CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU Gạo là lương thực chính ước tính của khoảng 3,5 tỷ người trên toàn thế giới. Ở Châu Á, gạo cung cấp đến 50% lượng calo trong chế độ ăn uống hàng ngày và là một nguồn protein quan trọng cho hàng triệu người [1]. Sản lượng lúa trên thế giới chiếm khoảng 380 triệu tấn mỗi năm [2].
Theo thống kê của viện khoa học kỹ thuật miền Nam, tính đến cuối năm 2015, sản lượng lúa ở Việt Nam sản xuất được khoảng 45 triệu tấn lúa. Quá trình chà xát lúa cho ra phụ phẩm là gạo tấm. Gạo tấm có giá thành rẻ hơn 14 - 20% so với giá gạo chính phẩm. Hiện nay gạo tấm được sử dụng làm lương thực cho người, làm thức ăn gia súc và đặc biệt là được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất rượu ethanol.
Để sản xuất ethanol, có 2 phương pháp phổ biến. Một là phương pháp đường hóa và lên men riêng biệt được sử dụng ở quy mô công nghiệp. Hai là phương pháp đường hóa và lên men đồng thời được sử dụng ở quy mô làng nghề; khi đó bánh men có chứa cả nấm mốc và nấm men. Phương pháp đường hóa và lên men đồng thời tại các làng nghề Việt Nam và một số nước đang phát triển có một số nhược điểm: tinh bột trong nguyên liệu chưa qua quá trình dịch hóa nên hiệu suất thủy phân tinh bột không cao, thời gian thủy phân tinh bột kéo dài.
Bên cạnh đó, hoạt tính amylase do nấm mốc sinh ra không cao do quá trình sinh tổng hợp enzyme của nấm mốc không được tối ưu hóa. Ngoài ra, quá trình lên men diễn ra trong điều kiện không có điều nhiệt nên hoạt tính lên men của nấm men Saccharomyces cerevisiae bị giảm đi do nấm men này không lên men tốt khi nhiệt độ tăng lên 35 - 400C. Để khắc phục những nhược điểm trên, một số nghiên cứu trên thế giới sử dụng tinh bột đã qua hồ hóa và dịch hóa để đường hóa và lên men đồng thời. Bên cạnh đó, các chế phẩm thương mại amylase và nấm men chịu nhiệt được thử nghiệm sử dụng để sản xuất ethanol từ nguyên liệu giàu tinh bột.
Tại Việt Nam đến nay chưa có các công bố khoa học về vấn đề này. Trang 1 GVHD: GS. LÊ VĂN VIỆT MẪN SVTH: TRẦN THỊ MỘNG TRINH Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu sử dụng loài Kluyveromyces marxianus và chế phẩm amylase để đường hóa và lên men đồng thời với mục đích thu nhận ethanol từ gạo tấm. Trang 2 GVHD: GS.
LÊ VĂN VIỆT MẪN SVTH: TRẦN THỊ MỘNG TRINH CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN 2. Nguyên liệu sản xuất 2. Nguyên liệu gạo tấm Theo thống kê của cục xúc tiến thương mại Việt Nam, tính đến tháng 1 năm 2016, sản lượng lúa ở nước ta xấp xỉ 45 triệu tấn/năm; trong đó, gạo tấm chiếm khoảng 15% trọng lượng lúa, tức khoảng 6,75 triệu tấn/năm.
Từ những thống kê trên, ta thấy rằng tổng sản lượng gạo tấm hàng năm tại Việt Nam là rất lớn. Việc sử dụng gạo tấm để sản xuất rượu ethanol có thể xem là một trong những hướng đi phù hợp nhằm tận dụng nguồn phụ phẩm này.1 trình bày cấu tạo của hạt gạo. Cấu tạo của hạt gạo [3]. Tên khoa học của gạo: Oryza sativa var indica/japonica.
Phân họ (Subfamilia): Oryzoideae. Trang 3 GVHD: GS. LÊ VĂN VIỆT MẪN SVTH: TRẦN THỊ MỘNG TRINH Chi (Genus, pog): Oryza. Thứ, chủng, loại (varietas,var,Cultiva,Klona): Indica & japonica [4].
