Nghiên cứu ứng dụng enzyme trong quy trình sản xuất siro từ khoai lang tím

Khoai lang tím ngoài giá trị cung cấp các loại vitamin, các chất khoáng, tinh bột dễ tiêu hóa cùng một hàm lượng đáng kể chất sơ thực phẩm, thì nó còn có những ưu điểm vượt trội so với k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

BÙI THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ENZYME TRONG QUY TRÌNH

SẢN XUẤT SIRO TỪ KHOAI LANG TÍM

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS Vũ Hồng Sơn

2 PGS.TS Nguyễn Văn Đạo

HÀ NỘI – 2017

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tôi đã nhận được rất nhiều sự

chỉ bảo, quan tâm và giúp đỡ của các thầy cô trong khoa, người thân và bạn bè

Chính nhờ điều đó đã giúp tôi tích lũy được vốn kiến thức quý báu để hoàn thành

tốt luận văn thạc sĩ này

Đầu tiên, em xin trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học – Trường Đại

học Bách khoa Hà Nội và các cơ quan hữu quan đã tạo điều kiện cho em hoàn thành

luận văn thạc sĩ này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đạo – Viện

Đại học Mở Hà Nội và TS Vũ Hồng Sơn – Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ

Thực Phẩm - Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ, cung cấp

thông tin và kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Xin cám ơn các thầy cô giảng viên của Viện Công nghệ sinh học và Công

nghệ Thực Phẩm– Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt

kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và

nghiên cứu tại trường

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đến tất cả bạn bè tôi, những

người luôn bên tôi, giúp đỡ và đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình học tập

Hà Nội, tháng 9 năm 2017

Sinh viên

Bùi Thị Trang

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

LỜI MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung về khoai lang 1

1.1.1 Khoai lang 1

1.1.2 Khoai lang tím 2

1.1.3 Tính ưu việt của khoai lang tím so với các loại khoai lang khác 3

1.2 Củ khoai lang tím và thành phần hóa học của khoai lang tím 5

1.2.1 Củ khoai lang tím 5

1.2.2 Thành phần hóa học khoai lang tím 5

1.3 Tổng quan về anthocyanin 8

1.3.1 Giới thiệu 8

1.3.2 Cấu trúc hóa học của anthocyanin 9

1.3.3 Tính chất của anthocyanin 10

1.4 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang trên Thế giới và Việt Nam 11

1.4.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang trên Thế giới 11

1.4.2 Các nghiên cứu về khoai lang tím trên Thế giới 14

1.4.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang ở Việt Nam 15

1.5 Tổng quan Enzyme 16

1.5.1 Quá trình phát triển Enzyme 16

1.5.2 Tính ưu việt của enzyme 18

1.5.3 Enzyme Termamyl-120L 18

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Vật liệu và hóa chất 23

2.1.1.Vật liệu 23

2.1.2 Hóa chất 23

2.2 Thiết bị 23

2.3 Phương pháp nghiên cứu 24

2.3.1 Xác định thành phần của khoai lang tím 24

2.3.2 Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp DNS 30

2.3.3 Phương pháp sắc kí bản mỏng (TLC) 32

2.3.4 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) 33

2.3.4 Phương pháp đánh giá cảm quan 35

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Kết quả xác định thành phần hóa học của khoai lang tím 38

3.1.1 Xác định hàm lượng nước trong củ khoai lang tím 38

3.1.2 39

3.1.3 Xác định hàm lượng protein 41

3.1.4 Xác định hàm lượng lipit 41

3.1.5 Xác định hàm lượng tinh bột 42

3.1.6 Xác định hàm lượng đường 43

3.2 Khảo sát đặc tính của enzyme Termamyl-120L trên cơ chất khoai lang tím 43 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt lực của enzyme Termamyl-120L 44

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới hoạt lực của enzyme Termamyl-120L 46

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của ion kim loại tới hoạt lực của enzyme Termamyl-120L 48

3.2.4 Xác định thời gian phản ứng thích hợp của phản ứng enzyme Termamyl-120L để tìm giá trị động học enzyme Km 50

3.2.5 Xác định giá trị động học Km 52

3.2.6 Kiếm tra sản phẩm thủy phân bằng enzyme Termamyl-120L bằng phương pháp TLC 53

3.3 Kết quả ứng dụng thủy phân củ khoai lang tím sử dụng enzyme Termamyl-120L54 3.3.1 Đề xuất quy trình làm siro từ khoai lang tím sử dụng enzyme Termamyl-120L quy mô phòng thí nghiệm 54

3.3.2 Kết quả sản xuất siro từ khoai lang tím sử dụng enzym Termamyl-120L56 3.4 Kết quả đánh giá chất lượng siro khoai lang tím 56

3.4.1 Hàm lượng anthocyanin trong dịch siro khoai lang tím 57

3.4.2 Phân tích carbohydrat có trong sản phẩm siro khoai lang tím 58

3.4.3 Kết quả đánh giá cảm quan thành phẩm siro khoai lang tím 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Hàm lượng các chất chống oxy hóa trong các loại khoai lang khác nhau 4

Bảng 1.2 Hàm lượng các chất vi lượng trong các loại khoai lang 4

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của khoai lang (tính cho 100g sản phẩm) 6

Bảng 1.4 Các acid amin có trong protein toàn phần (tính theo 16g N ) 7

Bảng 1.5 Đặc điểm và thành phần hóa học của 5 giống khoai lang khác nhau 7

Bảng 1.6 Sản lượng khoai lang trên Thế giới 12

Bảng 1.7 Độ ổn định của Termamyl (thời gian, phút cần thiết để mất 50% hoạt tính) 20

Bảng 2.1 Thành phần các chất trong phản ứng DNS để xây dựng đường chuẩn 30

Bảng 2.2 Thang điểm các chỉ tiêu đánh giá cảm quan của siro khoai lang tím 36

Bảng 3.1 Kết quả đo độ ẩm của nguyên liệu 38

Bảng 3.2 Kết quả xác định anthocyanin trong nguyên liệu 40

Bảng 3.3 Kết quả hàm lượng protein trong nguyên liệu 41

Bảng 3.4 Kết quả hàm lượng lipit trong khoai lang tím 42

Bảng 3.5 Kết quả hàm lượng tinh bột trong khoai lang tím 42

Bảng 3.6 Kết quả hàm lượng đường trong khoai lang tím 43

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt lực của enzyme Termamyl-120L 44

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH tới hoạt lực của enzyme Termamyl-120L 46

Bảng 3.9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ion kim loại tới hoạt lực của enzyme Termamyl-120L 49

Bảng 3.10 Kết quả xác định thời gian thịch hợp của phản ứng enzyme Termamyl-120L để tìm giá trị động học Km 50

Bảng 3.11: Kết quả đánh giá hàm lượng anthocyanin dịch siro khoai lang tím 57

Bảng 3.12 Kết quả đánh giá cảm quan siro được làm từ khoai lang tím 59

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hình ảnh khoai lang 1

Hình 1.2 Hình ảnh khoai lang tím 3

Hình 1.3 Ảnh chụp lát cắt khoai lang tím và đồ uống được làm từ khoai lang tím 4

Hình 1.4 Sơ đồ phân loại polyphenol 8

Hình 1.5 Công thức và chất màu của anthocyanin từ khoai lang tím [32] 9

Hình 1.6 Ảnh hưởng của pH lên hoạt tính của Termamyl tại các nhiệt độ khác nhau 20 Hình 1.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt tính của Termamyl 21

Hình 2.1 Màu của anthocyanin trong khoai lang tím tại pH =1 và pH=4,5 29

Hình 2.2 Đồ thị đường chuẩn glucose 31

Hình 2.3 Sơ đồ thể hiện sự ảnh hưởng của các lực rửa giải 33

Hình 2.4 Quá trình rửa giải và tách peak của chất A và chất B 34

Hình 3.1 Khoai lang tím được thái lát mỏng tiến hành thí nghiệm 38

Hình 3.2 Khoai lang tím được ngâm trong dung môi 39

Hình 3.3 Đồ thị xác định bước sóng cực đại của anthocyanin trong khoai lang tím 40

Hình 3.4 Đồ thị kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt lực của enzyme Termamyl-120L 45

