Nghiên cứu điều kiện thủy phân tinh bột sống từ bột sắn và khoai lang bằng enzyme

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN ĐỨC CƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN TINH BỘT SỐNG TỪ BỘT SẮN VÀ KHOAI LANG BẰNG ENZYME LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN ĐỨC CƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN TINH BỘT SỐNG TỪ BỘT SẮN VÀ KHOAI LANG BẰNG ENZYME LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Tiến Cường Hà Nội - 2018 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện thủy phân tinh bột sống từ bột sắn khoai lang enzyme" Tác giả luận văn: Trần Đức Cường Khóa: 2016B Người hướng dẫn: TS Nguyễn Tiến Cường Từ khóa (Keyword): Tinh bột sống, Stargen 002, bột sắn, bột khoai lang, enzyme, điều kiện thủy phân Ở Việt Nam, loại củ, ví dụ sắn hay khoai lang, nguyên liệu đầu vào phù hợp nhiều lợi dễ trồng loại đất điều kiện khí hậu khác nhau; chi phí sản xuất thấp, giá thành rẻ; nguồn cung dồi năm (dạng tươi khô); hàm lượng tinh bột cao; tận dụng phụ phẩm cho ngành công nghệ khác Trước thực trạng tiềm ngành sắn khoai lang Việt Nam, phát triển sản phẩm giá trị cao từ hai loại củ này, đóng góp sản phẩm cho xã hội, thúc đẩy hỗ trợ hiệu cho doanh nghiệp vừa nhỏ nước, đồng thời giúp tạo đầu vững cho nguồn nguyên liệu nhu cầu cấp thiết Bằng phương pháp sử dụng enzyme Stargen 002 thủy phân bột sắn khoai lang tạo thành sản phẩm đường có giá trị gia tăng, có khả ứng dụng cao Nghiên cứu tập trung khảo sát ảnh hưởng số điều kiện thủy phân tới trình thủy phân tinh bột sống nhằm tìm điều kiện thích hợp để cải thiện hiệu suất thu hồi sản phẩm Kết xác định ảnh hưởng đến cấu trúc tinh bột theo thời gian thủy phân thông qua chiều dài mạc trung bình giảm dần theo thời gian thủy phân (trong sắn thủy phân dễ dàng khoai lang); độ kết tinh hạt tinh bột sắn khoai lang khơng có thay đổi theo thời gian thủy phân; số lượng hạt tinh bột có kích thước nhỏ giảm dần số lượng hạt tinh bột có kích thước lớn tăng dần theo thời gian thủy phân Ngồi ra, chúng tơi xác định ảnh hưởng điều kiện thủy phân lên hiệu suất thủy phân thông qua kết sau thủy phân thu hiệu suất cao thủy phân nồng độ chất khô 10% nhiệt độ 50OC (= 97,51% với sắn 93,34% với khoai lang), thấp thủy phân nồng độ chất khô 30% nhiệt độ 30OC (= 49,71% với sắn 47,77% với khoai lang) Như vậy, với mục tiêu tận dụng nhiệt độ thấp sử dụng nồng độ chất cao, thủy phân tinh bột thu sản phẩm đường có khả lên men, ứng dụng vào sản phẩm thực phẩm, đem lại giá trị kinh tế cao, tạo thuận lợi cho việc áp dụng quy trình vào ngành cơng nghiệp sinh học thực phẩm LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG LỜI CẢM ƠN Tôi thực luận văn phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm – Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sau thời gian làm việc, luận văn hoàn thành với ủng hộ giúp đỡ nhiều người Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Tiến Cường, người thầy trực tiếp bảo, hướng dẫn, giúp đỡ suốt q trình thực luận văn Từ giúp tơi trưởng thành suốt q trình học tập, nghiên cứu thêm chắn q trình cơng tác sau Tơi xin chân thành cảm ơn PGS Lương Hồng Nga, Th.S Nguyễn Thị Hồi Đức phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ thực phẩm tạo điều kiện giúp đỡ phương pháp thí nghiệm sở vật chất cho suốt thời gian thực đề tài Đồng