2.1.1.1 Giới thiệu về ngô
Ngô có tên khoa học là Zea Mays L.
Ngô thuộc họ hòa thảo (Gramineae), bộ rễ chùm, lá mọc thành hai dãy, gân lá song song, bọc lá chẻ dọc, có thìa lìa, mấu đốt đặc, hoa mọc thành bông nhỏ có mày [4, tr 49-53].
Cây ngô có nguồn gốc từ châu Mĩ và được Columbus đưa về châu Âu.
Sau đó được phổ biến rộng rãi và lan truyền nhanh ra khắp các châu lục. Ngô được nhập vào Việt Nam qua 2 nước là Trung Quốc và Indonesia.
Ngô có nhiều loại, dựa vào sự khác nhau về hình dáng hạt, mức độ trắng trong của nội nhũ và ý nghĩa sử dụng mà phân thành các loại như ngô đá, ngô răng ngựa, ngô bột, ngô sáp, ngô nổ, ngô đường.
Trong các loại ngô trên thì ngô bột là nguyên liệu được sử dụng thường xuyên trong sản xuất cồn tuyệt đối với hàm lượng tinh bột lên đến 80% (khối lượng chất khô).
2.1.1.2 Cấu tạo của hạt ngô
Hạt ngô có cấu tạo gồm năm phần : vỏ, phôi, aleuron, nội nhũ và chân hạt [3, tr 29][8].
- Vỏ: bao gồm lớp vỏ quả và vỏ hạt. Chiều dày lớp vỏ khoảng 35-60 μm. Vỏ quả chiềm 5-7%
khối lượng hạt, vỏ hạt chiềm 2% khối lượng hạt.
− Lớp aleurone:
Là lớp nằm dưới vỏ hạt, bao lấy nội nhũ và phôi.
Gồm những lớp tế bào lớn, thành dày, trong có chứa
hợp chất của Nito và những giọt nhỏ chất béo. Lớp aleurone dày khoảng 10-70 μm, trong này hầu như không chứa tinh bột. Chiều dày của lớp aleurone phụ thuộc vào giống, loại hạt và nhất là phụ thuộc vào điều kiện canh tác.
Hình 2. 1 Cây ngô
Hình 2. 2 Cấu tạo của hạt ngô
SVTH: Trần Thị Kiều Diễm_13H2B GVHD: Bùi Viết Cường 6
− Nội nhũ:
Là phần chính của hạt chứa các tế bào dự trữ chất dinh dưỡng, chiếm tới 72–
75% khối lượng hạt, chứa khoảng 77 – 84% tinh bột. Gồm tế bào lớn hơn, thành mỏng, có hình dạng khác nhau, xếp không có thứ tự rõ ràng, đó là tế bào nội nhũ. Nội nhũ của ngô được chia làm 2 phần, tỉ lệ giữa nội nhũ sừng và nội nhũ bột thay đổi tùy thuộc vào giống ngô.
− Phôi:
Phôi nằm gần cuống hạt và dính liền với nội nhũ, chiếm gần 1/3 thể tích của hạt, khoảng 10 – 14% khối lượng hạt và gồm các phần: ngù – phần ngăn cách giữa nội nhũ và phôi, lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ mầm và chồi mầm,… Phôi ngô gắn với nội nhũ nhờ vỏ của hạt ngô, khi đã tách khỏi nội nhũ thì dễ dàng loại bỏ nhờ nước bởi sự khác biệt về tỉ trọng.
− Chân hạt:
Là phần nối hạt với lõi ngô, chiếm khoảng 1,5% khối lượng hạt. Đây là thành phần cấu trúc không có lợi cho chế biến cho thực phẩm nên thường được loại bỏ.
Thành phần chủ yếu của chân hạt là xơ và các mao dẫn nên thường có tỉ lệ trọng nhỏ.
2.1.1.3 Thành phần hóa học của ngô
Thành phần hóa học của hạt ngô thay đổi tùy theo điều kiện khí hậu, giống, loại ngô, kỹ thuật canh tác, đất đai…Thành phần hóa học của hạt ngô phân bố không đều trong hạt, nó có tỉ lệ khác nhau giữa 3 phần chính là vỏ, nội nhũ và phôi.
Bảng 2. 1 Sự phân bố các chất trong các phần của ngô [1, tr 23-25]
Thành phần hóa học Vỏ Nội nhũ Phôi
Protein 3,7 8 18,4
Lipid 1 0,8 33,2
Chất tro 0,8 0,3 10,5
Tinh bột 7,3 87,6 8,3
Đường 0,34 0,62 10,8
Chất xơ 86,7 2,7 8,8
Giữa các giống ngô khác nhau thành phần hóa học cũng khác nhau.
- Nước: Chiếm khoảng 12-15% trọng lượng hạt khô nhưng khi thu hoạch tươi thì độ ẩm đạt 19-35%.