Hình 3.5 Phản ứng màu DNS của dịch thủy phân ảnh hưởng bởi nhiệt độ 45

Hình 3.6 Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hoạt độ của Termamyl-120L 47

Hình 3.7 Phản ứng màu DNS của dịch thủy phân ảnh hưởng bởi pH 47

Hình 3.8 Phản ứng màu DNS của dịch thủy phân ảnh hưởng bởi ion kim loại 49

Hình 3.9 Biểu đồ kết quả xác định thời gian phản ứng thích hợp của phản ứng enzyme Termamyl-120L để xác định giá trị động học enzyme Km 51

Hình 3.10 Phản ứng màu DNS của phản ứng 51

Hình 3.11 Đồ thị Lineaweaver & Burk của Termamyl-120L 53

Hình 3.12: Sắc ký bản mỏng của sản phẩm thủy phân khoai lang tím bằng enzyme Termamyl-120L 54

Hình 3.13: Sơ đồ quy trình làm siro từ khoai lang tím sử dụng enzyme 120L quy mô phòng thí nghiệm 55 Hình 3.14 Thành phẩm siro khoai lang tím 56Hình 3.15: Ảnh dịch siro khoai lang tím ở pH=1 và pH=4.5 trước và sau khi pha loãng 10 lần 57 Hình 3 16 Hình ảnh sắc ký đồ phân tích siro từ khoai lang tím được phân tích bằng sắc ký lỏng cao áp (HPLC) 58

Termamyl-LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nên có điều kiện thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của các loại cây lương thực cũng như các loại cây hoa màu, cây ăn trái khác Khoai lang là cây lương thực được trồng lâu đời ở Việt Nam, xếp thứ 3 sau cây lúa, cây ngô và khoai lang đã và đang chuyển đổi nhanh chóng vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp chế biến với tốc độ phát triển cao ở những năm đầu thế kỷ XXI Khoai lang chứa nhiều thành phần dinh dưỡng như protid, lipid, glucid, vitamin, muối khoáng và các nguyên tố vi lượng rất cần cho cơ thể con người

Hiện nay trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng các sản phẩm đồ uống và nhiều sản phẩm khác từ khoai lang tím đang bắt đầu được chú ý và đưa vào phát triển sản xuất mạnh Đây là các sản phẩm mới có giá trị dinh dưỡng cao đồng thời rất có lợi cho sức khỏe con người Loại sản phẩm này không chỉ có giá trị về mặt dinh dưỡng mà còn là một loại đồ uống giá rẻ, thích hợp với mọi lứa tuổi đặc biệt là phụ nữ và trẻ em

Khoai lang tím ngoài giá trị cung cấp các loại vitamin, các chất khoáng, tinh bột dễ tiêu hóa cùng một hàm lượng đáng kể chất sơ thực phẩm, thì nó còn có những ưu điểm vượt trội so với khoai lang thường Trong khoai lang tím có chứa nhiều chất chống oxy hóa như các hợp chất phenol, anthocyanin, carotenoid…Đặc biệt, hàm lượng anthocyanin trong khoai lang tím khá cao, đây là một hợp chất sinh học có tác dụng kháng oxi hóa rất mạnh, có khả năng kiềm chế đột biến các tế bào ung thư, ngăn ngừa ung thư, hạ huyết áp, phòng ngừa bệnh tim mạch Ngoài ra, với một màu sắc đa dạng hấp dẫn sẽ tạo cho các sản phẩm chế biến có một giá trị cảm quan cao Là một trong những yếu tố kích thích sự lựa chọn của người tiêu dùng, đáp ứng như cầu con người về việc sử dụng khoai lang, mang lại sự tiện dụng cho người sử dụng và góp phần giải quyết vấn đề tiêu thụ cho người trồng khoai lang tím, nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng thêm thu nhập cho người dân Nhu cầu đối với các loại đồ uống chủ yếu dựa vào giá trị dinh dưỡng, hương vị và màu sắc (McLellan,1990) (Coggins et al 2003) báo cáo rằng nước ép có thể được tiêu thụ

như nước giải khát hoặc được kết hợp với các loại nước khác để tạo thành một loạt các nước trái cây pha.Vì vậy, việc nghiên cứu sản xuất các sản phẩm, chế phẩm từ khoai lang tím là rất cần thiết và hoàn toàn phù hợp, sử dụng khoai lang tím để chế biến siro sẽ là một lựa chọn khả thi cho thị trường Xuất phát từ những yếu tố thực

tế trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài : “ Nghiên cứu ứng dụng enzyme

trong quy trình sản xuất siro từ khoai lang tím ”

Mục đích nghiên cứu đề tài :

Nghiên cứu đưa ra được quy trình và tạo ra sản phẩm siro từ củ khoai lang tím dùng làm thực phẩm bổ sung và nguyên liệu trong chế biến một số đồ uống và làm phong phú sản phẩm được sản xuất từ củ khoai lang tím

Nội dung nghiên cứu :

1 Tìm được điều kiện thích hợp của enzyme và ứng dụng trong công nghệ sản xuất siro từ khoai lang tím

2 Xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất siro từ khoai lang tím

3 Tạo ra được sản phẩm

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về khoai lang

1.1.1 Khoai lang

Khoai lang (Ipomea batatas, là một loại cây thuộc họ bìm bìm Convolvulacae),

có nguồn gốc từ khu vực nhiệt đới châu Mỹ, nó được con người trồng cách đây trên 5.000 năm Đây là loại cây trồng có tiềm năng và có năng suất sinh học cao, địa bàn phát triển rộng, thích hợp cho nhiều loại đất Khoai lang là loại cây đa dụng, củ được

sử dụng như một loại rau, thân lá rất giàu vitamin A và C đồng thời có chứa một hàm lượng protein tương đối cao (25-30% chất khô) so với các lá cây trồng khác

Hình 1.1 Hình ảnh khoai lang

Ngoài ra, củ và rau khoai lang còn là vị thuốc phòng chữa bệnh đã được dùng từ lâu trong dân gian, có nơi còn gọi nó là “sâm nam” Theo Đông y, củ khoai lang tính bình, vị ngọt, có tác dụng bồi bổ cơ thể, ích khí, cường thận, kiện vị, tiêu viêm, thanh can, lợi mật, sáng mắt Rau lang tính bình, vị ngọt, dùng chữa tì hư, kém ăn, thận âm bất túc Ngọn khoai lang luộc hoặc xào với tỏi là một món ăn ngon, có nhiều vitamin và chất khoáng, giàu chất xơ Các nhà khoa học đã chứng minh rằng chất xơ trong thực phẩm có tác dụng hạn chế hấp thu cholesterol trong

ruột vào máu, hạn chế tỉ lệ mắc bệnh ung thư đại tràng Ngoài ra, thành phần chất

xơ của khoai lang là loại pectin có tác dụng giúp tiêu hóa tốt, đào thải cholesterol, chống táo bón (Nguyễn Đặng Hùng, 1991) Theo Tây y, khoai lang có chủng loại các chất dinh dưỡng tương đối nhiều Thành phần chủ yếu là carbonhydrate tinh bột, dễ được cơ thể tiêu hoá, hấp thu và tận dụng Khoai lang có chứa nhiều nucoprotein, có khả năng cản trở cholesterol lắng đọng trên thành mạch, tránh xơ cứng động mạch, đồng thời giữ được tính đàn hồi của mạch máu, lại còn có thể tránh teo mô liên kết trong gan, thận Trong khoai lang chứa một số chất đặc thù phòng bệnh ung thư ruột kết, ung thư vú Khoai lang có thể thúc đẩy nhu động ruột, tránh bị táo bón (Tạ Văn Bình, 2006)

1.1.2 Khoai lang tím

Khoai lang tím là một loại khoai lang được nghiên cứu đưa vào sản xuất bởi Viện nghiên cứu nông nghiệp quốc gia Nhật Bản có tên là Okinawan Đây là một nguồn chất màu tím tốt và ổn định vì nó có sản lượng lớn với hàm lượng anthocyanin cao (Ikuo và cs., 2003) Giống khoai lang tím này đã được Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc nhập nội năm 1994 từ công ty FSA Giống tuyển chọn và giới thiệu hiện được trồng chủ yếu ở vùng đồng bằng sông Cửu Long với đặc tính nông học chủ yếu như sau:

