Ứng dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả quá trình dịch hóa bột gạo báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t nckh 2012 48

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ Q TRÌNH DỊCH HĨA BỘT GẠO Mã số đề tài: T-NCKH-2012-48 Thời gian thực hiện: 2/2012 – 8/2013 Chủ nhiệm đề tài: Trần Thị Thu Trà Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 03/2013 i Danh sách cán tham gia thực đề tài ThS Trần Thị Thu Trà – Bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm, Khoa Kỹ thuật Hóa học PGS TS Lê Văn Việt Mẫn – Bộ môn Cơng nghệ Thực phẩm, Khoa Kỹ thuật Hóa học ii MỤC LỤC Danh sách cán tham gia thực đề tài ii  MỤC LỤC iii  DANH SÁCH CÁC BẢNG iv  DANH SÁCH CÁC HÌNH v  1.  Đặt vấn đề 1  2.  Mục tiêu đề tài 1  3.  Nguyên liệu, thiết bị phương pháp nghiên cứu 1  3.1.  Nguyên liệu 1  3.2.  Thiết bị 1  3.3.  Phương pháp đo 2  3.4.  Cơng thức tính tốn 3  4.  Các kết đạt 4  4.1.  Vấn đề 1: Khảo sát ảnh hưởng trình siêu âm (khơng có tham gia enzyme) lên q trình hồ hóa bột gạo 4  4.1.1.  Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ siêu âm 5  4.1.2.  Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước huyền phù bột gạo 7  4.1.3.  Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng cơng suất siêu âm đến hiệu q trình xử lý siêu âm hồ hoá bột gạo 8  4.1.4.  Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng thời gian siêu âm 9  4.1.5.  Bàn luận vấn đề 11  4.2.  Vấn đề 2: Khảo sát ảnh hưởng trình siêu âm có tham gia enzyme amylase lên q trình dịch hóa bột gạo 13  4.2.1.  Thí nghiệm 5: Khảo sát ảnh hưởng sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme amylase điều kiện không điều nhiệt 13  4.2.2.  Thí nghiệm 6: Khảo sát q trình dịch hố bột gạo cách kết hợp đồng thời sóng siêu âm chế phẩm Termamyl 120L đến hiệu trình 21  4.2.3.  Kết luận vấn đề 24  5.  Kết luận kiến nghị 24  5.1.  Kết luận 24  5.2.  Kiến nghị 25  6.  Tài liệu tham khảo 26  7.  Báo cáo kinh phí chi kể nguồn khác ngân sách nhà nước báo cáo Error! Bookmark not defined.  iii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Các thông số thiết bị siêu âm 1  Bảng 2: Thời điểm lấy mẫu thí nghiệm 5  Bảng 3: Các điều kiện thay đổi TN 5.1 5.2 14  Bảng 4: Bố trí thí nghiệm kết thực nghiệm TN 5.1 14  Bảng 5: Ảnh hưởng biến độc lập đến hoạt tính enzyme TN 5.1 14  Bảng 6: Kết phân tích ANOVA TN 5.1 15  Bảng 7: Kết thí nghiệm TN5.2 16  Bảng 8: Giá trị số phương trình biểu diễn ảnh hưởng thời gian cơng suất siêu âm đến hoạt tính glucoamylase chế phẩm Dextrozyme GA 16  Bảng 9: Kết phân tích kiểm định tương thích phương trình hồi quy với thực nghiệm loạt thí nghiệm TN5.2 17  Bảng 10: Kết thí nghiệm kiểm chứng điều kiện tối ưu tính tốn từ phương trình hồi quy 17  Bảng 11: Hàm lượng protein hòa tan mẫu chế phẩm Termamyl 120L với điều kiện xử lí siêu âm khác 20  Bảng 12: Hàm lượng protein hòa tan mẫu chế phẩm Dextrozyme GA với điều kiện xử lí siêu âm khác 20  iv DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1: Thiết bị siêu âm, gia nhiệt khuấy 2  Hình 2: Sơ đồ tiến trình thực thí nghiệm vấn đề 4  Hình 3: Hai điểm nhiệt độ bắt đầu trình siêu âm 5  Hình 4: Biến đổi độ nhớt huyền phù bột gạo 12% 6  Hình 5: Ảnh hưởng thời điểm bắt đầu siêu âm đến mức độ giảm nhớt huyền phù bột gạo 6  Hình 6: Ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước huyền phù bột gạo đến hiệu q trình hồ hóa bột gạo 8  Hình 7: Ảnh hưởng cơng suất siêu âm đến hiệu q trình hồ hố bột gạo 9  Hình 8: Ảnh hưởng thời gian siêu âm đến hiệu trình hồ hố bột gạo 10  Hình 9: Ảnh hưởng công suất thời gian siêu âm lên hoạt tính chế phẩm Termamyl 120L 15  Hình 10: Ảnh hưởng thời gian cơng suất siêu âm lên hoạt tính glucoamylase chế phẩm Dextrozyme GA 17  Hình 11: Kết phân tích điện di mẫu chế phẩm Termamyl 120L Dextrozyme GA chế độ xử lí siêu âm khác 20  Hình 12: Sơ đồ thời gian thực siêu âm lấy mẫu loạt TN6 22  Hình 13: Ảnh hưởng thời điểm siêu âm – bổ sung enzyme đến hàm lượng đường khử hỗn hợp dịch hoá huyền phù bột gạo 12% 23  v Đặt vấn đề Theo quy trình sản xuất truyền thống để sản xuất ethanol theo quy mô công nghiệp từ nông sản hạt hay củ cần nghiền để giải phóng tinh bột, sau qua q trình dịch hóa đường hóa enzyme Tuy nhiên, q trình truyền thống cần sử dụng lượng enzyme cao thời gian xử lý dài, cho suất sản xuất ethanol thấp (Nitayavardhana, S cộng sự, 2008) Vì vậy, yêu cầu đặt cho nhà máy sản xuất ethanol sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ sẵn có, rút ngắn thời gian lên men, giảm chi phí sản xuất, quy trình đơn giản… Từ đó, sóng siêu âm trở thành đối tượng nghiên cứu nhằm đáp ứng yêu cầu Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nghiên cứu thử nghiệm sử dụng giải pháp công nghệ mới: xử lý nguyên liệu bột gạo sóng siêu âm nhằm nâng cao hiệu thủy phân Nguyên liệu, thiết bị phương pháp nghiên cứu 3.1 Nguyên liệu Bột gạo sử dụng nghiên cứu cung cấp nhà máy rượu Bình Tây Bột có kích thước nhỏ 180 µm Thành phần hóa học bột gạo sau: tinh bột 77.6%, đường khử 0.22%, protein 6.3%, xơ thô 0.5%, tro thô 0.3% Chế phẩm enzyme α-amylase chịu nhiệt Termamyl 120L có hoạt tính 120 KNU/g (Kilo Novo Unit) Chế phẩm enzyme glucoamylase có tên thương mại Dextrozyme GA Chế phẩm có hoạt tính 270 AGU/g (AmyloGlucosidase Unit) Một AGU định nghĩa lượng enzyme cần thiết để xúc tác thủy phân µmol đường maltose phút điều kiện nồng độ chất 10 mg/mL; nhiệt độ 37oC; pH 5.0; thời gian phản ứng 30 phút Cả hai chế phẩm hãng Novozymes (Đan Mạch) sản xuất cung cấp công ty Nam Giang TP.HCM Các hóa chất phân tích hãng Merck (Đức) sản xuất 3.2 Thiết bị • Thiết bị siêu âm dạng hãng Sonics Vibra Cell, hiệu VC 750 có thơng số trình bày Bảng Bảng 1: Các thông số thiết bị siêu âm Thông số Công suất Tần số siêu âm Đường kính Thanh siêu âm Chiều dài Khối lượng Tối đa 750W 20kHz 13mm 136mm 340g • Thiết bị gia nhiệt khuấy: Gia nhiệt giữ nhiệt khuấy trộn hỗn hợp thí nghiệm Thiết bị hình trụ kích thước: cao 40cm, đường kích 25cm, có phận gia nhiệt ổn nhiệt tự động Hình Hình 1: Thiết bị siêu âm, gia nhiệt khuấy • Thiết bị ly tâm: dùng để ly tâm