Nghiên cứu các điều kiện lên men một số loại cà phê

Nghiên cứu các điều kiện lên men một số loại cà phê

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

Cà phê đã được con người biết đến khoảng hơn 300 năm nay, muộn hơn rất nhiều so với nhiều cây lương thực, thực phẩm quan trọng khác Tuy nhiên, ngày nay cây cà phê đã trở thành một loại cây công nghiệp có giá trị kinh tế cao, là một mặt hàng xuất khẩu quan trọng của nhiều quốc gia trên thế giới Sản phẩm của nó là một loại thức uống thú vị không thể thiếu của nhiều dân tộc Bên cạnh đó, một số mặt hàng thực phẩm như sữa, bánh, kẹo, được chế biến với sự có mặt của cà phê sẽ làm tăng thêm hương vị và giá trị dinh dưỡng cho sản phẩm

Sở dĩ cà phê được sử dụng ngày càng nhiều vì trong hạt cà phê chứa 0,8 – 3% caffeine, một hoạt chất có tác dụng kích thích thần kinh, giúp tế bào não tăng cường khả năng làm việc, khả năng tư duy và qua đó thúc đẩy hoạt động của hệ tuần hoàn, tăng cường phản ứng của cơ bắp,…

Ngoài ra, trong hạt cà phê còn chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể con người như đường saccharose, đường khử, các protein hòa tan,… đặc biệt là các vitamin B1, B2, B6, B12 và PP có hàm lượng khá cao, đó là những chất cần thiết cho nhu cầu sinh lý của cơ thể chúng ta Do đó cà phê giúp nâng cao sinh lực, chống mệt mỏi, giúp con người làm việc sáng suốt và thoải mái hơn

Sự sảng khoái và bổ dưỡng mà cà phê mang lại cho con người là do những thành phần hòa tan trong hạt Trong kỹ thuật chế biến cà phê hiện nay có hai phương pháp chính là chế biến khô và chế biến ướt Tuy nhiên, xử lý cà phê theo qui trình thông thường chưa mang lại hiệu quả tối ưu cho việc trích ly các thành phần hòa tan có trong hạt Nguyên nhân của mặt hạn chế này là do sự hiện diện của pectin và cellulose – hai thành phần chủ yếu trong cà phê nhân Vấn đề đặt ra là sử dụng phương pháp lên men để nâng cao tối đa hiệu suất trích ly của cà phê, từ đó thu được lượng chất hòa tan cao nhất

Cùng với sự phát triển của đời sống và của xã hội, sự phát triển của công nghệ sinh học nói chung, công nghệ enzyme và công nghệ lên men nói riêng đóng một vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người, đặc biệt trong vấn đề nâng cao khả năng khai thác các thành phần hòa tan của hạt cà phê Luận văn này không nằm ngoài khuôn khổ đó, chúng tôi nỗ lực nghiên cứu để sản xuất một loại

chế phẩm sinh học (chủ yếu là pectinase và cellulase) với tên gọi Biocoffee-1, từ

chủng nấm mốc Aspergillus niger và Trichoderma reesei có hoạt tính phân giải mạnh

trên đối tượng cà phê nhân, tác động chủ yếu vào hai thành phần chính là pectin và cellulose

Ở Việt Nam hiện nay, có ba loại cà phê nhân chủ yếu được buôn bán và sử dụng phổ biến trên thị trường là cà phê Bi, cà phê Sẻ và cà phê Mokka Mục đích của đề tài là xử lý ba loại cà phê này bằng công nghệ lên men và công nghệ enzyme, nhằm thu được chất hòa tan cao với hiệu suất trích ly cao nhất

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm 4 nội dung: 1 Xác định các thành phần chủ yếu trong cà phê nhân

2 Tạo chế phẩm Biocoffee-1 với hoạt tính cao của pectinase và cellulase 3 Khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình lên men cà phê

4 Khảo sát sự thay đổi trọng lượng và nhiệt độ của khối ủ

Đề tài của chúng tôi là những bước đi đầu tiên cho những nghiên cứu, khảo sát tiếp theo trong việc phát triển sản phẩm cà phê lên men Đây là một giải pháp nhiều ưu điểm cho quá trình chế biến cà phê và là một hướng đi mới gần gũi với thực tế sản xuất cũng như thực tế cuộc sống, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho ngành công nghệ thực phẩm, cho nền nông nghiệp quốc gia và cho nhu cầu ẩm thực của người dân Việt Nam chúng ta

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Tổng quan tài liệu của chúng tôi gồm 4 phần chính sau: o Tìm hiểu về cà phê

o Tìm hiểu về cellulose và pectin – hai thành phần chủ yếu trong cà phê nhân o Tìm hiểu về hệ enzyme cellulase và pectinase

o Tìm hiểu về nấm sợi sinh tổng hợp hai hệ enzyme trên

Hạt đang khô

Hạt đã rang

Cà phê đã pha

Xay thành bột

2.1 TÌM HIỂU CÂY CÀ PHÊ Ở TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 2.1.1 Lịch sử cây cà phê [20], [21]

Tên gọi “coffee” xuất phát từ tiếng Ả rập là “kahwa”, mà lúc đầu là một từ ngữ trong thơ ca dùng để chỉ rượu vang Do đạo luật của Hồi giáo nghiêm cấm giáo dân uống rượu, nên tên gọi ấy được biến tướng thành coffee, và thông qua tiếng gọi tương đương của Thổ Nhĩ Kỳ là Kahweh trở thành Café (Pháp), Caffee (Ý), Kaffee (Đức), Koffie (Hà Lan), Coffee (Anh), và tên Latin là Coffea dùng trong phân loại giống loài thực vật

Riêng tại Việt Nam, vào năm 1888, thực dân Pháp mang cà phê vào trồng đầu

tiên ở nước ta, để rồi từ đó, tên gọi cà phê của Việt Nam là do sự Việt hóa trong phiên

âm từ sự phát âm Café của người Pháp mà ra

Theo truyền thuyết kể lại rằng cà phê đã được tìm thấy rất lâu kể từ thời kỳ đồ đá và những tác dụng kích thích của nó đã được ghi nhận từ xa xưa, có lẽ là do việc quan sát các tác dụng ấy qua trạng thái biểu lộ của các động vật gặm cỏ sau khi chúng ăn những trái cà phê hoang dại Nguồn gốc về địa dư và nông sản ban đầu của cà phê là từ Ethiopia

Từ trước năm 1200, việc tiêu thụ cà phê đã lan rộng từ vùng biển Đỏ tới Aden, Mecca và Cairo Tại các vùng Ả rập (Arabia) này, các bụi cây cà phê đã được trồng trọt và được tưới tiêu trong hơn một ngàn năm Cho nên, hạt cà phê mới có tên gọi là

Coffea arabica, mặc nhiên thừa nhận rằng nó được canh tác và tiêu thụ phổ biến trong

các nước Ả rập, mà quên đi cội nguồn của thứ nước giải khát này là ở xứ sở Ethiopia Tại Việt Nam, cây cà phê được đưa vào trồng từ năm 1857, trước hết là tại một số nhà thờ ở Quảng Bình, Kontum,… Song mãi đến đầu thế kỷ 20 trở đi thì cây cà phê mới được trồng trên quy mô tương đối lớn của các chủ đồn điền người Pháp tại Phủ Quỳ – Nghệ An và sau đó là ở Đắc Lắc và Lâm Đồng, nhưng tổng diện tích không quá vài ngàn ha Sau Cách mạng tháng Tám, diện tích cà phê ở miền Bắc được phát triển thêm tại một số nông trường quốc doanh và thời kỳ có diện tích cao nhất là trên 10.000 ha vào năm 1963 – 1964 Ở miền Nam trước ngày giải phóng, vào năm 1975 diện tích cà phê có khoảng 10.000 ha Cà phê trồng ở miền Bắc trong những năm trước đây chủ

yếu là cà phê chè (Coffea arabica) Do điều kiện sinh thái không phù hợp, đặc biệt là có một mùa đông giá lạnh kéo dài, vì vậy cây cà phê vối (Canephora robusta) khó có

khả năng phát triển ở miền Bắc, nhiều vùng đã trồng cà phê vối sau phải hủy bỏ vì kém hiệu quả

Diện tích trồng cà phê ở miền Nam trước ngày giải phóng chủ yếu là giống cà

phê vối (Canephora robusta), một số diện tích nhỏ cà phê chè được trồng ở Lâm

Đồng Năng suất cà phê vối trong thời kỳ này thường đạt trên dưới 1 tấn/ha, ở một số đồn điền có qui mô vừa và nhỏ cũng đã đạt được năng suất từ 2 – 3 tấn/ha Ngày nay, nhờ được áp dụng những tiến bộ kỹ thuật, năng suất đã tăng lên rất nhanh

Cà phê Việt Nam luôn luôn là một mặt hàng nông sản quan trọng trên thị trường thế giới và đem về nguồn ngoại tệ xứng đáng trong nền kinh tế quốc dân

