Nghiên cứu, sản xuất đường maltose từ bột sắn bằng phương pháp enzyme

ính tinh bột, là nguyên liệu không thể thiếu trong sản xuất bánh kẹo. Nước ta có tiềm năng về nguyên liệu tinh bột sắn để sản xuất đường maltose nhưng mới chỉ dừng lại ở sản xuất maltosedextrin, do công nghệ chưa cao đồng thời sử dụng phương pháp hóa học dùng acid thủy phân không đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng enzyme amylase thủy phân bột sắn sản xuất thành công đường maltose. Bột sắn sau khi hòa tan trong nước với tỷ lệ bột:nước là 1:6 (w/v) thì tiến hành hồ hóa ở 90oC trong 30 phút, dịch hóa 65oC trong 4 giờ, bổ sung lượng enzyme amylase 0,10%, tiếp tục đường hóa ở 60oC trong 7,0 giờ với lượng enzyme amylase 0,05%. Dịch đường được tẩy màu bằng than hoạt tính với nồng độ 0,2% và cô đặc 100oC trong 1 giờ ta thu được đường maltose. Đường maltose thu được không độc hại, an toàn vệ sinh thực phẩm. Từ khóa: Maltose; bột sắn; sinh học; enzyme; amylase. Abstract Maltose is a product obtained by starch modification, and very essential ingredient in confectionery production. Tapioca starch is the potential material maltose production, but used only maltodextrin production in Vietnam now because of low technology and the use of acid hydrolysis that does not ensure food safety. Therefore, in this study we used amylase hydrolyze cassava to successfully produce maltose. Cassava was dissolved in water at a ratio of 1:6 solid-to-liquid ratio gelatinized at 90oC for 30 minutes, 65oC for 4 hours, supplemented with 0.10 % amylase, continued to oxidize at 60oC for 7 hours with 0.05% amylase enzyme. Sugar is bleached with activated charcoal at 0.2% concentration and concentrated at 100°C for 1 hour to obtain maltose. Maltose obtained is edible and safety. Keywords: Maltose; cassava; biological; enzyme; amylase. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Sắn (Manihot esculenta) là cây lương thực quan trọng của nước ta, đứng thứ 3 sau lúa và ngô. Tinh bột sắn cũng là một trong 7 loại hàng xuất khẩu của Việt Nam, tuy nhiên giá thành còn thấp do các sản phẩm từ sắn còn hạn chế và chất lượng chưa đáp ứng được yêu cầu của thị trường, chưa tương xứng với tiềm năng nguồn nguyên liệu nước ta [1, 8]. Đường maltose là sản phẩm thu được từ quá trình biến tính tinh bột, là nguyên liệu không thể thiếu trong sản xuất bánh kẹo. Nó có tác dụng làm cho kẹo tăng độ dai, nhiều tơ, không bị lại đường, không bị chảy nước do hút ẩm và là nguyên liệu bổ sung giúp giảm giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo chất lượng tốt [9]. Việt Nam có tiềm năng về nguyên liệu tinh bột sắn để sản xuất đường maltose nhưng mới chỉ dừng lại ở sản xuất maltosedextrin, công nghệ chưa cao hoặc còn phải nhập khẩu maltose để làm nguyên liệu bổ sung, chất phụ gia với giá thành cao. Tuy nhiên, nhờ các thành tựu trong công nghệ sinh học, ngày nay các chế phẩm enzyme từ vi sinh vật đã thay thế thành công các chất xúc tác hóa học. Trong đó sử dụng enzyme amylase thủy phân tinh bột là một phương pháp sinh học có nhiều ưu điểm như phản ứng nhanh, công nghệ đơn giản, không độc hại, sử dụng trong thực phẩm an toàn. Với ý nghĩa đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, sản xuất đường maltose từ tinh bột sắn bằng phương pháp sinh học” [2, 3]. LIÊN NGÀNH HÓA HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 89 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu nghiên cứu - Tinh bột sắn được thu mua và trồng tại Bắc Giang. Yêu cầu: + Cảm quan: bột mịn, màu trắng sáng + Hàm lượng tinh bột: >80% + Độ ẩm: <13%. - Chế phẩm enzyme amylase là Fungamyl 800 L do hãng Novo Đan Mạch sản xuất. - Than hoạt tính: than hoạt tính gáo dừa sản xuất tại Việt Nam (Công ty Xuyên Việt) có kích thước hạt 1,68÷3,36 mm. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Quy trình sản xuất đường maltose dự kiến Bột sắn → nghiền, sàng rây (0,2mm) → Ngâm rửa → Bổ sung nước → Hồ hóa (900C, 30 phút) → Dịch hóa → Đường hóa → Lọc → Cô đặc → Maltose. Hình 1. Sơ đồ quy trình sản xuất đường maltose dự kiến 2.2.2. Các thiết kế thí nghiệm 2.2.2.1. Nghiên cứu tỷ lệ nước bổ sung Sơ đồ thiết kế thí nghiệm nghiên cứu tỷ lệ nước bổ sung theo sơ đồ hình 1. Tỷ lệ nước được bổ sung trước khi hồ hóa với các thí nghiệm nghiên cứu bột/nước: 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7 (w/v). Dịch hóa bổ sung chế phẩm enzyme amylase 0,1%, CaCl2 0,001%, pH = 5,0. Sau thời gian giai đoạn đường hóa 6 giờ, diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra tỷ lệ nước thích hợp. 2.2.2.2. Nghiên cứu pH thích hợp cho enzyme amylase Sơ đồ thiết kế thí nghiệm xác định pH thích hợp cho enzyme amylase theo sơ đồ hình 1. Chế độ dịch hóa được bố trí theo mục 2.2.2.1, các thí nghiệm nghiên cứu pH: 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0. pH được điều chỉnh bằng HCl 0,1N và NaOH 0,1N. Sau thời gian đường hóa 6 giờ diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra pH thích hợp. 2.2.2.3. Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho quá trình dịch hóa a. Tỷ lệ enzyme Sơ đồ thiết kết thí nghiệm xác định nồng độ enzyme thích hợp theo sơ đồ hình 1. Thí nghiệm nghiên cứu nồng độ enzyme amylase: 0,08%; 0,09%; 0,10%; 0,11%; 0,12%, pH được điều chỉnh theo nghiên cứu mục 2.2.2.2. Sau thời gian đường hóa 6 giờ diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra nồng độ enzyme amylase thích hợp. b. Nhiệt độ dịch hóa Sơ đồ thiết kết thí nghiệm xác định nhiệt độ dịch hóa thích hợp theo sơ đồ hình 1. Thí nghiệm nghiên cứu nhiệt độ dịch hóa: 50oC; 55oC; 60oC; 65oC; 70oC. Độ pH, nồng độ enzyme, tỷ lệ nước được nghiên cứu các mục 2.2.2.1, 2.2.2.2. Sau thời gian đường hóa 6 giờ diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra nồng độ enzyme amylase thích hợp [7]. c. Thời gian dịch hóa Sơ đồ thiết kết thí nghiệm xác định nhiệt độ dịch hóa thích hợp theo sơ đồ hình 1. Thí nghiệm nghiên cứu thời gian dịch hóa (giờ): 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0. Các thông số tỷ lệ nước, pH, điều kiện dịch hóa được nghiên cứu ở mục 2.2.2.1, 2.2.2.2, 2.2.2.3. Sau thời gian đường hóa 6 giờ diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra nồng độ enzyme amylase thích hợp. 2.2.2.4. Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho quá trình đường hóa a. Tỷ lệ enzyme Sơ đồ thiết kết thí nghiệm xác định nồng độ enzyme thích hợp theo sơ đồ hình 1. Các thông số tỷ lệ nước, pH, điều kiện dịch hóa được nghiên cứu ở mục 2.2.2.1, 2.2.2.2, 2.2.2.3. Thí nghiệm nghiên cứu nồng độ enzyme amylae: 0,03%; 0,04%; 0,05%; 0,06%; 0,07%. Sau thời gian đường hóa 6 giờ diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra nồng độ enzyme amylase thích hợp. b. Nhiệt độ đường hóa Sơ đồ thiết kết thí nghiệm xác định nhiệt độ dịch hóa thích hợp theo sơ đồ hình 1. Các thông số tương tự mục a phần 2.2.2.4. Thí nghiệm nghiên cứu nhiệt độ đường hóa: 50oC; 55oC; 60oC; 65oC; 70oC. Sau thời gian đường hóa 6 giờ diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra nồng độ enzyme amylase thích hợp. c. Thời gian đường hóa Sơ đồ thiết kết thí nghiệm xác định nhiệt độ dịch hóa thích hợp theo sơ đồ hình 1. Các thông số tương tự mục b phần 2.2.2.4. Thí nghiệm nghiên cứu thời gian đường hóa (giờ): 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0. Sau thời gian đường hóa diệt enzyme, để nguội xác định chỉ số Bx và DE để tìm ra nồng độ enzyme amylase thích hợp. 90 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 2.2.3. Các phương pháp phân tích 2.2.3.1. Xác định chỉ số DE Xác định hàm lượng đường khử theo phương pháp Bertrand - Nguyên tắc: đường khử có khả năng khử ion Cu2+ thành Cu+ kết tủa dưới dạng oxit đồng I màu đỏ. Kết tủa Cu+ bằng Fe3+, và định lượng Fe3+ bằng KMnO4. - Tiến hành: Lấy 20 ml Fehling A, 20 ml Fehling B và 20 ml dung dịch mẫu vào bình tam giác, lắc đều. Đun sôi sau 3 phút, lắng, lọc và rửa bằng Fe2(SO4)3, thu dịch lọc chuẩn độ bằng KMnO4 0,01N. Tra bảng Bertrand tính lượng đường khử [4, 6]. - Chỉ số DE (Dextrose Equivalent): số gam tương đương D-glucoza trong 100 g chất khô của sản phẩm [3]. - Phân loại chỉ số DE [8]: TT Chỉ số DE Loại đường 1 1÷20 Maltodextrin 2 20÷52 Siro maltose 3 52 Maltose 4 52÷<100 Siro glucose 5 100 Đường glucose 2.2.3.2. Xác định hàm lượng tinh bột theo phương pháp Bertrand - Nguyên tắc: Thủy phân tinh bột thành đường glucose, xác định hàm lượng glucose để tính lượng tinh bột. - Tiến hành: Cân 2,0÷2,5 g mẫu, lọc loại bỏ đường tan, bổ sung 25 ml HCl 5% để thủy phân tinh bột bằng cách đun cách thủy hỗn hợp 3÷5 giờ (có nắp sinh hàn). Trung hòa acid bằng NaOH 5% đến pH 5,5÷6,0. Kết tủa loại bỏ protein bằng Pb(CH3COO)2 10%. Lọc thu dịch và định lượng glucose bằng phương pháp Bertran trên mục 2.2.3.1. Lượng tinh bột bằng số miligam glucose nhân với hệ số 0,9 [4, 6]. 2.2.3.3. Các chỉ số khác - Xác định hàm lượng protein bằng phương pháp Kejldahl [5]. - Xác định hàm lượng lipid bằng phương pháp chiết Soxhlet [5]. - Xác định hàm lượng chất tan bằng Brix kế REF107 - hãng Extech - Mỹ. - Đo pH bằng bút đo pH pHep-HI98107- Hanna. 2.2.4. Xử lý số liệu Kết quả số liệu thực nghiệm thu được được xử lý bằng phần mềm SPSS 20.0. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kiểm tra chất lượng bột sắn Kết quả phân tích một số thành phần hóa học bột sắn được thể hiện trên bảng 1. Bảng 1.Thành phần hóa học của bột sắn TT Thành phần Hàm lượng (%) 1 Tinh bột 82,5 2 Protein 0,4 3 Lipid 0,25 Từ bảng 1 cho thấy nguyên liệu bột sắn được trồng tại Bắc Giang có hàm lượng tinh bột cao, hàm lượng protein và lipid thấp nên là nguyên liệu thích hợp dùng sản xuất đường maltose. 3.2. Kết quả nghiên cứu tỷ lệ nước bổ sung Kết quả nghiên cứu tỷ lệ bột sắn/nước thu được trên bảng 2. Bảng 2. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước TT Tỷ lệ (w/v) Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 1:3 17,5 32,58 2 1:4 19,0 35,14 3 1:5 21,5 39,50 4 1:6 21,7 39,25 5 1:7 20,0 39,18 Kết quả bảng 2 cho thấy tỷ lệ nước bổ sung thấp làm độ nhớt của dung dịch tăng, nồng độ cơ chất lớn làm tốc độ phản ứng của enzyme giảm do enzyme khó tiếp xúc với cơ chất. Điều này giải thích cho thấy khi tỷ lệ nước thấp thì chỉ số Bx và DE tăng nhưng khi tỷ lệ nước tăng chỉ số này lại giảm. Nếu ta tiếp tục tăng hàm lượng nước thì tốc độ phản ứng không tăng lại giảm do chất khô không thay đổi chỉ bị pha loãng. Xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả sau: Bx: 1:3a; 1:4b; 1:5c; 1:6c;1:7d DE: 1:3a; 1:4b; 1:5c; 1:6d;1:7e Như vậy có thể thấy với các tỷ lệ nước đã nghiên cứu cho các chỉ số DE khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn chỉ số Bx có tỷ lệ 1:6 khác với tỷ lệ 1:7 nhưng không khác với tỷ lệ 1:5 ở mức ý nghĩa α=5%. Do đó ta có thể lựa chọn tỷ lệ bột/nước là 1:5 hoặc 1:6 đều cho kết quả tốt, tuy nhiên nếu tỷ lệ bột/nước càng cao thì lượng sản phẩm thu được càng lớn và chất lượng không thay đổi. Từ kết quả nghiên cứu có thể chọn tỷ lệ bột/nước là 1/6 là thích hợp nhất cho quá trình tiếp theo. 3.3. Kết quả nghiên cứu pH Sự phân ly khác nhau của mỗi phân tử protein ở các giá trị pH khác nhau làm thay đổi tính chất của LIÊN NGÀNH HÓA HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 91 trung tâm liên kết cơ chất và trung tâm hoạt động của phân tử enzyme dẫn đến giá trị xúc tác khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH, mỗi enzyme có một khoảng pH tối ưu. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH thể hiện trên bảng 3. Qua bảng 3 cho thấy pH=5,5 cho chỉ số Bx và DE cao nhất. pH lớn hơn hoặc thấp hơn pH=5,5 đều cho chỉ số Bx và DE thấp do ở các khoảng pH này sự hoạt động của enzyme bị ức chế vì enzyme có bản chất protein. Bảng 3. Ảnh hưởng của pH tới quá trình thủy phân bột sắn TT pH Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 4,0 17,0 24,26 2 4,5 18,4 30,52 3 5,0 19,7 34,78 4 5,5 21,5 39,04 5 6,0 19,5 34,51 Kết quả xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả sau: Bx: 4,0a; 4,5b; 5,0c; 5,5d; 6,0c DE: 4,0a; 4,5b; 5,0c; 5,5d; 6,0e Kết quả xử lý số liệu cho thấy các giá trị trung bình DE ở các giá trị pH khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn các giá trị trung bình Bx ở giá trị pH 5,0 và 6,0 là không khác nhau nhưng khác với tất cả các giá trị pH còn lại. Tuy nhiên, tại giá trị pH 5,5 khi xử lý số liệu cho giá trị trung bình Bx và DE lớn nhất và khác với tất cả các giá trị khác, do đó chúng tôi lựa chọn pH=5,5 thích hợp nhất cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.4. Nghiên cứu chế độ dịch hóa 3.4.1. Nghiên cứu nồng độ enzyme Nồng độ enzyme cũng là yếu tố quan trọng không chỉ là thông số kỹ thuật còn ảnh hưởng đến lợi ích kinh tế. Nồng độ enzyme cao quá trình dịch hóa càng nhanh, tuy nhiên giá thành sản phẩm sẽ tăng. Mặt khác, do enzyme có bản chất protein nên trong dịch thủy phân chứa hàm lượng protein cao ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm đường maltose làm cho kẹo bị đục. Nếu hàm lượng enzyme ít thời gian dịch hóa kéo dài và hiệu quả thu hồi sản phẩm không cao. Kết quả bảng 4 thể hiện rõ điều đó. Bảng 4. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme tới quá trình dịch hóa TT Nồng độ enzyme Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 0,08 17,5 15,20 2 0,09 18,7 18,46 3 0,10 21,7 20,26 4 0,11 21,9 20,35 5 0,12 22,0 20,52 Kết quả bảng 4 cho tỷ lệ enzyme dưới 0,10% cho chỉ số Bx và DE thấp, khi tỷ lệ enzyme tăng cho hai chỉ số này tăng nhưng nếu nồng độ enzyme tiếp tục tăng ta thấy hai chỉ số này tăng không đáng kể. Kết quả xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả sau: Nồng độ enzyme: Bx: 0,08a; 0,09b; 0,10c; 0,11d; 0,12e DE: 0,08a; 0,09b; 0,10c; 0,11c; 0,12c Kết quả xử lý số liệu cho thấy các giá trị trung bình Bx ở các nồng độ enzyme khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn các giá trị trung bình DE ở nồng độ 0,10; 0,11; 0,12 không khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%. Như vậy, ta có thể lựa chọn nồng độ enzyme 0,10; 0,11; 0,12 cho kết quả như nhau, tuy nhiên nồng độ enzyme cao ảnh hưởng đến chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm. Trên cơ sở đó chúng tôi lựa chọn tỷ lệ enzyme 0,10% cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.4.2. Nghiên cứu nhiệt độ Nhiệt độ là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp tới hoạt lực của enzyme. Tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác chỉ tăng theo nhiệt độ trong thời gian giới hạn nhất định mà ở đó phân tử protein của enzyme vẫn còn bền chưa bị biến tính. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình dịch hóa được thể hiện trên bảng 5. Bảng 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình dịch hóa TT Nhiệt độ Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 50 16,5 15,54 2 55 17,5 17,28 3 60 21,8 18,37 4 65 22,3 20,25 5 70 22,4 20,06 Kết quả ở bảng 5 cho thấy khi nhiệt độ tăng chỉ số Bx và DE tăng, tuy nhiên khi nhiệt độ tiếp tục 92 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 tăng hai chỉ số này không tăng. Kết quả này là do enzyme có bản chất protein nên ở nhiệt độ cao, protein bị biến tính làm hoạt lực của enzyme giảm. Kết quả xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả sau: Bx: 50a; 55b; 60c; 65d; 70d DE: 50a; 55b; 60c; 65d; 70e Kết quả xử lý số liệu cho thấy các giá trị trung bình DE ở các nhiệt độ khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn các giá trị trung bình Bx ở nhiệt độ 65oC và 70oC không khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%. Ngoài ra, bảng 5 cho thấy nhiệt độ 65oC quá trình dịch hóa cho giá trị Bx và DE đạt giá trị cao nhất tuy tại giá trị này chỉ số Bx không khác so với xử lý nhiệt ở 70oC nhưng nhiệt độ thấp sẽ giảm chi phí cho quá trình gia nhiệt đồng thời nhiệt độ này thuận lợi cho quá trình đường hóa, vì vậy chúng tôi lựa chọn nhiệt độ đường hóa 65oC cho các quá trình tiếp theo. 3.4.3. Nghiên cứu thời gian Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình thủy phân tinh bột, đặc biệt là công đoạn dịch hóa vì thời gian ngắn thì dịch sẽ có độ nhớt cao dẫn đến khó lọc và chỉ số DE thấp. Nếu thời gian quá dài, quá trình thủy phân được triệt để hơn, hàm lượng đường khử cao nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng và kéo dài thời gian sản xuất. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm thể hiện trên bảng 6 cho thấy thời gian dài chỉ số Bx và DE tăng nhưng đến giới hạn nào đó thì thời gian tăng nhưng chỉ số DE tăng không đáng kể. Kết quả xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả sau: Bx: 3.0a; 3.5b; 4.0c; 4.5c; 5.0c DE: 3.0a; 3.5b; 4.0c; 4.5d; 5.0e Kết quả xử lý số liệu cho thấy các giá trị trung bình DE ở các thời gian khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn các giá trị trung bình Bx ở thời gian 4,0; 4,5; 5,0 giờ không khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%. Như vậy, có thể lựa chọn các khoảng thời gian dịch hóa 4,0; 4,5 và 5,0 giờ cho kết quả như nhau, tuy nhiên thời gian càng dài ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng thiết bị và giá thành sản phẩm trong sản xuất, do đó chúng tôi lựa chọn thời gian cho quá trình dịch hóa là 4,0 giờ cho các nghiên cứu tiếp theo. Bảng 6. Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình dịch hóa TT Thời gian (giờ) Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 3,0 17,5 17,08 2 3,5 18,6 19,39 3 4,0 22,5 20,70 4 4,5 22,6 21,02 5 5,0 22,6 21,36 3.5. Nghiên cứu chế độ đường hóa 3.5.1. Nghiên cứu tỷ lệ enzyme Bảng 7 cho thấy nồng độ enzyme tăng thì chỉ số Bx và DE tăng, tuy nhiên khi nồng độ enzyme tăng trên 0,05% cho chỉ số Bx và DE tăng không đáng kể. Bảng 7. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme tới quá trình đường hóa TT Nồng độ enzyme (%) Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 0,03 18,6 38,20 2 0,04 22,6 39,46 3 0,05 23,5 42,06 4 0,06 23,7 42,55 5 0,07 23,8 42,92 Kết quả xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả với nồng độ enzyme khác nhau: Bx: 0,03a; 0,04b; 0,05c; 0,06c; 0,07c DE: 0,03a; 0,04b; 0,05c; 0,06d; 0,07e Kết quả xử lý số liệu cho thấy các giá trị trung bình DE ở các nồng độ enzyme khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn các giá trị trung bình Bx ở nồng độ enzyme 0,05%; 0,06%; 0,07% không khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%. Do đó, có thể lựa chọn ở các nồng độ 0,05%; 0,06%; 0,07% cho kết quả như nhau, tuy nhiên nồng độ enzyme cao làm tăng chi phí cho quá trình sản xuất. Do đó, chúng tôi lựa chọn tỷ lệ enzyme 0,05% cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.5.2. Nghiên cứu nhiệt độ Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính xúc tác của enzyme amylase trong quá trình đường hóa. Nhiệt độ càng cao, phản ứng xúc tác xảy ra càng mạnh và nhanh. Tuy nhiên, khi nâng nhiệt độ lên quá cao, enzyme có khả năng LIÊN NGÀNH HÓA HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 93 bị vô hoạt. Khi tiến hành nghiên cứu, chúng tôi thu được kết quả trên bảng 8. Bảng 8. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình đường hóa TT Nhiệt độ (0C) Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 50 19,6 37,20 2 55 22,6 39,18 3 60 23,7 42,55 4 65 23,8 41,56 5 70 23,7 40,45 Kết quả cho thấy khi nhiệt độ tăng trong khoảng từ 50-70oC thì nhiệt độ tăng chỉ số Bx và DE tăng, còn khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì chỉ số Bx không tăng nữa còn chỉ số DE giảm. Điều này chứng tỏ nhiệt độ cao, enzyme bị vô hoạt, đường khử bắt đầu tham gia phản ứng caramen hóa. Kết quả xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả sau: Bx: 50a; 55b; 60c; 65c; 70c DE: 50a; 55b; 60c; 65c; 70c Kết quả xử lý số liệu cho thấy các giá trị trung bình DE ở các nồng độ enzyme khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn các giá trị trung bình Bx ở nhiệt độ 60oC, 55oC, 70oC không khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%. Do đó có thể lựa chọn ở các nhiệt độ 60oC, 65oC, 70oC cho kết quả như nhau, tuy nhiên nhiệt độ cao làm tăng chi phí cho quá trình sản xuất. Mặt khác nhiệt độ cao còn làm biến đổi mạnh mẽ đường trong sản phẩm tạo màu không tốt cho sản phẩm, do đó chúng tôi lựa chọn nhiệt độ 60oC cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.5.3. Nghiên cứu thời gian Nghiên cứu xác định thời gian đường hóa tối thiểu mà sản phẩm vẫn đạt chất lượng là điều kiện cần thiết bởi thời gian càng kéo dài sẽ gây lãng phí năng lượng. Khi tiến hành nghiên cứu cố định các thông số thích hợp trong các nghiên cứu trước chúng tôi tiến hành khảo sát thời gian đường hóa thu được kết quả trong bảng 9. Bảng 9. Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình đường hóa TT Thời gian (giờ) Nồng độ chất khô hòa tan (Bx) Dextrose Equivalent (DE) 1 5,0 19,0 39,08 2 6,0 20,6 41,39 3 7,0 22,8 42,70 4 8,0 23,0 42,52 5 9,0 23,1 43.04 Kết quả bảng 9 cho thấy chỉ số DE và Bx tăng lên theo thời gian. Tuy nhiên, nếu kéo dài thời gian đường hóa chỉ số Bx và DE vẫn tăng nhưng không đáng kể. Kết quả xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS cho phân tích ANOVA với mức ý nghĩa ɑ=5% được kết quả sau: Bx: 5,0a; 6,0b; 7,0c; 8,0c; 9,0c DE: 5,0a; 6,0b; 7,0c; 8,0c; 9,0c Kết quả xử lý số liệu cho thấy các giá trị trung bình DE ở các thời gian khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%, còn các giá trị trung bình Bx ở thời gian 7,0; 8,0; 9,0 giờ không khác nhau ở mức ý nghĩa ɑ=5%. Do đó có thể lựa chọn ở các khoảng thời gian 7,0; 8,0; 9,0 giờ cho kết quả như nhau, tuy nhiên thời gian kéo dài làm giảm hiệu quả sử dụng thiết bị, tăng chi phí cho quá trình sản xuất. Do đó nếu dựa vào hiệu quả kinh tế chúng tôi lựa chọn thời gian đường hóa là 7,0 giờ. Dịch đường thu được có chỉ số DE≈43 với hàm lượng đường maltose cao sẽ có [10]: 9%: monosaccarid 43%: maltose 18%: maltosetriose và trisaccharides 30%: oligosaccharides, maltotetraose và polysaccarid bậc cao. Như vậy, dịch đường sau thủy phân có hàm lượng đường maltose khá cao 43%, ngoài ra còn maltose bậc cao maltosetriose và maltotetraose. Với DE=52 thì sản phẩm sau thủy phân là dịch đường maltose do vậy với DE=43 thì dịch sau thủy phân là dịch đường maltose cao nhưng không triệt để. 3.6. Đề xuất quy trình sản xuất đường maltose từ bột sắn Từ nghiên cứu các yếu tố công nghệ chúng tôi đề xuất quy trình trên sơ đồ hình 2. Bột sắn được kiểm tra các chỉ tiêu chất lượng trước khi chế biến như độ ẩm <13%, hàm lượng tinh bột >81%; độ pH 4,5÷7,0; tạp chất <0,05%; tro <0,1%; protein <0,4%; lipid <0,2%. Bột sau đó được ngâm rửa 3÷4 lần bằng nước trong khoảng 30 phút để loại bỏ chất màu và vi sinh vật. Sau đó, bột được hòa trộn với nước theo tỷ lệ 1:5. Hòa đều tay sao cho bột không bị vón cục tạo thành dịch huyền phù đồng nhất. Do enzyme amylase không thủy phân tinh bột chưa hồ hóa, do đó ta nâng nhiệt độ lên 70oC trong 30 phút giúp tinh bột hút nước, trương nở tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme xúc tác. Sau đó hạ nhiệt độ xuống 65oC và điều chỉnh pH=5,5 giúp enzyme amylase phá vỡ cấu trúc hạt tinh bột, thủy phân tinh bột thành các dextrin, giảm độ nhớt của dung dịch hồ hóa. Dịch hóa trong 4 giờ. Sau 94 