mẫu thu phần dịch trong, chuẩn bị cho việc xác định hàm lượng TBHT hàm lượng đường khử Sử dụng thiết bị hãng Hettich Zentrifugen, hiệu EBA 21 Tốc độ ly tâm 3500rpm thời gian 20 phút 3.3 Phương pháp đo • Xác định hàm lượng tinh bột hịa tan - Nguyên tắc: Cải tiến phương pháp FuWa (1954), dựa phản ứng tạo màu tinh bột thuốc thử liugon Thuốc thử liugon ban đầu có màu vàng, cho dãy màu xanh tím với cường độ màu khác tùy thuộc vào hàm lượng tinh bột Cường độ màu hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với hàm lượng tinh bột cịn sót lại sau trình thủy phân, tỷ lệ nghịch với hàm lượng tinh bột bị thủy phân, xét phạm vi định, đo máy quang phổ so màu Từ kết độ hấp thu có được, dựa vào cơng thức để suy mức độ thủy phân tinh bột enzyme Hợp chất tạo thành có độ hấp thu mạnh khoảng bước sóng 600 – 640nm, với khoảng tin cậy giá trị độ hấp thu 0,2 – 0,8 - Cách thực hiện: Sau lấy mẫu, ly tâm mẫu với tốc độ ly tâm 3500rpm 20 phút lấy mẫu từ phần dịch sau ly tâm tác dụng với thuốc thử Iod (0,3% Iod 3% KI) Đo độ hấp thu DO bước sóng 620nm máy quang phổ so màu vùng nhìn thấy GENESYS 20 • Xác định hàm lượng đường khử - Nguyên tắc: Phương pháp dựa phản ứng tạo màu đường khử với thuốc thử 3,5 – dinitrosalicylic acid (thuốc thử DNS) DNS có màu vàng dung dịch kiềm bị khử thành acid 3-amino-5-nitrosalicylic có màu đỏ cam Cường độ màu hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ đường khử phạm vi định, đo máy quang phổ so màu Dựa theo đồ thị đường chuẩn glucose tinh khiết với thuốc thử, ta tính hàm lượng đường khử mẫu nghiên cứu Hợp chất tạo thành có độ hấp thu mạnh khoảng bước sóng 540 – 600nm với khoảng tin cậy giá trị độ hấp thu 0,2 – 0,8 (Miller, 1959) - Cách thực hiện: Sau lấy mẫu, ly tâm mẫu với tốc độ ly tâm 3500rpm 20 phút lấy mẫu từ phần dịch cho tác dụng với thuốc thử DNS Đo độ hấp thu màu DO bước sóng 540nm máy quang phổ so màu vùng nhìn thấy GENESYS 20 3.4 Cơng thức tính tốn • Mức độ giảm độ nhớt: 100% ∆ Phương trình • Hiệu tăng tinh bột hồ tan: ∆ 100% Phương trình • Cơng suất siêu âm / Phương trình • Năng lượng sóng siêu âm giải phóng 1g tinh bột hồ tan V(J/g TBHT) Phương trình • Năng lượng nhiệt giải phóng 1g tinh bột hồ tan J/g TBHT Phương trình • Hiệu sử dụng lượng 100% ∆ Phương trình Trong đó: ηSA: Độ nhớt hỗn hợp siêu âm (cP) ηgiữ nhiệt: Độ nhớt hỗn hợp đối chứng (cP) CTBHT-SA: hàm lượng tinh bột hoà tan mẫu siêu âm (g/L) CTBHT-giữ nhiệt: hàm lượng tinh bột hồ tan mẫu đối chứng (g/L) PSA: Cơng suất siêu âm (W/g bột) ESA: Năng lượng máy siêu âm sử dụng (W) EN: Năng lượng thiết bị gia nhiệt (W) tSA: Thời gian siêu âm (giây) t giữ nhiệt: Thời gian giữ nhiệt (giây) mbột: Lượng bột gạo huyền phù xử lý siêu âm (g) mTBHT-SA: lượng tinh bột hoà tan mẫu siêu âm (g) mTBHT-giữ nhiệt: lượng tinh bột hoà tan mẫu đối chứng (g) Các kết đạt 4.1 Vấn đề 1: Khảo sát ảnh hưởng trình siêu âm (khơng có tham gia enzyme) lên q trình hồ hóa bột gạo • Mục đích khảo sát nhằm xác định quy luật ảnh hưởng sóng siêu âm lên q trình nấu bột gạo giải phóng tinh bột điều kiện khơng có hỗ trợ enzyme • Sơ đồ tiến trình thực thí nghiệm Huyền phù bột gạo Gia nhiệt đến nhiệt độ siêu âm Giữ nhiệt Siêu âm Gia nhiệt lên Ủ nhiệt 900C Hình 2: Sơ đồ tiến trình thực thí nghiệm vấn đề • Thơng số cố định: Lượng mẫu thí nghiệm 500g Tổng thời gian hồ hố – dịch hố: 60 phút • Thông số thay đổi lần lượt: TN1: Nhiệt độ bắt đầu thực trình siêu âm: Tại nhiệt độ hình bên Điểm nhiệt độ bắt đầu hồ hóa, điểm thời điểm đạt đỉnh nhớt Hình 3: Hai điểm nhiệt độ bắt đầu trình siêu âm TN2: Tỷ lệ bột: nước (nồng độ bột gạo) thay đổi khoảng 15 – 33% TN3: Cơng suất sóng siêu âm (tính theo đơn vị W/g bột gạo) TN4: Thời gian tác động sóng siêu âm: đến phút • Các thơng số cần xác định: Tỷ số thay đổi độ nhớt hỗn hợp hay hàm lượng tinh bột hòa tan mẫu chịu tác động sóng siêu âm với mẫu đối chứng (khơng chịu tác động sóng siêu âm) điều kiện Xây dựng đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thông số thay đổi q trình siêu âm lên lượng tinh bột hịa tan nấu bột gạo nhằm giải phóng tinh bột • Cách tiến hành: Mẫu đối chứng (C): gia nhiệt mẫu lên đến nhiệt độ siêu âm, giữ nhiệt độ khoảng thời gian với thời gian siêu âm (phút) Sau gia nhiệt mẫu lên 90oC giữ nhiệt kết thúc thí nghiệm Mẫu siêu âm (U): gia nhiệt mẫu lên đến nhiệt độ siêu âm, siêu âm mẫu với công suất siêu âm (W/g) thời gian siêu âm (phút) cần khảo sát Sau gia nhiệt mẫu lên 90oC giữ nhiệt kết thúc thí nghiệm • Thời điểm lấy mẫu phân tích: Thời điểm lấy mẫu để xác định tinh bột hoà tan đường khử thí nghiệm hồ hố – dịch hố bột gạo trình bày Bảng Bảng 2: Thời điểm lấy mẫu thí nghiệm STT Thời điểm lấy mẫu (phút) Trước SA Sau SA 30 35 40 45 50 55 60 4.1.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ siêu âm • Mục đích thí nghiệm: khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tiến hành trình siêu âm đến hiệu q trình hồ hóa bột gạo Hiệu q trình hồ hố đánh giá thông qua mức độ giảm nhớt hỗn hợp Tài liệu tham khảo [1] Hoàng Kim Anh, Ngơ Kế Sương, Nguyễn Xích Liên, Tinh bột sắn sản phẩm từ tinh bột sắn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [2] Gronroos, P Pentti and K Hanna, Ultrasonic degradation of aqueous carboxymethylcellulose: Effect of viscosity, molecular mass, and concentration, Ultrasonics Sonochemistry 15, 2008, pp 644–648 [3] Ann-Charlotte Eliasson, Starch in food, Woodhead Publishing Limited, 2004, 597p [4] Arpana Kumari, Vinay Kumar Singh, Jörg Fitter, Tino Polen, Arvind M Kayastha, α - Amylase from germinating soybean (Glycine max) seeds – Purification, characterization and sequential similarity of conserved and catalytic amino acid residues, Phytochemistry 71, 2010, pp 1657–1666 [5] B Özbek and K.O Ülgen, The stability of enzymes after sonication, Process Biochemistry, Volume 35, Number 9, 2000 , pp 1037-1043 [6] Bailey J M Whelan W J., Physical properties of starch, The Journal of Biological Chemistry, Vol 236, No 4, 1961 [7] Berezin, I.V., Klibanov, A.M., Klyosov, A.A., Martinek, K., Svedas, V.K,The Effect of Ultrasound as a New Method of Studying Conformational