2.1.2 Tình hình sản xuất, tiêu thụ

 Tình hình sản xuất cà phê trên thế giới [11], [20], [36]

Trên thế giới hiện nay có trên 75 nước trồng cà phê với diện tích trên 10 triệu ha và sản lượng hàng năm biến động trên dưới 6 triệu tấn Năng suất bình quân chưa vượt quá 6 tạ cà phê nhân/ha Trong đó, ở châu Phi có 28 nước với năng suất bình quân không vượt quá 4 tạ cà phê nhân/ha, Nam Mỹ đạt dưới 6 tạ nhân/ha Bốn nước có diện tích cà phê lớn nhất đó là: Brazil trên 3 triệu ha chiếm 25% sản lượng cà phê thế giới, Côte D’lvoire (châu Phi) và Indonesia (châu Á) mỗi nước khoảng 1 triệu ha, quốc gia thứ tư là Colombia có gần 1 triệu ha với sản lượng hàng năm đạt trên dưới 700 ngàn tấn

Do áp dụng một số tiến bộ kỹ thuật mới như giống mới và mật độ trồng dày nên đã có hàng chục nước đưa năng suất bình quân đạt trên 1 tấn/ha Điển hình có Costa Rica ở Trung Mỹ với diện tích cà phê chè là 85.000 ha nhưng đã đạt năng suất bình quân trên 1.400 kg/ha

Cà phê chè hiện nay vẫn chiếm 70% sản lượng của thế giới Diện tích cà phê chè được trồng tập trung chủ yếu ở Trung và Nam Mỹ, một số nước ở Đông Phi như: Kenya, Cameroon, Ethiopia, Tanzania và một phần ở châu Á như: Indonesia, Ấn Độ, Philippines

Mấy năm nay sản lượng cà phê Robusta trên thế giới tăng lên nhanh chóng, vụ

2000/2001 đạt tới 44,8 triệu bao tăng tới 12,2 triệu bao so với vụ trước và chiếm tới 38% tổng sản lượng cà phê

Theo kết quả thăm dò mới đây nhất, giá cà phê trong năm 2005 sẽ biến động mạnh với nhiều khả năng giá tăng cao nếu thời tiết xấu làm cho sản lượng dự kiến

giảm mạnh (Nguồn: Reuters, 27/01/05)

o Thị trường cà phê Arabica thế giới sẽ thiếu hụt khoảng 5,4 triệu bao cà phê

niên vụ 2005/2006 sau khi thặng dư 2,5 triệu bao của niên vụ trước Tổng sản lượng cà phê thế giới ước tính đạt 111 triệu bao niên vụ 2005/2006, giảm so với mức 117 triệu bao của 2004/2005

o Đối với cà phê Robusta, theo dự kiến sẽ tăng 84% từ 759 USD/tấn của cuối năm 2004 lên 1.400 USD/tấn năm 2005 nếu giá cà phê Arabica tăng mạnh Ước tính

sẽ có khoảng 149 triệu bao cà phê niên vụ 2005/2006 gồm cả cà phê tồn kho ở các nước tiêu thụ và sản xuất

 Sự phát triển của ngành cà phê Việt Nam [11], [20], [44], [46], [48], [49]

Việt Nam gia nhập Tổ chức Cà phê Quốc Tế (International Coffee Organization, ICO) vào năm 1991

Nghề trồng cà phê ở Việt Nam là một nguồn thu nhập cho một nhóm đông dân cư ở nông thôn, trung du và miền núi Với 500.000 ha cà phê đã tạo việc làm cho hơn 600.000 nông dân và số người có cuộc sống liên quan đến cây cà phê lên tới trên 1 triệu người

Ngành cà phê Việt nam được đánh giá là còn mới mẻ, phải cạnh tranh với ngành cà phê của nhiều nước có truyền thống lâu đời hơn, vốn có tiếng tăm về mặt chất lượng và sự bền vững Đây là một vấn đề mà ngành cà phê Việt Nam phải cố gắng trên nhiều lĩnh vực từ khâu áp dụng những kỹ thuật sản xuất nông nghiệp đến công nghệ chế biến tiên tiến, đưa ra thị trường nhiều chủng loại sản phẩm mới

Bảng 2.1: Xuất khẩu cà phê của Việt Nam qua các vụ từ 1994 đến 2002

(nghìn tấn)

Kim ngạch xuất khẩu (triệu USD)

1994/1995 1995/1996 1996/1997 1997/1998 1998/1999 1999/2000 2000/2001 2001/2002

192.379 221.496 336.242 395.418 404.206 653.678 874.676 712.735

51.291,649 401.948,791 402.817,916 601.430,778 554.974,838 573.976,994 381.883,542 263.259,766

(Nguồn: Hiệp hội Cà phê – Ca cao Việt Nam, 2005)

Bảng 2.2: Kết quả xuất khẩu cà phê nhân sống của Việt Nam năm 2004

Giá bình quân (USD/tấn)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

68.815 86.570 83.000 82.940 78.582 118.731

55.829 51.144 56.086 65.474 55.292 87.242

44.114.705 57.439.162 54.509.033 54.343.678 51.933.539 78.797.170 36.883.303 33.022.482 35.386.587 40.077.916 33.940.074 55.639.710

641,1 663,5 656,7 665,2 660,9 663,7 660,6 645,7 630,9 612,1 613,8 637,8

(Nguồn: Hiệp hội Cà phê – Ca cao Việt Nam, 2005)

Khuynh hướng phát triển cà phê hiện nay là thâm canh tăng năng suất cà phê

Robusta, mở rộng diện tích cà phê Arabica trên vùng cao miền Bắc như Sơn La,

Tuyên Quang, Lai Châu, Bắc Cạn, Thái Nguyên, Lạng Sơn, Hòa Bình, Nghệ An với

những dòng chọn lọc như Catimor Catimor cũng được đưa vào cao nguyên Lâm

Đồng và Đắc Lắc để thay cho một số giống dễ nhiễm bệnh rỉ sắt

Robusta là dòng sản xuất chính vì có đặc điểm dễ thích nghi, năng suất cao,

trung bình 4 đến 5 tấn nhân/ha

Hiện nay, ở Việt Nam, cà phê là mặt hàng nông sản xuất xuất khẩu có giá trị lớn đứng thứ hai sau gạo (những con số thống kê của Hiệp hội Cà phê – Ca cao Việt Nam điều tra vào năm 2000 cho thấy diện tích cà phê cả nước đã lên đến 520.000 ha với sản lượng 900.000 tấn, đưa Việt Nam lên vị trí thứ 2 thế giới về sản xuất cà phê)

Cà phê Việt Nam được xuất sang trên 50 quốc gia và vùng lãnh thổ Giá trị cà phê xuất khẩu thường chiếm gần 10% tổng kim ngạch xuất khẩu hàng năm Vụ 2000/2001 Việt Nam đã xuất cà phê đi 61 nước, trong đó, 10 nước nhập khẩu cà phê đứng đầu được trình bày trong bảng 2.3 dưới đây

Bảng 2.3: 10 nước nhập khẩu cà phê hàng đầu của Việt Nam

(tấn)

Trị giá (USD)

Tỷ phần so với tổng xuất khẩu (%)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Bỉ Mỹ Đức Tây Ban Nha

Ý Pháp Ba Lan

Anh Nhật Hàn Quốc

138.603 137.501 134.321 73.852 62.559 45.998 38.155 30.153 26.905 26.288

57.947.984 59.371.585 60.054.805 31.666.889 27.796.789 20.147.381 17.171.839 13.055.058 13.274.686 11.310.104

15,85 15,72 15,36 8,44 7,15 5,26 4,36 3,45 3,08 3,01

(Nguồn: Hiệp hội Cà phê – Ca cao Việt Nam, 2005)

Bảng 2.4: Diễn biến diện tích và sản lƣợng cà phê Việt Nam trong 9 niên vụ từ 1992 đến 2001

1992/1993 1993/1994 1994/1995 1995/1996 1996/1997 1997/1998 1998/1999 1999/2000 2000/2001

140.000 150.000 215.000 295.000 350.000 410.000 460.000 520.000 500.000

140.400 181.200 211.920 236.280 342.300 413.580 404.206 700.000 900.000

(Nguồn: Hiệp hội Cà phê – Ca cao Việt Nam, 2005)

Cà phê là một loại nước uống cao cấp, nhu cầu đòi hỏi của người tiêu dùng vẫn không ngừng tăng lên, chưa có những sản phẩm nhân tạo được chấp nhận để thay thế cho cà phê, vì vậy việc trồng, xuất khẩu, nhập khẩu loại hàng hóa đặc biệt này vẫn có một ý nghĩa kinh tế lớn đối với nhiều nước