thời, xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm – Đại học Bách Khoa Hà Nội hết lòng bảo giúp đỡ thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ln bên cạnh động viên, khích lệ tinh thần suốt thời gian học tập làm việc vừa qua Trong luận văn này, mặc dù cố gắng tránh lỗi sai thiếu sót Kính mong thầy bạn đọc góp ý chân thành để luận tơi hồn thiện Tôi xin chân thành cám ơn! Hà Nội, Ngày 25 tháng 10 năm 2018 Học viên thực Trần Đức Cường LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .0 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU .7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đường glucose 1.1.1 Glucose 1.1.2 Quá trình sản xuất glucose hành từ tinh bột 10 1.2 Quá trình thủy phân tinh bột nhiệt độ hồ hóa 12 1.2.1 Tinh bột 12 1.2.2 Quá trình thủy phân tinh bột nhiệt độ hồ hóa 14 1.3 Sắn khoai lang 16 1.3.1 Sắn 16 1.3.2 Khoai lang .19 1.4 Các nghiên cứu trình thủy phân tinh bột chưa hồ hóa 22 1.5 Mục tiêu nghiên cứu .24 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 Vật liệu nghiên cứu 25 2.1.1 Bột sắn, khoai lang 25 2.1.2 Enzyme .25 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG 2.1.3 Hóa chất 25 2.1.4 Thiết bị .25 Phương pháp nghiên cứu .26 2.2 2.2.1 Xác định độ ẩm bột nguyên liệu 26 2.2.2 Phương pháp xác định độ tro 26 2.2.3 Phương pháp xác định độ xơ 27 2.2.4 Xác định hàm lượng protein theo phương pháp Kjeldahl 27 2.2.5 Xác định hàm lượng tinh bột 28 2.2.6 Xác định hàm lượng đường khử 29 2.2.9 Xác định độ kết tinh phương pháp X-Rays 30 2.2.10 Xác định chiều dài mạch trung bình (DP) .31 2.2.11 Xác định kích thước hạt tán xạ laser (DLS) 33 2.3 Bố trí thí nghiệm 34 2.3.1 Ảnh hưởng trình thủy phân tới cấu trúc tinh bột 35 2.3.2 Ảnh hưởng điều kiện thủy phân lên hiệu suất thủy phân .35 2.3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ tới trình thủy phân .35 2.3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ chất khơ tới q trình thủy phân .35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Thành phần nguyên liệu 36 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình thủy phân tới cấu trúc tinh bột 37 3.2.1 Sự ảnh hưởng tới chiều dài mạch trung bình (DP) 37 3.2.2 Sự ảnh hưởng tới độ kết tinh (crystallinity) 38 LUẬN VĂN THẠC SĨ 3.2.3 TRẦN ĐỨC CƯỜNG Sự thay đổi kích thước hình dạng hạt bột theo thời gian thủy phân 39 3.3 Ảnh hưởng điều kiện thủy phân lên hiệu suất thủy phân 42 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ 42 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ chất khô 45 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 4.1 Kết luận 50 4.2 Kiến nghị 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .51 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc khơng gian glucose Hình 2: Sơ đồ quy trình sản xuất đường glucose từ tinh bột 11 Hình 1.3: Cấu tạo hóa học tinh bột 13 Hình 4: Cấu trúc Amylose Amylopectin 14 Hình 1.5: Hình ảnh tinh bột ngơ q trình thủy phân khơng gia nhiệt 16 Hình 1.6: Sắn bột sắn 17 Hình 1.7: Hình dạng tinh bột sắn 19 Hình 1.8: Khoai lang bột khoai lang 20 Hình 2.1: Nguyên tắc xác định độ phân bố kích thước hạt bột 34 Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 34 Hình 1: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt q trình thủy phân bột sắn 40 Hình 3.2: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt