Mô hình toán học

Theo Moast, 1971, dƣới các điều kiện thông thƣờng, sự chết nhiệt của vi sinh vật có thể đƣợc biểu diễn bởi đƣờng cong toán học, mô hình hóa bằng công thức

kN dt

dN

(2.6.1)

Trong đó: N = số tế bào tại thời điểm xử lý t. t = thời gian.

k = hằng số chết nhiệt. Lấy tích phân hai vế theo t, ta đƣợc:

kt N N o e log _(2.6.2)

Với N_o = số tế bào ban đầu.

Vì thế, đồ thị hàm log(N/No) theo thời gian t là một đƣờng thẳng cho hầu hết các trƣờng hợp.

Đơn vị để đo lƣờng thời gian xử lý nhiệt D, là thời gian cần thiết để giảm đi 1 chu kỳ log số tế bào, có quan hệ với hằng số chết nhiệt bởi công thức:

k

k

D log

10 2,303

(2.6.3)

Ngoài ra, D còn đƣợc gọi là hệ số khử trùng. Thông thƣờng ngƣời ta thích dùng thời gian tiêu diệt 1/10, D ứng với thời gian tác dụng để tiêu diệt đƣợc 1/10 số lƣợng vi sinh vật ban đầu.

Mỗi vi sinh vật có một giá trị D khác nhau. kết hợp các giá trị D ở các nhiệt độ khác nhau sẽ tìm đƣợc giá trị z, là khoảng tăng nhiệt độ cần thiết để giảm đi 90% giá trị D (Deamen, 1980).

VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài đƣợc tiến hành từ tháng 03/2005 đến tháng 07/2005 tại Trung Tâm Phân Tích Thí Nghiệm Hóa Sinh - Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh.

3.2. Vật liệu và thiết bị sử dụng 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm

- Men bánh mì dạng paste, hiệu Saf – Viêt đƣợc mua tại công ty men Cát Tƣờng. - Sữa gạn kem (skim milk), do Đức sản xuất.

- Mật ong nguyên chất, do công ty Long Quan sản xuất. - Bột ngọt hiệu AJI-NO-MOTO.

- Bột mì cao cấp số 8, do công ty Lâm Kiều sản xuất. - Muối tinh.

- Đƣờng tinh khiết.

3.2.2. Thiết bị thí nghiệm

- Máy sấy thăng hoa, hiệu LyoPro 6000. - Tủ lạnh : 4^oC.

- Tủ đông đƣợc điều chỉnh ở hai nhiệt độ: -20^oC và -68o

C. - Tủ sấy Memmert dùng để xác định ẩm độ.

- Các thiết bị phòng vi sinh: Autoclave, buồng đếm hồng cầu, kính hiển vi, máy votex, cân v.v.

- Máy đóng gói chân không dùng để chuẩn bị mẫu thí nghiệm. - Một số dụng cụ khác: thau, ống đong, màng film v.v.

3.3. Phƣơng pháp thí nghiệm 3.3.1. Phƣơng pháp lấy mẫu 3.3.1. Phƣơng pháp lấy mẫu

Sử dụng men bánh mì dạng paste hiệu Saf – Viêt, do cơ sở sản xuất men Cát Tƣờng cung cấp.

3.3.2. Thí nghiệm 1: Khảo sát động học chết nhiệt nấm men Saccharomyces cerevisiae cerevisiae

Mục đích:

- Khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ xử lý theo thời gian đến sự sống sót nấm men ở các ẩm độ khác nhau.

- Tính toán các thông số động học k, D, z giúp dự đoán mức độ chết của nấm men ở nhiệt độ xử lý.

Quy trình:

+ Kiểm tra men nguyên liệu ban đầu (ẩm độ và số lƣợng tế bào), điều chỉnh ẩm độ men đúng ẩm độ cần thí nghiệm.

+ Đóng gói 1 gam men trong bao plastic bằng máy rút chân không, nhằm giữ ẩm, tránh thất thoát nƣớc trong lúc xử lý nhiệt.

+ Vận hành tủ: chỉnh nhiệt độ tủ đến nhiệt độ cần thí nghiệm, để nhiệt độ tủ ổn định.