Thời gian sinh trưởng 105 - 110 ngày với năng suất củ tươi đạt 10 - 22 tấn/ha, hàm lượng chất khô 27 - 30oBrix, vỏ củ màu tím sẫm, thịt củ màu tím đậm, dạng củ đều đẹp, có thể trồng quanh năm và cho thu nhập cao, gấp đôi các loại khoai khác Đây là giống khoai dễ trồng, bình quân mỗi dây khoai cho từ 3 - 7 củ, ít bị sùng ăn Mặt khác, khoai lang tím chỉ có nhiều vào mùa vụ nhất định chứ không có quanh năm Do vậy, việc chọn khoai lang tím làm nguyên liệu trong đề tài nghiên cứu này

sẽ góp phần làm tăng giá trị sử dụng của khoai lang tím đồng thời tạo ra sản phẩm thực phẩm mới đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của người tiêu dùng (Nguyễn Văn Tuất, 2008) Do khoai lang tím có chất lượng cao nên ngoài tỷ lệ củ dùng để ăn tươi còn được chế biến ra nhiều sản phẩm khác như sấy khô, chế biến bánh kẹo, mứt đóng hộp, nhờ vậy có thể tiêu dùng trong nước và xuất khẩu ra nhiều nước trên thế giới như: Nhật Bản, Mỹ, Singapore, Hàn Quốc mang lại giá trị kinh tế cao

Hình 1.2 Hình ảnh khoai lang tím 1.1.3 Tính ưu việt của khoai lang tím so với các loại khoai lang khác

Ngoài giá trị cung cấp năng lượng với nhiều loại vitamin A, B, C, E và các chất khoáng K, Ca, Mg, Fe, Se, giàu chất xơ thực phẩm thì khoai lang tím còn có những

ưu điểm vượt trội so với các giống khoai lang khác Những nghiên cứu gần đây cho thấy giống khoai lang tím có chứa một lượng anthocyanin đáng kể với tác dụng kháng oxy hoá rất mạnh, có khả năng kiềm chế đột biến của tế bào ung thư, ngăn ngừa ung thư, hạ huyết

áp, phòng ngừa bệnh tim mạch Chất màu trong khoai lang tím hiện đang được một số nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu để thu nhận chất màu thực phẩm thiên nhiên thay thế cho chất màu nhân tạo Bao gồm các hợp chất phenol, anthocyanin, carotenoid, trong đó khoai lang tím chứa chất chống ô-xy hóa tổng số nhiều nhất, kế đến là khoai lang vàng và khoai lang trắng (bảng 2.1) Với lượng đáng kể vitamin A (dưới dạng beta-caroten) và vitamin C, khiến khoai lang là thực phẩm chống viêm nhiễm có tác dụng phòng và chữa trị bệnh Cả hai dạng beta-caroten và vitamin C có tiềm năng chống oxy hóa lớn giúp hiệu quả cho cơ thể loại bỏ các gốc tự do Thành phần các gốc tự do có hóa chất gây thiệt hại cho các tế bào và màng tế bào và chúng kết hợp với sự phát triển của các điều kiện như xơ vữa động mạch, bệnh tiểu đường, bệnh tim, ung thư ruột Điều này có thể giải thích tại sao

cả beta-caroten và vitamin C giúp ích hiệu quả để ngăn ngừa các gốc tự do (Võ Văn Chi, 2005) Đó là lý do các nhà sản xuất ở Nhật Bản đã sử dụng khoai lang tím là một trong những nguyên liệu chủ yếu để chế biến loại nước uống chức năng

Hình 1.3 Ảnh chụp lát cắt khoai lang tím và đồ uống được làm từ khoai lang tím.

Hàm lượng các chất chống oxy hóa của các loại khoai lang rất khác nhau [20], trong bảng 1.1 dưới đây đã cho chúng ta thấy rất rõ sự khác biệt đó

Bảng 1.1 Hàm lượng các chất chống oxy hóa trong các loại khoai lang khác nhau Thành phần màu

Màu sắc củ

Hợp chất Phenolic ( % ) 0.55-1.36 0.77-1.16 0.02-3.04 Anthocyanin ( % ) 0-0.08 0.01-0.13 0.23-1.82 Carotenoids (%) 0.40-14.75 0.33-56.93 0.37-4.32 Tổng số chất chống oxy hóa (µg trolox

equiv/g )

809-2979 1424-3047 1751-5600 Hàm lượng chất khô ( %) 25.7-40.7 25.4-37.0 33.2-41.7 Hàm lượng các chất nguyên tố sắt và vi lượng của các loại khoai lang rất khác nhau,

trong bảng 1.2 dưới đây đã cho chúng ta thấy rất rõ sự khác biệt đó

Bảng 1.2 Hàm lượng các chất vi lượng trong các loại khoai lang

Các vi chất có trong khoai lang khá dồi dào, ăn khoai lang đơn thuần bảo đảm cung cấp thừa lượng vitamin A, đáp ứng 28% nhu cầu vitamin C, 25% chất manganese, 16% chất đồng, xơ và vitamin B6, 8% chất sắt và kali

1.2 Củ khoai lang tím và thành phần hóa học của khoai lang tím

1.2.1 Củ khoai lang tím

Khoai lang là một loại rễ củ, rễ bên đã biến đổi, phình to ra với chức năng của một cơ quan lưu trữ các chất dinh dưỡng Vì thế, về nguồn gốc khoai lang khác với thân củ, nhưng chức năng và bề ngoài thì tương tự và gần giống nhau với thân củ Các rễ phình to làm cơ quan lưu trữ khác với củ thật sự, khoai lang có các cấu trúc tế bào bên trong và bên ngoài của các rễ điển hình Các củ thật sự có cấu trúc tế bào của thân, còn trong rễ củ thì không có các đốt và gióng hoặc các lá suy thoái Một đầu gọi là đầu gần có các mô đỉnh đầu sinh ra các chồi để sau này phát triển thành thân và lá Đầu kia gọi là đầu xa, thông thường sinh ra các rễ không bị biến đổi Trong các củ thật sự, trật tự là ngược lại với đầu xa sinh ra thân cây Về mặt thời gian, các rễ củ là hai năm Trong năm đầu tiên cây mẹ sinh ra các rễ củ và

về mùa thu cây chết đi Năm sau các rễ củ sinh ra cây mới và bị tiêu hao trong quá trình tạo thành bộ rễ mới cùng thân cây và ra hoa Các mô còn lại chết đi trong khi cây sinh ra rễ củ mới cho năm kế tiếp sau đó [1]

Về mặt cấu tạo, khoai lang tím gồm 3 phần : Vỏ ngoài, vỏ cùi và thịt củ

Vỏ ngoài: Mỏng, chiếm 1% trọng lượng củ, gồm những tế bào có chứa sắc tố, cấu tạo chủ yếu là cellulose và hemicellulose có tác dụng: Làm giảm các tác động từ bên ngoài, hạn chế sự bay hơi nước của khoai lang trong quá trình bảo quản

Vỏ cùi: Chiếm 5 - 12%, gồm những tế bào chứa tinh bột, nguyên sinh chất và dịch thể Hàm lượng tinh bột ở vỏ cùi ít hơn ở thịt củ

Thịt củ: Gồm các tế bào nhu mô chứa chủ yếu là tinh bột và các hợp chất chứa nitơ

1.2.2 Thành phần hóa học khoai lang tím

Khoai lang là thức ăn, đồng thời cũng là vị thuốc chữa bệnh được nhân dân

ta dùng từ lâu đời Bà con ta thường ăn khoai lang tươi luộc, nướng, hoặc thái mỏng phơi khô Lá khoai lang non và những ngọn lang được dùng luộc hoặc nấu canh ăn như rau tươi Về thành phần hóa học, trong 100g củ khoai lang tươi có 6,8g nước,