trình thủy phân bột khoai lang 41 Hình 3: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt quan sát kính hiển vi 42 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình thủy phân bột sắn 44 Hình 3.5: Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình thủy phân bột khoai lang 45 Hình 3.6: Ảnh hưởng nồng độ chất khô đến hiệu suất thủy phân bột sắn 46 Hình 3.7: Ảnh hưởng nồng độ chất khô đến hiệu suất thủy phân bột khoai lang (ở nhiệt độ 50℃) 46 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số tiêu chất lượng sản phẩm đường glucose 11 Bảng 1.2: Thành phần hóa học tính 100g bột sắn 18 Bảng 1.3: Đặc điểm tinh bột sắn 19 Bảng 4: Một số nghiên cứu tác giả thủy phân tinh bột sống 22 Bảng 3.1: Thành phần ban đầu nguyên liệu bột sắn, khoai lang 36 Bảng 2: Chiều dài mạch theo thời gian thủy phân bột sắn khoai lang 37 Bảng 3.3: Độ kết tinh (%) theo thời gian thủy phân tinh bột sắn khoai lang 38 Bảng 4: Ảnh hưởng nồng độ chất nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân bột sắn 48 Bảng 5: Ảnh hưởng nồng độ chất nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân bột khoai lang 48 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG LỜI MỞ ĐẦU Việc chuyển hóa tinh bột thành sản phẩm giá trị gia tăng (như đường, cồn….) thực từ nhiều kỷ Trong năm gần đây, ngành công nghiệp tập trung vào việc thực biện pháp cắt giảm chi phí để trì lợi nhuận thời kỳ suy thoái kinh tế Một biện pháp hữu hiệu đưa tiến hành phản ứng nồng độ chất khô cao nhiệt độ thấp Công nghệ áp dụng phổ biến cho loại hạt cho loại củ mà ngun liệu từ củ ln có nguồn cung dồi tác động đến an ninh lương thực Ở Việt Nam, loại củ, ví dụ sắn hay khoai lang, nguyên liệu đầu vào phù hợp nhiều lợi dễ trồng loại đất điều kiện khí hậu khác nhau; chi phí sản xuất thấp, giá thành rẻ; nguồn cung dồi năm (dạng tươi khô); hàm lượng tinh bột cao; tận dụng phụ phẩm cho ngành cơng nghệ khác Ước tính sản lượng sắn nước năm 2015 đạt 10,7 triệu tấn, tăng 4,64% so với năm 2014 Việt Nam nước xuất lớn thứ hai sắn (sắn lát tinh bột), sau Thái Lan Bên cạnh sắn, khoai lang trọng canh tác hầu hết vùng Bộ Nông Nghiệp Phát Triển Nơng Thơn ước tính sản lượng khoai lang nước năm 2015 đạt 1,45 triệu tấn, tăng 3,5% so với năm 2014 Khoai lang chủ yếu trồng để lấy củ dùng làm thức ăn cho người Trước thực trạng tiềm ngành sắn khoai lang Việt Nam, phát triển sản phẩm giá trị cao từ hai loại củ này, đóng góp sản phẩm cho xã hội, thúc đẩy hỗ trợ hiệu cho doanh nghiệp vừa nhỏ nước, đồng thời giúp tạo đầu vững cho nguồn nguyên liệu nhu cầu cấp thiết Tóm lại nghiên cứu trước Việt Nam quốc tế đề cập đến nguồn nguyên liệu từ củ; ảnh hưởng nồng độ chất khô cao đến biến đổi động học đặc biệt đại lượng hóa lý đặc tính lưu biến, kích thước hạt còn đề cập; việc kiểm sốt động học q trình thủy phân hạn chế; việc ức chế ngược sản phẩm tạo gần chưa nghiên cứu đến Với mục tiêu tận dụng triệt để hai ưu điểm lớn quy trình tiêu thụ lượng (thủy phân nhiệt độ thấp) nồng độ chất sử dụng cao; nhằm cải thiện hiệu suất thu hồi sản phẩm, tạo thuận lợi cho việc ứng dụng quy trình vào ngành cơng nghiệp sinh học thực phẩm, đề tài tập trung nghiên cứu “Nghiên cứu điều kiện thủy phân tinh bột sống từ bột sắn khoai lang enzyme” LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG Kết nghiên cứu phù hợp tương đồng với kết nghiên cứu