Gạo (Oryza sativa var indica): hạt gạo gồm có ba thành phần chính là nội nhũ, mầm và lớp vỏ cám. Nội nhũ là thành phần cơ bản cấu tạo nên hạt thóc và có giá trị sử dụng cao nhất. Nội nhũ hạt gạo được cấu tạo từ các tế bào lớn có thành mỏng chứa đầy các hạt tinh bột (70 ÷ 82%). Trong nội nhũ, glucid chiếm tới 90% chủ yếu là tinh bột, trong khi đó trong toàn hạt gạo, lượng glucid chỉ chiếm khoảng 75%.
Nội nhũ được chia thành 2 vùng: vùng gần vỏ hạt gọi là lớp subaleurone và vùng nội nhũ tâm hạt. Tùy theo giống, điều kiện canh tác và bảo quản mà nội nhũ có thể là “trắng trong” hay “trắng đục”. Các giống lúa hạt dài có phần nội nhũ thường ở dạng “trắng trong”, còn các giống lúa hạt ngắn có phần nội nhũ ở dạng “trắng đục”. Các giống lúa với phần nội nhũ “trắng đục” thường có một vệt trắng ở giữa hạt hay phía bên hạt và được gọi là bạc bụng, khi xay xát dễ bị nát và khi nấu thì lâu chín [4].
Giới thiệu các sản phẩm của quá trình chà xát gạo. Các sản phẩm của quá trình chà xát gạo [2] Gạo tấm là tên gọi để chỉ một loại gạo do phần đầu xay xát bị vỡ ra. Tên tiếng anh của gạo tấm là broken rice Thành phần hóa học của gạo tấm được trình bày trong bảng 2. Trang 4 GVHD: GS.
LÊ VĂN VIỆT MẪN SVTH: TRẦN THỊ MỘNG TRINH Bảng 2. Thành phần hóa học của gạo tấm Thành phần Giá trị (% khối lượng) Tinh bột 75,21 ± 0,1 Độ ẩm 11,6 ± 0,4 Cellulose 0,7 Protein 8,75 Muối khoáng 0,46 Tinh bột: là thành phần quan trọng nhất trong gạo tấm để sản xuất ethanol. Hàm lượng tinh bột trong gạo tấm càng cao thì lượng rượu thành phẩm sẽ càng cao. Nhìn chung, gạo tấm có hàm lượng tinh bột cao hơn so với đại mạch, bắp nếp và bắp ngọt [5].
Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột trong sản xuất ethanol là nhiệt độ hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa càng thấp thì trong sản phẩm quá trình thủy phân tinh bột sẽ ít tốn chi phí về năng lượng sử dụng [6, 7]. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột gạo dao động trong khoảng 61 - 780C [8, 9]. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột gạo cao hơn so với tinh bột bắp và tinh bột khoai tây [10].
Tinh bột bắp và khoai tây là những loại nguyên liệu được sử dụng để sản xuất rượu ethanol phổ biến tại Hoa Kỳ và Châu Âu [11, 12]. Cellulose: là một polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n mà n biến thiên từ 7000 - 15000. Cellulose là polymer mạch thẳng của β - D - glucose, chúng liên kết với nhau bởi liên kết β - 1,4 glycoside. Kiểu liên kết này đối lập với liên kết α - 1,4 - glucoside có trong tinh bột, glycogen và các carbohydrat khác.
Cellulose tham gia cấu tạo nên thành tế bào với chức năng bảo vệ và tạo nên độ vững chắc cho mô tế bào thực vật. Cellulose có khả năng sinh ethanol nhưng phải chuyển cellulose thành đường đơn giản như hexose. Cellulose không tan trong nước, trong dung môi hữu cơ và các dung dịch kiềm loãng. Cellulose có thể phân hủy thành glucose khi đun nóng với acid hoặc kiềm.
Cellulose khi bị thủy phân hoàn toàn sẽ tạo thành đường hòa tan D - glucose. Nguyên liệu giàu cellulose cũng được sử dụng để sản xuất ethanol [13]. Protein: trong hạt gạo gồm có albumin, glubomin, prolamin và glutelin. Phần lớn các protein này không hòa tan được vào môi trường lên men.
Trang 5 GVHD: GS. LÊ VĂN VIỆT MẪN SVTH: TRẦN THỊ MỘNG TRINH 2. Nấm men Kluyveromyces marxianus Từ những năm 80 của thế kỷ 20, lên men ethanol ở nhiệt độ cao đã được nhiều nhà khoa học quan tâm. Nhiều loài nấm men chịu nhiệt được phát hiện như Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces fragilis [14].
