- THU NHẬN DỊCH ĐƯỜNG GLUCOSE TỪ QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN CÁM GẠO (GIỐNG IR5451) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME. - Nghiên cứu này nhằm xác định phương pháp xử lý thích hợp để sản xuất dịch đường glucose từ cám gạo theo phương pháp thủy phân bằng enzyme. - Quá trình đường hóa sử dụng glucoamylase với hàm lượng nhiệt độ thủy phân dao động từ 60 đến 80 o C trong 90 - 150 phút.. - Quan sát cho thấy, RSM là phương pháp có ý nghĩa và thỏa đáng dựa trên 81 đơn vị thử nghiệm trong mỗi bước thủy phân.. - Hàm lượng đường khử đạt tối ưu (9,52%) với lượng glucoamylase 1% ở nhiệt độ và thời gian thủy phân là 73,85 o C và 137,52 phút, tương ứng.. - Thu nhận dịch đường glucose từ quá trình thủy phân cám gạo (giống IR5451) bằng phương pháp enzyme. - Dù có hàm lượng carbohydrate cao như vậy nhưng nguồn nguyên liệu này chưa bao giờ được đề xuất như là nguồn của các loại đường (Sfalcin et al., 2015).. - Phụ phẩm cám gạo có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất dịch đường glucose (Sfalcin et al., 2015) và cũng ít nghiên cứu thiết kế sử dụng enzyme cho quá trình thủy phân tinh bột từ cám gạo. - Phương pháp thủy phân sử dụng xúc tác enzyme có khả năng cho hiệu suất thu hồi đường cao hơn (Hoàng Hướng Quỳ và ctv., 1986). - Công việc thực hiện trong nghiên cứu này nhằm đánh giá sự hỗ trợ tích cực của các enzyme cho quá trình thủy phân cám gạo để có được dịch đường glucose. - Với mục đích này, các biến như nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân của hệ enzyme amylase được đánh giá trong quá trình thủy phân tinh bột (cả hai tiến trình dịch hóa và đường hóa) từ nguồn cám gạo được thu nhận.. - Hàm lượng chất khô hòa tan, độ nhớt và hàm lượng đường khử của mẫu sau khi xử lý được phân tích. - nhiệt độ thủy phân: 70, 80 và 90 o C, nồng độ α- amylase sử dụng và 1,25% và thời gian thủy phân thay đổi 5, 10, 15 phút. - Tiếp theo quá trình dịch hóa, đường hóa được bố trí thí nghiệm với 3 nhân tố: nồng độ glucoamylase và 1,25%, nhiệt độ thủy phân 60, 70 và 80 o C, thời gian thủy phân thay đổi 90 đến 150 phút.. - Hàm lượng protein. - Hàm lượng lipid. - phương pháp phân tích hàm lượng béo trong mẫu dạng rắn bằng phương pháp Soxhlet (TCVN . - Hàm lượng đường khử: xác định bằng phương pháp sử dụng acid dinitrosalicylic (DNS) (Miller, 1959).. - Hàm lượng chất khô hòa tan ( o Brix): xác định bằng chiết quang kế Atago (Nhật Bản).. - Độ nhớt của dịch thủy phân: đo bằng máy đo độ nhớt Brookfield (USA), đầu đo số 3, tốc độ quay 50 vòng/phút.. - Dễ dàng nhận thấy hàm lượng tinh bột còn sót lại trong cám gạo khá cao (56,4%) là nguồn cơ chất tốt cho quá trình thủy phân tinh bột bằng enzyme amylase (Bảng 1). - 3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ. - Sự gia tăng nhiệt độ trong một giới hạn nhất định sẽ làm cho tốc độ thủy phân tinh bột tăng lên.. - Kết quả khảo sát được trình bày ở Bảng 2 cho thấy, hàm lượng chất khô hòa tan tăng và độ nhớt giảm sau khi dịch hóa bằng enzyme α- amylase khi nhiệt độ tăng. - Sự hình thành các dextrin phân tử thấp làm cho hàm lượng chất khô hòa tan tăng và độ nhớt giảm. - Enzyme α-amylase sử dụng cho phản ứng thủy phân có nguồn gốc từ vi khuẩn nên khả năng chịu nhiệt cao so với các nguồn khác.. - (2000), trong quá trình dịch hóa sử dụng enzyme α-amylase có nguồn gốc từ vi khuẩn Bacillus licheniformis, kết quả sẽ tối ưu khi thủy phân cám gạo ở nhiệt độ 90 o C, tỷ lệ cám gạo và nước là 1:5.. - Bảng 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng chất khô hòa tan và độ nhớt (nồng độ enzyme từ thời gian thủy phân từ 5 - 15 phút). - Nhiệt độ ( o C). - Hàm lượng chất khô hòa tan ( o Brix). - Khi sử dụng enzyme α-amylase với nồng độ tăng dần thì hàm lượng chất khô hòa tan tăng và độ nhớt giảm.. - Khi sử dụng nồng độ enzyme 0,75%, hàm lượng chất