0,8g protid, 0,2g lipid, 28,5g glucid (24,5g tinh bột, 4g glucoza), 1,3g xenluloza, cung cấp cho cơ thể 122 calo Ngoài ra, trong khoai lang tươi còn có nhiều vitamin

và muối khoáng (34mg canxi, 49,4g photpho, 1mg sắt, 0,3mg caroten, 0,05mg vitamin B1, 0,05mg vitamin B2, 0,6mg vitamin PP, 23mg vitamin C ) Khi phơi khô, rút gần hết nước, giá trị dinh dưỡng của khoai tăng hơn nhiều Trong 100g khoai lang khô có 11g nước, 2,2g protid, 0,5 lipid, 80g glucid, 3,6g xenluloza, cung cấp cho cơ thể tới 342 calo Như vậy khoai lang là một thức ăn tốt, rất giàu tinh bột, nên thường được dùng làm lương thực nuôi sống con người Rau khoai lang cũng là một loại rau ngon, thành phần dinh dưỡng không thua các loại rau tươi khác Trong 100g rau khoai lang có 91,9g nước, 2,6g protid, 2,8g glucid, 1,4g xenluloza, 48mg canxi, 54mg photpho, 11mg vitamin C [10, 22]

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của khoai lang (tính cho 100g sản phẩm) Sản phẩm

Thành phần

khô

Rau khoai lang

Hàm lượng các acid amin của protein có trong củ khoai lang cũng rất phong phú, trong đó có một số acid amin thiết yếu mà cơ thể người và động vật không thể tổng hợp được Các acid amin và hàm lượng được liệt kê trong bảng 1.4 [22]

Bảng 1.4 Các acid amin có trong protein toàn phần (tính theo 16g N )

xơ có tác dụng kích thích dạ dày co bóp, tiêu hóa thức ăn nhanh và hiệu quả Từ đó đẩy lùi tình trạng táo bón và tích mỡ bụng

Ngoài các thành phần hóa học trên trong khoai lang tím còn có chứa một thành phần quan trọng là anthocyanin tạo nên giá trị về dinh dưỡng cho củ khoai lang tím Chất màu này gồm các dạng mono hoặc di-acylated của cyanidin (YGM- 1a, -1b, -2 and -3) và peonidin (YGM-4b, -5a, - 5b and -6) [32]

Thành phần hóa học của một số giống khoai lang đã được Ngô Xuân Mạnh nghiên cứu và công bố trong luận án tiến sĩ khoa học năm 1996, với kết quả được thể hiện ở bảng 2.5

Bảng 1.5 Đặc điểm và thành phần hóa học của 5 giống khoai lang khác nhau

số (%)

Tinh bột (%)

Thành phần hóa học của khoai lang, không cố định mà thay đổi tùy thuộc theo giống, khí hậu, thời vụ, thổ nhưỡng, điều kiện canh tác…

1.3 Tổng quan về anthocyanin

1.3.1 Giới thiệu

Anthocyanin là hợp chất gồm có gốc aglycon có màu (được gọi là anthocyanidin hay anthocyanidol) kết hợp với các glucoside có gốc đường glucose, galactose… Anthocyanin hòa tan trong nước còn anthocyanidin thì không tan trong nước Anthocyanin tham gia vào việc tạo nên đa sắc màu cho hoa quả Đồng thời cùng với chất tạo màu khác như clorophin, carotenoid để tạo cho hoa quả có cường

độ màu khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng và số đồng phân của chúng

Các anthocyanin hiện thuộc nhóm các chất màu tự nhiên tan trong nước lớn nhất trong thế giới thực vật Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, trong

đó anthocyanin là sự kết hợp giữa Anthos- nghĩa là hoa và Kysanesos- nghĩa là màu xanh Tuy nhiên, không chỉ có màu xanh, anthocyanin còn mang đến cho thực vật nhiều màu sắc rực rỡ khác như hồng, đỏ, cam và các gam màu trung gian Các anthocyanin khi mất hết nhóm đường được gọi là anthocyanin hay aglycon Mỗi anthocyanin có thể bị glycosyl hóa acylate bởi các loại đường và các acid khác tại các

vị trí khác nhau Vì thế lượng anthocyanin lớn hơn anthocyanidin từ 15-20 lần

Hình 1.4 Sơ đồ phân loại polyphenol

1.3.2 Cấu trúc hóa học của anthocyanin

Anthocyanin thuộc nhóm các hợp chất flavonoid, có khả năng hòa tan trong nước và chứa trong các không bào Về bản chất, các anthocyanin là những hợp chất glycoside của các dẫn xuất polyhydroxy và polymethoxy của 2 phenylbenzopyrylium hoặc muối flavylium Cho đến nay, người ta đã xác định được 18 loại aglycon khác nhau, trong đó 6 loại phổ biến nhất là pelargonidin, cyanidin, delphinidin, peonidin, petunidin và maldivin Trong tự nhiên, anthocyanin rất hiếm khi ở trạng thái tự do (không bị glycosyl hóa) Nhóm hydroxy tự do ở vị trí C-3 làm cho phân tử anthocyanidin trở nên không ổn định và làm giảm khả năng hòa tan của nó so với anthocyanin tương ứng Vì vậy, sự glycosyl hóa luôn diễn ra, đầu tiên ở vị trí nhóm 3-hydroxy Nếu có thêm một phân tử đường sữa, vị trí tiếp theo bị glycosyl hóa thường gặp nhất là ở C-5 Ngoài ra, sự glycosyl hóa còn có thể gặp ở các vị trí C- 7, C-3, C-5 Loại đường phổ biến nhất là glucose, ngoài ra cũng có một vài loại monosaccharide (như galactose, rammose, arabinose), các loại disaccharide (chủ yếu là rutinose, sambubiose hay sophorose) hoặc trisaccharide tham gia vào quá trình glycosyl hóa

Sự methoxyl hóa các anthocyanin và các glucoside tương ứng diễn ra thông thường nhất là ở vị trí C-3 và C-5, cũng có thể gặp ở vị trí C-7 và C-5 Tuy nhiên, cho đến nay, người ta vẫn chưa tìm thấy môt hợp chất nào bị glycosyl hóa hay bị methoxyl hóa trên tất cả các vị trí C-3, - 5, -7 và -4 do cần thiết phải còn ít nhất một nhóm hydroxyl tự do

ở C-5, -7 hay -4 để hình thành dạng cấu trúc quinonoidal base (dạng cấu trúc của anthocyanin thường tồn tại trong trong không bào thực vật có pH từ 2,5 - 7,5

Hình 1.5 Công thức và chất màu của anthocyanin từ khoai lang tím [32]

Sự acyl hóa cũng có thể xảy ra ở vị trí C-3 của phân tử đường hay ester hóa ở nhóm hydroxy C-6 Các nhóm acyl hóa chính là các phenolic acid như ρ-coumeric, caffeic, ferulic hay sinapic acid và một loạt các acid như acetic, malic, malonic, oxalic và succinic

1.3.3 Tính chất của anthocyanin

Anthocyanin tinh khiết ở dạng tinh thể hoặc vô định hình là hợp chất khá phân cực nên tan tốt trong dung môi phân cực Anthocyanin hòa tan tốt trong nước và trong dịch bão hòa Khi kết hợp với đường là cho phân tử anthocyanin hòa tan hơn Màu sắc anthocyanin thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất màu

và nhiều yếu tố khác, Khi tăng số lượng nhóm OH trong vòng benzene thì màu càng xanh đậm

Mức độ methyl hóa các nhóm OH ở vòng benzene càng cao thì màu càng

đỏ Nếu nhóm OH ở vị trí thứ ba kết hợp với các gốc đường thì màu sắc cũng sẽ thay đổi theo số lượng các gốc đường được đính vào nhiều hay ít Các anthocyanin cũng phụ thuộc rất mạnh vào pH của môi trường : Khi pH > 7 các athocyanin có màu xanh và khi pH= 7 các anthocyanin có màu đỏ; Ở pH = 1 các anthocyanin thường ở dạng muối oxonium màu cam đến đỏ; Ở pH = 4÷5 chúng

có thể chuyển về dạng bazo Cacbinol hay bazo Chalcon không màu; Ở pH = 7

÷8 lại về dạng bazo Quinoidal Anhydro màu xanh

Màu sắc của anthocyanin còn có thể thay đổi do hấp thụ ở trên polysaccharide Khi đun nóng lâu dài các anthocyanin có thể phá hủy và mất màu

