MỞ ĐẦU Hiện nay, cà phê Việt Nam có diện tích gieo trồngđạt 653.000 ha (2014), sản lƣợng đạt 1,74 triệu tấn (mùa vụ 2013/14) và có xu hƣớng tăng nhẹ trong mùa vụ 2014/15, đứng thứ hai thế giới về lƣợng xuất khẩu, nhƣng chủ yếu vẫn là cà phê vối ở dạng nguyên liệu, chƣa qua chế biế n sâu. Vì vậy, Việt Nam không chỉ thiệt hại về giá trị, còn chịu nhiều thiệt thòi do chƣa xây dựng đƣợc thƣơng hiệu đối với ngƣời tiêu dùng thế giới, cũng nhƣ không cạnh tranh đƣợc với các sản phẩm nhập khẩu. Theo Tổ chức cà phê quốc tế (ICO), trong những năm tới, lƣợng tiêu thụ cà phê hoà tan sẽ tăng nhanh ở các nƣớc phát triển. Nhu cầu đối với các loại cà phê chất lƣợng cao tăng lên khuyến khích các nƣớc sản xuất nhƣ Việt Nam cần điều chỉnh lại cơ cấu sản xuất các loại cà phê.
Trong nƣớc hiện nay, công nghệ lên men cà phê (chế biến cà phê bằng phƣơng pháp ƣớt) đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhằm nâng cao khả năng khai thác các thành phần hòa tan của hạt cà phê, nhằm cải thiện hƣơng vị cà phê. Các nghiên cứu đều cho thấy quá trình lên men cà phê là do hoạt động của các loại nấm sợi, vi khuẩn, nấm men và enzim của chúng, phân giải pectin để loại bỏ lớp vỏ nhớt khỏi hạt cà phê. Trong đó, nấm men có ƣu điểm trong sản xuất của pectinase, vì chúng là sinh vật đơn bào, sinh trƣởng tƣơng đối đơn giản và môi trƣờng phát triển không đòi hỏi chất cảm ứng và dễ nuôi cấy ở quy mô lớn. Ngoài ra, việc nhân bản gen và xử lý gen có thể cải thiện sản xuất enzim, điều đó cho thấy rằng sản xuất enzim thƣơng mại bằng nấm men có thể khả thi.
Xuất phát từ đó, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Khảo sát điều kiện sinh tổng hợp pectinase của Hanseniaspora uvarum và ứng dụng trong lên men cà phê” Nội dung của đề tài: 1. Nuôi cấy chủng Hanseniaspora uvarum trên những môi trƣờng nuôi cấy khác nhau, khảo sát nồng độ chất cảm ứng và thời gian nuôi cấy tối ƣu cho việc sinh tổng hợp pectinase cao nhất. Khảo sát các điều kiện môi trƣờng nuôi cấy khác (nguồn carbon, nguồn nitơ) ảnh hƣởng đến sinh tổng hợp pectinase. Khảo sát khả năng xử lý lớp nhớt trên hạt cà phê của enzim tổng hợp từ chủng Hanseniaspora uvarum (về tỉ lệ enzim, thời gian).
Khảo sát hiệu suất trích chất hòa tan của cà phê đƣợc lên men (về tỉ lệ enzim, thời gian). Kiểm tra mức độ an toàn của cà phê đƣợc lên men về chỉ tiêu vi sinh, chỉ tiêu độc tố nấm mốc. Những đóng góp của đề tài nếu thành công: 1. Chứng minh đƣợc Hanseniaspora uvarum có khả năng sinh tổng hợp pectinase và có khả năng ứng dụng trong lên men cà phê.
Tìm thấy đƣợc điều kiện tối ƣu cho H. uvarum sinh tổng hợp pectinase có hoạt độ cao nhất. Xây dựng đƣợc quy trình lên men cà phê sử dụng chế phẩm enzim từ H. uvarum cho chất lƣợng cà phê tối ƣu.
Từ các kết quả đạt đƣợc ở quy mô phòng thí nghiệm có thể cho thấy tiềm năng khi nghiên cứu ở quy mô lớn hơn. 2 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về cà phê 1.1 Giới thiệu Cà phê thuộc họ Rubiaceae, chi Coffea, có nguồn gốc từ vùng cao nguyên Ethiopia và các khu vực lân cận vùng cao nguyên của Sudan và Kenya (Charrier và Berthaud, 1985). Cà phê đầu tiên đƣợc trồng bởi ngƣời Ả Rập vào thế kỷ 14, sau đó đƣợc giới thiệu đến vùng nhiệt đới vào thế kỷ 17 (Smith, 1985).
