Sắn để dùng trong nghiên cứu này được thu
mua tại chợ Xóm Mới, thành phố Nha Trang- Khánh Hòa. Sắn đạt yêu cầu kỹ thuật để sản xuất
thử nghiệm theo phương pháp ngoại quan (xem
phụ lục B). Để đảm bảo chất lượng cho sản xuất
liên tục, sắn phải được bảo quản trong điều kiện
nhiệt độ lạnh, khô ráo.
2.1.2 Nấm men
Sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae của hãng Novo Nordick-Đan
Mạch, có tên thương mại là Thermosacc ® dry. Chủng này có khả năng sinh trưởng
và phát triển trong môi trường có độ cồn tới 25%(v/v), nhiệt độ tối thích là 380C, pH= 3,5 6,0. Chế phẩm nấm men được đóng trong bao hút chân không khối lượng
15-20 kg/bao. Mật độ tế bào là 15.106 tế bào/g chế phẩm.
Cơ sở cung cấp trực tiếp tại Việt Nam là Công ty TNHH Nam Giang, số
133/11 Hồ Văn Huê, quận Phú Nhuận - Tp HCM.
2.1.3 amylase enzyme
amylase là enzyme phân cắt liên kết D 1,4- glycoside trong mạch tinh bột
thành sản phẩm cuối là đường maltose là chủ yếu. Enzyme này không có khả năng
phân cắt các liên kết D 1,6- glycoside nên không cắt được các dextrin [8].
Trong nghiên cứu này, sử dụng chế phẩm -amylase tên thương mại là Termamyl® của Novo Nordick-Đan Mạch. Chế phẩm có khả năng hoạt động ở nhiệt độ khá cao 82-860C, chịu được nhiệt độ tới 1050C. Môi trường tối thích cho enzyme
này hoạt động có pH= 5,76,0; ổn định hoạt tính trong môi trường có Ca2+ nồng độ
50-70 ppm. Enzyme này được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp sản xuất rượu,
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1 Các phương pháp phân tích hóa học (xem phụ lục B).
Xác định hàm lượng đường khử trong dịch lên men theo Bertrand
Xác định ethanol trong dịch sau lên men theo TCVN 378:1986 và dùng bình tỷ trọng.
2.2.2 Phương pháp định lượng tinh bột bằng ngoại quan và thực nghiệm (xem phụ lục B). (xem phụ lục B).
2.2.3 Các phương pháp phân tích vi sinh (xem phụ lục B) 2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm
2.2.4.1. Quy trình sản xuất dự kiến Sắn tươi Sắn tươi Xử lý
Nghiền nhỏ
Dịch hóa+ Đường hóa Điều chỉnh thành phần Làm nguội Lên men Chưng cất Sản phẩm Nước Termamyl (NH4)2SO4. KH2PO4. H2SO4, NaOH Nấm men
2.2.4.2. Bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm 1. Xác định cách sử dụng - amylase enzyme
Thể tích nước, pH, nhiệt độ ở các mẫu là như nhau…cách bổ sung enzyme để
hồ hóa và đường hóa khác nhau.
150g sắn tươi (bỏ vỏ, ngâm) Nghiền Bổ sung enzyme lần 1 Nước Mẫu 2 50g nguyên liệu 0,015 ml enzyme Mẫu 1 50g nguyên liệu 0 ml enzyme Mẫu 3 50g nguyên liệu 0,030 ml enzyme
Nâng nhiệt, giữ nhiệt 900C,(15’)
Bổ sung enzyme lần 2 Mẫu 1 0,030 ml enzyme Mẫu 2 0,015 ml enzyme Mẫu 3 0 ml enzyme Ủ ở nhiệt độ 850C trong 4h Hạ nhiệt xuống 700C
Kiểm tra độ đường hòa tan
Thí nghiệm 2. Xác định tỷ lệ enzyme bổ sung thích hợp
Thể tích nước, pH, nhiệt độ… ở các mẫu là như nhau. Các mẫu khác nhau ở
nồng độ enzyme bổ sung. Lần 1, bổ sung 50% enzyme trước khi hồ hóa. Lần 2, bổ sung lượng enzyme còn lại để tiến hành đường hóa.