Anthocyanin có bước sóng hấp thụ trong miền nhìn thấy, khả năng hấp thụ cực đại tại bước sóng 510 - 540 nm Độ hấp thụ là yêu tố liên quan mật thiết đến màu sắc của các anthocyanin chúng phụ thuộc vào pH của dung dịch, nồng độ anthocyanin, thường pH thuộc vùng acid mạnh có độ hấp phụ lớn, nồng độ anthocyanin càng lớn độ hấp thụ càng mạnh

Tóm lại, trong môi trường axit, các anthocyanin là những bazo mạnh và có thể tạo muối bền vững với axit Anthocyanin cũng có khả năng cho muối với bazo Như vậy chúng có tính chất amphote Muối với acid thì có màu đỏ, còn muối với kiềm thì có màu xanh

Công dụng của anthocyanin :

Anthocyanin là chất màu thiên nhiên được sử dụng khá phổ biến và an toàn trong thực phẩm, tạo ra nhiều màu sắc hấp dẫn cho mỗi sản phẩm Anthocyanin là hợp chất

có nhiều hoạt tính sinh học quý như :

 Khả năng chống oxi hóa cao nên được sử dụng để chống lão hóa, hoặc chống oxi hóa các sản phẩm thực phẩm, chống viêm, chống các tia phóng xạ

 Hạn chế sự suy giảm sức đề kháng, sự phát triển của các tế bào ung thư

 Ngoài ra, anthocyanin còn có vai trò thu hút côn trùng giúp cho sự thụ phấn của cây diễn ra tốt hơn

1.4 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang trên Thế giới và Việt Nam 1.4.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang trên Thế giới

Khoai lang là cây lương thực có địa bàn phân bố rộng, thích ứng với các điều kiện nhiều vùng sinh thái khác nhau, phân bố rộng rãi ở nhiều châu lục trên thế giới, đặc biệt là các vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới và ôn đới Trong tất cả các cây trồng chính, khoai lang đứng vị trí thứ 10 về diện tích, nhưng tính riêng cây có củ: Khoai tây, củ cải đường, sắn… thì khoai lang đứng thứ 3 sau khoai tây và sắn Về sản lượng, theo FAO năm 1999 khoai lang chiếm diện tích không lớn (8,9 triệu ha) nhưng lại có một sản lượng tương đối cao (129,2 triệu tấn), đứng ở vị trí thứ 9 trong các loại cây trồng chính

Cũng theo số liệu của FAO năm 2004, khoai lang được trồng ở hơn 114 nước Tổng diện tích khoai lang của thế giới là 9.010.700 ha, sản lượng là 127.538.000 tấn, năng suất bình quân 14,2 tấn/ha, trong đó châu Á đã trồng 6.107.100 ha (chiếm 67,8%), đạt sản lượng cao nhất 113.389.100 tấn

Năm 2010 trên thế giới có 115 nước sản xuất khoai lang với tổng sản lượng

là 106.569.572 tấn Trong đó 82,3% là ở các nước châu Á Với sản lượng 81.175.660 tấn, Trung Quốc là nước sản xuất khoai lang lớn nhất thế giới Tiếp đến là Indonesia đứng thứ 2 châu Á và đứng thứ 4 thế giới với hơn 2 triệu tấn Châu Phi chiếm 14% sản lượng toàn thế giới với 14,2 triệu tấn Đứng đầu là Uganda với 2,83 triệu tấn cung cấp hơn nửa sản lượng ở Châu Phi Sau đó là Nigeria (2,83 triệu tấn)

và Tanzania (1,4 triệu tấn) Một khu vực sản xuất khoai lang không nhỏ nữa là khu

vực Châu Mỹ La tinh, năm 2010 cung cấp hơn 2% sản lượng toàn cầu với 1,97 triệu tấn Brazil là nước đứng đầu, sau đó đến Cu Ba và Argentina Hoa Kỳ là nước sản xuất khoai lang tương đối nhỏ (1,0 triệu tấn) nhưng lại là nước xuất khẩu khoai lang nhiều nhất thế giới Ở Châu Âu thì chỉ có Tây Ban Nha, Bồ Đào Nhà và Italia sản xuất khoai lang, chiếm tỷ lệ không đáng kể

Bảng 1.6 Sản lượng khoai lang trên Thế giới [21]

2004 đến năm 2009 Có khoảng 80 nước tham gia xuất khẩu và chỉ 13 nước trong

số đó đã chiếm 90% sản lượng xuất khẩu toàn cầu Ở Nam Phi, 10 năm trước mức tiêu thụ khoai lang mới chỉ là 47.776 tấn/năm, nhưng đến năm 2009 lượng tiêu thụ đã đạt 60.688 tấn với thị trường tiêu thụ chính là Châu Âu (Hà Lan, Vương Quốc Anh, Bồ Đào Nha, Pháp và Bỉ)

Việc sử dụng khoai lang ở các nước trên thế giới cũng rất khác nhau: Ở Nam Mỹ, 90% sản lượng khoai lang được sử dụng cho con người, trong khi đó ở Trung Quốc 40% sản lượng khoai lại được sử dụng thức ăn cho động vật vì người Trung Quốc ưa dùng protein động vật nhiều hơn Châu Phi tuy là nước trồng khoai lang với sản lượng khá lớn nhưng chưa quan tâm đến việc chế biến vì vậy các sản phẩm chế biến từ khoai lang rất ít, chủ yếu là sản phẩm tinh bột Tuy nhiên, đây cũng là một hướng góp phần giảm tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch một cách đáng kể [17]

1.4.2 Các nghiên cứu về khoai lang tím trên Thế giới

Trong thành phần củ khoai lang tím có chứa một lượng chất anthocyanin nhất định, đây là chất có tác dụng chống oxy hóa, phòng chống ung thư chính vì vậy

mà khoai lang tím đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu chế biến

để nhằm tạo ra các sản phẩm có lợi cho sức khỏe con người

Nghiên cứu của các nhà khoa học Trường Đại học bang Kansas (Mỹ) trình bày tại Hội nghị Thực nghiệm Sinh học mới đây cho biết, khoai lang tím có chứa một số thành phần chống ung thư, trong đó chủ yếu là anthocyanin, một chất sắc tố

tự nhiên thường được tìm thấy trong các loại rau củ, hoa quả màu tím như: nho, trái việt quất, bắp cải tím, dâu,… Anthocyanin không những có tác dụng giảm nguy cơ ung thư, kìm hãm sự phát triển của các tế bào gây ung thư mà còn có khả năng chống oxy hóa cao, chống viêm, chống lão hóa và tăng cường hệ miễn dịch cho cơ thể So sánh thành phần anthocyanin giữa khoai lang tím và các loại khoai lang khác, các nhà khoa học đều thấy lượng anthocyanin trong khoai lang tím cao hơn đáng kể [27]

Các kết quả nghiên cứu của CHU Wen-jing và cộng sự về hoạt tính chống oxi hóa của rượu khoai lang tím đã cho thấy rằng khả năng chống oxy hóa của rượu từ khoai lang tím mạnh hơn rượu vang đỏ ở cùng độ cồn 11%vol Hoạt tính chống oxy hóa ở nước ép khoai lang tương đương với ở rượu khoai lang trước và sau khi lên men [27]

Oki và các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia Kyushu Okinawa khu vực [36] đã xác định 8 loại anthocyanins chính trong 61 thực phẩm chế biến từ khoai lang tím giống Ayamurasaki và Murasakimasari tại Nhật Bản Các kết quả nghiên cứu đã xác định được lượng anthocyanins trong 10 loại thực phẩm chính như bột khô, vảy khô, khoai lang khô thường dao động từ 53,22 - 936,26 mg/100g, còn trong 13 loại đồ uống bao gồm đồ uống và giấm lên men

có chứa lượng anthocyanin từ 1,19 - 131,95 mg/100ml và từ 33,00 - 376,39 mg/100g đối với 11 loại thực phẩm chiên, bao gồm cả chip và bánh bột chiên, 1,01-69,75 mg/100 đối với 27 loại thực phẩm thứ cấp chế biến, bao gồm cả các