Hiện nay cà phê chủ yếu đƣợc trồng ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới và đƣợc tiêu thụ trên toàn thế giới. Một số khu vực đƣợc biết đến về sản xuất cà phê chất lƣợng cao, nhƣ vùng xích đạo ở châu Phi, Java, Sumatra và các đảo khác của Đông Ấn, Tây Ấn, Ấn Độ, Arabia, các đảo Thái Bình Dƣơng, Mexico, Trung và Nam Mỹ (Anzueto và cộng sự, 2005).2 Tình hình sản xuất, tiêu thụ Theo Tổ chức cà phê quốc tế (ICO), trong những năm tới, tiêu thụ cà phê thế giới sẽ đạt mức tăng trƣởng bình quân 1,3- 1,5%/năm. Theo đó, đến năm 2015, lƣợng cà phê tiêu thụ trên toàn cầu đạt 145 triệu bao. Lƣợng tiêu thụ cà phê hòa tan sẽ tăng nhanh ở các nƣớc phát triển.
Nhu cầu đối với các loại cà phê chất lƣợng cao tăng lên sẽ khuyến khích các nƣớc sản xuất điều chính lại cơ cấu sản xuất các loại cà phê, phát triển cà phê hữu cơ. Dự báo khả năng tiêu thụ cà phê thế giới đến năm 2015 Năm 2010(*) 2015(*) Tăng bình quân 2010-2015 (%) Thế giới 130,73 145,00 2,10 Các nƣớc sản xuất 33,54 33,82 0,50 Các nƣớc nhập khẩu 97,19 102,88 1,40 (*) Đơn vị triệu bao Việt Nam là thành viên quan trọng của Tổ chức Cà phê thế giới (ICO). Cà phê của Việt Nam hiện đƣợc xuất khẩu sang thị trƣờng của hơn 70 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới. Đức, Hoa Kỳ, Bỉ, Tây Ban Nha, Italia, Nhật Bản là các thị trƣờng chính của xuất khẩu cà phê Việt Nam.
Theo báo cáo hàng tháng của Trung tâm Tin học và Thống kê trực thuộc Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn cho biết xuất khẩu cà phê tháng 4/2015 ƣớc đạt 112.000 tấn, 3 do an với giá trị kim ngạch đạt 229 triệu USD, đƣa khối lƣợng xuất khẩu cà phê 4 tháng đầu năm 2015 ƣớc đạt 466.000 tấn và trị giá 970 triệu USD, giảm 41% về khối lƣợng và giảm 39,3% về giá trị so với xuất khẩu 4 tháng đầu năm 2014.Giá cà phê xuất khẩu bình quân 3 tháng đầu năm 2015 đạt 2.091 USD/tấn, tăng 6,64 % so với năm 2014. Đức và Hoa Kỳ tiếp tục là hai thị trƣờng tiêu thụ cà phê lớn nhất của Việt Nam trong 3 tháng đầu năm 2015 với thị phần lần lƣợt là 18,16% và 12,54%.3 Phân loài cà phê Vị trí phân loại thực vật của cà phê và một số loài chính thuộc chi Coffea(Farah và Ferreira dos Santos, 2015) Giới: Thực vật Phân giới: Angiospermae Lớp: Dicotyledoneae Phân lớp: Sympetalae hay Metachlamydeæ Bộ: Rubiales Họ: Rubiaceae Chi: Coffea Chi phụ: Eucoffea Các loài: Coffea arabica; Coffea canephora; Coffea liberica; Coffea eugenioides; Coffea congensis; Coffea salvatrix; Coffea racemosa; Coffea zanguebariae; Coffea pseudozanguebariae; Coffea mongensis; Coffea humilis; Coffea kapakata; Coffea betrandi; Coffea perrieri; Coffea pervilleana Cho tới nay, ngƣời ta đã xác định đƣợc có gần 100 loại khác nhau trong chi Coffea nhƣng chỉ một số ít có giá trị kinh tế, đƣợc sản xuất công nghiệp chủ yếu là 3 loài: Coffea arabica L. Loài thứ ba là C. Coffea arabica (Cà phê arabica) – cà phê chè: có chất lƣợng cao nhất, thơm ngon nổi tiếng, hƣơng vị dịu, hàm lƣợng caffeine trên dƣới 1,2%.