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 đó tiếp tục điều chỉnh lên nhiệt độ 60oC để quá trình đường hóa xảy ra. Dung dịch tinh bột sau thủy phân bị sẫm màu do các phản ứng phân hủy protein, các đường đơn, phản ứng Mailard. Vì vậy, trước khi lọc đường maltose bằng than hoạt tính, dung dịch được pha loãng đến nồng độ chất khô 20% bổ sung than hoạt tính với tỷ lệ 0,2%, pH=6,5, nhiệt độ 600C trong thời gian 30 phút. Lọc dịch đường chia làm hai giai đoạn. Lọc lần 1 giúp loại bỏ tinh bột sót và các chất không tan. Lọc lần 2 giúp loại bỏ tạp chất, các chất không tan và đặc biệt chất màu của đường. Sau đó đường được đưa đi cô đặc ở điều kiện thường trong khoảng 1 giờ đến độ ẩm 15%. Hình 1. Quy trình sản xuất đường maltose từ bột sắn 4. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài, chúng tôi thu được một số kết quả như sau: - Xác định được các thành phần hóa học cơ bản của bột sắn được trồng tại Bắc Giang. - Đã tìm ra được các thông số tốt nhất cho quá trình thu hồi maltose: + Xác định được tỷ lệ bột/nước thích hợp cho quá trình hồ hóa bột sắn bột/nước là 1:6. + Xác định được pH thích hợp cho quá trình là 5,5. - Xác định được điều kiện thích hợp cho quá trình dịch hóa: + Nhiệt độ 65oC + Nồng độ enzyme 0,10% + Thời gian: 4 giờ. - Xác định được điều kiện thích hợp cho quá trình đường hóa: + Nhiệt độ 75oC + Nồng độ enzyme 0,05% + Thời gian: 7,0 giờ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Sương, Nguyễn Xuân Liêm (2006). Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [2]. Nguyễn Đặng Thị Mỹ Duyên (2008). Nghiên cứu sản xuất maltodextrin có chỉ số DE từ 15-17 ứng dụng trong sản xuất sữa bột. Đề tài nghiên cứu khoa học. Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. [3]. Trương Thị Minh Hạnh (2008). Nghiên cứu sản xuất maltodextrin có DE<10 bằng phương pháp axit ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng). Tạp chí Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Đà Nẵng, Số 3(26), trang 58÷65. [4]. Nguyễn Đức Lượng (chủ biên), Cao Cường, Nguyễn Ánh Tuyết, Lê Thị Thủy Tiên, Tạ Thị Hằng, Huỳnh Ngọc Oanh, Nguyễn Thúy Hương, Phan Thị Huyền (2010). Công nghệ enzyme. NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. [5]. Nguyễn Văn Mùi (2007). Thực hành Hóa Sinh học. NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. [6]. Trần Xuân Ngạch (2008). Công nghệ enzyme. NXB Đại học Đà Nẵng. [7]. Roberto do Nascimento SILVA, Fábio Pereira QUINTINO, Valdirene Neves MONTEIRO, Eduardo Ramirez ASQUIERI (2010). Production of glucose and fructose syrups from cassava (Manihot esculentaCrantz) starch using enzymes produced by microorganisms isolated from Brazilian Cerrado soil. Ciênc. Tecnol. Aliment, vol. 30, no. 1. [8]. T. H. Grenby* and M. Mistry (2000). Properties of maltodextrins and glucose syrups in experimentsin vitroand in the diets of laboratory animals, relating to dental health. British Journal of Nutrition, v. 84, p. 565÷574. [9]. Regy Johnson and G. Padmaja (2013). Comparative Studies on the Production of Glucose and High Fructose Syrup from Tuber Starches. International Research Journal of Biological Sciences. Vol. 2(10), 68÷75. [10]. Larry Hobbs (2009). Chemistry and Technology. Chapter 21 Sweeteners from Starch: Production, Properties and Uses. Elsevier Inc, p. 800÷816.