- Tinh bột: Chiếm khoảng 60-70% khối lượng hạt. Hàm lượng amylose trong các giống ngô khác nhau thì khác nhau, khoảng 21-23%. Đối với ngô bột, thành phần tinh bột gồm 20% amylose và 80% amylopectid. Kích thước hạt tinh bột dao động trong
SVTH: Trần Thị Kiều Diễm_13H2B GVHD: Bùi Viết Cường 7
khoảng 6-30 àm. Khối lượng riờng của tinh bột khoảng 1,5-1,6. Nhiệt độ hồ húa là 55- 67,50C, góc quay cực 201,50.
- Các dạng đường và dẫn xuất của đường: Tổng số đường trong hạt ngô chiếm 1- 3%. Ba thành phần cơ bản của monosaccharide ở nội nhũ là D-glucose, D-fructose và lượng đường trong cấu trúc của nucleotide.
Đường saccharose là thành phần chính của disaccharide trong hạt ngô, tập trung tương đối cao ở nội nhũ. Ngoài ra còn một ít đường maltose (nhỏ hơn 0,4% hàm lượng chất khô). Phần lớn đường saccharose ở trong phôi và còn lại là ở trong nội nhũ.
Trisaccharide và các oligosaccharide khác có rất ít trong hạt, chủ yếu là raffinose.
- Protein: Hàm lượng protein trung bình là 10%. Trong nội nhũ protein cùng với tinh bột ở dạng dự trữ. Phần lớn protein dự trữ này định vị trong các thể protein hình cầu, cú màng bao bọc và cú đường kớnh từ 2-5 àm. Cỏc thể protein hỡnh cầu này lại liên kết chặt chẽ với nhau thành một mạng lưới protein.
- Lipid: Có hàm lượng cao 3,5-7%. Phôi chứa 30-50% tổng số lipid, ngoài ra còn một số nằm trong lớp aleuron của hạt, chất béo này đa số là acid chưa no, màu vàng nhạt, chiếm 72% tổng lượng chất béo. Đây là lí do cần phải tách phôi trước khi dùng để sản xuất rượu vì chất béo trong phôi sẽ gây cho rượu có mùi khó chịu.
- Khoáng chất: Chứa 1,3% khoáng. Chất khoáng tập trung chủ yếu ở phôi, có khoảng 78% lượng chất khoáng trong toàn hạt. Chất tro trong ngô gồm nhiều thành phần nhưng nhiều hơn cả là photpho, oxit kim loại kiềm và kiềm thổ như P2O5, Na2O, K2O, SO2, MgO, CaO…
- Vitamin:
Trong ngô còn có nhiều loại vitamin có giá trị dinh dưỡng cao mà trong gạo không có như vitamin A, B1, B2, C tập trung chủ yếu ở lớp ngoài hạt ngô.
2.1.2 Nước
Nước là thành phần nguyên liệu quan trọng trong sản xuất cồn, nước được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích như nước dùng để xử lí nguyên liệu, nấu nguyên liệu, làm nguội bán thành phẩm và thành phẩm, vệ sinh thiết bị, cấp nước cho lò hơi. Ngoài ra, nước còn dùng cho sinh hoạt, chữa cháy trong khu vực sản xuất.
Thành phần, tính chất hóa lý và chất lượng của nước sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kỹ thuật sản xuất, chất lượng sản phẩm và hiệu suất thu hồi. Trong công nghiệp sản xuất cồn yêu cầu chất lượng của nước giống như nước sinh hoạt.
Nước sử dụng cần phải đạt các chỉ tiêu yêu cầu sau đây [5, tr 41-44]:
− Nước phải trong suốt, không màu, không mùi vị lạ, không chứa các vi sinh vật gây bệnh, không có kim loại nặng.
SVTH: Trần Thị Kiều Diễm_13H2B GVHD: Bùi Viết Cường 8
− Nước phải thỏa mãn về chỉ tiêu độ cứng không quá 7 mg-E/l, độ kiềm, độ oxy hóa ≤ 2 ml KMnO4 0,01N/l, độ cặn và chỉ số vi sinh.
2.1.3 Nấm men
Nấm men là tác nhân cơ bản gây ra quá trình lên men ethanol. Thường sử dụng nấm men thuộc họ Saccharomycetaceac, loài S.cerevisiae.
Nấm men (Yeast) là nhóm nấm có cấu tạo đơn bào, sinh sản bằng cách nảy chồi. Nấm men sống đơn độc hoặc từng đám nhưng không di động, phân bố rộng rãi trong tự nhiên cũng như trong đất, lương thực, thực phẩm, hoa quả,… Nấm men xuất hiện nha bào chỉ khi môi
trường quá nghèo hoặc môi trường nuôi cấy không thuận lợi [5, tr 115].