trước (Rocha et al., 2009; Shrestha et al., 2012) Theo báo cáo Shrestha, tác giả thực đo độ kết tinh mẫu tinh bột ngô khác bao gồm: Ngô thường (độ ẩm: 11,9%; hàm lượng amylose: 27,1%), Gelose 50 (độ ẩm: 12,3%; hàm lượng amylose: 57,5%) Gelose 80 (độ ẩm: 13,2%; hàm lượng 83,6%) tiền xử lý enzyme α-amylase sau thủy phân glucoamylase Từ kết phân tích được, ta nhận thấy thay đổi khác độ kết tinh mẫu ngô qua giai đoạn thời gian thủy phân có phần mạnh mẽ so với nghiên cứu bảng 3.7, nhiên coi thay đổi không đáng kể Ngô thường (30-34,5%) giống ngơ Gelose 50 (25,2-30,5%) có thay đổi tỉ lệ tương đường giống ngô Gelose 80 có thay đổi thấp chút từ 21,7% tới 24,1% Ta kết luận trường hợp tương tự enzyme công vào vùng kết tinh vô định hình hạt tinh bột loại ngơ Tuy nhiên, kết biến đổi độ kết tinh trình thủy phân còn có kết báo cáo trái chiều Uthomporn et al., 2010 quan sát thấy độ kết tinh tăng nhẹ trình thủy phân tinh bột sắn chứng tỏ vùng vơ định hình tinh bột bị phân cách mạnh mẽ nên làm tăng độ kết tinh chung hạt 3.2.3 Sự thay đổi kích thước hình dạng hạt bột theo thời gian thủy phân Sự thay đổi phân bố kích thước hạt bột trình thủy phân thể hình 3.1 với sắn 3.2 với khoai lang 39 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG Phần trăm thể tích (%) 0h 5h 24h 48h 0.1 100 10 Đường kính hạt bột (µm) 1000 10000 Hình 1: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt trình thủy phân bột sắn Từ hình 3.1, ta nhận thấy phân bố kích thước hạt bột sắn thời điểm 0h chia thành nhóm: Nhóm hạt nhỏ có kích thước 1-5 µm, nhóm hạt vừa có kích thước 10-50 µm nhóm hạt lớn có kích thước 50-500 µm Trong q trình thủy phân nhóm hạt nhỏ 1-5 µm có thay đổi Tuy nhiên hai nhóm cịn lại có biến đổi mạnh mẽ Trong nhóm hạt vừa 10-50 µm giảm dần theo thời gian thủy phân nhóm hạt có kích thước lớn 50-500 µm lại có xu hướng tăng dần theo thời gian thủy phân 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG Phần trăm thể tích (%) 0h 5h 24h 48h 0.1 100 10 Đường kính hạt bột (µm) 1000 10000 Hình 3.2: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt q trình thủy phân bột khoai lang Các biến đổi tương tự quan sát thấy với chất bột khoai lang (Hình 3.2) Nhóm hạt nhỏ 1-5µm có biến động tỷ lệ trình thủy phân, hạt vừa với kích thước 10-50µm lại giảm mạnh sau 24h thủy phân, bên cạnh tăng mạnh nhóm hạt với kích thước lớn 50-1000µm quan sát thấy rõ ràng từ sau 24h thủy phân Sự thay đổi tỉ lệ nhóm hạt bột rong suốt q trình thủy phân giải thích thơng qua tượng: + Các hạt tinh bột nhỏ bị enzyme thủy phân dần theo thời gian + Các hạt bột lớn bị phân cắt thành hạt bột nhỏ + Các hạt tinh bột lớn mở rộng kích thước enzyme thủy phân công vào chất tạo lỗ hổng + Các hạt bột hút nước trương phồng làm tăng kích thước vốn có Các nhận định làm rõ thông qua kết quan sát kính hiển vi hình 3.3 hình dạng hạt bột trình thủy phân 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG O O Sắn 50 C – 0h Sắn 50 C – 24h O O Khoai lang 50 C - 24h Khoai lang 50 C - 0h Hình 3: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt quan sát kính hiển vi Theo quan sát thị kính hiển vi, ta nhận thấy kích thước hạt bột có kích thước lớn tăng dần mật độ lên sau 24h thủy phân đồng thời hạt bột có kích thước nhỏ bị thủy phân hoàn toàn dẫn đến giảm mật độ đáng kể 3.3 Ảnh hưởng điều kiện thủy phân lên hiệu suất thủy