Transitions in Enzyme Active Site, FEBS LETTERS, Volume 49, 1975, pp 325-328 [8] Bijttebier, A., Increased insight into the hydrolysis of starch by amylolytic enzymes, Katholieke Universiteit Leuven, 2009 [9] Czechowska-Biskup, R., Rokita, B., Lotfy, S., Ulanski, P., Rosiak, J M., Degradation of chitosan and starch by 360-kHz ultrasound, Carbohydrate Polymers 60, 2005, pp 175–184 [10] De Moraes, L.M.P., S Astolfi-Filho and S.G Oliver, Development of yeast strains for the efficient utilization of starch: evaluation of constructs that express α-amylase and glucoamylase separately or as bi functional fusion proteins Appl Microbiol Biotechnol, 1995, pp 1067-76 [11] Apar (Klỗ), D., Turhan M and ệzbek (Kn), B., Enzymatic Hydrolysis of Starch by using a Sonifier, Chemical Engineering Communications, 193(9), 2006, 1117-1126 [12] Dogan, N, McCarthy, M.J and Powell, R.L., Application of an in - line rheological characterization method to chemically modified and native corn starch, Journal of Texture Studies , 36, 2005, pp 237 - 254 [13] E Dobreva, V Ivanova and E Emanuilova, Effect of temperature on some characteristics of the thermostable α -amylase from Bacillus licheniformis, World Journal of Microbiology & Biotechnology, Vol 10, 1994, pp 547-550 [14] Ekaterina V Rokhina, Piet Lens and Jurate Virkutyte, Low-frequency ultrasound inbiotechnology: state of the art, Trends in Biotechnology, Vol.27, No.5, 2009, pp 298 – 306 26 [15] Fellows, P., Food Processing Technology - Principles and Practice (2nd Edition), Woodhead Publishing, 2002 [16] Gallant, M Degrois, C Sterling and A Guilbot, Microscopic effects of ultrasound on the structure of potato starch, Zeitsch, Die Stärke—Starch 24, 1972, pp 116 - 123 [17] Gang Duan, Sophia Xu, Bruce Ruan, Direct conversion of fresh cassava root to alcohol, European Bioethanol Technology Meetinh, 2008 [18] Garcia, V.; Colonna, P.; Bouchet, B.; Gallant, D J., Structural changes of cassava starch granules after heating at intermediate water contents, Starch, 49, 1997, pp 171 179 [19] Hao Feng,Gustavo Barbosa-Canovas,Jochen Weiss, Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing, Science, 2010, 625p [20] Hyungsu Kim, Hyunsuk Yang and Jae Wook Lee, Effect of viscosity ratio and AN content on the compatibilization of PC-SAN blends during ultrasound-assisted melt mixing, Korea-Australia Rheology Journal, Vol 17, No 4, 2005, pp 165-170 [21] Iida Y, Tuziuti T, Yasui K, Towata A, Kozuka T., Control of viscosity in starch and polysaccharide solutions withultrasound after gelatinization, Innovative Food Science and Emerging Technologies 9, 2008,pp 140–146 [22] James BeMiller and Roy Whistler, Starch: Chemistry and Technology, Food Science and Technology, 2009, 900p [23] Jarupan Kuldiloke, Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity and Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices, Genehmigte Dissertation, 2002, 138p [24] Khanal S K., Montalbo M., Hans van Leeuwen J., Srinivasan G and Grewell D., Ultrasound enhanced glucose release from corn in ethanol plants, Biotechnology and Bioengineering, Vol 98, No 5, 2007 [25] Madsen, G B., Norman, B E and Slott, S., A New, Heat Stable Bacterial Amylase and its Use in High Temperature Liquefaction, Stirke-Tagung, 1973, pp 304 - 308 [26] Martijn Willem Anton Kuijpers, Ultrasound-induced polymer reaction engineering in high-pressure fluids, Technische Universiteit Eindhoven, 2004, 165p [27] Maryam Yaldagard, Seyed Ali Mortazavi and Farideh Tabatabaie, Effect of Ultrasonic Power on the Activity of Barley’s Alpha-amylase from Post-sowing Treate of Seeds, World Applied Sciences Journal, 2008, pp 91-95 [28] Nitayavardhana, S., Shrestha, P Rasmussen, M., Lamsal, B P., Van Leeuwen, J and Khanal, S K., Ultrasound improved ethanol fermentation from cassava chips in cassava based ethanol plants, Bioresource Technology , 10 (8), 2010, pp 2741 - 2747 [29] Om Prakash and Nivedita Jaiswal, α-Amylase: An Ideal Representative of Thermostable Enzymes, Appl Biochem Biotechnol, 2010, pp 2401–2414 [30] P Rosendal, B.H Nielsen and N.K Lange, Stability of bacterial alpha amylase in the starch liquefaction process, Starch/Stärke 31 (1979) Nr 11, S pp 368-372 27 [31] Rassoul Kadkhodaee, Malcolm J.W.Povey, Ultrasonic inactivation of Bacillus αamylase I effect of gas content and emitting face of probe, Ultrasonics Sonochemistry 15, 2008, pp 133-142 [32] S.Avivi (levi), A.Gedanken, Are sonochemically prepared α-amylase protein microspheres biologically active? Ultrasonics Sonochemistry 14, 2007 [33] Samir Kumar Khanal, Melissa Montalbo, J (Hans) van Leeuwen, Gowrishankar Srinivasan, David Grewell, Ultrasound Enhanced Glucose Release From Corn in Ethanol Plants, Biotechnology and Bioengineering, Vol 98, No 5, 2007, pp 978 - 985 [34] Saoharit Nitayavardhana,Sudip Kumar Rakshit, David Grewell, J (Hans) van Leeuwen, Samir Kumar Khanal, Ultrasound Pretreatment of Cassava Chip Slurry to Enhance Sugar Release for Subsequent Ethanol Production, Biotechnology and Bioengineering, Volume 101, Issue 3, 2008, pp 487–496 [35] Satish D Shewale, Aniruddha B Pandit, Enzymatic production of glucose from different qualities of grain sorghum and application of ultrasound to enhance the yield, Carbohydrate Research 344, 2009, pp 52–60 [36] Sriroth, K., Piyachomkwan, K., Ethanol production from Cassava chip, National Research Council of Thailand, 2005 (p 63) [37] Thakur, B.R and Nelson, P.E., Inactivation of lipoxygenase in whole soy flour suspension by ultrasonic cavitation, Nahrung, 41, 1997, pp 299 – 301 [38] Tian ZM, Wan MX, Wang SP, Kang JQ., Effect of ultrasound and additives on the function and structure of trypsin, Ultrason Sonochem, 11 (6), 2004, pp 399 - 404 [39] Timothy J Mason, John Philip Lorimer, Applied Sonochemistry: Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing Publisher: Wiley-VCH, 2002, 314p [40] V Bravo Rodrı´guez, E Jurado Alameda, J F Martı´nez Gallegos, A Reyes Requena, and A I Garcı´a Lo´pez, Enzymatic Hydrolysis of Soluble Starch with an