Sắn tươi
(bỏ vỏ, ngâm tách độc tố)
Xay nhỏ
Bổ sung enzyme với tỷ lệ khác nhau
(g/tấn nguyên liệu)
Mẫu 0 0 Mẫu 1 7,5 Mẫu 2 10 Mẫu 3 12,5 Mẫu 4 15 Mẫu 5 17,5 Mẫu 6 20 Mẫu 7 22,5
Nâng nhiệt và giữ nhiệt 900C (15’)
Hạ nhiệt 700C
Bổ sung enzyme lần 2, bằng lượng đã dùng lần 1
Ủ ở nhiệt độ 850C trong 24h
Kiểm tra độ đường hòa tan
Chọn tỷ lệ enzyme sử dụng
Thí nghiệm 3. Xác định tỷ lệ nước bổ sung phù hợp.
Tỷ lệ enzyme, nhiệt độ, pH… như nhau với các mẫu. Riêng tỷ lệ nước sử dụng
khác nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm tách độc)
Xay nhỏ
Bổ sung enzyme lần 1
Nâng nhiệt 900C và giữ nhiệt (15’)
Hạ nhiệt 700C
Bổ sung enzyme lần 2
Ủ ở nhiệt độ 850C (24h)
Kiểm tra độ đường hòa tan
Chọn tỷ lệ nước bổ sung thích hợp
Nước bổ sung (l/ kg nguyên liệu)
1 1 1 2 1 3
Thí nghiệm 4. Xác định nhiệt độ thủy phân thích hợp.
Thể tích nước, tỷ lệ enzyme, pH… ở các mẫu là như nhau. Chỉ có nhiệt độở
các mẫu khác nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Bổ sung enzyme lần 1
Nâng nhiệt 900C và giữ nhiệt (15’)
Hạ nhiệt 700C
Bổ sung enzyme lần 2
Ủ ở nhiệt độ khác nhau (24h)
Kiểm tra độ đường hòa tan
Chọn nhiệt độ thủy phân thích hợp
Mẫu 1 850C Mẫu 2 900C Mẫu 2 1000C Nước
Thí nghiệm 5. Khảo sát sử dụng nấm men.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh thành phần
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Độ đường hòa tan còn lại
Chọn lựa chế phẩm nấm men Nước pH=5,8; t=850C. termamyl, 24h pH (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l Mẫu 1 Bánh men cổ truyền Tỷ lệ 300g/l Mẫu 2
Nấm men Saccharomyces cerevisiae
Tỷ lệ 18g/hl
Thí nghiệm 6. Xác định lượng nấm men ban đầu tối ưu.
Thể tích địch, pH, độ đường , nhiệt độ… như nhau trong các mẫu. Ta điều
chỉnh tỷ lệ nấm men các mẫu khác nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh thành phần
Bổ sung men giống theo các tỷ lệ (g/hl)
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Chọn tỷ lệ nấm men ban đầu thích hợp (Mopt)
Nước Mẫu 1 10g Mẫu 2 14g Mẫu 3 18g Mẫu 4 22g Mẫu 5 26g Mẫu 6 30g
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu pH=5,8; t=850C. termamyl, 24h pHopt (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l
Thí nghiệm 7. Xác định độ đường thích hợp cho quá trình lên men.
