Mẫu Độ nhớt (mPa.s) 60 °C 50 °C 40 °C 30 °C 20 °C Bắp nếp 254 300 372 440 586 Khoai tây 528 782 2100 3110 5410 Khoai mì 574 900 1420 2110 3200 Khoai lang 656 760 912 1140 1310
Nhận xét: khi chiếu sóng siêu âm độ nhớt của các dịch từ các nguồn khác nhau đều có khuynh hướng giảm. Nhiệt độ chiếu càng cao độ nhớt của dịch càng giảm.
Mặt khác nồng độ cũng là một yếu tố tác động khác lớn đến hiệu suất phản ứng. Ở nồng độ tinh bột cao (20-33.3% chất khô), hồ tinh bột có thể hóa lỏng nhờ siêu âm. Độ nhớt tinh bột ở nồng độ vừa phải (5-10%) có thể giảm thấp hơn 100 mPas nhờ siêu âm trong 30s. (Yasuo Iida, 2008)
Hình 24 : Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột lên sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ (Yasuo Iida, 2008)
Nhận xét: độ nhớt dịch giảm đáng kể khi siêu âm 30 phút dung dịch tinh bột bắp nếp 5% và 10% trong khoảng nhiệt độ 20 – 600C. Sau 30 phút xử lí siêu âm độ nhớt của mẫu ở hai nồng độ gần như xấp xỉ nhau.
Hình 25 : Lượng đường khử của các mẫu siêu âm ở mức năng lượng cao trong vòng 30s ở các nồng độ chất khô khác nhau.( Saoharit Nitayavardhana, 2008)
Nhận xét : hàm lượng đường khử là 9.7, 14.4 và 22g/100g mẫu ứng với nồng độ 5%, 15% và 25%. Ở nồng độ cao hơn, nhiều hạt được xử lý siêu âm hơn, mở cấu trúc thành tế bào và giải phóng ra nhiều hạt tinh bột hơn cho enzyme thủy phân tạo thành đường sau này.
Xét về khía cạnh cân bằng năng lượng, hiệu suất cao nhất thu được ở mức nồng độ 25%. Hiệu suất -64.0%, 59.0%, và 323.0% đạt được ở 5%, 15% và 25%TS, tương ứng. Kết quả này tương ứng với lượng đường khử tạo ra. Khi một nhà máy có quy mô lớn vận hành ở 25-33.3% chất khô, sự kết hợp sóng siêu âm có thể làm tăng đáng kể hiệu quả kinh tế.
( Saoharit Nitayavardhana, 2008)
Melissa Montalbo-Lomboy (2010) cũng thu được kết quả tương tự qua đồ thị sau :
Hình 27 : Hàm lượng đường khử sau 3h đường hóa với các chế độ xử lí bằng sóng siêu âm khác nhau trong trường hợp xử lí liên tục so sánh với mẫu đối chứng là đường chấm gạch ngang.
(Melissa Montalbo-Lomboy, 2010)
Nhận xét: quá trình xử lí bằng sóng siêu âm làm tăng cường quá trình đường hóa hồ tinh bột. Hiệu suất xử lí bằng sóng siêu âm tăng từ 40 – 330% so vớ mẫu đối chứng. Hàm lượng đường khử cũng tăng theo năng lượng và thời gian chiếu sóng siêu âm. Thời gian xử lí càng dài, năng lượng sóng càng lớn thì hàm lượng đường giải phóng ra càng nhiều. Trong trường hợp thời gian xử lí 40s hàm lượng đường khử giải phóng ra trong trường hợp năng lượng trung bình và cao gần như xấp xỉ nhau. Do đó tại điểm xử lí năng lượng trung bình, thời gian 40s được xem như là điều kiện tối ưu nên khi tăng năng lượng hay thời gian xử lí thì hàm lượng đường khử không tăng nữa. Và điểm này cũng xem là điểm mà tại đó quá trình đường hóa xảy ra với hiệu suất cao nhất. Hiện tượng này có thể lí giải là do với năng lượng tác động cao sẽ làm vô hoạt gây ức chế hoạt động của enzyme do đó làm giảm hiệu suất phản ứng.