2.1.3 Tiêu chuẩn cho cà phê Việt Nam [48]

Trước đây cà phê Việt nam được bán với 3 chỉ tiêu chất lượng đơn giản: thủy phần %, hạt đen vỡ % và tạp chất % Mặc dù Việt Nam đã từng ban hành Tiêu chuẩn Nhà nước về yêu cầu kỹ thuật đối với cà phê nhân TCVN 4193 – 86 Tuy nhiên vào thời kỳ mở cửa, ngành cà phê tiếp xúc trực tiếp với thị trường thế giới, trong buổi ban đầu cần có một hệ thống tiêu chuẩn đơn giản và dễ thực hiện hơn nên đã ra đời TCVN 4193 – 93 với 3 chỉ tiêu như đã nêu ở trên Ngày hôm nay, ngành cà phê Việt Nam đã trưởng thành hơn một bước và thị trường đòi hỏi chất lượng cao hơn, cần có tiêu chuẩn cấp Nhà nước phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế Do đó ngành cà phê Việt Nam đã được Nhà nước hỗ trợ xây dựng và cho phép ban hành TCVN 4193 – 2001 Có thể coi đây là một bước tiến đáng kể của ngành cà phê Việt Nam

Ban Kỹ thuật về Tiêu chuẩn cà phê (TCVN/TC/F16) mà Hiệp hội Cà phê – Ca cao Việt Nam là cơ quan chủ trì đã hoàn thành việc soát xét một số tiêu chuẩn Nhà nước về cà phê và được Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng trình lên Bộ Khoa

học, Công nghệ và Môi trường xét duyệt Ngày 05/11/2001, Bộ trưởng Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường đã có quyết định số 57/2001/QĐ-KHCNMT ban hành 5 bản tiêu chuẩn về cà phê

Bảng 2.5: 5 tiêu chuẩn về cà phê do Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường ban hành ngày 05/11/2001

1 TCVN 4193 : 2001 Cà phê nhân – yêu cầu kỹ thuật

Cà phê nhân – Phương pháp xác định cỡ hạt bằng sàng tay

(Nguồn: Hiệp hội Cà phê – Ca cao Việt Nam, 2005)

2.1.4 Một số tiến bộ kỹ thuật mới trong nghề trồng và sử dụng cà phê trên thế giới [20]

o Sử dụng các giống mới qua quá trình chọn lọc, lai tạo mang được các đặc tính tốt về: khả năng kháng sâu bệnh, chất lượng tốt, cho năng suất cao

o Áp dụng phương pháp nhân giống vô tính bằng kỹ thuật giâm cành, nuôi cấy mô, tạo ra các vườn cà phê thuần chủng, năng suất cao

o Áp dụng kỹ thuật trồng dày, tăng mật độ trồng trên một đơn vị diện tích, cho phép đạt năng suất cao, rút ngắn thời gian, mang lại hiệu quả lớn

o Bón phân dựa trên kết quả chẩn đoán nhu cầu dinh dưỡng khoáng của cây trồng thông qua biện pháp phân tích lá và đất

o Sử dụng những cây che bóng mới, phù hợp với nhu cầu sinh lý về ánh sáng của cây cà phê

o Sử dụng các loại chế phẩm bảo vệ thực vật mới, ít độc đối với người, giảm sự ô nhiễm đối với môi trường

o Sử dụng các tiến bộ kỹ thuật của ngành điện tử để chế biến và phân loại cà phê, tạo ra nhiều dạng thành phẩm có khả năng bảo quản giữ chất lượng được lâu hơn

o Sử dụng các chế phẩm kích thích sinh trưởng làm cho quá trình ra hoa, đậu quả và chín tập trung

o Sử dụng những thành tựu của công nghệ sinh học để tác động vào quá trình

sản xuất và chế biến, tạo ra thành phẩm đa dạng và chất lượng hơn

2.1.5 Mô tả cây cà phê [2],[29], [35]

Cây nhỏ, mọc sum suê, luôn xanh, cao 6 – 10 m Thân cành hình trụ hoặc hình vuông, phân nhánh nhiều Lá mọc đối, hình bầu dục hoặc hình trứng, dài 10 – 15 cm, rộng 5 – 6 cm, đầu nhọn, mặt trên xanh sẫm bóng, mặt dưới rất nhạt, gân nổi rõ, mép uốn lượn; cuống lá dài 0,7 – 1 cm; lá kèm có gốc rộng, đầu nhọn

Cụm hoa như xim co gồm 8 – 15 hoa ở nách lá; hoa trắng, rất thơm; đài cụt; tràng hình ống ngắn, 5 cánh hoa đều; nhị 5 dính ở họng tràng, xen kẽ với cánh hoa; bầu 2 ô, mỗi ô chứa một noãn

Quả hạch xoan hơi dẹt, lúc chưa chín có màu xanh lục, khi chín chuyển sang màu đỏ, chứa 2 hạt

Mùa cà phê nở hoa và kết trái vào khoảng từ tháng 11 đến tháng 4

2.1.6 Phân loại [17], [21]

Các giống cà phê hiện trồng thuộc:

Bộ: cà phê (Rubiales) Họ: cà phê (Rubiacea) Loài: cà phê (Coffea L.)

Các giống cà phê thường trồng gồm có:

2.1.6.1 Cà phê chè (Coffea arabica L.)

Nguồn gốc cao nguyên Jimma – Ethiopia Cà phê chè được trồng lâu đời nhất, chiếm 70% sản lượng cà phê toàn thế giới

Cây bụi cao 3 – 4 m, ở điều kiện thuận lợi có thể cao 6 – 7 m Cành mọc từng đôi đối xứng, cành thứ cấp nhiều, tạo với cành cơ bản một mặt phẳng cắt ngang thân cây Lá mọc đối xứng, hình bầu dục dài, đầu nhọn, rìa lá quăn, xanh đậm, có 9 – 12 cặp gân lá, dài 10 – 15 cm, rộng 4 – 6 cm

Hoa trắng, hương thơm dịu, mọc thành chùm ở nách lá Quả hình trứng, khi chín màu đỏ, có đường kính 10 – 18 mm Hạt có 2 lớp vỏ, lớp ngoài cứng gọi là vỏ trấu, lớp trong mỏng bám sát vào hạt gọi là vỏ lụa Cà phê chè có đặc tính tự hoa thụ phấn cho nên độ thuần chủng cao

Cà phê chè có nhiều chủng khác nhau:

Coffea arabica Var typica Coffea arabica Var bourbon Coffea arabica Var amarello Coffea arabica Var managogype Coffea arabica Var laurina Coffea arabica Var mokka Coffea arabica Var mundonovo Coffea arabica Var catuai Coffea arabica Var catimor

2.1.6.2 Cà phê vối (Coffea canephora pierre)

Cà phê vối mới được phát hiện ở châu Phi vào đầu thế kỷ XX, vùng rừng thấp thuộc châu thổ sông Công gô

Cây cao 8 – 12 m, có nhiều thân Cành dài, cành thứ cấp ít Lá hình bầu, hoặc hình mũi mác, đầu lá nhọn, phiến lá gợn sóng mạnh Hoa mọc thành chùm ở nách lá, gồm 1 – 3 cụm, có 15 – 30 hoa Tràng hoa trắng có 5 – 7 cánh hoa

Quả hình tròn hoặc hình trứng, trên quả có nhiều gân dọc, khi chín có màu đỏ Hạt màu xám xanh đục hoặc ngả vàng tùy theo giống Hạt nhỏ hơn cà phê chè, tỷ lệ nhân/quả tươi cao hơn cà phê chè

Cà phê vối gồm các chủng chính sau:

Coffea canephora Var robusta Coffea canephora Var kouilou Coffea canephora Var niaouli

2.1.6.3 Cà phê mít (Coffea excelsa Chev)

Phát hiện đầu tiên năm 1902 ở xứ Ubangui – Chari nên thường được gọi là cà phê Chari

Cây cao 15 – 20 m Lá to, chiều dài tối đa tới 25 – 40 cm, hình trứng, hoặc mũi mác, đầu lá có mũi ngắn, bẹt, có 6 – 9 đôi gân lá Hoa mọc thành chùm ở nách lá gồm 1 – 5 xim, mỗi xim có 2 – 4 hoa

Quả hình trứng, hơi dẹt, núm quả lồi, khi chín có màu đỏ sẫm, thịt quả giòn, ít ngọt Hạt màu xanh ngả vàng, vỏ lụa bám chặt vào hạt khó làm tróc hết

Hàm lượng caffeine thấp: 1,02 – 1,15% trong khi cà phê chè là 1,8 – 2% và cà phê vối là 2,5 – 3%

Cây sinh trưởng khỏe, ít sâu bệnh, chịu nắng hạn khá, ít kén đất Đáng chú ý là hoa quả phát triển cả trên các mắt ngủ của cành già, kể cả trên thân cây, nơi phân cành Phẩm chất cà phê mít kém, vị chua, hương kém hoặc không có hương