phân 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ Quá trình thủy phân khống chế nhiệt độ nhiệt độ hồ hóa tinh bột sắn khoai lang (dưới 60°C) để tiết kiệm chi phí lượng, thiết bị giảm ảnh hưởng nhiệt độ đến thành phần không tham gia thủy phân Bột sắn, khoai lang chuẩn bị dung dịch đệm axetat pH = 4.2 nồng độ 20% w/w chất khô tiến hành thủy phân nhiệt độ khác Mẫu lấy thời điểm 0, 3, 6, 9, 12, 24, 48, 72, 96, 120, 144h, vô hoạt enzyme dung dịch KOH 2.5N Xác định hàm lượng đường khử phương pháp DNS từ tính hiệu suất q 42 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG trình Ảnh hưởng mức nhiệt độ khác 30, 40, 50, 55°C đến lượng đường khử tạo thành hiệu suất thủy phân trình bày hình 3.4 với sắn 3.5 với khoai lang Qua đồ thị ta thấy ảnh hưởng rõ ràng nhiệt độ lên trình thủy phân Khi nhiệt độ tăng kéo theo tăng nhanh hàm lượng đường khử tạo thành Ở 12h đầu trình, lượng đường khử tạo thành khơng có khác biệt nhiều điều kiện thủy phân, nhiên, ảnh hưởng nhiệt độ quan sát thấy rõ ràng giai đoạn sau trình Tại 72h, lượng đường khử sinh điều kiện 50 55°C đạt gấp đôi lượng đường khử sinh 30°C Khi nhiệt độ tăng lên tới 55OC, hiệu suất thủy phân tinh bột sắn lẫn khoai lang tăng lên đáng kể (sắn đạt 91%, khoai lang đạt 89%), ngồi cịn rút ngắn thời gian thủy phân từ 144h xuống 72h Việc tăng nhiệt độ không làm tăng hiệu suất mà làm rút ngắn thời gian thủy phân Hiệu suất cực đại tiến hành 50 hay 55°C đạt sau 72h số dao động từ 96 – 144h với điều kiện thủy phân 40 30°C Kết khả quan so sánh với nghiên cứu trước Cụ thể: Ở 30°C, nghiên cứu trình thủy phân tinh bột ngô tiểu hắc mạch 30% w/w với enzyme Stargen 002, sau 96h, (Li 2012) đưa kết quả: hiệu suất thủy phân đạt 64% tiểu hắc mạch 60% ngô Hay Sarian 2012 nghiên cứu trình thủy phân tinh bột khoai tây 5% w/v, 37°C với dịch chiết từ Mycobacterium aurum B8.A sau 148h cho hiệu suất thủy phân đạt khoảng 50% Quá trình thủy phân tinh bột khoai lang sắn nói riêng loại tinh bột khác nhiệt độ nhiệt độ hồ hóa cho hiệu suất thấp (thường 90% tính theo hàm lượng đường khử tạo thành) q trình thủy phân có giai đoạn dịch hóa (95 - 100°C) đường hóa (60 - 65°C) đạt hiệu suất khoảng 90 – 95% Nguyên nhân giả thuyết do, chưa hồ hóa, tinh bột tồn dạng có cấu trúc bán tinh thể Các hạt tinh bột không tan nước bền vững với nhiều hợp chất hóa học enzyme Thủy phân tinh bột nhiệt độ hồ hóa q trình thủy phân tinh bột tác dụng enzyme mà hạt tinh bột không tan nước nên enzyme phải hoạt động pha rắn làm cản trở hấp phụ enzyme lên bề mặt chất từ hạn chế trình xúc tác thủy enzyme chất dẫn đến làm giảm hiệu suất thủy phân Ở nhiệt độ 50 55°C nhiệt độ gần với nhiệt độ hồ hóa tinh bột khoai lang sắn nhất, hạt tinh bột hấp phụ lượng nước trương nở phần, cấu trúc bề mặt hạt trở nên lỏng lẻo, vùng vô 43 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG định hình mở rộng làm cho enzyme dễ công vào chất từ vừa làm tăng hiệu suất vừa làm rút ngắn thời gian thủy phân Khi so sánh hiệu suất thủy phân 50 55°C nhận thấy khác biệt hiệu suất thủy phân khơng đáng kể Vì để vừa tiết kiệm chi phí lượng vừa đảm bảo hiệu thủy phân 50°C nhiệt độ chọn cho thí nghiệm 100 Hiệu suất % 80 60 40 20 30độ 40 độ 50 độ 55 độ 0 30 60 Thời gian (h) 90 120 150 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình thủy phân bột sắn (ở 20% nồng độ chất khô) 44 