+ Treo mẫu vào tủ (mỗi nghiệm thức lặp lại ba lần). + Sau thời gian xử lý mong muốn thì lấy mẫu ra. + Kiểm tra số tế bào nấm men.

Bố trí thí nghiệm:

Thí nghiệm tiến hành ở hai ẩm độ của men: 70% và 80%. Mức thời gian xử lý đƣợc chọn tăng dần. Thí nghiệm đƣợc bố trí nhƣ hai bảng sau:

Bảng 3.3.1: Bố trí thí nghiệm 1.1, mức ẩm 70%.

Nhiệt độ T (o

C) Thời gian t (giờ) Số lƣợng tế bào men N

4^oC 0 N_o 360 (15 ngày) N₁ 504 (21 ngày) N₂ 624 (26 ngày) N₃ -20^oC 0 N_o 3 N₁ 5 N₂ 19 N₃ 23 N₄ 24 N₅ 27 N₆ 120 N₇ -68^oC 0 N_o 3 N₁ 5 N₂ 16 N₃ 24 N₄ 27 N₅ 48 N₆ 120 N₇

Bảng 3.3.2: Bố trí thí nghiệm 1.2, mức ẩm 80%.

Nhiệt độ T (oC) Thời gian t (giờ) Số lƣợng tế bào men N

4^oC 0 N_o 360 (15 ngày) N₁ 504 (21 ngày) N₂ 624 (26 ngày) N₃ -20^oC 0 N_o 3 N₁ 23 N₂ 27 N₃ 72 N₄ -68^oC 0 N_o 3 N₁ 23 N₂ 27 N₃ 72 N₄

3.3.3. Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hƣởng của chất mang và chế độ sấy đến sự chết nhiệt của men qua sấy thăng hoa nhiệt của men qua sấy thăng hoa

3.3.3.1. Thí nghiệm 2.1: Ảnh hƣởng của chất mang và nhiệt độ cấp đông đến chất lƣợng men khi sấy thăng hoa 6 giờ, cấp đông gián tiếp lƣợng men khi sấy thăng hoa 6 giờ, cấp đông gián tiếp

Mục đích:

- Chọn chế độ sấy và công thức phụ gia tốt nhất làm cơ sở cho thí nghiệm tiếp theo.

- Xác định mối quan hệ giữa các chỉ tiêu sau: thời gian đông mẫu, số lƣợng tế bào nấm men, độ nở trung bình và ẩm độ.

- Men đƣợc mua tại công ty men Cát Tƣờng phải đảm bảo hạn sử dụng, phải đảm bảo thời gian cố định cho thí nghiệm.

- Kiểm tra nguyên liệu men ban đầu: ẩm độ, số lƣợng tế bào và hoạt lực men.

- Cho chất mang vào theo nồng độ mong muốn.

- Cho vào tủ đông ở nhiệt độ mong muốn, để trong 24 giờ.

- Đặt vào máy sấy.

- Vận hành máy sấy thăng hoa, sấy trong 6 giờ.

- Thu men và đóng gói.

- Bảo quản ở 4oC trong 17 giờ.

- Kiểm tra các chỉ tiêu: ẩm độ, số lƣợng tế bào và hoạt lực men. Bố trí thí nghiệm:

Thí nghiệm tiến hành ở men có ẩm độ 70%, lặp lại ba lần. Chỉ sử dụng ba chất phụ gia là: Sữa gạn kem (skim milk), mật ong và bột ngọt theo công thức pha chế nhƣ sau:

+ A = men tƣơi

+ B = men tƣơi + sữa gạn kem 10% + mật ong 5% + bột ngọt 5%. + C = men tƣơi + sữa gạn kem 10% + mật ong 15% + bột ngọt 5%. + D = men tƣơi + sữa gạn kem 20% + mật ong 5% + bột ngọt 5%.

Bảng 3.3.3: Bố trí thí nghiệm 2.1

Nhiệt độ (oC) Công thức phụ gia

-20^oC A B C D -68^oC A B C D

3.3.3.2. Thí nghiệm 2.2: Ảnh hƣởng của chất mang đến chất lƣợng men khi sấy thăng hoa 24 giờ, cấp đông gián tiếp thăng hoa 24 giờ, cấp đông gián tiếp

Mục đích

- Sử dụng nghiệm thức tốt ở thí nghiệm 2.1 để thực hiện thí nghiệm 2.2.