2.1.6.4 Cà phê mít dâu da (Coffea liberia Bull In Hirn)

Nguồn gốc ở Liberia

Cây cao 15 – 18 m, cành khỏe bền, lá to hình bầu dục, dài 15 – 35 cm, rộng 8 – 15 cm, phiến xanh đậm, bóng, có 8 – 12 đôi gân nổi rõ ở dưới Hoa mọc thành cụm, tràng hoa màu trắng Quả thưa, to giống quả dâu da, thịt quả dày nhiều xơ, nhân màu vàng, phẩm chất kém

 Ngoài ra còn có loài Arabusta và Catimor, kết quả của sự tạp giao nhân tạo và tự nhiên giữa 2 loài Arabica – Robusta

Arabusta có hàm lượng caffeine thấp, cho chất lượng cà phê tốt hơn Robusta và

sức đề kháng bệnh cao hơn so với Arabica

Hiện nay ở Việt Nam có 3 loại cà phê chính là: Arabica, Robusta và Chari Trong đó, Arabica và Robusta là 2 giống phổ biến

2.2.1 Cấu tạo hạt cà phê [40]

Hình 2.4: Cấu tạo hạt cà phê 2.2.2 Thành phần hóa học trong hạt cà phê [2], [11], [28]

Hạt cà phê là đối tượng thu hoạch chủ yếu, và cũng là mặt hàng nông sản xuất khẩu quan trọng Các biện pháp canh tác, thu hoạch và chế biến đóng vai trò quan

trọng trong việc tạo ra cà phê nhân sống đạt tiêu chuẩn xuất khẩu

Hạt cà phê xanh giàu glucid và lipid, glucid chiếm hơn 50%, phần lớn là các polysaccharide Lipid (10 – 15%), protein (10 – 15%) và acid hữu cơ, đặc biệt là các acid cafeylquinic hay acid chlorogenic

Hàm lượng caffeine thay đổi, từ 0,5 đến 1,8%, một phần của caffeine thường kết hợp với acid chlorogenic

Cà phê rang lên có những chất thơm, gọi chung là cafeol (acid cafeic, oleic, linoleic, palmitic), khoảng 0,05%, nhưng đồng thời lại tạo ra một yếu tố phức hợp độc là cafeotoxin (0,07%)

Thành phần hóa học trong hạt cà phê có ảnh hưởng rất lớn trong quá trình đánh giá chất lượng thử nếm cảm quan

Bảng 2.6: Thành phần hóa học hạt cà phê

Nước Chất dầu Đạm Proteine Caffeine

Chlorogenic acid Trigonelline Tannin

Caffetanic acid Caffeic acid Pentosane Tinh bột Saccharose Cellulose Hemicelllulose Lignine

Calcium Phosphur Sắt Sodium Manganese

8 – 12 4 – 18 1,8 – 2,5 9 – 16

1 (Arabica), 2 (Robusta)

2 1 2 8 – 9 1 5 5 – 23 5 – 10 10 – 20 20 4

85 – 100 130 – 165 3 – 10 4 1 – 45

(Nguồn: Lê Quang Hƣng, 1999)

Caffeine là một alkaloid chứa đạm, công thức là C8H10O2N4.H2O, được Runge và Robiquet tìm ra năm 1820 Caffeine kết tinh với một phân tử nước nhưng trở nên khan khi nung nóng đến nhiệt độ 80 – 100oC Caffeine khan chứa 28,8% N

Caffeine khan ở dạng tinh thể trắng hình kim, tan trong nước và chloroform Caffeine (1,3,7-trimethylxanthine) là purine chính trong hạt cà phê Ngoài ra còn có theobromine (3,7-dimethylxanthine) và rất ít theophylline (1,3-dimethylxanthine)

Phân bố hàm lượng caffeine theo bộ phận của cây như sau

Bảng 2.7: Phân bố hàm lƣợng caffeine trên cây 2 tuổi theo tỉ lệ (%)

Arabica Robusta

75,89 85,29

14,23 8,33

9,88 6,38

(Nguồn: Lê Quang Hƣng, 1999)

2.2.3 Công dụng của cà phê [7], [17]

Cà phê là một loại nước uống cao cấp được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới Cà phê là sản phẩm của các nước nhiệt đới, nhưng thị trường tiêu dùng chủ yếu lại ở các nước vùng ôn đới

Cà phê được dùng làm đồ uống dưới dạng chiết hãm bằng nước sôi từ bột hạt cà phê rang, hoặc dưới dạng cà phê hòa tan Uống cà phê làm mất buồn ngủ, giúp tinh thần tỉnh táo, giảm cảm giác mệt mỏi

Hoạt chất chủ yếu chứa trong hạt cà phê là caffeine Ngoài ra, trong hạt cà phê còn chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể con người như đường saccharose, đường khử, protein hòa tan, các vitamin nhóm B (B1, B2, B6,…) và vitamin PP là những vitamin cần thiết của cơ thể con người

Đồng thời, cà phê có một hương vị độc đáo Bằng phương pháp phân tích quang phổ, người ta đã xác định gần 300 hợp chất phức tạp khác nhau cấu thành nên hương thơm của cà phê Do đó, tập tục uống cà phê trở thành nhu cầu và thức uống thông dụng của nhân dân nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là các nước phát triển Tây Âu, Bắc Âu, Nam Mỹ,…

Ngoài ra, phụ phẩm của cà phê như thịt quả còn là nguyên liệu chế biến rượu, nước giải khát; vỏ quả cà phê làm phân bón; bã chế biến làm thức ăn gia súc Một số thuốc chữa bệnh cũng được chế tạo từ cà phê

2.2.4 Dƣợc tính của cà phê [2], [28], [29], [37]

Cà phê có vị đắng, có tác dụng kích thích thần kinh, làm tăng hoạt động của tim, co mạch trung ương, co mạch ngoại vi (mạch phổi, mũi, thận, vành)

Bộ phận Giống

Cà phê còn có tác dụng hạ sốt, lợi tiểu, làm khoan khoái, kích thích tiêu hóa Cây có độc nhưng chỉ khi dùng với liều cao và thời gian kéo dài, gây bồn chồn, mất ngủ, đau dây thần kinh, trầm cảm, độc tố đó là cafeotoxin Nhưng nếu uống cà phê đun sôi thì cafeotoxin sẽ bị tiêu hủy

Trong nhân dân, hạt cà phê sống giã nát ngâm với rượu uống chữa tê thấp, sốt rét Cà phê rang uống có tác dụng tiêu mỡ, tiêu độc rượu và thuốc phiện Lá cà phê sắc uống làm chóng tiêu thức ăn, tiêu nước chữa phù thủng

Trong y học, cà phê thường được dùng để trị suy nhược, mất sức do bệnh nhiễm trùng, mất trương lực dạ dày Người ta có thể pha bột cà phê để uống, dùng caffeine dạng viên hoặc dạng thuốc tiêm dưới da

Tuy nhiên, chống chỉ định cho một số trường hợp: loạn thần kinh, viêm cơ tim tiến triển

 Tác dụng dược lý của caffeine

Đối với hệ thần kinh trung ương, caffeine có tác dụng rất mạnh, người dùng caffeine hoặc đồ uống có chứa caffeine cảm thấy tỉnh táo, mất buồn ngủ, ít mệt mỏi và suy tư minh mẫn

Caffeine dùng với liều lớn thì kích thích mạnh hệ thần kinh trung ương, xuất hiện trạng thái bồn chồn, lo lắng, mất ngủ, ở những người quen dùng cà phê, những triệu chứng này nhẹ hơn Liều cao làm xuất hiện co giật cục bộ hoặc toàn thân

Caffeine còn có tác dụng kích thích hô hấp Đối với hệ tim mạch, caffeine có tác dụng làm giảm trở kháng ngoại vi, kích thích tim Liều 250 – 350 mg caffeine gây nên nhịp tim nhanh, huyết áp tăng nhẹ cả huyết áp tâm thu và huyết áp tâm trương, nhưng cũng với liều trên đối với những người dùng cà phê thì các triệu chứng trên không xuất hiện Ở nồng độ cao hơn, caffeine có tác dụng làm tăng nhịp tim rõ rệt, ở những người mẫn cảm có thể xuất hiện loạn nhịp tim (hiện tượng này cũng gặp ở những người dùng quá nhiều đồ uống có caffeine)

Đối với cơ trơn, caffeine có tác dụng làm giãn cơ trơn khí phế quản đặc biệt đối với khí phế quản bị co thắt như ở những bệnh nhân hen suyễn trên lâm sàng hoặc trong các mô hình gây co thắt khí phế quản thực nghiệm

Đối với cơ vân, caffeine có tác dụng tăng cường khả năng làm việc của cơ bắp ở người Caffeine với liều 6 mg/kg làm tăng khả năng chạy đua của những vận động viên trượt tuyết

Đối với hệ tiết niệu, caffeine tăng cường sự hình thành nước tiểu, gia tăng tốc độ lọc của cầu thận và tăng lượng máu qua thận