Trong số các loài nấm men chịu nhiệt, Kluyveromyces marxianus được đánh giá là loài nấm men sinh trưởng tốt và lên men hiệu quả ở nhiệt độ cao. Nấm men này có khả năng sinh trưởng trong khoảng nhiệt độ từ 400C đến 500C và lên men hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 380C đến 450C. Khi được so sánh với loài nấm men Saccharomyces cerevisiae truyền thống, Kluyveromyces marxianus thể hiện khả năng sinh tổng hợp ethanol nhiều hơn khi lên men ở nhiệt độ cao [14, 15]. Ngoài ra, Kluyveromyces marxianus còn có khả năng sử dụng nhiều nguồn cơ chất.
Nhiều loại đường như xylose, lactose, cellobiose có thể được chuyển hóa thành ethanol bởi nấm men Kluyveromyces marxianus. Trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol, Saccharomyces cerevisiae là loài vi sinh vật truyền thống. Chuyển hóa đường thành ethanol với hiệu suất khá cao là ưu điểm nổi bật của Saccharomyces cerevisiae so với các loài vi sinh vật lên men ethanol khác [16]. Tuy nhiên nấm men Saccharomyces cerevisiae chỉ sinh trưởng và sinh tổng hợp ethanol tốt ở giá trị nhiệt độ xấp xỉ 300C.
Khi nhiệt độ môi trường cao hơn 350C, nấm men Saccharomyces cerevisiae sinh trưởng chậm [17]. Do đó, quá trình lên men ethanol sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae cần hệ thống để ổn định nhiệt độ lên men, từ đó làm gia tăng giá thành sản phẩm. Trên cơ sở đó, việc sử dụng nấm men chịu nhiệt để lên men ethanol là một giải pháp triển vọng [18]. Nấm men Kluyveromyces marxianus là loài chịu nhiệt, sinh trưởng và lên men ethanol trong điều kiện nhiệt độ cao hơn nấm men Saccharomyces cerevisiae.
Lane (2011) đã đánh giá sự sinh trưởng của nấm men Kluyveromyces marxianus trong khoảng nhiệt độ từ 240C đến 480C. Thí nghiệm được tiến hành trên 13 chủng Kluyveromyces marxianus khác nhau. Khi tăng nhiệt độ môi trường lên 420C, 13 chủng Kluyveromyces marxianus đều sinh trưởng và phát triển tốt. Trong môi trường mật rỉ, Kluyveromyces marxianus sinh trưởng và lên men tốt trong khoảng nhiệt độ từ 40 0C đến 500C [19], lượng ethanol đạt 75 - 95% so với giá trị lý thuyết [20].
Nấm men này cũng sinh trưởng tốt trong dịch whey khi nhiệt độ lên men tăng đến 450C [21]. Trang 6 GVHD: GS. LÊ VĂN VIỆT MẪN SVTH: TRẦN THỊ MỘNG TRINH Các nhà khoa học đã thử nghiệm sử dụng Kluyveromyces marxianus trong quá trình lên men ethanol theo nhiều phương pháp khác nhau, từ lên men tĩnh với nồng độ cơ chất cao [22, 23] đến lên men tĩnh có bổ sung cơ chất [24], lên men liên tục [25], lên men hai giai đoạn [26]. Kết quả cho thấy Kluyveromyces marxianus đều có khả năng lên men ethanol tốt trong khoảng nhiệt độ 40 - 450C.
Ballesteros và cộng sự đã sử dụng nguyên liệu lignocellulose để đường hóa và lên men đồng thời nhằm mục đích thu nhận bioethanol. Nấm men sử dụng là Kluyveromyces marxianus CECT 10. Quá trình lên men được thực hiện ở 420C. Kết quả cho thấy hàm lượng ethannol tối đa là 16 - 19 g/L sau 72 giờ [27].
Đến nay, chúng tôi không tìm thấy được tài liệu về quá trình đường hóa và lên men đồng thời từ nguồn nguyên liệu giàu tinh bột để sản xuất ethanol có sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus. Hệ enzyme amylase Amylase là một trong những hệ enzyme quan trọng nhất vì được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, công nghiệp lên men, công nghiệp dệt và công nghiệp giấy.