αAmylase from Bacillus licheniformis, Biotechnol Prog, Vol 22, No , 2006, pp 718 722 [41] V Shah and K Balasubramaniam, Effect of viscosity on ultrasound wave reflection from a solid/liquid interfac, Ultrasonics, Vol 34, No 8, 1996, pp 817–824 [42] Vercet, A., Burgos, J., Crelier, S., & Lopez-Buesa, P., Inactivation of proteases and lipases by ultrasound, Journal of Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2, 2001, pp 139 - 150 [43] Xiao, Z., R Storms and A Tsang, A quantitative starch-iodine method for measuring alpha-amylase and glucoamylase activities, Analyt Biochem , 2006, pp 146148 [44] Y.T Shah, A.B Pandit, V.S Moholkar, Cavitation Reaction Engineering, Plenum: New-York, 1999, 352p 28 29 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM LÊN HOẠT TÍNH CHẾ PHẨM GLUCOAMYLASE TRONG ĐIỀU KIỆN KHƠNG ĐIỀU NHIỆT Trần Thị Thu Trà, Bùi Phương Lan, Trần Lê Hồng Ngọc, Lê Văn Việt Mẫn Bộ môn Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM TÓM TẮT Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng sóng siêu âm đến hoạt tính glucoamylase chế phẩm Dextrozyme GA điều kiện không điều nhiệt Dung dịch chế phẩm Dextrozyme GA đệm citrate -phosphate pH 4.5 (nồng độ protein 160.64 ± 2.74 mg/mL) xử lí sóng siêu âm tần số 20 KHz, cơng suất thay đổi từ 10 đến 30 W/mL khoảng thời gian từ đến 300 giây, sau xác định hoạt tính glucoamylase Kết thực nghiệm cho thấy, hoạt tính glucoamylase dung dịch đạt cực đại xử lý siêu âm với công suất 20W/mL thời gian 63 giây Xử lý siêu âm làm tăng 66.11% hoạt tính glucoamylase chế phẩm Dextrozyme GA so với mẫu đối chứng không xử lý siêu âm Kết ứng dụng để giảm lượng chế phẩm enzyme sử dụng trình thủy phân tinh bột, từ giảm chi phí sản xuất Từ khố: Sóng siêu âm, glucoamylase, không điều nhiệt GIỚI THIỆU Phương pháp truyền thống để thủy phân tinh bột thành đường glucose gồm có cơng đoạn hồ hóa - dịch hóa đường hóa nhiệt enzyme Phương pháp cần sử dụng lượng lớn chế phẩm amylase thời gian xử lý dài, nhiên hiệu suất thủy phân tinh bột đạt khoảng 75 – 80% (Lu et al., 2011) Để tăng hiệu kinh tế trình thủy phân tinh bột, cần tìm giải pháp công nghệ nhằm đạt mục đích rút ngắn thời gian phản ứng, tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí sản xuất, đơn giản hóa quy trình (Nitayavardhana et al., 2010) Gần đây, nhiều nghiên cứu giới cho thấy sử dụng sóng siêu âm tác động vào hỗn hợp phản ứng thủy phân giải pháp tiềm để giải nhược điểm (Nitayavardhana et al., 2010) Sóng siêu âm tác động vào môi trường lỏng tạo bong bóng khí Khi bong bóng khí vỡ tung tạo vi dịng xốy có lượng lớn tác động đến cấu trúc enzyme, chất dung mơi Các dịng xốy góp phần phá vỡ cấu trúc hạt tinh bột hồ hóa, rút ngắn thời gian hạt tinh bột trương nở; cắt đứt phân tử tinh bột làm giảm đáng kể độ nhớt huyền phù tăng lượng đường khử (Nitayavardhana et al., 2010) Sóng siêu âm tác động lên enzyme gây biến đổi cấu trúc, làm thay đổi hoạt tính enzyme dẫn đến thay đổi hiệu suất phản ứng enzyme xúc tác Các bong bóng khí có động lớn cịn có khả cắt đứt liên kết phân tử nước, tạo gốc tự H• OH• Các gốc tự có khả làm giảm hoạt tính enzyme (Bashari et al., 2013) Các nghiên cứu ảnh hưởng sóng siêu âm đến q trình thuỷ phân tinh bột hầu hết thực với hỗn hợp enzyme chất Chưa có nghiên cứu tác động sóng siêu âm đến chế phẩm enzyme điều kiện khơng có chất Trong báo này, chúng tơi khảo sát ảnh hưởng sóng siêu âm đến hoạt tính glucoamylase chế phẩm Dextrozyme GA điều kiện không điều nhiệt Đây chế phẩm amylase thường sử dụng công nghiệp thủy phân tinh bột NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nguyên liệu Chế phẩm enzyme glucoamylase có tên thương mại Dextrozyme GA hãng Novozymes (Đan Mạch) cung cấp công ty Nam Giang TP.HCM Chế phẩm có hoạt tính 270 AGU/g (AmyloGlucosidase Unit) Một AGU định nghĩa lượng enzyme cần thiết để xúc tác thủy phân µmol đường maltose phút điều kiện nồng độ chất 10 mg/mL; nhiệt độ 37oC; pH 5.0; thời gian phản ứng 30 phút Các hóa chất phân tích gồm maltodextrin DE 20, thuốc thử 3,5 – dinitrosalicylic acid, thuốc thử Coomassie Brilliant Blue hệ đệm citrate phosphate hãng Merck (Đức) sản xuất Bố trí thí nghiệm - Tiến hành pha loãng chế phẩm Dextrozyme GA với dung dịch đệm citrate - phosphate pH 4.5, hệ số pha loãng 2.10 lần (nồng độ protein sau pha lỗng: 160.64 ± 2.74 mg /mL) Trong thí nghiệm 1, thực trình siêu âm 15 mL dung dịch chế phẩm enzyme với siêu âm (Sonics & Materials, Mỹ) tần số 20 KHz, công suất siêu âm thay đổi từ 10 đến 30 W/mL thời gian 60 giây Sau đó, xác định hoạt tính glucoamylase dung dịch enzyme xử lý siêu âm Trong thí nghiệm 2, chọn giá trị cơng suất siêu âm từ thí nghiệm giữ cố định, thay đổi thời gian siêu âm từ 10 giây đến 300 giây Sau đó, xác định hooạt tính glucoamylase mẫu xử lý Trong thí nghiệm 3, tiến hành quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp trực giao bậc hai, cấu trúc có tâm để chọn cơng suất thời gian siêu âm tối ưu để hoạt tính glucoamylase chế phẩm sau xử lý siêu mâ đạt giá trị cao Phương pháp phân tích Hoạt tính glucoamylase tính dựa lượng glucose sinh thuỷ phân maltodextrin DE 20 enzyme Một đơn vị hoạt tính glucoamylase (U) định nghĩa lượng enzyme cần thiết để xúc tác thủy phân 1µmol đường glucose phút điều kiện nồng độ chất 1mg/mL; nhiệt độ 65oC; pH 5.0; thời gian phản ứng 15 phút Hàm lượng đường khử xác định theo phương pháp quang phổ so màu với thuốc thử 3,5 – dinitrosalicylic acid (Miller, 1959) Hàm lượng protein hòa tan xác định phương pháp quang phổ so màu với thuốc thử Coomassie (Bradford,1976) 30 Các thành phần protein chế phẩm enzyme xác định phương pháp điện di gel SDS polyacrylamide (Laemmli, 1970) Các thí nghiệm lặp lại lần để lấy giá trị trung bình Kết thực nghiệm xử lý thống kê với phần mềm Statghraphics 3.0 Modde 5.0 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng công suất thời gian siêu âm đến hoạt tính glucoamylase chế phẩm Detrozyme GA trình bày Hình Với thời gian siêu âm 60 giây, tăng cơng suất siêu âm từ 10 lên 30W/mL hoạt tính glucoamylase tăng so với mẫu đối chứng (0 W/mL) Hoạt tính đạt cực đại cơng suất 