Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình dịch hóa bột gạo

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường ứng dụng sóng siêu âm để cải thiện kết quả quá trình dịch hóa, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Trần Thị Thu Trà
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM, Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Ứng dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả quá trình dịch hóa bột gạo
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết kết quả đề tài KHCN cấp trường
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nâng cao hiệu quả dịch hóa bột gạo bằng sóng siêu âm

Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao hiệu quả quá trình dịch hóa bột gạo thông qua ứng dụng sóng siêu âm. Mục tiêu chính là tối ưu hóa quy trình sản xuất ethanol từ bột gạo bằng cách giảm thời gian và chi phí, đồng thời tăng hiệu suất dịch hóa. Công nghệ siêu âm được sử dụng để cải thiện quá trình thủy phân tinh bột, giúp giải phóng đường khử một cách hiệu quả hơn so với phương pháp truyền thống.

1.1. Ứng dụng sóng siêu âm trong xử lý bột gạo

Sóng siêu âm được áp dụng để tác động lên huyền phù bột gạo, tạo ra hiện tượng sủi bong bóng và lực cắt thủy động lực học. Hiện tượng này giúp phá vỡ cấu trúc hạt tinh bột, giải phóng các phân tử amylose và amylopectin, từ đó tăng hiệu quả dịch hóa. Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc sử dụng sóng siêu âm ở nhiệt độ và công suất phù hợp có thể làm tăng đáng kể hàm lượng tinh bột hòa tan.

1.2. Tối ưu hóa quy trình dịch hóa

Quá trình tối ưu hóa quy trình được thực hiện bằng cách điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, thời gian, và công suất sóng siêu âm. Kết quả cho thấy, nhiệt độ 70°C, công suất 7.5 W/g bột, và thời gian siêu âm 5 phút là điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả dịch hóa cao nhất. Điều này giúp giảm năng lượng tiêu thụ và tăng hiệu suất quá trình.

II. Hiệu quả dịch hóa bột gạo bằng sóng siêu âm

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng sóng siêu âm trong quá trình dịch hóa bột gạo mang lại hiệu quả vượt trội so với phương pháp truyền thống. Hiệu quả dịch hóa được đánh giá thông qua mức độ tăng hàm lượng tinh bột hòa tan và đường khử. Kết quả cho thấy, sóng siêu âm không chỉ giúp tăng tốc độ dịch hóa mà còn giảm thiểu lượng enzyme cần sử dụng.

2.1. Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến enzyme amylase

Thí nghiệm cho thấy, sóng siêu âm có thể tăng hoạt tính của enzyme amylase, giúp quá trình dịch hóa diễn ra nhanh hơn. Khi kết hợp với chế phẩm Termamyl 120L, hiệu quả dịch hóa tăng lên đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng, sóng siêu âm không chỉ tác động lên cấu trúc tinh bột mà còn hỗ trợ hoạt động của enzyme.

2.2. Cải thiện hiệu suất dịch hóa

Việc cải thiện hiệu suất dịch hóa được thể hiện qua việc tăng hàm lượng đường khử trong hỗn hợp dịch hóa. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng sóng siêu âm, hàm lượng đường khử tăng lên đáng kể so với mẫu đối chứng. Điều này chứng tỏ rằng, sóng siêu âm không chỉ giúp giải phóng tinh bột mà còn thúc đẩy quá trình đường hóa.

III. Ứng dụng thực tiễn và giá trị nghiên cứu

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc chế biến bột gạo và sản xuất ethanol. Việc ứng dụng sóng siêu âm không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn tăng hiệu suất quy trình. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu sử dụng nguồn nguyên liệu tái tạo ngày càng tăng.