4.3. Yếu tố điều kiện phản ứng
Chúng ta có thể tiến hành phản ứng trong điều kiện liên tục hay gián đoạn. Trong công nghiệp phương pháp liên tục được sử dụng khác phổ biến do đem lại hiệu quả năng lượng cao hơn phương pháp gián đoạn. Ngoài ra trình tự xử lí mẫu bằng sóng siêu âm và bổ sung enzyme cũng tác động đến hiệu suất phản ứng thủy phân. Thông thường sóng siêu âm tác động vào enzyme theo hai hướng: thứ nhất đối với các enzyme trong nguyên liệu sóng siêu âm có tác dụng phá vỡ hạt giải phóng enzyme ra bên ngoài nên làm tăng hoạt lực của enzyme điều này cũng tương tự như enzyme cố định. Thứ hai đối với enzyme bổ sung ở dạng tự do do chúng có bản chất là protein nên các mạch polypeptide của chúng sẽ bị sóng siêu âm tác động gây phá vỡ mạch làm biến tính enzyme
dẫn đến hoạt tính enzyme giảm. Vì vậy tùy thuộc nguồn enzyme sử dụng mà chúng ta có chế độ bổ sung khác nhau chẳng hạn với enzyme tự do thường được bổ sung sau khi đã chiếu sóng siêu âm để tránh làm giảm hoạt tính enzyme.
Hình 28 : Sơ đồ hệ thống thiết bị chiếu siêu âm liên tục (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Melissa Montalbo-Lomboy đã khảo sát sự thay đổi điều kiện thí nghiệm đối với kích thước hạt. Kết quả cho thấy kích thước hạt cũng tăng khi được chiếu sóng siêu âm trong đó phương pháp liên tục là có hiệu quả cao hơn. Tương tự đối với hàm lượng đường khử. Mật độ năng lượng của phương pháp liên tục chỉ dao động trong khoảng nhỏ từ 4 – 14 kJ/L trong khi phương pháp gián đoạn thay đổi từ 87 – 260 kJ/L. Khi mật độ năng lượng tăng sẽ dẫn đến sự tăng hàm lượng đường khử giải phóng ra. Hiệu suất cao nhất của hàm lượng đường khử trong phương pháp liên tục 30.2g/ L tương ứng với mật độ năng lượng là 12.6 kJ/L và phương pháp gián đoạn là 61.6 g/L tương ứng với mât độ là 227.4 kJ/L. Phương pháp gián đoạn cho hiệu suất cao hơn gấp 2 lần so với phương pháp liên tục nhưng lại tiêu tốn năng lượng gấp 18 lần. Hiệu suất thu đường khử thấp nhất ở phương pháp liên tục là 18.1 g/L với năng lượng sử dụng là 4.9 kJ/L trong khi đó phương pháp gián đoạn phải tiêu tốn một lượng năng lượng 87.7 kJ để thu hàm lượng đường khử tương đương ( 20.8 g/L). Do đó phương pháp liên tục được xem là có hiệu quả năng lượng cao hơn so với phương pháp gián đoạn và đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay.
Hình 29 : Ảnh hưởng của mật độ năng lượng của sóng siêu âm đên kích thước phân tử (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010)
Hình 30 : Hàm lượng đường khử và mật độ năng lượng đấu vào của phương pháp liên tục và gián đoạn (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010)
Trong quá trình đường hóa việc bổ sung enzyme có thể thực hiện theo 2 chế độ sau: bổ sung trước khi chiếu sóng siêu âm (SD) hay bổ sung sau khi chiếu (SA). Qua tiến hành các thí nghiệm, Saoharit Nitayavardhana thấy rằng mẫu trong trường hợp năng lượng sóng siêu âm ở mức trung bình, hiệu suất giải phóng đường khử khi bổ sung enzyme trước sẽ cao hơn nhưng khi năng lượng tăng hàm lượng đường khử giải phóng ra giảm xuống do tác động mạnh của sóng siêu âm sẽ làm vô hoạt một phần enzyme. Do đó tùy thuộc và nguồn enzyme, loại tinh bột,… mà có chế độ xử lí cho phù hợp tránh làm vô hoạt hoạt tính enzyme.
Hình 31 : Ảnh hưởng của chế độ bổ sung enzyme đối với hàm lượng đường khử (Saoharit Nitayavardhana)
Thông thường quá trình xử lí bằng sóng siêu âm tiến hành sau khi hạt đã hồ hóa vì khi đó mẫu ở trạng thái dịch nên sóng siêu âm tác động dễ dàng và đồng đều hơn. Bên cạnh đó sau khi hạt đã được hồ hóa trước thì quá trình xử lí bằng sóng siêu âm sẽ nhẹ nhàng hơn cụ thể cường độ chiếu sẽ thấp hơn và thời gian chiếu có thể ngắn đi. Hệ quả sẽ hạn chế được sự vô hoạt enzyme sử dụng trong quá trình thủy phân.