20 W/mL (Hình 1a) Hiện tượng sóng siêu âm làm tăng hoạt tính enzyme ghi nhận giải thích Wang đồng (2012) tiến hành thí nghiệm chế phẩm cellulase Các phân tích phổ lưỡng cực vòng (Circular dichroism), phổ huỳnh quang (fluorescence spectra), cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance - NMR) chứng minh sóng siêu âm làm thay đổi cấu trúc phân tử cellulase, từ làm cho tâm hoạt động enzyme dễ tiếp xúc với chất Khi cố định công suất siêu âm 20 W/mL, tăng thời gian xử lý từ 10 đến 60 giây hoạt tính glucoamylase tăng so với mẫu khơng siêu âm (0 giây) Nếu tiếp tục tăng thời gian siêu âm từ 60 đến 300 giây hoạt tính glucoamylase giảm dần Cần lưu ý thời gian siêu âm kéo dài q 120 giây hoạt tính glucoasmyase mẫu xử lý thấp mẫu đối chứng (Hình 1b) Kết thực nghiệm cho thấy tăng thời gian siêu âm từ 10 đến 300 giây nhiệt độ chế phẩm enzyme tăng từ 29 đến 79oC Có lẽ gia tăng nhiệt độ q trình siêu âm khơng điều nhiệt làm giảm hoạt tính glucoamylase Cơng suất siêu âm 20W/mL thời gian siêu âm 60 giây chọn tâm cho phần quy hoạch thực nghiệm Hình 1: Sự biến đổi hoạt tính glucoamylase chế phẩm Detrozyme GA theo công suất siêu âm thời gian 60 giây (a) theo thời gian siêu âm công suất 20W/mL (b) Hai biến số thay đổi gồm thời gian siêu âm (Z1 - giây) công suất siêu âm (Z2 - W/mL) Khoảng biến thiên thời gian công suất siêu âm ÷ 120 giây 10 ÷ 30 W/mL Tổng số thí nghiệm thực 10, bao gồm: thí nghiệm hai mức (22); điểm thí nghiệm tâm; thí nghiệm điểm với cánh tay địn α = tất thí nghiệm lặp lại lần (Bảng 1) Theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm trực giao hai yếu tố, phương trình hồi qui hàm mục tiêu biểu diễn dạng: 2 Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b11X1 + b22X2 + b12X1X2 (Phương trình 1) Trong đó: bo: hệ số hồi qui bậc b1 b2: hệ số hồi qui bậc mô tả ảnh hưởng yếu tố X1 X2 Y b12: hệ số hồi qui tương tác mô tả ảnh hưởng đồng thời hai yếu tố X1 X2 Y b11 b22: hệ số hồi qui bậc mô tả ảnh hưởng yếu tố X1 yếu tố X2 Y Giải toán qui hoạch thực nghiệm phần mềm Modde 5.0 để xác định kiểm định tính ý nghĩa hệ số hồi qui, kết trình bày Bảng 31 Bảng Phạm vi, mức biến đổi thời gian siêu âm, công suất siêu âm kết thí nghiệm Yếu tố khảo sát STT Thời gian siêu âm (giây) Công suất siêu âm (W/mL) 10 Z1 120 120 120 60 60 60 60 Z2 10 10 30 30 20 20 10 30 20 20 Biến mã hố Thời gian Cơng suất siêu âm siêu âm X1 X2 -1 -1 -1 -1 1 -1 0 -1 0 0 Kết thí nghiệm Y Lần 0.4352 0.5122 0.4352 0.4363 0.4396 0.4719 0.5652 0.6322 0.7070 0.7356 Lần 0.4341 0.5078 0.4363 0.4267 0.4337 0.4789 0.5615 0.6270 0.7159 0.7196 Lần 0.4347 0.5093 0.4358 0.4295 0.4384 0.4752 0.5615 0.6313 0.7146 0.7231 Bảng Giá trị số phương trình biểu diễn ảnh hưởng thời gian công suất siêu âm đến hoạt tính glucoamylase chế phẩm Dextrozyme GA Giá trị Hệ số b0 0.6852 b1 0.0180 b2 -0.0017 b11 b22 b12 Sai số chuẩn p Khoảng tin cậy (±) 0.0134 0.0000 0.0277 0.0092 0.0607 0.0189 0.0092 0.8517 0.0189 -0.1948 0.0147 0.0000 0.0303 -0.0547 0.0147 0.0011 0.0303 -0.0200 0.0112 0.0875 0.0232 Phương trình hồi qui theo biến mã hóa sau (bỏ qua ảnh hưởng X1, X2, X1X2 p > 0.05): (Phương trình 2) Y = 0.6852 - 0.1948 X1 - 0.0547 X2 Phương trình hồi qui theo biến tự nhiên có dạng: -5 -4 Y = 0.2717 + 0.0065 Z1 + 0.0219 Z2 – 5.4x10 Z1 – 5.47x10 Z2 (Phương trình 3) Kết kiểm định tương thích phương trình hồi qui với kết thực nghiệm phần mềm Modde 5.0 trình bày Bảng Giá trị p-value < 0.05 cho phép kết luận phương trình hồi qui theo mơ hình tốn học tìm tương thích với kết thực nghiệm với độ tin cậy 95% Bảng Kết phân tích kiểm định tương thích phương trình hồi quy với thực nghiệm DF SS MS 29 0.3674 0.0127 Regression 0.3311 0.0662 Residual 24 0.0363 0.0015 Total Corrected N = 30 Cond no = 3.493 Y-miss = RSD = 0.0389 Q = 0.851 DF = 24 R = 0.901 Comp = R Adj = 0.881 F p SD 0.1126 43.76 0.0000 0.2573 0.0389 Conf lev = 0.95 Phương trình cho thấy hai yếu tố thời gian siêu âm công suất siêu âm ảnh hưởng đến hoạt tính glucoamylase theo hàm bậc hai Trong phạm vi khảo sát, yếu tố thời gian siêu âm ảnh hưởng lên hoạt tính enzyme mạnh so với cơng suất siêu âm Giải phương trình phần mềm Modde 5.0, hoạt tính glucoamylase đạt giá trị cực đại 0.69 U/mL công suất thời gian siêu âm 19.8 W/mL 62.7 giây Tiến hành thực nghiệm lại với công suất siêu âm 20 W/mL 63 giây, kết trình bày Bảng Bảng Kết thí nghiệm kiểm chứng điều kiện tối ưu tính tốn từ phương trình hồi quy Y – lần Giá trị (U/mL) 0.7196 Y – lần 0.7159 Y – lần 0.7356 Y tính tốn 0.7237 0.6847 Sử dụng phần mềm Statghraphics 3.0 để phân tích thống kê khác biệt kết thí nghiệm thu với giá trị tối ưu tính tốn từ Phương trình cho thấy giá trị Fratio = 3.37 < Fcrit = 18.51 giá trị p = 0.1402 lớn giá trị 0.05 Do kết luận khơng có khác biệt có ý nghĩa thống kê kết thực nghiệm với kết tính 32 tốn từ mơ hình tốn học với độ tin cậy 95% Từ đưa kết luận: siêu âm dung dịch Dextrozyme GA với công suất 20 W/mL thời gian 63 giây, hoạt tính glucoamylase tăng cao 66.11% so với mẫu đối chứng không siêu âm Bề mặt mơ tả biến đổi hoạt tính glucoamylase theo thời gian cơng suất sóng siêu âm trình bày Hình Hình 2: Ảnh hưởng thời gian cơng suất siêu âm lên hoạt tính glucoamylase điều kiện khơng điều nhiệt Để tìm hiểu sơ nguyên nhân làm thay đổi hoạt tính glucoamylase, mẫu chế phẩm enzyme không qua (mẫu G1) có qua xử lý siêu âm điều kiện: cơng suất 20W/mL,thời gian 60 giây (Mẫu G2: Hoạt tính glucoamylase tăng 64.6% so với mẫu G1) công suất 20W/mL, thời gian 300 giây (Mẫu G3: Hoạt tính glucoamylase giảm 57.6% so với mẫu G1) đem xác định thành phần protein hàm lượng protein hòa tan Kết phân tích điện di (Hình 3) cho thấy tổng số vị trí vạch protein mẫu không đổi Điều chứng tỏ sau thành phần protein chế phẩm khơng đổi sau q trình xử lý siêu âm ; khơng có thành phần protein bị hay xuất thêm protein Hình Kết phân tích điện di mẫu chế phẩm Dextrozyme GA chế độ xử lí siêu âm khác G1: Chế phẩm Dextrozyme GA không qua xử lý siêu âm; G2: Chế phẩm Dextrozyme GA sau xử lý siêu âm với công suất 20W/mL 60 giây; G3: Chế phẩm Dextrozyme sau xử lý siêu âm với công suất 20W/mL 300 giây