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG 100 Hiệu suất (%) 80 60 40 20 30 độ 40 độ 50 độ 55 độ 0 30 60 90 Thời gian (h) 120 150 Hình 3.5: Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình thủy phân bột khoai lang (ở 20% nồng độ chất khô) 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ chất khô Sau xác định ảnh hưởng nhiệt độ, thí nghiệm tiến hành 50°C với nồng độ chất tương ứng với mức loãng, trung bình nồng độ chất khơ cao (10, 20 30% w/w chất khô) Hiệu suất thủy phân nồng độ chất khác biểu diễn hình 3.6 với sắn 3.7 với khoai lang đây: 45 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG Hình 3.6: Ảnh hưởng nồng độ chất khơ đến hiệu suất thủy phân bột sắn (ở nhiệt độ 50℃) Hình 3.7: Ảnh hưởng nồng độ chất khơ đến hiệu suất thủy phân bột khoai lang (ở nhiệt độ 50℃) Từ đồ thị cho thấy, nồng độ chất khô khác nhau, hiệu suất thủy phân tăng dần theo thời gian nồng độ chất khơ lỗng cho hiệu suất thủy phân cao (>90%) giảm dần tăng nồng độ chất khô Quan sát trình nhận thấy 46 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG hiệu thủy phân khơng có khác biệt điều kiện khoảng 10h đầu trình Tuy nhiên, ảnh hưởng nồng độ chất quan sát thấy rõ sau giai đoạn Nồng độ chất khơ lỗng cho hiệu suất thu hồi cao hẳn điều kiện nồng độ chất khơ trung bình cao Việc tăng nồng độ chất khô từ 10 lên 30% làm giảm hiệu suất khoảng 20% Kết phù hợp với nghiên cứu trước ảnh hưởng nồng độ chất đến hiệu suất thủy phân Sự giảm hiệu suất trước hết tương tác hạt với hạt làm giảm khả khuếch tán enzyme vào chất ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt, chuyển khối; sau việc nồng độ chất cao làm thừa chất, dẫn đến bắt cặp sai enzyme với chất tạo phức khơng có khả phân ly tạo sản phẩm từ làm giảm lực enzyme chất Hơn nữa, nồng độ chất cao, độ nhớt dung dịch tăng lên, không gian hạt tinh bột bị co lại, tỷ lệ trương nở giảm làm giảm khả tiếp xúc enzyme với chất, từ làm giảm hiệu suất trình Tuy nhiên, nồng độ 30% w/w chất khơ, hiệu suất thủy phân dừng lại khoảng 70% chấp nhận tính tốn đến lượng đường tuyệt đối thu hiệu thu hồi trình Hiệu suất tương đối khả quan so sánh với nghiên cứu trước * Từ kết thu thông qua số thí nghiệm trình bày trên, chúng tơi tiếp tục tiến hành tương tự điều kiện thủy phân lại để đối chiếu chứng minh giả thuyết nêu Với bột sắn khoai lang nồng độ chất: 10%, 20% 30% nhiệt độ thủy phân: 30, 40, 50OC; tiến hành loạt thí nghiệm thu kết bảng 3.4 3.5 47 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG Bảng 4: Ảnh hưởng nồng độ chất nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân bột sắn Nồng độ chất Nhiệt độ Thời gian (h) Hiệu suất (%) 10% 20% 30% 30℃ 40℃ 50℃ 30℃ 40℃ 50℃ 30℃ 40℃ 50℃ 146 100 74 146 100 74 144 100 74 80.3 86.4 97.51 54.81 77.46 91.36 49.71 73.19 72.5 Bảng 5: Ảnh hưởng nồng độ chất nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân bột khoai lang Nồng độ chất Nhiệt độ Thời gian (h) Hiệu suất (%) 10% 20% 30% 30℃ 40℃ 50℃ 30℃ 40℃ 50℃ 30℃ 40℃ 50℃ 146 100 74 146 100 74 144 100 74 64.1 80.12 93.34 57.78 69.49 79.5 47.77 65.48 70.75 Từ bảng 3.4 3.5, ta nhận thấy với điều kiện thủy phân nhiệt độ 50ƠC cho hiệu suất cao cao kết hợp với nồng độ 10% chất khô (của sắn đạt 97,51% khoai lang đạt 93,34%) Nếu giữ nhiệt độ 50OC thay đổi nồng độ chất khơ 30% sắn đạt hiệu suất 72,5% khoai lang 70,75%, hiệu suất thủy phân