3.1. Giá trị kinh tế và môi trường

Việc tối ưu hóa quy trình dịch hóa bằng sóng siêu âm giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và lượng enzyme cần sử dụng, từ đó giảm chi phí sản xuất. Đồng thời, quy trình này cũng góp phần giảm thiểu tác động môi trường do sử dụng ít hóa chất và năng lượng hơn.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong việc ứng dụng sóng siêu âm trong các quy trình chế biến thực phẩm và sản xuất năng lượng tái tạo. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số và mở rộng quy mô ứng dụng trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Theo quy trình sản xuất truyền thống để sản xuất ethanol theo quy mô công nghiệp từ nông sản thì hạt hay củ cần được nghiền để giải phóng tinh bột, sau đó qua quá trình dịch hóa và đường hóa bằng enzyme. Tuy nhiên, quá trình truyền thống cần sử dụng lượng enzyme cao và thời gian xử lý dài, do đó cho năng suất sản xuất ethanol thấp (Nitayavardhana, S. và cộng sự, 2008). Vì vậy, các yêu cầu đặt ra cho các nhà máy sản xuất ethanol hiện nay là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ và sẵn có, rút ngắn thời gian lên men, giảm chi phí sản xuất, quy trình đơn giản… Từ đó, sóng siêu âm trở thành đối tượng nghiên cứu nhằm đáp ứng các yêu cầu trên.

Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài nghiên cứu này là thử nghiệm sử dụng 1 giải pháp công nghệ mới: xử lý nguyên liệu bột gạo bằng sóng siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân. Nguyên liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu 3. Nguyên liệu Bột gạo sử dụng trong nghiên cứu này được cung cấp bởi nhà máy rượu Bình Tây. Bột có kích thước nhỏ hơn 180 µm.

Thành phần hóa học cơ bản của bột gạo như sau: tinh bột 77. Chế phẩm enzyme α-amylase chịu nhiệt Termamyl 120L có hoạt tính là 120 KNU/g (Kilo Novo Unit). Chế phẩm enzyme glucoamylase có tên thương mại là Dextrozyme GA. Chế phẩm có hoạt tính 270 AGU/g (AmyloGlucosidase Unit).

Một AGU được định nghĩa là lượng enzyme cần thiết để xúc tác thủy phân ra 1 µmol đường maltose trong 1 phút ở điều kiện nồng độ cơ chất 10 mg/mL; nhiệt độ 37oC; pH 5.0; thời gian phản ứng 30 phút. Cả hai chế phẩm đều do hãng Novozymes (Đan Mạch) sản xuất và được cung cấp bởi công ty Nam Giang TP. Các hóa chất phân tích do hãng Merck (Đức) sản xuất. Thiết bị • Thiết bị siêu âm dạng thanh của hãng Sonics Vibra Cell, hiệu VC 750 có các thông số được trình bày trong Bảng 1 Bảng 1: Các thông số của thiết bị siêu âm Thông số Công suất Tối đa 750W Tần số siêu âm 20kHz Đường kính 13mm Thanh siêu âm Chiều dài 136mm Khối lượng 340g 1 • Thiết bị gia nhiệt và khuấy: Gia nhiệt và giữ nhiệt và khuấy trộn hỗn hợp thí nghiệm.

Thiết bị hình trụ kích thước: cao 40cm, đường kích 25cm, có bộ phận gia nhiệt và ổn nhiệt tự động Hình 1 Hình 1: Thiết bị siêu âm, gia nhiệt và khuấy • Thiết bị ly tâm: dùng để ly tâm mẫu thu phần dịch trong, chuẩn bị cho việc xác định hàm lượng TBHT và hàm lượng đường khử. Sử dụng thiết bị của hãng Hettich Zentrifugen, hiệu EBA 21. Tốc độ ly tâm 3500rpm trong thời gian 20 phút 3. Phương pháp đo • Xác định hàm lượng tinh bột hòa tan - Nguyên tắc: Cải tiến phương pháp của FuWa (1954), dựa trên phản ứng tạo màu giữa tinh bột và thuốc thử liugon.

Thuốc thử liugon ban đầu có màu vàng, sẽ cho một dãy màu xanh tím với cường độ màu khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng tinh bột. Cường độ màu của hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với hàm lượng tinh bột còn sót lại sau quá trình thủy phân, hay là tỷ lệ nghịch với hàm lượng tinh bột đã bị thủy phân, xét trong một phạm vi nhất định, được đo bằng máy quang phổ so màu. Từ kết quả độ hấp thu có được, dựa vào công thức để suy ra mức độ thủy phân tinh bột của enzyme. Hợp chất tạo thành có độ hấp thu mạnh nhất trong khoảng bước sóng 600 – 640nm, với khoảng tin cậy của giá trị độ hấp thu là 0,2 – 0,8.