- So sánh chất lƣợng men khi sấy thăng hoa 6 giờ và 24 giờ.

- Chọn ra nghiệm thức tốt.

- Xác định mối quan hệ giữa các chỉ tiêu sau: thời gian đông mẫu, số lƣợng tế bào nấm men, độ nở trung bình và ẩm độ.

Quy trình

- Men đƣợc mua tại công ty men Cát Tƣờng phải đảm bảo hạn sử dụng, phải đảm bảo thời gian cố định cho thí nghiệm.

- Kiểm tra nguyên liệu men ban đầu: ẩm độ, số lƣợng tế bào và hoạt lực men.

- Cho chất mang vào theo nồng độ mong muốn.

- Cho vào tủ đông ở nhiệt độ mong muốn, để trong 24 giờ.

- Đặt vào máy sấy.

- Vận hành máy sấy thăng hoa, sấy trong 24 giờ.

- Thu men và đóng gói.

- Bảo quản ở 4oC trong 24 giờ.

- Kiểm tra các chỉ tiêu: ẩm độ, số lƣợng tế bào và hoạt lực men. Bố trí thí nghiệm

Thí nghiệm tiến hành ở men có ẩm độ 70%, lặp lại ba lần. Chỉ sử dụng ba chất phụ gia là: Sữa gạn kem (skim milk), mật ong và bột ngọt theo công thức pha chế nhƣ sau:

Đối chứng: nghiệm thức tốt ở thí nghiệm 2.1. E: men tƣơi + 20% sữa gạn kem + 5% bột ngọt.

F: men tƣơi + 20% sữa gạn kem + 5% mật ong + 10% bột ngọt. G: men tƣơi + 10% sữa gạn kem + 10% mật ong +5% bột ngọt. H: men tƣơi + 20% sữa gạn kem + 5% mật ong + 15% bột ngọt. I: men tƣơi + 20% sữa gạn kem + 10% mật ong + 5% bột ngọt.

Bảng 3.3.4: Bố trí thí nghiệm 2.2

Nhiệt độ (oC) Công thức phụ gia

-68^oC Đối chứng E F G H I 3.4. Phƣơng pháp xác định các chỉ tiêu 3.4.1. Xác định ẩm độ men

Nguyên tắc: Cân chính xác m (gam) mẫu, sấy ở nhiệt độ 105oC trong 4 giờ, đƣợc giá trị m’ (gam). Ẩm độ đƣợc tính theo công thức

100 ' (%) x m m m W (3.4.1)

Cách tiến hành: Sử dụng tủ sấy, chỉnh ở nhiệt độ 105oC. Khối lƣợng mẫu sử dụng tốt nhất trong khoảng 2 – 5 gam, mẫu phải đƣợc nghiền nhỏ và đƣợc trải đều trên cốc.

3.4.2. Phƣơng pháp xác định trực tiếp số lƣợng tế bào bằng buồng đếm hồng cầu

 Cấu tạo buồng đếm hồng cầu:

Buồng đếm hồng cầu là một phiến kính dày hình chữ nhật, giữa là phần lõm phẳng, tại đây có kẻ một lƣới gồm 400 hình vuông nhỏ có diện tích tổng cộng là 1 mm2. Ô trung tâm có 25 ô vuông lớn, mỗi ô vuông lớn này có 16 ô vuông nhỏ. Vì thế diện tích một hình vuông nhỏ là 1/400 mm2 và một hình vuông lớn hơn là 1/25 mm².  Vật liệu - Lọ đựng dịch huyền phù nấm men. - Ống nghiệm. - Phiến kính và lá kính. - Pipet Pasteur. - Kính hiển vi.

- Buồng đếm hồng cầu. - Cân điện tử. - Đèn cồn , que cấy vòng. - Máy Vortex. - Xanh methylen.  Cách tiến hành

- Tiến hành pha loãng mẫu ở các nồng độ khác nhau. - Đặt lá kính lên khu vực buồng đếm.

- Lắc đều dịch tế bào nấm men và dùng pipet Pasteur để lấy một ít dịch cho vào khe ở mép giữa buồng đếm. Tránh tạo bọt khí.