chấp nhận so sánh với kết thí nghiệm trước Ngược lại, sử dụng điều kiện thủy phân nhiệt độ 30OC 30% nồng độ chất khô, ta tiết kiệm nhiều lượng chi phí hiệu suất thu hồi thấp (chỉ đạt 49,71% với sắn 47,77% với khoai lang) Từ đó, ta tham khảo lựa chọn điều kiện thủy phân phù hợp tùy theo mục đích sử dụng điều kiện công nghệ đáp ứng để hướng tới mục tiêu sử dụng 48 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG nồng độ chất cao thủy phân nhiệt độ thấp nhằm tiết kiệm lượng, chi phí mà đảm bảo hiệu suất thủy phân 49 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Từ kết nghiên cứu thu được, tác giả rút số kết luận sau: - Đã phân tích thành phần dinh dưỡng sắn khoai lang cho thấy tiềm ứng dụng cao 02 nguyên liệu việc sản xuất đường - Đã xác định ảnh hưởng đến cấu trúc tinh bột theo thời gian thủy phân + Chiều dài mạch trung bình tinh bột sắn giảm nhiều (20 lần) nhanh tinh bột khoai lang (giảm 10 lần) sau 72h thủy phân + Độ kết tinh tinh bột sắn khoai lang khơng có thay đổi theo thời gian thủy phân chứng minh enzyme công vào vùng kết tinh vơ định hình + Kích thước hạt bột tăng q trình trương nở đục rỗng nhờ enzyme Đã xác định ảnh hưởng nồng độ chất khô nhiệt độ thủy phân lên hiệu suất thủy phân: nhiệt độ 50°C phù hợp cho mục tiêu thu hiệu suất thủy phân cao tiết kiệm lượng; kết hợp điều kiện thủy phân nhiệt độ 50OC với nồng độ chất 10% cho hiệu suất thủy phân cao (sắn đạt 97,51% - khoai lang đạt 93,34%), kết hợp với nồng độ chất 30% cho hiệu suất thấp (sắn đạt 72,5% - khoai lang 70,75%) lại mang lại ưu tận dụng lượng phần chất khô còn lại ₋ 4.2 Kiến nghị Nghiên cứu thêm ảnh hưởng điều kiện thủy phân khác như: pH, độ nhớt, chế phẩm enzyme … để tối ưu hóa trình thủy phân tinh bột nhiệt độ hồ hóa Nghiên cứu sử dụng phần chất khơ còn sót lại (protein, xơ…) sau trình thủy phân 50 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG TÀI LIỆU THAM KHẢO • Tài liệu Việt Nam Hồng Kim Anh, Ngơ Kế Sương, Nguyễn Xích Liên (2005), Tinh bột sắn sản phẩm từ tinh bột sắn, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn Việt Nam (2015), Báo cáo thực kế hoạch tháng 12 năm 2015 ngành nông nghiệp phát triển nơng thơn Nguyễn Hồi Hương, Bùi Văn Thế Vinh (2009), Thực hành hóa sinh, trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP.HCM Hồng Kim, Phạm Văn Biên (1985), Cây sắn, NXB Nơng Nghiệp Trần Bích Lam, Tơn Nữ Bích Ngọc, and Đinh Trần Nhật Thu (2012), Giáo trình thí nghiệm hóa sinh, Nhà xuất Bách Khoa Lê Thanh Mai (2009), Các phương pháp phân tích ngành cơng nghệ lên men, NXB Khoa học Kĩ Thuật, 70 Trần Hưng Đạo Lê Ngọc Tú (2005), Hóa sinh cơng nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, trang 15-28 http://vi.wikipedia.org/wiki/Khoai_lang • Tài liệu nước Bao, Y.; Li, C.; Honglin, W 2013 Application of an integrated statistical design to optimize the cold enzyme hydrolysis conditions for ethanol production Biochemical Engineering Journal 10 Blazek, J., Gilbert, E.P 2010 Effect of Enzymatic Hydrolysis on Native Starch Granule Structure Biomacromolecules 11 Berne, B.J; Pecora, R 2000 Dynamic Light Scattering with applications to chemistry, biology and physics Dover Publications, Inc Mineola, New York 51 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG 12 Cinelli, B.A., Castilho, L.R., Freire, D.M.G., Castro, A.M 2015 A brief review on the