- Cách thực hiện: Sau khi lấy mẫu, ly tâm mẫu với tốc độ ly tâm 3500rpm trong 20 phút rồi lấy mẫu từ phần dịch trong sau khi ly tâm tác dụng với thuốc thử Iod (0,3% Iod trong 3% KI). Đo độ hấp thu DO tại bước sóng 620nm bằng máy quang phổ so màu trong vùng nhìn thấy được GENESYS 20. • Xác định hàm lượng đường khử - Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên phản ứng tạo màu giữa đường khử với thuốc thử 3,5 – dinitrosalicylic acid (thuốc thử DNS). DNS có màu vàng trong dung dịch 2 kiềm sẽ bị khử thành acid 3-amino-5-nitrosalicylic có màu đỏ cam.

Cường độ màu của hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ đường khử trong một phạm vi nhất định, được đo bằng máy quang phổ so màu. Dựa theo đồ thị đường chuẩn của glucose tinh khiết với thuốc thử, ta sẽ tính được hàm lượng đường khử của mẫu nghiên cứu. Hợp chất tạo thành có độ hấp thu mạnh nhất trong khoảng bước sóng 540 – 600nm với khoảng tin cậy của giá trị độ hấp thu là 0,2 – 0,8 (Miller, 1959). - Cách thực hiện: Sau khi lấy mẫu, ly tâm mẫu với tốc độ ly tâm 3500rpm trong 20 phút rồi lấy mẫu từ phần dịch trong cho tác dụng với thuốc thử DNS.

Đo độ hấp thu màu DO ở bước sóng 540nm bằng máy quang phổ so màu trong vùng nhìn thấy được GENESYS 20. Công thức tính toán • Mức độ giảm độ nhớt: ∆ 100% Phương trình 1 • Hiệu quả tăng tinh bột hoà tan: ∆ 100% Phương trình 2 • Công suất siêu âm / Phương trình 3 • Năng lượng sóng siêu âm giải phóng 1g tinh bột hoà tan. Các kết quả đạt được 4. Vấn đề 1: Khảo sát ảnh hưởng của quá trình siêu âm (không có sự tham gia của enzyme) lên quá trình hồ hóa bột gạo • Mục đích của khảo sát này nhằm xác định các quy luật ảnh hưởng của sóng siêu âm lên quá trình nấu bột gạo giải phóng tinh bột trong điều kiện không có sự hỗ trợ của enzyme • Sơ đồ tiến trình thực hiện thí nghiệm Huyền phù bột gạo Gia nhiệt đến nhiệt độ siêu âm Giữ nhiệt Siêu âm Gia nhiệt lên Ủ nhiệt tại 900C Hình 2: Sơ đồ tiến trình thực hiện các thí nghiệm của vấn đề 1 • Thông số cố định: Lượng mẫu thí nghiệm 500g Tổng thời gian hồ hoá – dịch hoá: 60 phút.

• Thông số thay đổi lần lượt: TN1: Nhiệt độ bắt đầu thực hiện quá trình siêu âm: Tại 2 nhiệt độ như hình bên dưới. Điểm 1 là nhiệt độ bắt đầu hồ hóa, điểm 2 là thời điểm đạt đỉnh nhớt 4 Hình 3: Hai điểm nhiệt độ bắt đầu quá trình siêu âm TN2: Tỷ lệ bột: nước (nồng độ bột gạo) thay đổi trong khoảng 15 – 33% TN3: Công suất sóng siêu âm (tính theo đơn vị W/g bột gạo) TN4: Thời gian tác động sóng siêu âm: 1 đến 5 phút • Các thông số cần xác định: Tỷ số thay đổi độ nhớt hỗn hợp hay hàm lượng tinh bột hòa tan giữa các mẫu chịu tác động của sóng siêu âm với mẫu đối chứng (không chịu tác động của sóng siêu âm) trong cùng điều kiện. Xây dựng các đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của các thông số thay đổi trong quá trình siêu âm lên lượng tinh bột hòa tan khi nấu bột gạo nhằm giải phóng tinh bột • Cách tiến hành: Mẫu đối chứng (C): gia nhiệt mẫu lên đến nhiệt độ siêu âm, giữ ở nhiệt độ đó trong khoảng thời gian bằng với thời gian siêu âm (phút). Sau đó gia nhiệt mẫu lên 90oC và giữ nhiệt cho đến khi kết thúc thí nghiệm.