Thể tích dịch, tỷ lệ men bổ sung, nhiệt độ, pH… như nhau ở các mẫu. Ta điều
chỉnh độ đường trong các mẫu khác nhau theo yêu cầu thí nghiệm.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh thành phần
Bổ sung đường cho đạt:
Lên men (370C, 120h)
Chọn độ đường thích hợp cho dịch lên men (Đopt) Xác định Nước pH=5,8;t=850C, 24h,Termamyl pHopt (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l Mẫu 1 150Bx Mẫu 2 160Bx Mẫu 4 180Bx Mẫu 5 190Bx Mẫu 3 170Bx Nấm men (Mopt)
Độ đường hòa tan còn lại
Thí nghiệm 8. Chọn pH thích hợp cho quá trình lên men.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men (thể tích dịch, nhiệt độ, độ đường đầu, các chất bổ sung…) được điều chỉnh như nhau trong các mẫu. Với pH môi trường sẽ được điều chỉnh khác nhau theo yêu cầu.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ Nước
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh pH về các giá trị:
Điều chỉnh thành phần
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Chọn pH thích hợp cho dịch lên men (pHopt)
Mẫu 1 pH=3,5 Mẫu 2 pH=4,0 Mẫu 3 pH=4,5 Mẫu 4 pH=5,0 Mẫu 5 pH=5,5 Mẫu 6 pH=6,0 pH=5,8; t=850C, 24h. Termamyl Đopt (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu
Nấm men
Thí nghiệm 9. Khảo sát chọn tỷ lệ (NH4)2SO4 bổ sung thích hợp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men và hồ hóa, đường hóa được bố trí như nhau. Riêng tỷ lệ sulphate amoni bổ sung vào dịch lên men sẽ được điều chỉnh
khác nhau theo yêu cầu thí nghiệm.
. Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Bổ sung (NH4)2SO4 theo các tỷ lệ khác nhau (g/l)
Điều chỉnh thành phần Lên men (370C, 120h) Xác định Chọn tỷ lệ (NH4)2SO4 thích hợp nhất (Aopt) Mẫu 1 0,8 Mẫu 2 1,2 Mẫu 3 1,6 Mẫu 4 2,0 Mẫu 5 2,4 Nước KH2PO4 0,5g/l. Đopt, pHopt. Nấm men (Mopt)
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu
pH=5,8; t=850C, 24h.
Thí nghiệm 10. Khảo sát chọn tỷ lệ dịch chiết giá đỗ bổ sung thích hợp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men được cố định, còn lại tỷ lệ dịch
chiết giá bổ sung vào môi trường sẽ được điều chỉnh khác nhau trong các mẫu với
thể tích dịch thu được là như nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Bổ sung dịch chiết giá đỗ theo các tỷ lệ (%):
Điều chỉnh thành phần
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Chọn tỷ lệ nước chiết giá đỗ bổ sung tối thích (Nopt)
Nước
pH=5,8;t=850C, 24h.
Termamyl
Đopt, pHopt, Aopt.
KH2PO4 0,5g/l
Nấm men
(Mopt)
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu Mẫu 1 5 Mẫu 2 10 Mẫu 3 15 Mẫu 4 20 Mẫu 5 25
2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu.
Xử lý số liệu trên phần mềm Excel.
2.3 DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM 2.3.1 Dụng cụ. 2.3.1 Dụng cụ.
Sử dụng các thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm như:
Cốc thủy tinh các loại: 1000ml, 500ml, 250ml,100ml…
Bình tam giác các loại: 1000ml, 500ml, 250ml…
Bình định mức các loại: 1000ml, 500ml, 250ml…
Bếp điện, đũa thủy tinh, máy xay…
Thiết bị cô quay chân không, máy lọc hút chân không
Khúc xạ kế đo độ đường hòa tan, máy đo quang phổ, tủ ấm, tủ sấy….
Các thiết bị khác.
2.3.2 Hóa chất
Các loại hóa chất sử dụng cho đồ án như: NaOH, HCl, H2SO4, KH2PO4, (NH4)2SO4, KMnO4,…là các loại hóa chất tinh khiết, đạt tiêu chuẩn dùng cho phân tích theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3852-83.