Alcaloid caffeine và các dạng muối như caffeine citrate và caffeine natri benzoate được dùng trong trường hợp cấp cứu ngộ độc opioid và các thuốc gây ngủ khác

Một công trình nghiên cứu của trường Đại học Gifu ở miền Trung Nhật Bản cho biết: uống một tách cà phê/ngày có thể ngăn chặn phát triển ung thư ruột kết ở phụ nữ Tuy đây chỉ là kết quả nghiên cứu mang tính thống kê, chưa lý giải được cơ chế tác động của cà phê tới ung thư ruột kết, nhưng điều này cũng phần nào cho chúng ta

thấy được tác dụng dược lý của cà phê (Nguồn: báo “The Mainichi Shimbun”)

Từ năm 1992, nhóm nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của giáo sư Hiroyuki Shimizu đã tiến hành theo dõi chế độ ăn uống của 30.224 cư dân vùng Gifu, có độ tuổi từ 35 trở lên và không mắc bệnh ung thư ruột kết ở thời điểm bắt đầu nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu đã chia tất cả những người tham gia khảo sát thành 3 loại: không uống cà phê, uống dưới 1 tách cà phê/ngày, và uống 1 hoặc trên 1 tách cà phê/ngày

Sau khi điều chỉnh các dữ liệu về thói quen hút thuốc, uống rượu, mức độ béo phì, tuổi tác và các yếu tố khác, nhóm nghiên cứu tính toán rủi ro phát triển ung thư ruột kết ở họ Kết quả cho thấy, nếu nguy cơ ung thư ruột kết ở những người không uống cà phê là 1 thì nguy cơ ung thư ruột kết ở những phụ nữ uống từ 1 tách cà phê/ngày trở lên chỉ là 0,49

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CÀ PHÊ HIỆN NAY [6], [10], [11], [20], [21]

Sau quá trình chế biến cà phê nhân là các quá trình chế biến tinh khiết hơn như chế biến cà phê rang, cà phê bột thô, cà phê hòa tan,…hoặc các sản phẩm khác có phối chế như cà phê sữa, các loại bánh kẹo cà phê,… Phẩm chất và hương vị cà phê phụ thuộc vào một số yếu tố chính sau đây: giống, khí hậu, độ cao so với mặt biển, độ phì của đất và chế độ bón phân, độ chín khi thu hái, kỹ thuật chế biến và chế độ bảo quản

Trong kỹ thuật chế biến cà phê nhân, có 2 phương pháp chính: Phương pháp chế biến khô

Phương pháp chế biến ướt

Ngoài ra, còn có phương pháp trung gian là nửa khô nửa ướt Cà phê đem xát tươi còn lẫn cả vỏ quả đem phơi không qua công đoạn lên men và ngâm rửa

Khi thu hoạch người ta chỉ hái những quả chín, không hái quả xanh và quả còn non Cà phê hái ngày nào nên được chế biến ngay trong ngày hôm đó, số lượng còn lại không nên ủ thành đống lâu quá 24 giờ Để có cà phê nhân phục vụ cho xuất khẩu, tỷ lệ quả chín khi thu hái phải đạt trên 95%

Cà phê là một sản phẩm dùng để chế ra loại nước uống cao cấp Để cấu tạo thành nhân của cà phê, theo những kết quả phân tích người ta thấy có tới 670 hợp chất hữu cơ hợp thành trong đó có nhiều hợp chất tạo nên hương thơm của cà phê Do vậy, các khâu thu hái, chế biến, phơi sấy, bảo quản cà phê có một vị trí hết sức quan trọng Các công đoạn trong thu hoạch, chế biến, phơi sấy và bảo quản có mối liên kết khăng khít với nhau

2.3.1 Phương pháp chế biến khô

Đây là phương pháp chế biến lâu đời và đơn giản hơn so với phương pháp chế

biến ướt, thường được áp dụng trong chế biến cà phê Robusta

Trước tiên, người ta phơi hay sấy nhằm làm giảm độ ẩm của trái cà phê tươi , trong khoảng 1 – 3 tuần lễ

Phương pháp phơi nắng cà phê làm tốn nhiều công sức do phải thường xuyên cào đảo khi phơi, phải che phủ cho cà phê vào ban đêm và khi trời mưa Trong những điều kiện thời tiết thuận lợi, công việc phơi nắng cho cà phê hoàn tất sau 10 – 14 ngày

Việc phơi cà phê trên các sân phơi bằng đất sẽ làm cho thành phẩm cà phê về sau khi uống sẽ có mùi của đất Ngoài ra, do sự không đồng đều về độ ẩm của khối hạt khi phơi nắng nên sẽ tạo điều kiện cho việc bị nhiễm các vi sinh vật, kết quả là làm giảm mùi vị của cà phê khi uống

Áp dụng công nghệ sấy cho cà phê sẽ khắc phục được các khuyết điểm của việc phơi nắng nhờ vào các thiết bị sấy điển hình hiện nay như:

o Máy sấy tĩnh có kết hợp với việc đảo trộn

o Máy sấy thùng quay, với tốc độ quay của trống trong khoảng 1100 – 2500 vòng/phút

o Máy sấy tháp o Máy sấy tầng sôi

Theo kết quả của một số công trình nghiên cứu, nhiệt độ không khí sấy cho cà phê nên trong khoảng 50 – 55oC

Sau khi hoàn tất công đoạn phơi/sấy (vỏ cà phê hột có màu nâu đậm và giòn), cà phê hột được thu gom lại và chuyển sang giai đoạn bóc vỏ để thu được cà phê nhân và đem đi bảo quản

2.3.2 Phương pháp chế biến ướt

Phương pháp chế biến ướt tốn kém và phức tạp hơn so với phương pháp chế biến khô Tuy nhiên, phương pháp này sản xuất ra cà phê nhân sạch và phẩm chất tốt hơn Phương pháp này tiêu thụ một lượng nước đáng kể, và được ứng dụng rộng rãi

nhiều nơi trong sản xuất Arabica, đặc biệt ở Kenya và Colombia Đôi khi phương pháp này cũng được áp dụng trong sản xuất giống cà phê lai Arabusta

Phương pháp chế biến ướt nhằm biến đổi trái cà phê tươi ban đầu thành dạng cà phê thóc, bao gồm các công đoạn sau:

o Thu nhận o Xát vỏ

o Tách lớp nhầy (lên men)

o Rửa và phân loại theo tỷ trọng dòng nước o Phơi/sấy

o Tách vỏ

2.3.2.1 Thu nhận

Cà phê trái sau khi thu hoạch được đem về địa điểm tiếp nhận và cho ngay vào bể đầy nước có trang bị ống siphon để phân loại, nhằm mục đích phân loại: trái nào nặng sẽ chìm xuống bể (đem đi chế biến ướt), trái nào đã chín khô sẽ nhẹ, nổi lên trên (được đem đi chế biến khô) Ngoài ra, cành, lá, tạp chất,… nổi lên trên mặt nước cũng được loại ra khỏi khối trái

2.3.2.2 Xát vỏ

Đây là giai đoạn được xem là quan trọng nhất trong phương pháp chế biến cà phê ướt Điều cần thiết là việc xát vỏ cần thực hiện càng sớm càng tốt, nhằm tránh tiến trình lên men ngoài ý muốn và phát sinh các vị lạ trong hạt cà phê

Giai đoạn này nên hoàn tất trong vòng 12 – 24 giờ sau khi hái trái, nhưng nếu vì lí do nào đó không thể thực hiện ngay được, trong khi chờ đem đi xát vỏ, khối trái nên được bảo quản trong bể nước

Xát vỏ là sự tác động cơ giới vào trái cà phê trong dòng nước Thiết bị xát vỏ thường dùng có 3 dạng sau đây:

Lớp thịt trái cà phê sau khi được tách ra thường được sử dụng để làm phân xanh Ngoài ra, người ta còn có thể trích ly chúng bằng nước hoặc các dung môi hữu cơ để thu được caffeine và các hợp chất khác, phần bã còn lại có thể chế biến làm thức ăn cho gia súc

2.3.2.3 Tách lớp nhầy (lên men)

Bề dày của lớp nhầy trong trái cà phê khoảng 1,5 mm nhưng thay đổi tùy theo giống cà phê Lớp nhầy không hòa tan trong nước, không có cấu trúc tế bào rõ rệt nhưng ở thể keo vô định hình, nó kết dính rất chặt vào hạt cà phê Lớp nhầy cà phê chứa khoảng 85% nước liên kết lỏng và 15% chất rắn ở dạng không hòa tan

Bảng 2.8: Thành phần hóa học của lớp nhầy cà phê

Nước Protein Đường Pectic acid Tro

Tổng số

84,2 8,9 4,1 0,9 0,7 98,8

(Nguồn: Phạm Trí Thông, 1999)