Tuy nhiên, Bảng lại cho thấy có thay đổi nồng độ protein hòa tan mẫu khảo sát So với mẫu đối chứng G1, lượng protein hoà tan mẫu G2 tăng 10.35% lượng protein hòa tan mẫu G3 giảm 25.26% Cơ sở khoa học phương pháp định lượng protein theo Bradford acid amin điện tích dương phân tử protein Arg, Lys, His phản ứng với thuốc thử Coomassie để tạo phức màu cường độ màu tỉ lệ thuận với nồng độ protein mẫu phân tích Thơng tin kiểm chứng khẳng định Ku đồng (2013) Kết hình khẳng định trình xử lý siêu âm không làm thay đổi thành phần protein mẫu G2 G3 so với mẫu G1 Do đó, giả định xử lý siêu âm làm thay đổi cấu hình khơng gian phân tử enzyme hai mẫu G2 33 G3, từ làm lộ giấu acid amin tích điện dương (Arg, Lys, His) cấu trúc phân tử protein Điều làm cho kết phân tích hàm lượng protein hòa tan theo Bradford hai mẫu G2 G3 trở nên khác biệt so với mẫu đối chứng G1 Gần đây, Yu đồng (2013) chứng minh sóng siêu âm làm thay đổi cấu trúc bậc hai bậc ba phân tử protein chế phẩm tyrosinase Bảng Hàm lượng protein hòa tan mẫu chế phẩm Dextrozyme GA với điều kiện xử lí siêu âm khác Mẫu Hàm lượng protein hịa tan (mg/mL chế phẩm) Enzyme khơng siêu âm a 160.64 ± 2.74 b Ezyme siêu âm công suất 20W/mL, 60 giây 177.27 ± 3.35 Ezyme siêu âm công suất 20W/mL, 300 giây 120.07 ± 6.03 c Trong cột, giá trị đánh dấu chữ giống khác khơng có ý nghĩa theo phân tích thống kê ANOVA (p < 0.05) KẾT LUẬN Khi thay đổi công suất thời gian siêu âm hoạt tính glucoamylase chế phẩm Dextrozyme GA thay đổi Hoạt tính enzyme tăng giảm so với mẫu đối chứng tùy theo giá trị công suất thời gian siêu âm chọn Hoạt tính glucoamylase chế phẩm tăng cao 66.11% so với mẫu đối chứng trình xử lý siêu âm thực công suất 20W/mL thời gian 63 giây Các nghiên cứu phân tích chuyên sâu cấu trúc enzyme IR, NMR CD cần thực để làm sang tỏ chế tác động sóng siêu âm đến hoạt tính cấu trúc phân tử protein enzyme chế phẩm khảo sát Lời cám ơn: Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh) đề tài mã số T-KTHH-2012-48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bradford MM (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding Anal Biochem 72: 248-254 Chandrapala J, Oliver C, Kentish S, Ashokkumar M (2012) Ultrasonics in food processing Ultrasonics Sonochemistry 19 (5): 975– 983 Ku HK, Lim HM , Oh KH, Yang HJ, Jeong JS, Kim SK (2013) Interpretation of protein quantitation using the Bradford assay: Comparison with two calculation models Anal Biochem 434 (1): 178-180 Laemmli UK (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4 Nature 227: 680–685 Lu Y, Ding Y, Wu Q (2011) Simultaneous saccharification of cassava starch and fermentation of algae for biodiesel production J Appl Phycol 23: 115–121 Miller GL (1959) Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar Anal Chem 31: 426–428 Nitayavardhana S, Shrestha M, Rasmussen BP, Lamsal J, Van Leeuwen, Khanal SK (2010) Ultrasound improved ethanol fermentation from cassava chips in cassava based ethanol plants Bioresour Technol10 (8): 2741 - 2747 Wang Z, Lin X, Li P, Zhang J, Wang S, Ma H (2012) Effects of low intensity ultrasound on cellulase pretreatment Bioresour Technol 117: 222–227 Yu ZL, Zeng WC, Lu XL (2013) Influence of ultrasound to the activity of tyrosinase Ultrasonics Sonochem 20: 805–809 EFFECTS OF ULTRASOUND ON THE CATALYTIC ACTIVITY OF GLUCOAMYLASE PREPARATION UNDER UNCONTROLLED TEMPERATURE CONDITION Tran Thi Thu Tra, Bui Phuong Lan, Tran Le Hong Ngoc, Le Van Viet Man Department of Food Technology, Ho Chi Minh City University of Technology SUMMARY In this research, the effects of ultrasound on glucoamylase activity of Dextrozyme GA preparation were investigated The enzyme preparation diluted with citrate – phosphate buffer (pH 4.5) to achieve the protein concentration of 160.64 ±2.74 mg /mL was used for ultrasonic treatment The sonication power and time were changed from 10 to 30W/mL and to 300s, respectively Response surface methodology was applied to maximize the glucoamylase activity of the preparation The highest glucoamylase activity was achieved when the enzyme solution was sonicated at 20 W/mL for 63 sec, under which the total enzyme activity was increased by 66.11% over the control The obtained result seemed potential for industrial application for reduction in production cost 34 35 EFFECT OF ULTRASONIC TREATMENT ON STARCH GELATINIZATION OF RICE SLURRIES Tran Thi Thu Tra*, Le Phu Quoc Bao, Nguyen Hoang Minh, Le Van Viet Man Department of Food Technology, Ho Chi Minh City University of Technology Email: ttttra@hcmut.edu.vn Đến Tòa soạn ngày: XX XX 2013 ABSTRACT The effects of ultrasonic treatment on starch gelatinization of rice slurries (12% w/v) were investigated Rice slurry was sonicated by a horn type ultrasonic probe at a frequency of 20 kHz The viscosity of the rice slurry sonicated at the pasting temperature (700C) was 12% lower than that treated at the peak temperature (900C) Increase in sonication power from 2.5 to 7.5 W/g of flour and in sonication time from to linearly augmented the level of soluble starch in the rice slurry Thus, Application of sonication to rice slurry treatment was potential for release of soluble starch from starch granule during the gelatinization Keyword: Ultrasound treatment, Gelatinization, Rice slurry INTRODUCTION Starch has been a conventional raw material for production of glucose, fructose or maltose syrups which have been widely used in food industry In addition, the sugars produced can beconverted into different metabolic products in fermentation industry In starch granules, the molecules are densely packed, composed of alternating amorphous and crystalline lamellae with inter and intramolecular bonds In starch hydrolysis, starch slurry is gelatinized when it is heated up to a temperature of 900C so as to open the crystalline structure for the enzyme action in liquefaction and saccharification steps The whole process requires a high-energy input, thus increasing the production cost of starch-based products Recently, the ultrasonic treatment of starch slurry