Hình 32 : Biểu đồ mô tả quá trình xử hạt tinh bột có sử dụng sóng siêu âm (Yasuo Iida, 2007)
4.4. Ứng dụng của sóng siêu âm trong quá trình đường hóa
Do sóng siêu âm làm tăng hiệu suất thu đường khử do đó được ứng dụng trong các quá trình lên men sản xuất cồn, rượu, bia… với cơ chất là glucose từ các nguồn thực vật khác nhau. Việc sử dụng sóng siêu âm còn có tác dụng tăng cường diện tích tiếp xúc giữa cơ chất và enzyme do đó làm tăng cường hiệu suất phản ứng đem lại giá trị kinh tế cao. Và hiện nay phương pháp này đã được ứng dụng trong việc sản xuất cồn sinh học với mục đích thay thế cho các loại nhiên liệu hóa thạch. Ngoài mục đích giảm giá thành do các nhiên liệu hóa thành có giá thành ngày càng tăng thì cồn sinh học còn có ưu điểm là thân thiện môi trường do giảm đi hiện tượng khí nhà kính do việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch sinh ra.
Hiện nay các loại bao bì sinh học ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để thay thế các loại bao bì nhựa truyền thống trước đây. Tinh bột được xem là một trong những nguyên liệu thay thế đầy triển vọng để sản xuất các loại bao bì sinh học này do các đặc tính sau: giá thành nguyên liệu rẻ, thân thiện môi trường do có khả năng tự phân hủy, tính chắn sáng cao so với màng bao nhựa và có nguồn cung cấp khá dồi dào . Để chuyển từ tinh bột thành các lớp màng bao bì có nhiều phương pháp thực hiện như là nguyên liệu được đùn ra từ máy ép đùn và được thổi tạo hình hay nguyên liệu được hồ hóa trước và tiến hành tạo khuôn sau đó được nhúng vào nước hay phun nước lên bề mặt và tiếp tục quá trình sấy khô. Đối với màng thực hiện bằng quy trình ép đùn có tính dẻo thấp và kém bền với nhiệt hơn so với phương pháp tạo khuôn. Do đó phương pháp tạo khuôn hiện nay vẫn còn là phương pháp chủ yếu được sử dụng sản xuất bao bì không độc và có thể ăn được với nồng độ tinh bột không quá cao hoặc quá thấp, thường lấy
6%. Vấn đề được đặt ra đối với màng bao đó là lớp màng này phải đồng nhất, bề mặt trơn nhẵn, và phải có cấu trúc chặt chẽ do đó tinh bột sử dụng phải hoàn toàn tan trong nước hay trong dung môi đem sử dụng. Mặc dù tinh bột tự nhiên có tính ưa nước cao nhưng rất khó để nó hòa tan hoàn tan trong nước do kích thước các phân tử khá lớn và liên kết chặt chẽ giữa các phân tử gây ức chế sự xâm nhập của phân tử nước. Do đó để tinh bột hòa tan hoàn toàn trong nước thì chỉ sử dụng nồng độ thấp và phải cung cấp một lượng nhiệt lớn (trên 1000C) nên sẽ không mang tính kinh tế cao. Vì vậy kĩ thuật siêu âm đã được sử dụng trong quá trình sản xuất này. Kết quả độ nhớt của dịch hồ tinh bột tăng, tăng khả năng hòa tan và độ trong. Nguyên nhân là do sóng siêu âm làm tăng sự linh động của các phân tử tinh bột do đó làm hạt dễ dàng bị phá vỡ và hình thành nên dung dịch đồng nhất. So sánh với phương pháp hòa tan tinh bột truyền thống thì phương pháp này có chi phí thấp hơn và hiệu quả tác động cao hơn.
Quá trình xử lí sóng siêu âm thích hợp hơn cho phương pháp tạo khuôn và có thể thực hiện được ngay cả trong điều kiện nồng độ tinh bột cao. Việc xử lí này làm cho màng bao đạt được những tính chất tốt hơn như cải thiện độ trong, tăng khả năng chống thấm và tăng độ bền của màng bao. Bên cạnh đó còn tồn tại một nhược điểm là sự gãy vỡ của màng khi chiếu sóng siêu âm nhưng nó có thể được khắc phục bằng cách thêm vào chất dẻo hóa như glycerol để tăng cường liên kết do đó làm tăng độ bền của màng bao.
Kết luận
Việc ứng dụng sóng siêu âm để hỗ trợ quá trình thủy phân tinh bột tuy còn khá mới mẻ nhưng ứng dụng này vẫn nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và bước đầu đạt được một số thành tựu đáng lưu ý. Nếu kết hợp siêu âm - enzyme được đem vào thực tế sản xuất sẽ làm tăng tính kinh tế cho các nhà máy sản xuất do tác dụng làm giảm thời gian dịch hóa, đường hóa, lên men, giảm lượng enzyme sử dụng, tăng đáng kể hàm lượng glucose giải phóng ra và giảm bớt một vài quá trình sản xuất dẫn đến làm giảm chi phí sản xuất, tăng lợi nhuận. Như vậy, những điểm nổi bật trong quá trình xử lý siêu âm hiện nay là:
- Không sử dụng hóa chất hay phụ gia.
