarabinose, ramnose, xylose… Trong nước trái cây lên men còn chứa một lượng lớnsaccharose được bổ sung vào dịch quả mà nấm men chưa sử dụng hết

 Các chất gây mùi thơm: sản phẩm nước trái cây lên men còn hương vị đặc trưng

của nước quả Trong khi sản phẩm rượu vang, các hợp chất tạo mùi thơm chủ yếu

là sinh ra từ quá trình lên men

Nước trái cây lên men do thời gian lên men ngắn nên cặn và nấm men chưa lắngxuống dẫn đến vẫn còn độ đục, đồng thời giữ được hương vị của trái cây nguyên thủy, có chútgas tạo cảm giác sảng khoái dễ chịu cho người uống Trong khi đó, rượu vang trải qua quátrình lên men chính rồi lên men phụ nên sản phẩm đạt được độ trong, độ ổn định nhất định và

độ cồn cao hơn

2.5 Enzym Pectinase

2.5.1 Nguồn gốc - ứng dụng

Pectinase là

Polygalacturonase: enzyme thủy phân liên kết α-1,4-glycoside

Pectinmethylesterase: enzyme thủy phân liên kết ester giữa acid galacturonic và

nhóm methyl

Pectate lyase: enzyme cắt liên kết α-1,4-glycoside nhưng không có sự tham gia

của nước

Hình 2.5: Cơ chế tác dụng của các enzyme pectinase

Trong tự nhiên, pectinase được sản xuất ra trong suốt quá trình chín tự nhiên củanhiều loại trái cây, ảnh hưởng lớn tới quá trình chế biến và bảo quản rau quả Thông thường,cùng với cellulase và hemicellulase, chúng là tác nhân gây mềm và hư hỏng rau quả nênthường phải vô hoạt chúng bằng nhiệt (chần, thanh trùng) trước khi chế biến Tuy nhiên, trongmột số quá trình, đặc biệt là trong công nghiệp chế biến rau quả, pectinase được ứng dụngrộng rãi để làm trong, làm giảm độ nhớt, tăng hiệu suất và năng suất của quá trình chiết épdịch rau quả

Trong công nghiệp, người ta thường sử dụng pectinase ở dạng chế phẩm để tăng hiệuquả và giảm thời gian thủy phân pectin Chế phẩm pectinase thương mại được sản

xuất bằng con đường lên men sử dụng nấm mốc Aspergillus niger hoặc nấm men Saccharomyces fragilis

Trong đó, chế phẩm từ Aspergillus niger có hoạt tính mạnh nhất Các chế phẩm này

thường là dạng hỗn hợp của nhiều loại enzyme pectinase, đồng thời có thể chứa thêmmột phần nhỏ hemicellulase và cellulase

2.5.2 Tính chất

Chế phẩm pectinase có dạng lỏng, màu hơi nâu và một chút mùi đặc trưng của cácsản phẩm lên men, hòa tan tốt trong nước ở tất cả các nồng độ, có thể gây màu đục chodung dịch nhưng không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm

2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt độ của pectinase bao gồm

Độ pH: pH có thể tác động lên enzym bằng cách gây ra những biến đổi về cấu trúc,

thay đổi mức độ ion hóa của các chất, thay đổi tính chất của các amino acid hoặc cáccoenzym xúc tác của pectinase, Thông thường, độ pH tối ưu cho hoạt động của pectinasethường nằm ở mức 4,5– 5,0

Nhiệt độ: nhiệt độ để pectinase họat động tốt nhất là 45 – 55oC Nếu nhiệt độ quácao, phản ứng thủy phân sẽ nhanh hơn nhưng các enzyme sẽ dần dần bị vô hoạt hoặcthay đổi tính chất Mặt khác, mùi vị và chất lượng của dịch quả có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt

độ cao Hầu hết các enzyme pectinase thương mại hoạt động tốt nhất ở 45oC

Ngoài ra, sự có mặt của các chất hoạt hóa (coenzyme) và các chất ức chế cũng ảnhhưởng lớn đến hoạt độ pectinase và hiệu quả của quá trình thủy phân

Ở nhiệt độ bảo quản 20oC, chế phẩm pectinase có thể duy trì được hoạt độ trong vòng3tháng, nếu thời gian dài hơn thì hoạt độ enzyme sẽ giảm 1 – 2% mỗi tháng Khi được trữ ở 0– 10oC, hoạt độ enzyme sẽ duy trì được ít nhất 1 năm