Tối ưu hóa quy trình trích ly cà phê sử dụng enzyme pectinase

Cà phê vối (Coffea canephora pierre)

Lá hình bầu, hoặc hình mũi mác, đầu lá nhọn, phiến lá gợn sóng mạnh. Quả hình tròn hoặc hình trứng, trên quả có nhiều gân dọc, khi chín có màu đỏ. Phát hiện đầu tiên năm 1902 ở xứ Ubangui – Chari nên thường được gọi là cà phê Chari.

Quả hình trứng, hơi dẹt, núm quả lồi, khi chín có màu đỏ sẫm, thịt quả giòn, ít ngọt. Đáng chú ý là hoa quả phát triển cả trên các mắt ngủ của cành già, kể cả trên thân cây, nơi phân cành.

Cà phê mít dâu da (Coffea liberia Bull. In Hirn) Nguồn gốc ở Liberia

Hạt nhỏ hơn cà phê chè, tỷ lệ nhân/quả tươi cao hơn cà phê chè. Hạt màu xanh ngả vàng, vỏ lụa bám chặt vào hạt khó làm tróc hết. Arabusta có hàm lượng caffeine thấp, cho chất lượng cà phê tốt hơn Robusta và sức đề kháng bệnh cao hơn so với Arabica.

Công dụng của cà phê [7], [17]

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. 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. 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.

PECTIN [13], [39], [43]

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. 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.

ENZYME [12], [13]

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. 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. 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.

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. 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.

PECTINASE [12], [13], [39]

 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. 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. 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,….

Thủy phân liên kết -1,4-glucosid ở vị trí ngẫu nhiên trong chuỗi cellulose, chuỗi cellodextrin và các dẫn xuất cellulose như Carboxyl Methyl Cellulose (CMC) và Hydroxyethyl Cellulose (HEC). 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).

NẤM SỢI (NẤM MỐC) [5], [33]

Một số nấm mốc được sử dụng như những vi sinh vật chỉ thị trong việc định lượng vitamin, định lượng acid amin, định lượng nguyên tố vi lượng, kiểm tra hàm lượng N và P dễ tiêu trong đất, và nhất là kiểm tra hiệu quả tác dụng của các chất chống ung thư. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích nhiều mặt, nấm mốc cũng là nguyên nhân gây ra nhiều tổn thất hết sức to lớn cho việc bảo vệ mùa màng, bảo quản lương thực, thực phẩm, hàng hóa, vải vóc, phim ảnh, sách vở,…. Các bệnh nấm ở người (như hắc lào, nấm vẩy rồng, nấm kẽ chân, nấm tóc, nấm toàn thân,…) rất hay gặp ở nước ta và đã gây ra những ảnh hưởng không nhỏ đối với sức khỏe và năng suất lao động.

Một số khuẩn ti phát triển sâu vào cơ chất, giúp nấm mốc bám chặt vào cơ chất và hấp thụ các loại thức ăn chứa trong đó (khuẩn ti cơ chất hoặc khuẩn ti dinh dưỡng). Phát triển bằng khuẩn ti: một đoạn khuẩn ti riêng rẽ  phát triển thành một khuẩn ti thể  khuẩn ti và đất bụi theo gió bay khắp nơi  gặp điều kiện thuận lợi  phát triển thành cơ thể mới.

ASPERGILLUS NIGER [33], [34], [42]

Bào tử đính màu đen nên không bị ảnh hưởng bởi tia mặt trời và tia cực tím. Aspergillus niger thường được phân lập từ các sản phẩm phơi nắng: cá, cây gia vị,….

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

• THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM 1. Thời gian
• VẬT LIỆU 1. Cà phê nhân

Cà phê sau khi ngâm nước để đạt độ ẩm cần thiết, trộn đều với chế phẩm, cho vào rổ nhựa, phủ vải mùng lên và ủ (tỉ lệ chế phẩm, thời gian ủ tùy chỉ tiêu khảo sát). Pha dung dịch glucose 1 mg/ml bằng cách hòa tan 100 mg glucose monohydrate với 80 ml nước cất và chuyển vào bình định mức 100 ml, thêm nước cất đến vạch và lắc đều. Một đơn vị hoạt tính CMCase là lượng enzyme cần thiết để giải phóng ra đường khử (như glucose) khi thủy phân CMC với vận tốc 1 mol/phút dưới các điều kiện phản ứng.

Với dung dịch đường cần định nồng độ, ta cũng lấy trị số mật độ quang trừ đi trị số mật độ quang của ống thử không rồi chiếu vào đường chuẩn để suy ra nồng độ x, từ đó tính ra % lượng đường trong mẫu. Hỗn hợp phản ứng giữa glucose với thuốc thử DNS được tiến hành như phần dựng đường chuẩn glucose (thay 1 ml dung dịch glucose chuẩn bằng 1 ml dung dịch đường cần phân tích). Dưới tác dụng của H2SO4 đậm đặc ở nhiệt độ cao, các hợp chất có chứa nitơ bị phân hủy và bị oxi hóa đến CO2 và H2O, còn nitơ chuyển thành NH3 và tiếp tục kết hợp với H2SO4 tạo thành muối (NH4)2SO4 tan trong dung dịch.

Sau khi chuyển môi trường cám gạo vào môi trường chế phẩm, nuôi cấy trong 48 giờ, sau đó xác định hoạt tính hai enzyme pectinase và cellulase để chọn ra tỷ lệ tối ưu nhất. Sau khi chọn được tỷ lệ cơ chất bột mì : bột sắn (cho môi trường chế phẩm) tối ưu cho sinh tổng hợp 2 loại enzyme pectinase và cellulase, chúng tôi cố định tỷ lệ này. Sau khi chọn được tỷ lệ cơ chất (bột mì : bột sắn) và thời gian nuôi cấy tối ưu, chúng tôi tạo 1 mẫu chế phẩm tối ưu và sử dụng để lên men cà phê.

Chúng tôi cố định hàm lượng chế phẩm là 0,1%, tiến hành lên men cà phê với 6 mẫu thí nghiệm (lên men ở 6 khoảng thời gian khác nhau, cách đều 4 giờ). Chọn mẫu lên men với thời gian lên men thích hợp nhất, bằng cách chọn mẫu có khả năng trích ly chất hòa tan cao nhất (thông qua khối lượng chất tan cao nhất). Sau khi chọn được thời gian lên men tối ưu, chúng tôi cố định thời gian đó và tiến hành khảo sát hàm lượng chế phẩm cho vào khối cà phê lên men, với 6 nghiệm thức (cách đều nhau 0,04%).

Chọn mẫu lên men với hàm lượng chế phẩm thích hợp nhất, bằng cách chọn mẫu có khả năng trích ly chất hòa tan cao nhất (thông qua khối lượng chất tan cao nhất). Cố định thời gian lên men và hàm lượng chế phẩm tối ưu, tiến hành lên men 1 mẻ cà phê và khảo sát nhiệt độ khối ủ theo thời gian (cách nhau 2 giờ).