khô hòa tan thấp và độ nhớt cao khác biệt ý nghĩa đối với nồng độ enzyme 1,00% và 1,25%. - Bảng 3: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme α- amylase đến hàm lượng chất khô hòa tan và độ nhớt (nhiệt độ thủy phân từ 70 - 90 o C, thời gian thủy phân từ 5 - 15 phút). - Hàm lượng chất khô. - 3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân Thời gian thủy phân càng kéo dài thì phản ứng càng xảy ra triệt để và đạt thông số kỹ thuật cao (Nguyễn Trọng Cẩn và ctv.,1998). - Tuy nhiên với một lượng cơ chất nhất định, phản ứng thủy phân của enzyme đến một giai đoạn nào đó thì khả năng xúc tác sẽ giảm. - Thời gian thủy phân cũng ảnh hưởng có ý nghĩa đến hàm lượng chất khô hòa tan và độ nhớt (Bảng 4). - Hàm lượng chất khô hòa tan tăng và độ nhớt giảm có ý nghĩa khi thời gian thủy phân tăng từ 5 đến 10 phút. - Tuy nhiên ở thời gian 15 phút thì hàm lượng chất khô hòa tan tăng và độ nhớt vẫn giảm nhưng không khác biệt ý nghĩa so với 10 phút cao.. - Bảng 4: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hàm lượng chất khô hòa tan và độ nhớt (nhiệt độ thủy phân từ 70 - 90 o C, nồng độ enzyme từ . - Thời gian thủy phân (phút). - 3.3 Tối ưu hóa quá trình dịch hóa cám gạo bằng enzyme α-amylase dựa trên nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân. - 3.3.1 Hàm lượng chất khô hòa tan. - Trên cơ sở bố trí thí nghiệm các nhân tố nhiệt độ ( o C), nồng độ enzyme. - và thời gian thủy phân (phút), tương quan của các biến độc lập (nhân tố) đến hàm lượng chất khô hòa tan được thiết lập với hệ số xác định tương quan cao (R phương trình 1).. - Trong đó: CK là hàm lượng chất khô hòa tan ( o Brix), X 1 là nhiệt độ (70- 90 o C), X 2 là nồng độ enzyme và X 3 là thời gian thủy phân (5 - 15 phút).. - Ở nhiệt độ 90 o C, biểu đồ bề mặt đáp ứng thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ enzyme. - và thời gian thủy phân (phút) đến hàm lượng chất khô hòa tan ( o Brix) (Hình 2).. - Với X 2 là nồng độ enzyme và X 3. - là thời gian thủy phân (5 - 15 phút).. - Hình 1: Tương thích giữa hàm lượng chất khô hòa tan dự đoán và thực nghiệm. - Hình 2: Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của nồng độ enzyme và thời gian đến hàm lượng chất khô hòa tan trong dịch thủy phân (nhiệt độ 90 o C). - Xây dựng phương trình hồi quy đa chiều thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ ( o C), nồng độ enzyme. - thời gian thủy phân (phút) đến độ nhớt được thiết lập với hệ số xác định tương quan cao (R 2 =0,93). - Trong đó: N là độ nhớt (cP), X 1 là nhiệt độ (70 - 90 o C), X 2 là nồng độ enzyme và X 3. - Phân tích thống kê các hệ số của nhân tố cho thấy các giá trị P của X 1 , X 2 , X 3 , X 1 2 , X 2 2 , X 3 2 , X 1 X 3 , X 2 X 3 đều nhỏ hơn 0,05, cho thấy mức độ ý nghĩa của các nhân tố khảo sát đến độ nhớt dịch thủy phân.. - Trong khoảng nhiệt độ thủy phân 70 - 90 o C, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân 5 - 15 phút, độ nhớt dự đoán được tính bằng cách thay giá trị X X và X vào phương trình 4. - Hình 3: Tương thích giữa độ nhớt dự đoán và thực nghiệm Ở nhiệt độ 90 o C, biểu đồ bề mặt đáp ứng thể. - hiện sự ảnh hưởng của nồng độ enzyme. - thời gian thủy phân (phút) đến độ nhớt (cP) (Hình 4).. - Hình 4: Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của nồng độ enzyme và thời gian đến độ nhớt của dịch thủy phân (nhiệt độ 90 o C). - Như vậy, với các điều kiện kỹ thuật tối ưu được chọn lựa, nồng độ enzyme α-amylase từ 1,07 đến 1,17% được sử dụng cho quá trình thủy phân ở nhiệt độ 90 o C trong thời gian từ 13,36 đến 15,18 phút sẽ cho dịch thủy phân đạt được hàm lượng chất khô hòa tan cao nhất (13,37 o Brix), cùng với độ nhớt của dịch thủy phân đạt được tương đối thấp (14,82 cP).. - 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân đến quá trình đường hóa cám gạo bằng enzyme glucoamylase. - 