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA QUY TRÌNH 3.1.1 Xác dịnh điều kiện thích hợp cho quá trình đường hóa 3.1.1 Xác dịnh điều kiện thích hợp cho quá trình đường hóa 3.1.1.1 Xác định cách sử dụng enzyme thích hợp
Tiến hành 3 mẫu thí nghiệm, mỗi mẫu 150g sắn tươi đã bỏ vỏ và ngâm tách
độc. Sau khi xay nhỏ với nước theo tỷ lệ 1:3 (1kg nguyên liệu/ 3 lít nước), các mẫu được bổ sung cùng một lượng enzyme 3.10-2ml (tương ứng 200g Termamyl/tấn
nguyên liệu), nhưng có cách bổ sung enzyme khác nhau: Mẫu 1: sử dụng 0,03 ml
bổ sung ở giai đoạn cuối của quá trình nâng nhiệt để hồ hóa; Mẫu 2: sử dụng cùng
lượng enzyme như mẫu 1, chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu quá trình hồ hóa sử
dụng 0,015ml enzyme rồi nâng nhiệt từ từ lên 900C và giữ trong 15 phút để hồ hóa
hoàn toàn dịch cháo, đồng thời thực hiện thủy phân sơ bộ các phân tử tinh bột đã hồ
hóa, giảm đáng kể độ nhớt dịch, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình gia nhiệt và
đường hóa tiếp theo. Giai đoạn sau, bổ sung phần enzyme còn lại cho đủ 0,03ml ở
thời điểm nhiệt độ dịch cháo đã hạ xuống 700C; Mẫu 3: bổ sung tất cả 0,03ml
enzyme ở giai đoạn bắt đầu nâng nhiệt để hồ hóa. Các công đoạn sau tương tự 2
mẫu trước. Sau quá trình ủ ở nhiệt độ 850C, các mẫu được kiểm tra độ đường hòa tan trong hỗn hợp bằng khúc xạ kế. Kết quả nghiên cứu thể hiện ở hình 3.1:
7.73 9.87 6.53 0 2 4 6 8 10 12
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3
Mẫu thí nghiệm Đ ộ đ ư ờ n g h ò a t a n c u ố i (B x )
Hình 3.1. Ảnh hưởng của cách thức bổ sung enzyme Termamyl đến độ đường hòa tan của dịch sau thủy phân
Nhận xét:
Từ kết quả phân tích ở hình 3.1 cho thấy các cách sử dụng enzyme Termamyl đi xử lý tinh bột sắn tươi khác nhau thì lượng đường hòa tan trong dịch cũng khác nhau. Trong đó, mẫu thí nghiệm sử dụng enzyme Termamyl để hồ hóa và đường hóa theo 2 giai đoạn có được độ đường hòa tan trong dung dịch cao hơn các mẫu sử
dụng enzyme 1 lần từ 2,14÷2,47%. Cách thức sử dụng enzyme trong công đoạn đường hóa tinh bột (chuẩn bị dịch lên men) như trên là phù hợp với các nghiên cứu trước đây về việc đường hóa tinh bột trong lên men bia và công nghệ sản xuất bia
quy mô công nghiệp. Do vậy, nên lựa chọn cách thức sử dụng enzyme Termamyl theo 2 giai đoạn như trên.
3.1.1.2 Xác định tỷ lệ enzyme sử dụng thích hợp
Tiến hành 8 mẫu thí nghiệm sử dụng enzyme Termamyl để dịch hóa và đường
hóa tinh bột sắn theo 2 giai đoạn. Các mẫu đều sử dụng 50g sắn củ tươi xay nhỏ với
tỷ lệ nước/nguyên liệu là 2:1, dịch hóa và đường hóa theo các giai đoạn: nâng nhiệt
và giữ nhiệt ở 900C trong 15 phút, hạ nhiệt xuống 700C và bổ sung enzyme lần 2, ủ ở nhiệt độ 850C trong 24h. Thể tích nước bổ sung vào các mẫu được điều chỉnh sao
cho thể tích dịch thu được sau khi bổ sung enzyme và điều chỉnh pH là tương tự
nhau. Các mẫu được bổ sung enzyme tương ứng như sau: Mẫu 1: không bổ sung
enzyme; Mẫu 2: 0,0075ml; Mẫu 3: 0,0100ml; Mẫu 4: 0,0125ml; Mẫu 5: 0,0150ml;
Mẫu 6: 0,0200ml; Mẫu 7: 0,0250ml; Mẫu 8: 0,0300ml. Sau khi hồ hóa và đường hóa, xác định độ đường hòa tan trong các mẫu bằng khúc xạ kế như thí nghiệm trước. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.2.