Ngoài ra, còn có một số các enzyme được tạo ra trong lớp nhầy và trong lớp thịt bao quanh lớp nhầy như protopectinase, pectinase, pectinesterase và pectase Các enzyme này bẻ gãy các phân tử lớn bằng cách cắt đứt các liên kết polymer, dần dần tạo thành các chuỗi ngắn hơn cho tới khi còn các acid đơn phân tử và các ester

Khi trái cà phê được tiến hành xát vỏ, vô số các vi sinh vật như nấm men, nấm mốc, vi khuẩn,… trong môi trường chung quanh khối hạt đã tìm thấy ở đây một môi

trường vô cùng thuận lợi cho sự phát triển của chúng Trong quá trình phát triển, chúng tự sản xuất ra các enzyme và tác động lên lớp nhầy của khối cà phê xát vỏ

Tiến trình lên men thông thường do các vi sinh vật, đầu tiên là các loài nấm men tìm thấy các điều kiện thích hợp để phát triển và trong quá trình phát triển, chúng làm gia tăng hàm lượng cồn từ các chất đường trong khối ủ Sau đó, các vi khuẩn sử dụng các chất cồn này để làm thức ăn, tạo thành các acid lactic, acid butyric và các acid carboxylic do sự oxi hóa trong quá trình lên men Khi acid butyric bắt đầu hình thành cũng là lúc vị acid phát triển trong hạt cà phê

Sau khi xát vỏ, cà phê được tiến hành tách lớp nhầy (giàu pectin) còn dính vào vỏ thóc Trong kỹ thuật chế biến cà phê theo phương pháp ướt, người ta có năm biện pháp để tách lớp nhầy cà phê như sau:

o Lên men tự nhiên

o Biện pháp sinh hóa, sử dụng enzyme

o Biện pháp hóa học, với xút (NaOH) hoặc sodium carbonate (Na2CO3) o Nước ấm

o Ma sát

a Lên men tự nhiên

Tiến hành lên men khối cà phê trong các bể lên men bằng xi măng hoặc thùng gỗ Hiện nay có hai phương pháp lên men tự nhiên là lên men khô (xả hết nước tách dịch lên men) và lên men ướt (lên men khối cà phê trong khối nước)

b Biện pháp sinh hóa

Nhằm thúc đẩy nhanh tiến trình phân hủy lớp nhầy, người ta còn sử dụng các enzyme để bổ sung vào khối cà phê như pectase, protopectinase, pectinase và pectinesterase

c Biện pháp hóa học

Để tách lớp nhầy nhanh, người ta còn nghiên cứu dùng sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate hoặc vôi Khối cà phê xát vỏ được cho vào bể chứa bằng bê tông Sau đó, xả hết nước ra và cho hỗn hợp kiềm pha loãng vào bể vừa đủ để phủ kín mặt khối hạt Khi lớp nhầy tan chảy hết thì tiến hành rửa khối hạt như thường lệ

d Nước ấm

Một phương pháp đơn giản để tách nhanh lớp nhầy là tiến hành trộn một khối lượng bằng nhau giữa khối cà phê và nước sinh hoạt, rồi đun nóng hỗn hợp này đến

Công đoạn rửa có thể thực hiện ngay trong các bể lên men trước đó bằng cách cho nước vào bể và khuấy trộn hạt bằng thủ công

Ngoài ra, công việc rửa có thể thực hiện bằng cơ giới nhờ vào các máy rửa

o Sấy nhân tạo

o Sấy kết hợp (tự nhiên và nhân tạo)

b Sấy nhân tạo

Các máy sấy dùng trong sấy cà phê ướt về cơ bản cũng tương tự như các máy sấy cho cà phê chế biến theo phương pháp khô

Có một số máy tách vỏ chỉ dùng riêng cho cà phê ướt hoặc khô Tuy nhiên, ngày nay việc tách vỏ cho các loại cà phê đã có thể dùng chung một máy với những điều chỉnh cần thiết cho phù hợp với từng loại cà phê

Một điểm cần lưu ý là cho dù là loại cà phê nào đi chăng nữa thì khi đem vào tách vỏ, cà phê phải hoàn toàn khô ráo, nếu không sẽ xảy ra hiện tượng tắc nghẽn và quá tải cho máy

o Phân loại theo kích thước o Phân loại theo trọng lượng o Phân loại theo màu sắc

2.3.3 Bảo quản và vận chuyển cà phê nhân

Cà phê nhân thường được bảo quản tạm một thời gian trong các kho chứa trước khi được chuyên chở đến các nước tiêu thụ Các bao bố (đay) (đựng khoảng 60 – 70 kg) vẫn còn được sử dụng rộng rãi dù việc vận chuyển cà phê rời trong các thùng hàng (containers) ngày càng phổ biến Tại kho chứa, các bao cà phê nhân được xếp trên những giá gỗ Nên tiến hành thông thoáng kho thường xuyên để tránh tích tụ ẩm.

Sơ đồ 2.1: Sơ đồ chế biến cà phê nhân

Tách vỏ hột/vỏ thóc

Phân loại theo tỷ trọng

Phân loại theo màu sắc

TÌM HIỂU VỀ PECTIN VÀ CELLULOSE

Hình 2.5: Cấu trúc thành tế bào thực vật 2.4 PECTIN [13], [39], [43]

Hình 2.6: Mô hình cấu trúc pectin trong thành tế bào thực vật

2.4.1 Định nghĩa

Pectin là một phân tử tương tự như tinh bột, khác ở chỗ đơn vị tuần hoàn của pectin là acid galacturonic thay vì glucose ở tinh bột Pectin là hợp chất cao phân tử mạch thẳng có cấu tạo từ sự kết hợp của các acid galacturonic qua các liên kết -1,4-glucoside

Phiến giữa

Màng nguyên sinh

Vách plasma

Trong thực vật, pectin có chức năng tự nhiên như một chất keo để giữ thành tế bào cũng như các tế bào lại với nhau Tùy thuộc vào nguồn pectin mà pectin có khối lượng phân tử từ 80.000 – 200.000 Da

Pectin không hòa tan trong rượu và các dung môi hữu cơ khác Pectin tan trong nước, NH3, dung dịch kiềm, Na2CO3 và trong glycerin nóng

2.4.2 Cấu trúc

Hình 2.7: Cấu trúc hóa học của phân tử pectin 2.4.3 Phân loại

Trong thực vật, pectin tồn tại dưới 3 dạng:

o Pectin hòa tan: là ester methylic của acid polygalacturonic

o Pectinic acid: là polygalacturonic acid có một phần nhỏ các nhóm carboxyl được ester hóa bằng methanol

o Protopectin: tạo độ cứng cho quả xanh, không tan trong nước Trong thành phần có các phân tử pectin, các phân tử cellulose và các ion Ca2+, Mg2+, các gốc phosphoric acid, acetic acid và đường Protopectin khi bị thủy phân bằng acid thì giải

phóng pectin hòa tan

2.5 CELLULOSE [12], [13], [23], [30]

Mỗi năm có khoảng 232 tỷ tấn chất hữu cơ được thực vật tổng hợp nhờ quá trình quang hợp Trong số này có 172 tỷ tấn được tạo thành trên đất liền và 60 tỷ tấn

được tạo thành ở trong các đại dương Trong số này có đến 30% là màng tế bào thực vật mà thành phần chủ yếu là cellulose Cellulose chiếm đến 89% trong bông và 40 – 50% trong gỗ

Ligno-cellulose là thành phần cấu trúc chính của cây gỗ và cây thân mềm (cỏ, rơm rạ,…) gồm cellulose, hemicellulose và lignin

2.5.1 Định nghĩa

Cellulose là polymer thẳng của các đơn vị -D-glucose được nối với nhau qua liên kết -D-1,4-glucan Nhờ phương pháp phân tích bằng tia Rơnghen người ta biết rằng cellulose có cấu tạo dạng sợi Các sợi này liên kết lại thành những bó nhỏ gọi là các microfibril (vi sợi) có cấu trúc không đồng nhất, chúng có những phần đặc (phần kết tinh) và những phần xốp hơn (phần vô định hình)

Cellulose là một trong những hợp chất tự nhiên khá bền vững Nó không tan trong nước mà chỉ có thể bị phồng lên do hấp thu nước, bị phân hủy khi đun nóng với acid hoặc kiềm ở nồng độ khá cao Cellulose bị thủy phân ở nhiệt độ bình thường hoặc ở nhiệt độ 40 – 50o

C nhờ các enzyme thủy phân cellulose – được gọi chung là cellulase

Trong điều kiện tự nhiên, cellulose bị phân hủy bởi vi sinh vật cả trong điều kiện hiếu khí lẫn yếm khí Các loài vi sinh vật thay phiên nhau phân hủy cellulose đến sản phẩm cuối cùng là glucose Tuy nhiên, sự phân giải cellulose trong điều kiện tự nhiên thường rất chậm và thường không triệt để