3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ. - Kết quả khảo sát được trình bày ở Bảng 5 cho thấy khi tăng nhiệt độ từ 60 o C lên 70 o C thì hàm lượng đường khử tăng có ý nghĩa. - Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ lên 80 o C thì hàm lượng đường khử giảm. - Mặt khác, trong thí nghiệm này, enzyme sử dụng để thủy phân cơ chất có nguồn gốc từ nấm mốc Aspergillus niger có nhiệt độ tối ưu khoảng 70 o C (Kunamneni và Singh, 2005).. - Bảng 5: Kết quả thống kê ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng đường khử (nồng độ enzyme từ thời gian thủy phân từ 90 - 150 phút). - Nhiệt độ ( o C) Hàm lượng đường khử. - 3.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme. - Kết quả khảo sát cho thấy khi tăng nồng độ enzyme từ 0,75 lên 1,00% thì hàm lượng đường khử tăng dần (Bảng 6). - Tuy nhiên khi tăng nồng độ enzyme từ 1,00% lên 1,25% thì hàm lượng đường khử không thể hiện sự khác biệt ý nghĩa.. - Bảng 6: Kết quả thống kê ảnh hưởng của nồng độ enzyme glucoamylase đến hàm lượng đường khử (nhiệt độ thủy phân từ 60 - 80 o C, thời gian thủy phân từ 90 - 150 phút). - Nồng độ enzyme. - Hàm lượng đường khử. - 3.4.3 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân Theo Crabb và Colin (1997), tốc độ phản ứng sẽ tăng theo thời gian phản ứng do enzyme có thời gian để tiếp xúc với cơ chất. - Khi tăng thời gian thủy phân từ 90 đến 120 phút, hàm lượng đường khử sẽ tăng lên đáng kể do enzyme dễ dàng tiếp xúc với cơ chất (Bảng 7). - Nếu tiếp tục tăng thời gian thủy phân từ 120 đến 150 phút thì hàm lượng đường khử tạo thành không thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa.. - Bảng 7: Kết quả thống kê ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hàm lượng đường khử (nhiệt độ từ 60 - 80 o C, nồng độ enzyme từ . - Trên cơ sở toàn bộ dữ liệu thu thập (với nhiệt độ thủy phân 60 - 80 o C, nồng độ enzyme. - glucoamylase và thời gian thủy phân 90 - 150 phút). - Phương trình hồi quy đa chiều thể hiện sự tương quan giữa hàm lượng đường khử và các nhân tố được thiết lập (phương trình 6).. - Trong đó: HLĐK là hàm lượng đường khử. - X1 là nhiệt độ ( o C), X 2 là nồng độ enzyme. - và X 3 là thời gian thủy phân (phút).. - Hình 5: Tương thích giữa hàm lượng đường khử dự đoán và thực nghiệm. - Trong khoảng nhiệt độ thủy phân 60 - 80 o C,. - nồng độ enzyme và thời gian thủy phân 90 - 150 phút, hàm lượng đường khử được tính bằng cách thay giá trị X X và X vào phương trình 6. - Sự tương thích giữa hàm lượng đường khử theo mô hình dự đoán và hàm lượng đường khử thực nghiệm được tìm thấy (hệ số xác định tương quan khá cao R 2 =0,93) (Hình 5).. - Các mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hàm lượng đường khử với (i) nồng độ glucoamylase và thời gian thủy phân (nhiệt độ 70 o C), (ii) nhiệt độ và thời gian thủy phân (nồng độ glucoamylase sử dụng 1,00. - Hình 6: Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân với nồng độ enzyme và thời gian thủy phân (nhiệt độ 70 o C). - Hình 7: Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân với nhiệt độ và thời gian thủy phân (nồng độ glucoamylase 1%). - Hình 8: Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân với nhiệt độ thủy phân và nồng độ enzyme glucoamylase sử dụng (thời gian thủy phân 120 phút). - Kết quả thu nhận cho thấy hiệu quả thủy phân tối ưu của. - và thời gian thủy phân trong khoảng 137,52 đến 138,33 phút (tùy điều kiện sản xuất có thể chọn điều kiện thủy phân thích hợp).. - Nồng độ enzyme và. - thời gian Nhiệt độ (70 o C) 0,97%. - Nhiệt độ và thời gian Nồng độ o C. - 137,52 phút 7 9,524 Nhiệt độ và nồng độ. - enzyme Thời gian (120 phút) 73,34 o C. - Mô hình bề mặt đáp ứng có thể được sử dụng để tối ưu hóa các điều kiện thủy phân dịch tinh bột cám gạo bằng hệ enzyme amylase nhằm thu hồi hàm lượng đường trong cám một cách có hiệu quả.