Khi chọn một chủng nấm men đưa vào sản xuất phải có tính chất cơ bản sau:
+ Tốc độ phát triển nhanh.
+ Có đặc tính sinh lý, sinh hóa ổn định trong thời gian dài.
+ Tạo ra sản phẩm chính nhiều và sản phẩm phụ ít.
+ Lên men được nhiều loại đường khác nhau (glucose, fructose, saccharose, maltose, 1/3 rafinose, các dextrin …) và nhiều loại nguyên liệu khác nhau ( như gạo, ngô, khoai, sắn...)và đạt được tốc độ lên men nhanh.
+ Chịu được áp suất thẩm thấu lớn tức là chịu được nồng độ lên men cao, đồng thời ít bị ức chế bởi những sản phẩm của sự lên men, tức là lên men đạt nồng độ rượu cao.
+ Thích nghi với điều kiện không thuận lợi của môi trường, đặc biệt là đối với chất sát trùng. Với Việt Nam, đòi hỏi lên men ở nhiệt độ tương đối cao (≥350C).
Các chủng nấm men thường được dùng trong sản xuất cồn như sau: nấm men chủng II, nấm men chủng XII, Men thuốc bắc.
Trong sản xuất cồn, Nấm men chủng XII được sử dụng vì tốc độ phát triển nhanh, ít sinh bọt, không tạo đám trắng, phân bố đều, chịu được nhiệt độ cao, lên men nhiều loại đường khác nhau, chịu được nồng độ dịch đường 14% [5, tr 206-210].
Các yếu tố ảnh hưởng đến Nấm men chủng XII:
- Nhiệt độ: chúng hoạt động tốt ở nhiệt độ 30-330C, nhiệt độ tối thiểu là 50C và tối đa là 380C.
Hình 2. 3 Saccharomyces cerevisiae
SVTH: Trần Thị Kiều Diễm_13H2B GVHD: Bùi Viết Cường 9
- pH: trong môi trường pH= 2-8 chúng vẫn có thể phát triển nhưng pH tối thích là 4,5-5. Tuy nhiên để tránh nhiễm khuẩn nên người ta thường khống chế ở pH=3,8-4.
- Nồng độ rượu: ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát triển của nấm men. Cùng một môi trường nuôi cấy, số lượng nấm men cho vào bằng nhau, điều kiện nuôi cấy giống nhau thì nồng độ rượu ban đầu 1% chưa ảnh hưởng nhưng từ 4-6% thì ảnh hưởng xấu, chịu được nồng độ dịch đường 14%.
- Oxy: nấm men là loại vi sinh vật kị khí không bắt buộc. Trong điều kiện không có oxy sẽ lên men tạo rượu và CO2, còn có đầy đủ oxy sẽ oxy hóa đường thành rượu và CO2, tăng sinh khối. Vì vậy, oxy là thành phần giúp phát triển sinh khối, nhưng nó lại là nguyên nhân gây hư hỏng rượu trong công đoạn tiếp theo.
2.1.4 Chất hỗ trợ kỹ thuật 2.1.4.1 Các hóa chất
- Axit sunfuric có tác dụng điều chỉnh pH môi trường, tiêu diệt vi sinh vật lạ trong quá trình đường hóa.
- Ure cung cấp để đảm bảo lượng đạm cho nấm men sinh trưởng, phát triển tạo ra nhiều rượu.
- Nhóm các hóa chất xử lý nước như: than hoạt tính, hạt nhựa,…
- Hóa chất sát trùng như Na2SiF6 bổ sung trong quá trình đường hóa để hạn chế và ngăn chặn sự nhiễm khuẩn trong quá trình đường hóa.
2.1.4.2 Các chế phẩm enzym
Enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân tinh bột thành đường lên men, chúng còn được sử dụng để tăng hiệu suất đường hóa, các enzyme này thuộc loại amylaza.
Trong quá trình nấu, sử dụng Termamyl 60L nhằm phá vỡ màng tinh bột, đây là một enzyme α-amylaza cô đặc ở dạng lỏng, hoạt động tốt trong ở pH = 5,0 và nhiệt độ 900C và không yêu cầu sự có mặt của muối canxi cho sự ổn định của nó. Termamyl được sử dụng vì nó có thể hoạt động lên đến nhiệt độ 105-110°C.
Trong quá trình đường hóa sử dụng Spiritamylaza Novo, đây là một glucoamylaza lỏng cô đặc. Enzyme này xúc tác quá trình thủy phân tinh bột hoàn toàn thành các đường lên men glucoza không có các dextrin trong sản phẩm thủy phân.
Chúng giữ được hoạt tính và ổn định bền vững ở pH thấp như là pH = 3 tại 600C.
SVTH: Trần Thị Kiều Diễm_13H2B GVHD: Bùi Viết Cường 10