Trong tế bào thực vật, cellulose liên kết chặt chẽ với hemicellulose (chiếm 20 – 40% trọng lượng khô) là một loại heteropolymer chứa nhiều loại monosaccharide như galactose, mannose, glucose, xylose, arabinose và các nhóm acetyl Do bản chất không kết tinh nên hemicellulose tương đối dễ bị thủy phân Cellulose còn liên kết chặt chẽ với lignin (10 – 25% trọng lượng khô) Đây là thành phần ảnh hưởng rất nhiều đến sự thủy phân cellulose của enzyme Chỉ trong một số trường hợp (ví dụ trong sợi bông) cellulose tồn tại ở trạng thái một polymer gần tinh khiết

Việc sử dụng cơ chất lignocellulose để sản xuất các enzyme thủy phân cơ chất này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, nhiên liệu, thực phẩm, rượu bia, thức ăn gia súc, vải sợi, bột giặt, giấy, bột giấy,…

2.5.4 Vị trí

Cellulose là nguồn hữu cơ nhiều nhất trong thực phẩm, chất đốt và hóa chất Cellulose tồn tại một lượng rất lớn trong thực vật, không đều ở các cơ quan khác nhau, ít nhất ở lá và nhiều nhất là ở thân cây

Sự hiện diện của cellulose đóng vai trò là một vật liệu phổ biến của vách tế bào thực vật được phát hiện lần đầu tiên bởi Anselm Payen vào năm 1838 Nó tồn tại ở hầu hết những hình thức nguyên trong sợi cotton và trong tổ hợp với những vật liệu khác, như lignin và hemicellulose, trong gỗ, lá và thân … Mặc dù, nhìn chung được xem như vật liệu thực vật nhưng cellulose cũng được sản xuất bởi một số vi khuẩn

Cellulose là nền tảng bộ xương của thành tế bào thực vật Ngoài ra người ta còn thấy chúng có nhiều ở tế bào một số loài vi sinh vật (cellulose ở vi sinh vật thuộc loại vô định hình, việc phân hủy thường dễ thực hiện) Cellulose không có trong tế bào động vật

TÌM HIỂU VỀ HỆ ENZYME PECTINASE VÀ CELLULASE 2.6 ENZYME [12], [13]

Chữ “enzyme” được bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là chất trong nấm men

Enzyme được các cơ thể sinh vật tổng hợp nên và tham gia các phản ứng hóa học trong cơ thể Enzyme là một chất hữu cơ, trong khi đó các chất xúc tác hóa học thường là chất vô cơ Sau này, các nhà khoa học xác định chúng là protein

Như vậy enzyme là một protein có khả năng tham gia xúc tác các phản ứng hóa học trong và ngoài cơ thể

Pavlov đã nói: “Hoạt động của enzyme là biểu hiện đầu tiên của hoạt động sống Không có sự sống nào lại không có quá trình enzyme” Các enzyme xúc tác cho hầu hết các phản ứng hoá học xảy ra trong cơ thể sống, bảo đảm cho các quá trình chuyển hóa các chất trong cơ thể sống tiến hành với tốc độ nhịp nhàng cân đối, theo những chiều hướng xác định Enzyme bảo đảm cho sự trao đổi thường xuyên giữa cơ thể sống và môi trường ngoài, nghĩa là bảo đảm điều kiện tiên quyết cho sự tồn tại của cơ thể sống

Enzyme không những hoạt động xúc tác trong tế bào mà còn ngoài tế bào sinh vật, chính điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng enzyme vào nhiều lĩnh vực khác của công nghiệp và đời sống

Enzyme có hiệu suất xúc tác cực kỳ lớn, hoạt độ xúc tác của enzyme lớn gấp hàng trăm, hàng nghìn hoặc hàng triệu lần các chất xúc tác vô cơ và hữu cơ khác Ví dụ như trong phản ứng thủy phân saccharose nếu dùng saccharase làm xúc tác tốc độ phản ứng tăng nhanh gấp 2 ×1012 lần so với khi dùng acid làm xúc tác

Điều quan trọng là enzyme có thể thực hiện hoạt động xúc tác trong điều kiện nhẹ nhàng, ở áp suất và nhiệt độ bình thường của cơ thể, pH môi trường gần pH sinh lý Hơn nữa enzyme lại có khả năng lựa chọn cao đối với kiểu phản ứng mà nó xúc tác cũng như đối với chất mà nó tác dụng

Vì enzyme là những chất không thể chế biến được bằng phương pháp tổng hợp hóa học nên người ta thường thu chúng từ các nguồn sinh học Enzyme có trong tất cả các cơ quan, mô của động thực vật cũng như trong tế bào vi sinh vật

Enzyme được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau: động vật (pepsin từ dạ dày, trypsin từ tụy tạng….), thực vật (amylase từ thóc nảy mầm, bromelin từ thơm…) Tuy nhiên không thể dùng hai nguồn này làm nguyên liệu để sản xuất các chế phẩm enzyme với qui mô công nghiệp vì những lí do như khó tìm, tốc độ sinh sản chậm, đắt tiền,… Mặc dù vậy, người ta có thể tận dụng phế phẩm từ hai nguồn này làm môi trường và thức ăn để nuôi cấy vi sinh vật cho sản xuất enzyme

Trong các nguồn nguyên liệu sinh học thì nguồn nguyên liệu vi sinh vật (nấm men, nấm mốc, vi khuẩn…) là dồi dào và đầy hứa hẹn Vi sinh vật là giới sinh vật được xem như nhiều nhất và có khả năng chuyển hóa vật chất trong thiên nhiên mạnh nhất Hiện nay người ta khai thác enzyme nhiều từ vi sinh vật và được ứng dụng rất nhiều trong đời sống, sản xuất

Hệ enzyme vi sinh vật vô cùng phong phú Vi sinh vật có thể đồng hóa bất kỳ chất nào trong thiên nhiên, trong khi có nhiều chất mà động vật và thực vật không thể đồng hoá được

Enzyme của vi sinh vật có hoạt tính rất mạnh, vượt xa các sinh vật khác Do vậy chỉ cần sử dụng một lượng nhỏ enzyme có thể chuyển hoá một lượng lớn cơ chất Người ta tính rằng trong 24 giờ, vi sinh vật có thể chuyển hóa một lượng thức ăn gấp 30 – 40 lần so với trọng lượng cơ thể của chúng

Vi sinh vật sinh sản với tốc độ cực kỳ nhanh chóng, tuy khối lượng nhỏ, kích thước bé, nhưng tỷ lệ enzyme trong tế bào tương đối lớn nên quá trình sản xuất chế phẩm enzyme khá dễ dàng, thao tác thuận lợi, hiệu suất thu hồi cao Trong một thời gian ngắn, ta có thể thu nhận được một khối lượng enzyme rất lớn Đối với một số trường hợp có thể dùng 100% sinh khối vi sinh vật làm nguồn enzyme

Phần lớn thức ăn để nuôi vi sinh vật lại dễ kiếm và rẻ tiền Đa số vi sinh vật cho enzyme thường có khả năng phát triển trên môi trường đơn giản rẻ tiền như các phế phụ liệu, phế phẩm của các ngành sản xuất

Ưu điểm lớn của việc thu nhận enzyme từ vi sinh vật là có khả năng tăng cường sinh tổng hợp các enzyme nhờ chọn giống khi tạo được những biến chủng có hoạt lực cao Vi sinh vật rất nhạy cảm với tác động môi trường, có khả năng thích ứng với nguồn dinh dưỡng Vì vậy, khi thay đổi điều kiện sống của vi sinh vật hoặc tác động lên chúng bằng các tác nhân khác nhau có thể thay đổi dễ dàng hệ enzyme cũng

như hoạt tính của chúng và gia tăng tối đa quá trình sinh tổng hợp Điều đó cho phép ta có thể tạo được những enzyme theo ý muốn, dễ dàng thu nhận được enzyme có độ thuần khiết cao

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực sinh học nói chung và công nghệ sinh học nói riêng, cùng với nhu cầu enzyme trong các ngành công nghiệp ngày càng cao, phương pháp sinh tổng hợp enzyme ngày càng được áp dụng rộng rãi, và có hiệu quả trong nhiều nước trên thế giới Nhật Bản là một trong những quốc gia đi đầu trong lĩnh vực này, ở Nhật đã có hơn 20 công ty sản xuất chế phẩm enzyme Mỗi năm Nhật sản xuất khoảng 9850 tấn amilase, 8960 tấn protease, 2200 tấn glucoamilase, 100 tấn lipase, 200 tấn enzyme khác…Ở các nước phát triển như Đức, Hungari, Nga, Pháp, Anh, Đan Mạch, Trung Quốc…ngành công nghiệp sản xuất enzyme cũng được chú ý và phát triển khá mạnh

2.7 PECTINASE [12], [13], [39] 2.7.1 Định nghĩa

Enzyme pectinase là enzyme xúc tác sự phân hủy của các polymer pectin Sự phân hủy pectin trong tự nhiên thường xảy ra khi trái cây chín Những enzyme này có một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình bảo quản trái cây và rau quả