has attracted great attention due to energy savings and reduction in hydrolysis time [1] Iida et al (2008) showed that power ultrasound effectively decreased the viscosity of slurry of many kinds of starches (corn, potato, tapioca, and sweet potato) after gelatinization [2] However, the application of ultrasound to the gelatinization of rice slurry has not been considered The objective of this study was to investigate the effects of sonication treatment during the gelatinization on the soluble starch level in rice slurry 2.1 MATERIALS AND METHODS Materials 36 Rice flour passed through a 70 - mesh screen was provided by BinhTay Liquor Joint Stock Company (Vietnam) Chemical composition (% w/w) of the rice flour was as follows: 77.6% starch, 0.22% reducing sugars, 6.3% protein, 0.5% crude fibre, 0.3% crude ash 2.2 Experimental methods Rice flour and water was mixed with the ratio of 12:100 (w/v) The 500mL slurry samples were heated at a rate of 20C/min from 300C to 900C in a thermostatic water bath (Memmert, Germany) for starch gelatinization During the heating, the samples were sonicated with a horn type ultrasonic probe with frequency of 20 kHz (Sonics & Materials Inc, USA) The samples were then kept at 900C for 60 for complete gelatinization The control samples were not treated with ultrasound but heated with the similar temperature diagram of the sonicated samples Selection of moment of application of ultrasound to the rice slurry treatment: During the heating of rice slurry from 30oC to 90oC, the viscosity was measured for determination of the pasting and peak temperature of rice starch Based on the results obtained, the samples were sonicated at the pasting and peak temperature of gelatinization The ultrasonic power and treatment time were fixed at 2.5W/g of flour and min, respectively At the end of starch gelatinization, the viscosity of the sonicated and control samples were quantified Effects of sonication power on soluble starch level: The ultrasonic power was varied: 2.5, 3.75, 5, 6.25, 7.5W/g of flour The sonication time was fixed at minutes At the end of starch gelatinization, soluble starch level (SSL) of the sonicated and unsonicated samples were determined Effects of sonication time on soluble starch level: the sonication time was changed from to The ultrasonic power and temperature were fixed at 7.5W/g of flour and 70oC, respectively At the end of starch gelatinization, soluble starch level (SSL) of the sonicated and unsonicated samples were measured 2.3 Analytical methods Viscosity was measured by Brookfield viscometer To compare the viscosity of the sonicated sample (µUT) and the unsonicated sample (µNUT), viscosity reduction (%) was calculated as follow: (µNUT – µUT).100/µNUT; [3] Soluble starch: The analytical samples were centrifuged at 3,000g for 10 min; the Supernatant was separated and analyzed for soluble starch concentration using a method proposed by Fuwa (1954) [7] To compare the soluble starch level of the sonicated sample (SSLUT) and the unsonicated sample (SSLNT), the increase in soluble starch level (%) was calculated as follow ISS = (SSLUT –SSLNT).100/SSLNT; [5] Ultrasonic energy for g of soluble starch released in the rice slurry during starch gelatinization was calculated by method proposed Montalbo-Lomboy (2010); [5] 2.4 Statistical analysis All experiments were performed in triplicate The experimental results were expressed as means ± SD Mean values were considered significantly different when P < 0.05 Analysis of variance was performed using the software Statgraphics Plus, version 3.0 37 RESULTS AND DISCUSSION 3.1 Selection of moment of application of ultrasound to the rice slurry treatment Figure shows that the pasting and peak temperature of this rice slurry were 700C and 900C, respectively The peak viscosity was 472 times higher than the pasting viscosity The peak viscosity obtained in this research was 50% lower than that in the study of Vettorazzi (1996) who investigated rice samples originated from the United States [6] Sonication of the rice slurry during the heating significantly reduced the viscosity of the investigated samples (Fig 2) It can be noted that high reduction in viscosity was observed for the treatment at the pasting temperature When the sample was ultrasonically treated at the peak temperature, the viscosity reduction was 12% less than that at 700C 15000 Viscosity Reduction (%) 20000 Viscosity (cP) 25 Peak viscosity [Y VALUE] cP 25000 Pasting viscosity [Y VALUE] cP 10000 5000 20 19.58 15 10 7.39 0 65 70 75 80 85 Temperature (oC) 90 95 Figure Relationships between temperature and viscosity of 12% (w/v) rice slurry Sonication at the pasting Sonication temperature at the peak temper Figure Effect of moment of sonication on the viscosity reduction after gelatinization Ultrasonic waves propagated into liquid media resulted in cavitation [4] The implosive collapse of the bubbles could locally produce strong hydrodynamic shear forces in the aqueous phase and extreme temperatures and pressures As a result, the shear forces facilitated the disintegration of coarse particles in the rice slurry into fine particles This phenomenon resulted in intensive rupture of flour granules and that reduced the viscosity and increased the soluble starch of the slurries [3] When the sample was ultrasonically treated at the peak temperature, high viscosity of starch slurry reduced cavitation Consequently, the breakdown of starch granules was prevented It can concluded that sonication of rice slurry should be performed at the pasting temperature of 700C 3.2 Effect of sonication power on the soluble starch level The effects of sonication power on the level of soluble starch are presented in Figure When the ultrasonic power was increased from 2.5 to 7.5 W/g of flour, the level of soluble starch augmented from 19.6 to 42.3% in comparison with that in the unsonicated sample Iida (2008) proved that high ultrasonic power produced strong cavitation and that led to a more damage of starch