emerging technology of ethanol production by cold hydrolysis of raw starch Fuel 13 Chen, Y.; Huang, S.; Tang, Z.2011 Structural changes of cassava starch granules hydrolyzed by a mixture of α-amylase and glucoamylase Carbohydrate Polymers 14 Chen, Z 2003 Physicochemical properties of sweet potato starch and their application in noodles Wagenugen University 15 Johnson, R.; Padmaja, G.; Moorthy, S.N 2009 Comparative production of glucose and high fructose syrup from cassava and sweet potato roots by direct conversion techniques Innovative Food Science and Emerging Technologies 16 Lauro, M.; Forssell, P.M; Suortti, M.T 1999 Alpha-amylolysis of large barley starch granules Cereal Chemistry 17 Li., J., Vasanthan, T., Bressler, D.C 2012 Improved cold starch hydrolysis with urea addition and heat treatment at subgelatinization temperature Carbohydrate Polymers 18 Li, Z.; Cai, L.; Gu, Z.; Shi, Y 2014 Effects of Granule Swelling on Starch Saccharification by Granular Starch Hydrolyzing Enzyme Journal of agricultural and food chemistry 19 Lin, L.; Guo, D.; Huang, J 2016 Molecular structure and enzymatic hydrolysis properties of starches from high-amylose maize inbred lines and their hybrids Food Hydrocolloids 20 Naguleswaran, S., Li, J., Vasanthan, T., Bressler, D., Hoover, R 2012 Amylolysis of large and small granules of native triticale, wheat and corn starches using a mixture of α-amylase and glucoamylase Carbohydrate Polymers 21 Robertson, G.H., Wong, D.W.S., Lee, C.C., Wagschal, K., Smith, M.R., Orts, W.J 2006 Native or Raw Starch Digestion:  A Key Step in Energy Efficient Biorefining of Grain Journal of Agricultural and Food Chemistry 52 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC CƯỜNG 22 Rocha, T.S.; Carneiro, A.P.A.; Franco, C.M.L 2009 Effect of enzymatic hydrolysis on some physicochemical properties of root and tuber granular starches 23 Shrestha, A.K.; Blazek, J.; Flanagan, B.M 2012 Molecular, mesoscopic and microscopic structure evolution during amylase digestion of maize starch granules Carbohydrate Polymers 24 Shariffa, Y.N.; Karim, A.A.; Fazilah, A.; Zaidul, I.S.M 2009 Enzymatic hydrolysis of granular native and mildly heat-treated tapioca and sweet potato starches at sub-gelatinization temperature Food Hydrocolloids 25 Stargen 002 Granular Starch Hydrolyzing Enzyme for Ethanol Production, 2012 DuPont 26 Vidal, B.C., Rausch, K.D., Tumbleson, M.E., Singh, V 2009 Kinetics of Granular Starch Hydrolysis in Corn Dry-Grind Process Starch/ Stake 27 Uthumporn., U., Zaidul, I.S.M., Karim, A.A 2010 Hydrolysis of granular starch at sub-gelatinization temperature using a mixture of amylolytic enzymes Food and Bioproducts Processing 53 ... tiêu nghiên cứu Stargen 002 (α-γ amylase) Bột sắn, khoai lang Glucose ▪ Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng (nồng độ chất, nhiệt độ thủy phân) đến trình thủy phân tinh bột sống từ bột sắn khoai lang enzyme. .. với khoai lang Sau 24h thủy phân, mạch tinh bột sắn trở nên ngắn mạch tinh bột khoai lang Sau 72h thủy phân, chiều dài mạch tinh bột trung bình sắn giảm 20 lần khoai lang giảm 10 lần Sự phân. .. kết tinh (%) theo thời gian thủy phân tinh bột sắn khoai lang Thời gian 0h 24h 72h Sắn 27 26 26 Khoai lang 30 32 30 Bảng 3.3 thể biến đổi độ kết tinh tinh bột sắn khoai lang thời gian thủy phân,