Enzyme pectinase cũng được ứng dụng nhiều trong chế biến thực phẩm, đặc biệt là khả năng làm trong nước quả

-1,4-galacturonite- Polygalacturonase: enzyme tác dụng trên pectic acid (hoặc pectinic), cũng được chia thành 2 nhóm nhỏ là endo-glucosidase-polygalacturonase kiểu II và exo-glucosidase-polygalacturonase kiểu IV

o Pectate lyase (PEL): xúc tác sự phân cắt các đơn vị galacturonate không bị ester hóa Các enzyme vi sinh vật ngoại bào này đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình gây bệnh ở thực vật, gây ra sự phân hủy mô của thành tế bào, làm mềm và làm mục mô thực vật

Ngoài ra còn có:

o Pectin-transeliminase

o Polygalacturonate-transeliminase o Pectin lyase (PNL)

Hình 2.9: Hoạt động của pectinase 2.7.5 Các vi sinh vật tổng hợp pectinase

 Aspergillus awamori, Aspergillus foetidus, Aspergillus niger,

Aspergillus terrus, Aspergillus saitoi

 Fusarium moniliforme

 Penicillium glaucum, Penicillium ehrlichii, Penicillium chrysogenum,

Penicillium expanam, Penicillium cilrrimim,…

Ngoài ra, pectinase cũng được tiết ra bởi một số mầm bệnh cây trồng như:

o Nấm Monilinia fructigena

o Vi khuẩn gây thối rữa Enwinia carotovora

2.8 CELLULASE [12], [13], [26], [34] 2.8.1 Định nghĩa

Cellulase là một phức hệ hydrolase gồm từ cellulase C1 đến cellulase Cx và -glucosidase Chúng sẽ phân hủy lần lượt cellulose để cuối cùng tạo ra sản phẩm đường glucose

Hoạt tính của chế phẩm cellulase bị mất hoàn toàn sau 10 – 15 phút ở 80oC

2.8.3 Ứng dụng

Hiện nay, cellulase từ vi sinh vật được sản xuất với quy mô công nghiệp và được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau Các ứng dụng quan trọng nhất có thể kể đến là:

Trong công nghiệp thực phẩm, cellulase được sử dụng để sản xuất glucose, mật đường từ nguyên liệu chứa nhiều cellulose như rơm, rạ, gỗ vụn, mạt cưa,…

Trong công nghiệp sản xuất ethanol từ các phế liệu có chứa cellulose

Trong chăn nuôi động vật ăn cỏ: việc bổ sung cellulase vào thức ăn sẽ tăng cường sự tiêu hóa hấp thụ thức ăn ở các loài này

Trong sản xuất dược liệu có nguồn gốc thực vật: cellulase phá vỡ thành tế bào thực vật giúp cho việc trích ly được dễ dàng

2.8.4 Phân loại

Enzyme cellulase được phân chia theo chức năng thành 3 nhóm sau : Endocellulase

Exocellulase -glucosidase

Theo danh pháp quốc tế thì được phân chia thành 3 nhóm: 1,4- -D-glucan cellobiohyrolase

1,4- -D-glucan-4-glucanohydrolase -D-glucoside glucohydrolase

Chúng tham gia tác động mạnh đến cellulose vô định hình, tác động yếu đến cellulose kết tinh

Sự thủy phân của endocellulase tạo ra những chuỗi cellodextrin có đầu không khử

Cellulase C1 còn được gọi là exocellulase hay exobiohydrolase, tên khác là 1,4- -D-glucan cellobiohyrolase

Thủy phân đặc hiệu liên kết -1,4-glucosid ở đầu không khử của chuỗi cellulose hoặc các cellodextrin để giải phóng cellobiose (cấu trúc gồm 2 phân tử D-glucose nối với nhau bằng liên kết -1,4-glucosid)

Enzyme này không có khả năng phân giải cellulose ở dạng kết tinh mà chỉ làm thay đổi tính chất hóa lý, giúp cho enzyme endocellulase phân giải chúng

-glucosidase (cellobiase), tên khác là -D-glucoside glucohydrolase Chúng không có khả năng phân hủy cellulose nguyên thủy mà tham gia phân hủy cellobiose, cellodextrin tạo thành D-glucose

2.8.6 Hệ vi sinh vật có khả năng tổng hợp enzyme cellulase

Hệ vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase khá phong phú, thuộc 3 nhóm: nấm sợi, xạ khuẩn và vi khuẩn Trong công nghiệp sản xuất cellulase hiện nay, người ta chủ yếu nuôi cấy nấm sợi và xạ khuẩn, còn vi khuẩn ít được sử dụng

o Nấm sợi

Chủ yếu là nấm mốc và nấm quả thể, đa số có khả năng sinh tổng hợp hai hoặc nhiều exocellulase, một vài endocellulase và một ít -glucosidase Các enzyme này đều là enzyme ngoại bào (được nấm tiết ra ngoài môi trường nuôi cấy)

 Aspergillus fumigatus, Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Aspergillus

oryzae, Aspergillus sydovii, Aspergillus terrus

 Trichoderma koningi, Trichoderma lignorum, Trichoderma roseum,

Trichoderma reesei

 Penicillium spp  Altenaria tenuis

 Fusarium culmorum, Fusarium oxysporum, Fusarium solani,…

o Xạ khuẩn

 Actinomyces spp,…

 Chiếm ưu thế là loài xạ khuẩn chịu nhiệt Thermonospora cruvata được

phân lập từ phân rác ủ o Vi khuẩn

 Hệ vi sinh vật trong dạ dày của động vật ăn cỏ, ví dụ: Cillobacterium

cellulosolvens, Ruminococcus albus, Ruminobacter parum,…

 Celluvibrio gilvus  Acetobacter xylinum,…

Trong đó, Trichoderma reesei được biết đến như một vi sinh vật sản xuất cellulase rất tốt Một số chủng đột biến của Trichoderma reesei có thể sản xuất 160 –

250 UI/g cellulase

Hình 2.10: Hoạt động của cellulase

Ta có thể tóm tắt toàn bộ quá trình thủy phân cellulose nhƣ sau

Sơ đồ 2.2: Quá trình thủy phân cellulose

Hình 2.11: Mô hình sự phân hủy cellulose tinh thể

Vùng vô định hình

Vùng kết tinh Đầu không khử

Đầu khử

TÌM HIỂU VỀ NẤM SỢI 2.9 NẤM SỢI (NẤM MỐC) [5], [33]

Nấm mốc (molds, moulds) là tên chung để chỉ tất cả các nhóm nấm không phải là nấm men mà cũng không phải là các nấm lớn có mũ nấm (như nấm rơm, nấm gỗ,…)

Nấm mốc bao gồm nhiều loài nấm thuộc các nhóm phân loại khác nhau Nấm mốc phân bố rộng rãi trong tự nhiên (trong đất, trong phân chuồng, trong nước, trong không khí, trên các loại nguyên vật liệu, lương thực, thực phẩm, hoa quả,…)

Nấm mốc góp phần quan trọng trong việc đảm bảo các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên Chúng có khả năng phân giải mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ phức tạp (như pectin, cellulose, protein, lipid,…)

Từ lâu nhân dân ta đã biết sử dụng các quá trình lên men truyền thống nhờ nấm mốc, ví dụ như chế tạo tương Trong những năm gần đây, nấm mốc đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lên men ở hầu hết các nước trên thế giới

Nhiều loài nấm mốc được dùng trong công nghiệp sản xuất các chế phẩm men (amylase, protease, lipase, pectinase, cellulase,…) hoặc được dùng để chế biến các loại thực phẩm (đường hóa tinh bột, chế tạo nước chấm, thức ăn gia súc,…) Nhiều loại nấm mốc được sử dụng để tổng hợp ở quy mô công nghiệp các loại acid hữu cơ (acid citric, acid lactic, acid oxalic, acid malic,…) Các loại acid này đều là những mặt hàng có giá trị trong công nghiệp hóa chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp in nhuộm, công nghiệp dược phẩm,…

Một số nấm mốc có khả năng tích lũy vitamin (B2, -caroten) hoặc các chất sinh trưởng (gibberelin, heterauxin,…) Một số nấm mốc có khả năng sản sinh nhiều loại alkaloid có giá trị chữa bệnh cao (amanitin, bufofein, muscarin,…)

Nấm mốc còn được sử dụng như những tác nhân hóa học để chuyển hóa một cách tinh vi và chính xác từng gốc hợp chất xác định trong phân tử các chất thuộc loại steroid Nhờ tác dụng này mà càng ngày người ta càng có thêm nhiều dược phẩm quý giá

Gần đây, nhiều loại nấm mốc đã được nghiên cứu sử dụng để sản xuất một số acid amin hoặc một số nucleotide và nucleozide (dùng trong công nghiệp thực phẩm