granules in the slurry [3] The relationship between the sonication power from 2.5 to 7.5 W/g of flour and the level of soluble starch released in the rice slurry was linear and could be expressed by Equation (1) At the sonication power of 7.5 W/g of 38 flour, the energy consumption for ultrasonic treatment was 52.6 J for 1g of soluble starch released According to Hasjim (2013), the energy consumption for 1g of soluble starch released during starch gelatinization in the conventional heating method was 51.3 J for 1g of soluble starch released [2] It can be concluded that the appropriate sonication power applied to rice slurry treatment was 7.5W/ g of flour 35 30 25 20 SSL (g/L) 15 ISS = 5.51.P + 3.07 (Equation 2) R² = 0.9758 SSL (g/L) ISS (%) 30 25 20 15 Sonication Power (W/g Flour) Figure Effect of sonication power (W/g of flour) on soluble starch release in the rice slurries during starch gelatinization 3.3 35 40 10 0 45 ISS = 8.78.t - 2.54 (Equation 4) R² = 0.9861 SSL (g/L) 0 Sonication time (min) ISS (%) 40 ISS (%) SSL = 0.528.t + 5.857 (Equation 3) R² = 0.9861 45 SSL (g/L) SSL= 0.331.P + 6.193 (Equation 1) R² = 0.9758 10 ISS (%) 5 Figure 4: Effect of sonication time (minute) on soluble starch release in the rice slurries during starch gelatinization Effects of sonication time on the soluble starch level Figure demonstrates the impacts of sonication time on the change of soluble starch level in the rice slurry At the ultrasonic power of 7.5 W/g of flour, when the sonication time prolonged from to min, the soluble starch level increased from 2.97 to 42.29% in comparison with that in the unsonicated sample The correlation between the sonication time and the SSL was also linear (equation 3) It was reported that the long sonication time resulted in high total energy of ultrasound applied to the sample Therefore, the number of broken coarse particles in the rice slurry was increased This phenomenon facilitated the release of starch molecules from the starch granules., Similar observation was previously mentioned by Iida et al (2008), who carried out the gelatinization of different kinds of starch (waxy maize, potato, tapioca); High level of soluble starch release would enhance sugar yield and shorten the time of starch hydrolysis [3] It can be noted that at the sonication time of min, the energy consumption in the ultrasonic treatment was similar to that in the conventional heating method As a result, was selected as suitable treatment time for rice slurries CONCLUSIONS Sonication of rice slurry at the pasting temperature significantly facilitated starch gelatinization Increase in sonication power from 2.5 to 7.5 W/g of flour and in sonication time from to linearly augmented the level of soluble starch in the rice slurry and that would improve the starch 39 hydrolysis yield Application of ultrasound to rice slurry treatment during starch gelatinization was very potential in the production of starch hydrolyzates Acknowledgments This research is funded by Ho Chi Minh City University of Technology under grant number TKTHH-2012-48 The authors would like to thank the “BinhTay Liquor Joint Stock Company” management and technical staff for spiritual and material support REFERENCES Eliasson A.C., Starch in food: structure, function and applications, Wood head Pub., 2004, 605 pages Hasjim J., Li E., Dhital S., Milling of rice grains: Effects of starch/flour structures on gelatinization and pasting properties, Carbohydrate Polymers 92, 2013, 682– 690 Iida Y., Tuziuti T., Yasui K., Towata A and Kozuka T., Control of soluble starch level in starch and polysaccharide solutions with ultrasound after gelatinization, Innovative Food Science & Emerging Technologies, (2), 2008, 140–146 Mason T J and Lorimer J P., Applied Sonochemistry: Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing, Wiley-VCH, 2002, p 314 Montalbo-Lomboy M., Johnson L., Khanal S K.,LeeuwenJ., Grewell D., Sonication of sugary-2 corn: A potential pretreatment to enhance sugar release, Bioresource Technology 101, 2010, 351–358 Vettorazzi C., Solomons N.W., Brown K.H and Shoemaker C., Amylase-treated rice flour oral rehydration solution with enhanced energy density I In vitro studies of viscosity, osmolality, and stability, Food and Nutrition Bulletin, 17 (2), 1996, online Xiao Z., Storms R., Tsang A., A quantitative starch–iodine method for measuring alpha-amylase and glucoamylase activities, Anal Biochem., 351(1), 2006, 146–148 TÓM TẮT ẢNH HƯỞNG CỦA SĨNG SIÊU ÂM LÊN Q TRÌNH HỒ HÓA BỘT GẠO Trần Thị Thu Trà*, Lê Phú Quốc Bảo, Nguyễn Hồng Minh, Lê Văn Việt Mẫn Bộ mơn Công nghệ Thực Phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hồ Chí Minh Bài báo khảo sát ảnh hưởng sóng siêu âm lên q trình hồ hóa tinh bột gạo Huyền phù bột gạo có hàm lượng12% (khối lượng/thể tích) xử lý siêu âm có tần số 20 kHz Thay đổi nhiệt độ (tại nhiệt độ bắt đầu hồ hoá nhiệt độ đạt đỉnh nhớt), công suất siêu âm từ 2,5 đến 7,5 W/ g bột thời gian siêu âm từ đến phút Kết cho thấy mẫu xử lý siêu âm nhiệt độ bắt đầu hồ hố (700C) có tác dụng làm giảm độ nhớt tốt 12% so với mẫu xử lý đỉnh nhớt (900C) Ở 700C, lượng tinh bột hoà tan mẫu tăng tuyến tính với cơng suất thời gian siêu âm Do đó, ứng dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu giải phóng tinh bột hồ tan q trình hồ hố bột gạo Từ khóa: Xử lý siêu âm, hồ hố, hồ bột gạo 40 ... nhi? ?t độ b? ?t đầu trình siêu âm TN2: T? ?? lệ b? ?t: nước (nồng độ b? ?t gạo) thay đổi khoảng 15 – 33% TN3: Cơng su? ?t sóng siêu âm (t? ?nh theo đơn vị W/g b? ?t gạo) TN4: Thời gian t? ?c động sóng siêu âm: ... gian siêu âm đến hiệu q trình hồ hố b? ?t gạo trình bày Hình Với cơng su? ?t siêu âm 7.5W/g b? ?t, thời gian sóng siêu âm t? ?c động t? ?ng t? ?? lên ph? ?t, hiệu t? ?ng hàm lượng tinh b? ?t hoà tan mẫu t? ?ng t? ?? 17.85... siêu âm Vì ứng dụng sóng siêu âm có ý nghĩa thực tiễn quy trình sản xu? ?t ethanol t? ?? gạo K? ?t luận kiến nghị 5.1 K? ?t luận ” Sau thời gian thực đề t? ?i, nhóm nghiên cứu chúng t? ?i đ? ?t k? ?t sau: - Sóng