Mẫu siêu âm (U): gia nhiệt mẫu lên đến nhiệt độ siêu âm, siêu âm mẫu với công suất siêu âm (W/g) và thời gian siêu âm (phút) cần khảo sát. Sau đó gia nhiệt mẫu lên 90oC và giữ nhiệt cho đến khi kết thúc thí nghiệm. • Thời điểm lấy mẫu phân tích: Thời điểm lấy mẫu để xác định tinh bột hoà tan và đường khử trong các thí nghiệm hồ hoá – dịch hoá bột gạo được trình bày trong Bảng 2 Bảng 2: Thời điểm lấy mẫu của các thí nghiệm STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Thời điểm lấy mẫu (phút) Trước SA Sau SA 30 35 40 45 50 55 60 4. Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm • Mục đích thí nghiệm: khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tiến hành quá trình siêu âm đến hiệu quả của quá trình hồ hóa bột gạo.

Hiệu quả quá trình hồ hoá được đánh giá thông qua mức độ giảm nhớt của hỗn hợp. 5 • Thông số cố định: Trong loạt thí nghiệm này thời gian siêu âm/giữ nhiệt và công suất siêu âm cố định là 5 phút và 2. • Thông số thay đổi: Hai điểm nhiệt độ bắt đầu thực hiện quá trình siêu âm: Điểm 1 là nhiệt độ bắt đầu hồ hóa, điểm 2 là nhiệt độ khi độ nhớt đạt cực đại • Kết quả và nhận xét 25000 Đỉnh nhớt [Y VALUE] cP 20000 15000 Độ nhớt (cP) 10000 Bắt đầu tăng độ nhớt [Y VALUE] cP 5000 0 65 70 75 80 85 90 95 Nhiệt độ (oC) Hình 4: Biến đổi độ nhớt của huyền phù bột gạo 12% 25 19.58 Mức độ giảm độ nhớt (%) 20 15 10 7.39 5 0 Siêu âm tại nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt Siêu âm tại đỉnh nhớt Hình 5: Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu siêu âm đến mức độ giảm nhớt của huyền phù bột gạo Dựa vào đồ thị biểu diễn độ nhớt của huyền phù bột gạo theo nhiệt độ (Hình 4), nhận thấy độ nhớt của huyền phù bột gạo bắt đầu thay đổi có ý nghĩa thống kê từ 25cP ở 680C lên 47cP ở nhiệt độ 700C. Như vậy, 700C là điểm nhiệt độ bắt đầu tăng độ nhớt.

Tại nhiệt độ khoảng 90oC thì độ nhớt huyền phù cao nhất 22370cP, hơn hẳn so với độ nhớt ở các nhiệt độ lân cận. Do đó nhiệt độ huyền phù bột gạo 12% đạt đỉnh nhớt là 900C. 6 Khi tiến hành siêu âm huyền phù bột gạo ở 700C và 900C trong thời gian 5 phút, công suất 2,5W/g bột gạo thì độ nhớt của hỗn hợp đều giảm so với mẫu đối chứng. Mức độ giảm nhớt của huyền phù bột gạo khi thực hiện quá trình siêu âm mẫu tại “nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt” (700C) nhiều hơn gấp đôi so với sóng siêu âm tác động vào hỗn hợp đã đạt đến đỉnh nhớt (900C).

• Kết luận Khi xử lý siêu âm tinh bột không enzyme thì tại nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt (700C) sẽ cho hiệu quả cao nhất. Do đó, nhiệt độ này sẽ được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo. Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo • Mục đích thí nghiệm: khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo đến hiệu quả của quá trình hồ hóa bột gạo. Hiệu quả quá trình hồ hoá được đánh giá thông qua mức độ tăng hàm lượng tinh bột hoà tan trong hỗn hợp sau 1 giờ hồ hoá.