- Đặt buồng đếm vào bàn kính hiển vi và để yên vài phút.

- Chỉnh kính hiển vi, với vật kính x40, tìm mạng ô đếm ở khu vực buồng đếm. Chỉnh thị trƣờng sao cho một thị trƣờng chứa trọn một ô lớn (4x4 = 16 ô nhỏ).

- Đối với nấm men, quan sát dịch men đã đƣợc nhuộm xanh methylen 0,1%. Tế bào chết sẽ bắt màu xanh.

- Đếm số tế bào và tính toán.  Cách tính:

Thể tích dịch chứa trên ô trung tâm (gồm 25 ô vuông lớn hay 400 ô vuông nhỏ) là 1 x 0,1 = 0,1 mm³ (vì diện tích tổng cộng của ô trung tâm là 1 mm²).

Tuy nhiên, chỉ cần đếm số tế bào trên 5 ô vuông lớn đại diện cho 25 ô vuông lớn trên ô trung tâm. Khi đó, số lƣợng tế bào trong 1 ml (1 gam) mẫu nghiên cứu đƣợc tính bằng công thức sau:

N = [(a/b) x 400/0,1] x 10³ x 10ⁿ (3.4.2) Trong đó:

N: số lƣợng tế bào trong 1 ml mẫu nghiên cứu. a: số tế bào trong 5 ô vuông lớn ( 80 ô vuông nhỏ).

b: số ô vuông nhỏ trong 5 ô vuông lớn (16 x 5 = 80 ô vuông nhỏ). 400: tổng số ô vuông nhỏ trong ô trung tâm.

10³: số chuyển mm3 thành ml (1000 mm³ = 1 ml). 10ⁿ: độ pha loãng mẫu.

3.4.3. Xác định lực nở

Hoạt tính men đƣợc xác định bằng cách tính độ nở tƣơng đối của khối bột nhào trộn bột men. Độ nở tƣơng đối của khối bột đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo thể tích.

Cách tiến hành:

- Hòa men với nƣớc muối NaCl 2,5% nếu ẩm độ của men < 5% (hoặc ngâm với nƣớc đƣờng 10% để phục hồi hoạt tính nếu ẩm độ của men >= 5%) và khuấy đều.

- Ngâm dịch này trong nƣớc ấm (khoảng 50oC) trong 10 phút. - Trộn với bột mì, nhào trộn trong 10 phút.

- Bao khối bột bằng màng film bao gói thực phẩm, đo thể tích ban đầu của khối bột.

- Ủ khối bột ở nhiệt độ phòng (phủ lên khối bột khăn ẩm mỏng, tránh khô bề mặt khối bột, gây ảnh hƣởng đến lực nở) trong vòng 2 giờ.

- Đo thể tích cuối của khối bột.

Chỉ số lực nở của men đƣợc tính bằng % thể tích nở tƣơng đối của khối bột, đƣợc tính theo công thức:

%

100

%

x

V

V

V

V

Trong đó: V₁: thể tích ban đầu của khối bột. V₂: thể tích sau 2 giờ ủ của khối bột.

Việc xác định thể tích khối bột đƣợc tiến hành bằng cách đo khối lƣợng nƣớc tràn ra khi nhúng ngập khối bột vào bình chứa đầy nƣớc.

3.4.4. Tìm k, D, z 3.4.4.1. Các khái niệm 3.4.4.1. Các khái niệm

Theo tổng quan tài liệu phần 2.6.2 thì ứng với một nhiệt độ xử lý T sẽ có một giá trị tiệt trùng D. Vì vậy khi xử lý ở nhiều nhiệt độ khác nhau thì Log(D) là đƣờng thẳng theo T với độ dốc 1/z (Holdsworth, 1997).

z đƣợc tính theo công thức sau:

1 2 2 1

log

1

T

T

D

D

z

3.4.4.2. Tính toán trên kết quả thu đƣợc

Từ đồ thị biểu diễn mối tƣơng quan giữa log (N/N_o) với thời gian xử lý nhiệt t, ta có đƣợc phƣong trình (2.6.2), từ đó tìm đƣợc hằng số k ứng với từng nhiệt độ xử lý. Dựa vào công thức (2.6.3), tính D. Thay các giá trị D và T tƣơng ứng vào công thức (3.4.4) tìm đƣợc z.