- Đơn giản, nhanh chóng và có ý nghĩa về mặt kinh tế.
- Không có biến đổi lớn về cấu trúc hóa học, đặc biệt về đặc tính của tinh bột.
Nước ta là một nước nông nghiệp do đó có nguồn tinh bột khá dồi dào nhưng nền công nghiệp sản xuất thực phẩm vẫn còn thực hiện bằng thủ công là chủ yếu. Vì vậy việc áp dụng các biện pháp kĩ thuật hiện đại như siêu âm chẳng hạn sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm nói riêng và ngành công nghiệp nói chung. Từ đó sẽ làm thay đổi nền kinh tế nước ta từ xuấ khẩu các sản phẩm thô là chính sang xuất khẩu các sả phẩm góp phần đem lại lợi nhuận kinh tế cao và nâng cao đời sống nhân dân.
Tài liệu tham khảo
1. Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Xương, Nguyễn Xích Liên, Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh
bột sắn, NXB Khoa học và kĩ thuật, 2005
2. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Hóa sinh công nghiệp, NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội, 2000. 3. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Bùi Đức Hợi, Hóa học thực phẩm, NXB Khoa học và kĩ thuật,
1994.
4. Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo quản và chế biến lương thực, NXB Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, 2007.
5. Anet Rez ˇek Jambrak , Zoran Herceg , Drago Šubaric ´, Jurislav Babic ´, Mladen Brnc ˇic ´, Suzana Rimac Brnc ˇic ´, Tomislav Bosiljkov, Domagoj, Branko Tripalo, Jurica Gelo,
Ultrasound effect on physical properties of corn starch, Carbohydrate Polymers 79 (2010)
91–100
6. C. Aparicio, P. Resa, L. Elvira, A.D. Molina-García, M. Martino, P.D. Sanz, Assessment of
starch gelatinization by ultrasonic and calorimetric techniques, Journal of Food
Engineering 94 (2009) 295–299
7. Farid Chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan, Applications of ultrasound in food
technology: Processing, preservation and extraction, Ultrasonics Sonochemistry 18 (2011)
813–835
8. J. García-Álvarez, J. Salazar, C.M. Rosell, Ultrasonic study of wheat flour properties, Ultrasonics 51 (2011) 223–228
9. John F. Robyt, Starch: Structure,Properties, Chemistry and Enzymology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2008) 1438 – 1468
10. Jozef Synowiecki, The use of starch processing enzymes in the food industry, J. Polaina and A.P. MacCabe (eds.), Industrial Enzymes, 19–34, 2007 Springer.
11. Les Copeland, Jaroslav Blazek, Hayfa Salman, Mary Chiming Tang, Form and
functionality of starch, Food Hydrocolloids 23 (2009) 1527–1534.
12. Melissa Montalbo-Lomboy,Samir Kumar Khanal, J. (Hans) van Leeuwen, D. Raj Raman, Larson Dunn Jr, David Grewell, Ultrasonic pretreatment of corn slurry for
saccharification: A comparison of batch and continuous systems, Ultrasonics
Sonochemistry 17 (2010) 939–946
13. Narpinder Singh*, Jaspreet Singh, Lovedeep Kaur, Navdeep Singh Sodhi, Balmeet Singh Gill, Morphological, Thermal and rheological properties of starches from different botanical sources, Food Chemistry 81 (2003) 219–231
14. Qiang Huang, Lin Li, Xiong Fu, Ultrasound Effects on the Structure and Chemical
Reactivity of Cornstarch Granules, Starch/Stärke 59 (2007) 371–378
15. 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, December 1, 2007
16. 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, Vol. 101,
No. 3, October 15, 2008
17. Wenjian Chenga, Jianchu Chena, Donghong Liua, Xingqian Yea,∗, Fansheng Keb, Impact
of ultrasonic treatment on properties of starch film-forming dispersion and the resulting films, Carbohydrate Polymers 81 (2010) 707–711
18. Wenxia Gao, Xiaoqing Lin, Xiepeng Lin, Jinchang Ding, Xiaobo Huang, HuayueWu,
Preparation of nano-sized flake carboxymethyl cassava starch under ultrasonic irradiation,
Carbohydrate Polymers 84 (2011) 1413–1418
19. Yasuo Iida , Toru Tuziuti, Kyuichi Yasui, Atsuya Towata, Teruyuki Kozuka, Control of
viscosity in starch and polysaccharide solutions with ultrasound after gelatinization,