5.60 12.87 14.20 15.00 15.47 15.47 15.33 15.47 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 0 150 200 250 300 350 400 450 Tỷ lệ enzym e bổ sung (g/tấn NL) đ ộ đ ư ờ n g h ò a t a n t ro n g d u ng d ịc h (B x )
Hình 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme sử dụng tới lượng đường tạo thành trong dung dịch
Nhận xét:
Kết quả phân tích ở hình 3.2 cho thấy, càng tăng tỷ lệ enzyme bổ sung vào
đường hóa tinh bột thì độ đường thì độ đường tạo thành càng cao. Tuy vậy, độ đường hòa tan trong các mẫu chỉ tăng nhanh trong các mẫu có tỷ lệ enzyme sử dụng
là trong khoảng 0÷300g/tấn nguyên liệu và đạt cực đại ở mẫu có tỷ lệ enzyme là 300g/tấn nguyên liệu. Khi ta tăng, tỷ lệ enzyme bổ sung để hồ hóa và dịch hóa lên
cao hơn 300g/tấn nguyên liệu thì độ đường hòa tan trong các mẫu lại không tăng lên nữa. Kết quả này chứng tỏ, khi lượng enzyme đã đủ cho phản ứng, dù tăng thêm lượng enzyme bổ sung thì hiệu suất phản ứng thủy phân cũng không tăng. Như vậy,
lựa chọn tỷ lệ enzyme sử dụng trong khoảng 250÷300g/tấn nguyên liệu là phù hợp. Do đó, lựa chọn tỷ lệ enzyme bổ sung vào xử lý tinh bột sắn là 250÷300g/tấn
nguyên liệu.
3.1.1.3 Xác định tỷ lệ nước bổ sung thích hợp
Tiến hành 3 mẫu thí nghiệm, mỗi mẫu dùng 50g sắn tươi xay nhỏ với tỷ lệ nước/nguyên liệu bổ sung khác nhau là 1:1, 2:1 và 3:1, sử dụng cùng lượng enzyme như nhau là 0,015ml cho mỗi mẫu (tương ứng 300g/tấn nguyên liệu) và chia ra 2
lượng còn lại cho đủ 0,015ml. Công đoạn hồ hóa, đường hóa được thực hiện như thí
nghiệm chọn tỷ lệ enzyme sử dụng. Kết thúc công đoạn ủ nhiệt ở 850C, kiểm tra độ đường hòa tan trong các mẫu bằng khúc xạ kế và thu được kết quả thể hiện qua hình 3.3.
19.07 15.47 12.53 0 5 10 15 20 25 1.1 2.1 3.1 Tỷ lệ lệ nước/NL(g/l) Đ ộ đ ư ờ ng hò a t a n tr o ng d un g d ịc h (B x )
Hình 3.3. Ảnh hưởng tỷ lệ nước/nguyên liệu tới độ đường hòa tan dịch sau thủy phân
Nhận xét
Kết quả phân tích ở hình 3.3 cho thấy ở tỷ lệ nước/nguyên liệu là 1:1, độ khô
hòa tan của dịch thu được là lớn nhất 19,070Bx và với tỷ lệ 3:1, độ khô hòa tan của
dịch thu được là thấp nhất 6,530Bx. Do tỷ lệ nước càng thấp, enzyme tiếp xúc với
nguyên liệu tốt hơn, nồng độ enzyme cao hơn nên hiệu quả thủy phân cũng tốt hơn.
Mặt khác, với cùng lượng chất khô hòa tan, tỷ lệ nước nhiều thì nồng độ chất khô thu được cũng thấp hơn.
Tuy nhiên với tỷ lệ nước/nguyên liệu là 1:1, dịch hồ hóa có độ nhớt cao, khó
thao tác, tốn chi phí năng lượng và chi phí thiết bị, dễ gây cháy thiết bị. Do đó, em
3.1.1.4 Xác định nhiệt độ thích hợp cho quá trình thủy phân
Tiến hành 3 mẫu thí nghiệm để khảo sát nhiệt độ thủy phân thích hợp cho công đoạn hồ hóa và đường hóa. Mỗi mẫu sử dụng 50g sắn tươi xay nhỏ với nước
theo tỷ lệ 1:2 (1kg/2lít nước). Bổ sung enzyme theo 2 giai đoạn với lượng như nhau