3.5. Xử lý số liệu

Số liệu trong các thí nghiệm đƣợc xử lý bằng EXCEL và phần mềm STATGRAPHICS.

4.1. Nghiên cứu động học chết nhiệt nấm men Saccharomyces cerevisiae trong men bánh mì bánh mì

Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên men paste bảo quản (1oC – 10^oC) sau 15 ngày kể từ ngày sản xuất. Biểu diễn động học chết nhiệt men khi xử lý ở các nhiệt độ 4o

C, -20^oC, -68^oC trên biểu đồ 4.1 tƣơng ứng với ẩm độ 70% và biểu đồ 4.2 tƣơng ứng với ẩm độ 80%. -0.200 -0.180 -0.160 -0.140 -0.120 -0.100 -0.080 -0.060 -0.040 -0.020 0.000 0 3 5 19 23 24 27 48 120 360 504 624 Thời gian Lo gN /N o ⁴ -20 -68

Biểu đồ 4.1: Biểu diễn mối tƣơng quan giữa Log(N/N_o) với thời gian xử lý nhiệt của nấm men, ẩm độ 70%.

Biểu đồ 4.2: Biểu diễn mối tƣơng quan giữa Log(N/N_o) với thời gian xử lý nhiệt của nấm men, ẩm độ 80%. -0.500 -0.450 -0.400 -0.350 -0.300 -0.250 -0.200 -0.150 -0.100 -0.050 0.000 0 3 23 27 72 96 360 504 624

Thời gian (giờ)

L o g N /N o ⁴_-20 -68

Qua kết quả tính toán ở bảng 4.1, nhận thấy hệ số chết nhiệt k của nấm men ở mức ẩm 80% cao hơn ở mức ẩm 70% khoảng 2 – 4 lần. Điều đó cho thấy với nhiệt độ và thời gian xử lý nhƣ nhau, ẩm độ càng cao thì tốc độ chết nấm men càng nhanh.

Qua biểu đồ 4.1 và 4.2 cho thấy nhiệt độ -68^oC có độ dốc đồ thị thấp hơn nhiệt độ -20o

C. Chứng tỏ ở nhiệt độ -68oC thì tốc độ chết nấm men thấp hơn -20oC.

Tuy nhiên qua phân tích ANOVA cho thấy ở nhiệt độ 4oC thì ở cả hai ẩm độ 70% và 80%

đều không có sự tƣơng quan tuyến tính giữa Log(N/No) với thời gian xử lý nhiệt nấm men (p > 0,05) (phụ lục C, bảng C.1 và C.2). Qua đó cho thấy ở nhiệt độ 4^oC là nhiệt độ tốt để

bảo quản nấm men vì thời gian xử lý có kéo dài nhƣng số tế bào chết không đáng kể, nên không có tƣơng quan. Còn ở nhiệt độ -20oC và -68oC thì ở cả hai ẩm độ 70% và 80% có sự tƣơng quan tuyến tính rất chặt giữa Log(N/N_o) với thời gian xử lý nhiệt nấm men (p < 0,05) (phụ lục C, bảng C.3, C.4, C.5 và C.6).

Sau 24 giờ bảo quản ở 4oC, số men chết không đáng kể. Nhƣng khi xử lý đông lạnh ở -20^oC và -68oC sau 24 giờ thì lƣợng men chết đáng kể (phụ lục A, bảng A.1) . Nhƣ vậy, nếu cấp đông 24 giờ trƣớc khi sấy thăng hoa thì men đã chết một lƣợng đáng kể. Điều này do men đã bảo quản 15 ngày sau sản xuất cho nên men đã yếu. Đối với men mới sản xuất thì men còn mạnh nên việc xử lý cấp đông không làm chết men sau 24 giờ nhƣ trên biểu đồ 4.3. Nhƣ vậy, với men mới sản xuất ta có thể xử lý cấp đông 24 giờ trƣớc khi sấy thăng hoa mà không ảnh hƣởng đến độ chết men (phụ lục A, bảng A.3).

-0.200