đồ ăn ngọt phương Tây và Nhật Bản Cũng theo các nghiên cứu này, hàm

lượng anthocyanins peonidin vượt quá 70% tổng hàm lượng anthocyanin trong 9 thực phẩm chế biến chính, 13 loại đồ uống, 6 của loại thực phẩm chiên

và 21 các thực phẩm chế biến thứ cấp [36]

Tác giả Wei Na Fu và cộng sự [39] đã nghiên cứu hoàn thiện công nghệ lên men rượu khoai lang tím bằng các biện pháp như: Sử dụng enzym trong quá trình thủy phân tinh bột từ khoai lang tím, làm trong rượu khoai lang tím bằng tác nhân làm trong chitosan, tăng khả năng chống oxy hóa của sản phẩm rượu khoai lang tím bằng các gốc tự do

1.4.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai lang ở Việt Nam

Việt Nam là nước có diện tích trồng khoai lang đứng hàng thứ 6 trên thế giới sau Trung Quốc, Ouganda, Nigeria, Indonesia và Tanzania Năm 2010 với diện tích khoảng 150.800 ha, sản lượng đạt 1.317.200 tấn hướng tới mục tiêu khoảng 2 triệu ha, sản lượng khoai củ (quy khô) đạt 40 - 50 triệu tấn/năm, doanh thu mang lại cho nông dân trên 15 tỉ USD/năm Cùng với chuỗi sản phẩm công nghiệp giá trị cao mang tính chiến lược, khoai lang chế biến đem lại doanh thu 30

- 40 tỉ USD/năm, trong đó xuất khẩu khoảng 10 tỉ USD/năm, nâng tầm sản xuất khoai lang thành sản phẩm nông nghiệp xanh trong cơ cấu nền nông nghiệp hàng hoá, phát triển bền vững của nước nhà

Ở Việt Nam hiện nay trồng chủ yếu ba nhóm giống khoai lang chính là nhóm giống khoai lang năng suất củ tươi cao, chịu lạnh, ngắn ngày, thích hợp vụ đông Bên cạnh những giống khoai nội địa, trong nhiều năm qua, nước ta đã nhập nhiều giống khoai lang từ nước ngoài, trong đó có giống khoai lang tím Nhật Bản đang được người dân khu vực Đồng bằng sông Cửu Long trồng với diện tích lớn Những năm gần đây giống khoai này đang phát triển rất rầm rộ cả về diện tích và sản lượng đặc biệt ở hai huyện Bình Minh và Bình Tân thuộc tỉnh Vĩnh Long

Ở Việt Nam, khoai lang đã và đang chuyển đổi nhanh chóng vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp chế biến với tốc độ phát triển cao ở những năm đầu thế kỷ XXI Thị trường xuất khẩu khoai lang của Việt Nam dự báo thuận lợi và

có lợi thế cạnh tranh cao do có nhu cầu về chế biến khoai lang xuất khẩu các loại thức ăn gia súc và những sản phẩm tinh bột biến tính Theo số liệu của Bộ thương

mại thì 6 tháng đầu năm 2010 đạt cao nhất với hơn 1,2 triệu USD, khoai lang Nhật Bản tươi đạt 1,1 triệu USD, tăng 113,9% Kim ngạch xuất khẩu khoai lang năm

2010 đạt kim ngạch cao nhất với gần 3,8 triệu USD So với năm 2009 tăng hơn 1,6% Trong số 92 mặt hàng khoai lang tím tươi đạt 191,7 nghìn USD, tăng 311,3%, khoai lang cấp đông đạt 293,7 nghìn USD, tăng 212,1% Việt Nam đã trở thành nước xuất khẩu khoai lang lớn trên thế giới và một trong những nước có mặt hàng khoai lang xuất khẩu mới có triển vọng, được chính phủ và các địa phương

quan tâm phát triển [21]

1.5 Tổng quan Enzyme

1.5.1 Quá trình phát triển Enzyme

Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất protein, có hiệu suất xúc tác cực kì lớn, nó có thể gấp hàng trăm, hàng nghìn, hàng triệu lần các chất xúc tác hữu cơ khác

Emzyme có đầy đủ tính chất cơ bản của chất xúc tác, ngoài ra còn có sặc tính riêng là tính đặc hiệu cao và hiệu lực xúc tác lớn Khả năng xúc tác của enzyme đảm bảo quá trình sống trong tất cả các dạng sinh vật từ virut (cấu tạo đơn giản nhất, nhỏ bé nhất) đến con người (tổ chức sống phức tạp nhất) Nhiều enzyme bảo tồn hoạt tính xúc tác sau khi được tách ra khỏi cơ thể sống nhưng nó lại không tồn tại lâu để người ta xác nhận và khai thác khả năng xúc tác của enzyme cho mục đích thương mại Thực tế thời cổ đại con người đã biết đến enzyme, không có một tài liệu hay kiến thức cụ thể về enzyme song con người biết sử dụng enzyme để sản xuất fomat, bánh mì, rượu và làm mềm thịt

Trước thế kỷ 17 khi loài người chưa biết gì về enzyme, con người đã biết sử dụng rộng rãi các quá trình enzyme trong các hoạt động thực tế như làm bánh mỳ, bia, rượu,… Đến đầu thế kỷ 18 bắt đầu có những thí nghiệm đầu tiên thô sơ và đơn giản về khả năng tiêu hóa thịt của dạ dày Năm 1787, Pabroni (Ý) cho rằng bản chất của sự lên men và sự phân giả một chất này bởi một chất khác gọi là “ferment” Đến đầu thế kỷ 19 người ta bắt đầu tách được các chất gây ra hiện tượng lên men Trong thời kì này cũng xảy ra cuộc chiến tranh giữa hai quan điểm về bản chất tác dụng xúc tác của enzyme Quan niệm thứ nhất mà đại diện là Louis Pasteur cho

rằng tác dụng xúc tác của enzyme có liên hệ tới hoạt động sống của tinh bột khi nghiền tinh bột nấm men sẽ không chuyển hóa đường thành rượu Quan niệm thứ hai mà đại diện là Justus Liebig và Bertlo lại xem enzyme như những chất xúc tác, hoạt động xúc tác của nó không liên hệ với hoạt động sống

Đến cuối thể kỷ 19 và vào những năm đầu của thế kỷ 20 đã có nhiều công trình nghiên cứu về động học của enzyme và giải thích quá trình sinh tổng hợp enzyme trong tế bào Từ năm 1922 bắt đầu có những công trình nghiên cứu tách chiết enzyme ở dạng tinh khiết và nghiên cứu bản chất của chúng và người ta đã xác nhận được bản chất của enzyme là protein

Từ sau chiến tranh thế giới thứ nhất, enzyme học là một trong những nhành phát triển mạnh nhất của sinh hóa Người ta đã xác định được toàn bộ hệ thống enzyme đảm bảo cho quá trình trao đổi chất của cơ thể sống như quá trình đường phân (Enbden, Meyerhoff 1933), chu trình axit acetic (Krebs Knof và Martius 1937)… Năm 1960, Move và Stein đã xác định được cấu trúc bậc nhất của ribonuclease Những năm gần đây bằng phân tích Rownghen, người ta đã nghiên cứu được cấu hình không gian của phân tử enzyme, ngoài ta còn có những công trình nghiên cứu quan trọng khác có sự tham gia của enzyme như trong quá trình sinh tổng hợp protein và axit nucleic trong cơ thể Năm 1961, Monod và Jaccop đề

ra cơ chết giả thuyết về sự điều hòa hoạt động của enzyme trong tế bào

Một thành tựu lớn đã đạt được ở thế kỷ 20 là đã tổng hợp được enzyme nhân tạo Năm 1968 hai nhóm nhà toán học người Mỹ đứng đầu là Hirsmin và Merifield dùng các phương pháp khác nhau đã tổng hợp được ribomulease có hoạt tính xúc tác giống ribomulease tự nhiên Với đà phát triển hiện nay của enzyme chắc chắn trong tương lai không xa chúng ta có thể tổng hợp được nhiều chất xúc tác mới theo kiểu xúc tác enzyme để sử dụng trong thực tế Các ứng dụng enzyme cũng ngày càng được mở rộng và đạt hiệu quả kinh tế cao, enzyme được sản xuất không chỉ với mục đích thương mại kinh tế mà con nhằm mục đích bảo vệ con người và bảo

vệ môi trường sống của con người Chính vì vậy mà mấy chục năm nay đã hình

thành kĩ thuật sản xuất enzyme

1.5.2 Tính ưu việt của enzyme

Enzyme là xúc tác sinh học có bản chất là protein, có khả năng hòa tan trong nước và dung dịch muối loãng, phân tử lượng lớn 20.000 – 1 triệu Dal nên không qua được màng bán thấm Enzyme có khả năng thủy phân nhiều nguyên liệu thô như bột, đạm, xenluloza, pectin… thành các sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, giàu axit amin, giàu các loại đường khử, dễ hấp thụ, dễ hòa tan… Như vậy enzyme

có những tính chất ưu việt hơn hẳn các chất xúc tác hóa học

Cường lực xúc tác lớn: trong điều kiện thích hợp có enzyme xúc tác tốc độ phản ứng nhanh gấp 108- 1011 lần so với khi không có xúc tác enzyme

Tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme chỉ chuyển hóa một hoặc một số cơ chất nhất định theo một kiểu phản ứng nhất định, do đó không tạo sản phẩm phụ

Tác dụng trong điều kiện êm dịu: đa số các enzyme hoạt động ở nhiệt độ 35-

40oC, áp suất thường, nồng độ không cần quá cao Do vậy không đòi hỏi các thiết bị chịu nhiệt, chịu áp… như các phương pháp hóa học thường sử dụng

Không độc, thân thiện với môi trường

Dễ kiếm, rẻ tiền Enzyme thu được từ nhiều nguồn động vật, thực vật, vi sinh vật… Đặc biệt vi sinh vật là nguồn nguyên liệu tốt nhất vì có tốc độ sinh trưởng, phát triển nhanh trên các môi trường không đắt tiền

Với những ưu điểm vượt trội các chế phẩm enzyme được sản xuất ngày càng nhiều và được dử dụng trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế Vì enzyme có khả năng rút ngắn chu kỳ sản xuất, tăng sản lượng, tăng hiệu suất thu hồi và nâng cao chất lượng sản phẩm nên đã góp phần thay đổi và nâng cao một số quá trình công nghệ trong chế biến thực phẩm, nông nghiệp, y tế, môi trường… đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội

1.5.3 Enzyme Termamyl-120L

1.5.3.1 Giới thiệu chung

Alpha-amylaza novo gọi là Termamyl, Termamyl là chế phẩm lỏng chịu được

nhiệt độ cao và được sản xuất từ vi sinh vật Bacillus lichenifomis Termamyl là một

endo-amylaza, có tác dụng thuỷ phân mối nối 1,4 alpha glucozid của amyloza và

amylopectin với cơ chất tinh bột dưới tác dụng của Termamyl sẽ nhanh chóng tạo thành dextrin và oligo saccharit tan trong nước

Termamyl có trong thực tế với sản phẩm là Termamyl 120L

Enzym termamyl dễ dàng tan trong nước ở mọi nồng độ trong điều kiện thường dùng Độ vẩn đục có thể xảy ra trong chế phẩm enzym nhưng không ảnh hưởng tới hoạt tính chung hoặc tính năng của sản phẩm

Sản phẩm này không cháy và hoàn toàn hoà tan trong nước, nên tránh tiếp xúc

da và hít phải phải rửa ngay nhiều lần với nước

1.5.3.2 Xác định hoạt tính của enzym

Một đơn vị Kilo novo Alpha Amylaza là lượng enzym cần thiết để thuỷ phân 5,26g tinh bột trong một giờ theo phương pháp tiêu chuẩn của hãng Novo trong điều kiện: Cơ chất là tinh bột hoà tan; hàm lượng canxi là 0,0043M; thời gian phản ứng là 7-20phút ở 370C và pH=5,6

Hoạt độ enzym cũng có thể được biểu thị bằng tốc độ gia tăng ban đầu của

DE (đương lượng dextroza) với nồng độ enzym đã cho sẵn Tốc độ gia tăng trung bình đương lượng DE trên một đơn vị thời gian cho trước cũng sẽ phụ thuộc vào độ

- Độ gia tăng trung bình đương lượng

DE sau 1 giờ đầu tiên (điều kiện tiêu

1.5.3.3 Ảnh hưởng của canxi, nhiệt độ đến độ ổn định của Termamyl

Trong bột nhão, tính ổn định của Termamyl được thoả mãn với sự hiện diện từ 5-70 ppm ion Ca+2 Trong bảng 5.1 cho thấy, sự ổn đinh của Termamyl trong bột nhão ở nồng độ 30% trong cùng một điều kiện nhiệt độ và pH ở các nồng độ ion

Ca+2 khác nhau (ppm) Các số liệu so sánh có cùng trị giá đương lượng DE và trong phạm vi từ 0-12

Bảng 1.7 Độ ổn định của Termamyl (thời gian, phút cần thiết

để mất 50% hoạt tính)

Nhiệt độ 0C 93 98 103 107 Ion Ca2+ 70ppm

Hình 1.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt tính của Termamyl

Cơ chất 0,5% tinh bột (hòa tan trong nước), chất ổn định 30-60 ppm canxi, pH = 5,7

110 và vì vậy lợi dụng được tính ổn định nhiệt độ cực cao của enzym

- Trong kỹ nghệ nấu cồn, Termamyl được dùng để phân tán tinh bột khi nghiền và chưng cất Và ở giai đoạn này, cũng lợi dụng được độ ổn định nhiệt của enzym Hơn nữa, rất có thể thực hiện việc chưng cất không cần điều chỉnh pH và thêm Ca mặc dù các điều kiện có hơi khác với điều kiện tối ưu Điều này là do phạm vi pH tương đối lớn và việc đòi hỏi calci của enzym tương đối thấp Nó làm cho quy trình sản xuất được đơn giản và mức độ rủi ro của cặn bẩn Ca được giảm thiểu trong cột chưng cất

- Trong kỹ nghệ nấu bia, Termamyl được dùng để phụ giúp cho việc dịch hoá được dễ dàng Do độ ổn định nhiệt cao của enzym quy trình nấu có thể được đơn giản hoá Nhờ thế, việc gia tăng tỷ lệ các phụ gia cũng có thể thực hiện được

- Trong kỹ nghệ đường, Termamyl được sử dụng để phá vỡ lượng tinh bột hiện diện trong nước mía Vì vậy, hàm lượng tinh bột trong đường thô được giảm

và việc lọc đường tại nhà máy tinh luyện được dễ dàng hơn

- Trong kỹ nghệ dệt, Termamyl được sử dụng ở nhiệt độ cao để rũ hồ trước khi nhuộm

% Hoạt tính tương đối

Hiện nay nhu cầu về các chất xúc tác sinh học hoạt động ở nhiệt độ xấp xỉ và trên 100oC là rất lớn Vì vậy có nhều công trình nghiên cứu về enzyme bền nhiệt đã được tiến hành Để sản xuất ra Termamyl-120L-120L có thể sử dụng giống vi sinh vật phân lập ngoài tự nhiên hoặc gây đột biến Tuy nhiên dù được sản xuất bằng con đường nào thì Termamyl-120L-120L vẫn có ý nghĩa rất quan trọng không chỉ trong ngành công nghiệp thực phẩm mà cả trong y học và nhiều ngành khác, đáp ứng được yêu cầu về việc ứng dụng enzyme trong những năm tới

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Enzyme thương mại: Termamyl-120L (NOVOZYME, Đan Mạch) Enzyme được bảo quản ở điều kiện mà nhà sản xuất khuyên dùng ở nhiệt độ mát

Quốc ), ethyllen acetate ( Trung Quốc )

2.2 Thiết bị

Sử dụng thiết bị tại phòng thí nghiệm Hóa sinh, Khoa Công nghệ sinh học - Viện Đại học Mở Hà Nội: máy UV/VIS (Trung Quốc), máy đo pH (Trung Quốc), bình ổn nhiệt (Trung Quốc), máy khuấy từ (Anh), máy Vortex (Hàn Quốc), cân điện tử (Mỹ), tủ sấy (Trung Quốc), tủ hút độc (Trung Quốc), chiết quang kế (Đức), bếp điện ( Trung quốc ), bình triển khai sắc ký ( Trung quốc ), bình hút ẩm ( Trung

quốc ), bộ chiết Soxhlet ( Trung quốc ), Máy chưng cất đạm ( Trung quốc ), Pipet 100-1000µl (Trung quốc ), Pipet 10-100µl (Trung quốc), bộ chưng cất hồi lưu ( Trung quốc ), Tủ lạnh âm sâu (-20) ( Trung Quốc ), máy li tâm ( Hàn Quốc ), bộ lọc hút chân không ( Trung Quốc )

Ngoài ra trong nghiên cứu còn sử dụng một số vật liệu hóa chất thông dụng trong phòng thí nghiệm như: Bình tam giác, bình định mức, phễu chiết, ống

nghiệm, cốc sứ, ống đong, cốc định mức, đũa thủy tinh, bông, cồn công nghiệp…

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Xác định thành phần của khoai lang tím

2.3.1.1 Xác định hàm ẩm bằng phương pháp vật lý

Nguyên tắc : khoai được sấy sơ bộ ở nhiệt độ 800C, sau đó sấy tiếp ở nhiệt độ

1050C đến trọng lượng không đổi Hàm lượng nước được tính toán dựa trên khối lượng mất đi của củ trong quá trình sấy

Tiến hành :

Cân 20g khoai, sấy sơ bộ trong tủ sấy ở 800C trong 1h và tiếp tục sấy ở 1050C trong 30 phút Để nguội trong bình hút ẩm và cân lại Sau đó đem nghiền nhỏ và lấy 5g cho vào cốc cân đã biết trước trọng lượng, sấy ở 1050 C trong thời gian 2 giờ, làm nguội trong bình hút ẩm và cân Đặt cốc vào tủ sấy, sấy tiếp 30 phút, sau đó lại làm nguội và cân Quá trình sấy coi như kết thúc khi sai số giữa 2 lần không quá 0.001 g Kết quả : Hàm lượng nước trong củ ( W ) được tính theo công thức :

(%) W = m – (m2 –m1) x 100/ m

Trong đó :

- m: Khối lượng khoai lang mang sấy ban đầu

- m1: Khối lượng cốc sau khi sấy lần 1

- m2 : Khối lượng củ và cốc còn lại sau khi sấy lần 2

2.3.1.2 Xác định protein bằng phương pháp Kjeldahl [46]

Nguyên lý : Vô cơ hóa thực phẩm bằng H2S04 đậm đặc và chất xúc tác Dùng một kiềm mạnh (NaOH hoặc KOH) đẩy NH3 từ muối (NH4)2S04 hình thành ra thể

tự do Định lượng NH3 bằng một axit

Cách tiến hành :

Cân thật chính xác khoảng 1,2-0,5g nguyên liệu cho vào bình Kjeldahl với 15ml H2S04 đậm đặc và khoảng 1g chất xúc tác CuS04 : K2S04 (1: 11)

Lắp vào bộ máy phá mẫu đã cài đặt sẵn 3 chế độ, đợi tới khi máy báo kết thúc quá trình phá mẫu dung dịch sẽ trong suốt không màu hoặc có màu xanh lơ của CuS04 Để nguội, thêm nước cất khoảng 20ml, lắp vào bộ cất đạm (cài đặt 50ml NaOH 40%) Hút chính xác V (ml) H2S04 0.1N vào bình nón 500ml để hấp thụ

NH3, cất trong 10 phút (thử bằng giấy quỳ tới hết kiềm), chuẩn độ bằng NaOH 0.1N hết V2 ml Làm mẫu trắng tương tự mẫu thực,chuẩn độ hết V1 ml NaOH 0.1N

2.3.1.3 Xác định lipit bằng phương pháp Soxhlet [47]

Nguyên lý : dùng ete nóng để hòa tan tất cả chất béo tự do trong thực phẩm

Sau khi để bay hơi ete, cân chất béo còn lại và tính toán hàm lượng lipit trong 100g thực phẩm

Cách tiến hành :

Sấy cốc dung tích 250ml ở 1050C trong 1h và sấy khoai nguyên liệu đến khối lượng không đổi Cân thật chính xác 5g nguyên liệu đã được nghiền nhỏ với độ chính xác 0.01g vào cốc 100ml, thêm 10ml ethanol vào cốc, cho vào máy khuấy từ đến khi đồng nhất Thêm 8ml acid HCOOH và 12ml dung dịch acid HCl ( 7:3), khuấy đến khi đồng nhất Chuyển mẫu thử vào bình cầu và tiến hành chưng cất hồi lưu ở 750C trong 20 phút sau đó để nguội Chuyển mẫu thử vào bình chiết, thêm 20ml ethanol và 50ml n-hexan vào bình chiết, lắc đều, để yên cho hỗn hợp tách pha ( nếu muốn cho việc tách pha diễn ra nhanh thì đun nóng trên bếp cách thủy khoảng

20 giây ở 750C Tiến hành chiết 2 lần, gộp dịch chiết và đi cô cạn, để nguội đến nhiệt phòng trong bình hút ẩm, cân xác định khối lượng

Tính toán:

Hàm lượng phần trăm chất béo tính theo công thức :

X = (m2 - m1 ) x 100 / m0 (%)

m0 : khối lượng của mẫu

m1 : khối lượng cốc sau sấy (g)

m2 : khối lượng cốc và lipit sau khi trích ly và sấy khô (g)

2.3.1.4 Xác định hàm lượng đường tổng số bằng phương pháp Graxianop (hay phươn pháp Ferixianua) [42,43,44]

Nguyên tắc:

Dung dịch Ferixianua trong môi trường kiềm dưới tác dụng của nhiệt độ cao sẽ giải phóng ra oxi nguyên tử, oxi nguyên tử sẽ oxi hoá đường thành acid Phản ứng được thực hiện khi đun nóng dung dịch với chất chỉ thị màu xanh methylen Kết thúc phản ứng là xanh methylen chuyển từ màu xanh sang màu tím hồng rồi vàng rơm

Tiến hành:

- Lấy 25g cho vào cốc nước sôi (khoảng 100ml), sau đó để nguội rồi định mức lên 250ml bằng nước cất rồi tiến hành ly tâm Phần dịch lấy đi phân tích đường Phần bã lấy đi phân tích tinh bột

- Lấy 100ml dịch lọc, bổ sung 10ml HCl 15% Sau đó tiến hành đun sôi trong 15 phút

- Nhỏ vài giọt phenolphtalein vào rồi trung hoà bằng NaOH 10% Sau đó định mức lên 250ml thu được dịch đường, dung dịch này dùng để chuẩn độ

- Lấy 20ml Ferixianua 1% cho vào bình 250ml + 5ml KOH 2,5N và vài giọt xanh metylen, lắc đều và đun sôi trong 1-2 phút

- Dùng dung dịch đường để chuẩn độ tới khi màu xanh metylen chuyển sang vàng rơm

Tính toán kết quả:

- Hàm lượng đường được tính theo công thức:

Đ = a.k x100 (%)

V

Trong đó:

+V: Số ml dịch đường tiêu hao khi chuẩn hết 20ml dung dịch Ferixianua 1%

+ a: Lượng glucoza tương ứng 20ml Frixianua 1%

+ k: Hệ số pha loãng

Xác định a: Cân 0,5g glucoza (đã sấy ở 100oC trong 15 phút) pha

thành 100ml dịch để dịch có nồng độ 0,5% Dùng dung dịch này để chuẩn

20ml dung dịch Frixianua 1% Giả sử số ml dịch đường là ao thì a = ao x 0,005

Xác định k: Ban đầu mẫu cân là 25g sau đó định mức lên 250ml → pha loãng

10 lần Từ 100ml dịch lọc định mức lên 250ml → pha loãng 2,5 lần Từ đó

- Lặp lại thí nghiệm trên cho tới khi nào sai số giữa 2 mẫu chuẩn không quá 0,2ml Kết quả sẽ chính xác khi thời gian chuẩn độ kéo dài không quá 3 phút Thuốc thử Fehling A có công thức CuSO4 và Fehling B là hỗn dịch của NaOH