Hiện cà phê chè chiếm khoảng 70% tổng diện tích và khoảng 75% tổng sản lƣợng buôn bán hàng năm trên thế giới. Coffea canephora (Cà phê robusta) – cà phê vối: Năng suất lớn hơn cà phê arabica. Cà phê vối chứa hàm lƣợng caffeine cao hơn và có hƣơng vị kém hơn cà phê chè. Cà phê 4 do an vối chiếm khoảng 25% diện tích và tổng sản lƣợng cà phê trên thế giới, giá bán cà phê vối cũng thấp hơn cà phê chè.Cà phê robusta thƣờng đƣợc sử dụng làm cà phê hòa tan.
Coffea liberica (Cà phê excelsa) – cà phê mít: ít hƣơng thơm, có vị chua, chất lƣợng ít đƣợc ƣa chuộng, hàm lƣợng caffeine khoảng 1%. Do chất lƣợng kém nên ít có giá trị thƣơng mại.4 Thành phần, cấu tạo Hình 1.Mặt cắt dọc của quả cà phê (Avallone và cộng sự, 2000) Quả cà phê là một loại quả hạch, gồm vỏ quả bên ngoài (exocarp), vỏ thịt mềm màu vàng (outer mesocarp), vỏ trấu màu xanh xám (endocarp) và trong cùng là nhân (Purseglove, 1974). Nằm giữa vỏ trấu và nhân còn có một lớp vỏ mỏng gọi là vỏ lụa, có màu trắng bạc và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến. Loại bỏ vỏ quả và vỏ thịt bên ngoài để lại một lớp nhầy mỏng, còn đƣợc gọi là lớp nhớt (inner mesocarp).
Lớp nhớt phải đƣợc loại bỏ để tạo điều kiện cho việc phơi khô và bóc vỏ. Thành phần của lớp nhớt (Nigam, 2014) STT Thành phần Arabica (%) Robusta (%) 1. Đƣờng không khử 20,0 - 4. Cellulose và tro 17,0 - Một số tác giả đã báo cáo về sự có mặt của pectin trong lớp nhớt cà phê (Coleman và cộng sự, 1955; Sudhakara Rao, 1975); hơn nữa, mức độ methyl hóa của pectin lớp nhớt là rất thấp (Garcia và cộng sự, 1991).
Lớp nhớt có tổ chức tế bào thông thƣờng với thành tế bào mỏng xây dựng từ cellulose, các hợp chất pectic và các polysaccharide khác 5 do an (Avallone và cộng sự, 2000).Độ pH của lớp nhớt tùy theo độ chín của quả thƣờng từ: 5,6 – 5,7 đôi lúc lên tới 6,4. Thành phần hóa học của cà phê tƣơi (Mussatto và cộng sự, 2011) STT Thành phần Arabica(*) Robusta(*) Bao gồm 1. Carbohydrate hòa tan: 9 – 12,5 6 – 11,5 Monosaccharide 0,2 – 0,5 0,2 – 0,5 Fructose, glucose, galactose, arabinose (vết) Oligosaccharide 6–9 3–7 Sucrose (>90%), raffinose (0– 0,9%), stachyose (0–0,13%) Polysaccharide 3–4 3–4 Polymer của galactose (55–65%), mannose (10–20%), arabinose (20–35%), glucose (0–2%) 2. Polysaccharide không 46 – 53 34 – 44 hòa tan: Hemicellulose 5 – 10 3–4 Polymer của galactose (65–75%), arabinose (25–30%), mannose (0– 10%) Cellulose, β (1-4) 41 – 43 32 – 40 mannan 3.
Axit và phenol: Axit dễ bay hơi 0,1 0,1 Axit béo khó bay hơi 2 – 2,9 1,3 – 2,2 Citric axit, malic axit, quinic axit Axit chlorogenic 6,7 – 9,2 7,1 – 12,1 Mono-, dicaffeoyl-, and feruloylquinic axit Lignin 1–3 1–3 4. Lipid: 15 – 18 8 – 12 Sáp 0,2 – 0,3 0,2 – 0,3 Dầu 7,7 – 17,7 7,7 – 17,7 Axit béo chủ yếu: 16:0 và 18:2 (9, 12) 5. Hợp chất chứa N: 11 – 15 11 – 15 Amino axit tự do 0,2 – 0,8 0,2 – 0,8 Amino axit chính: Glu, Asp, Asp- NH2 Protein 8,5 – 12 8,5 – 12 Caffeine 0,8 – 1,4 1,7 – 4,0 Vết của theobromine và theophylline Trigonelline 0,6 – 1,2 0,3 – 0,9 6. Chất khoáng 3 – 5,4 3 – 5,4 (*) % dựa trên trọng lƣợng khô 6 do an 1.5 Công nghệ chế biến cà phê nhân Quá trình chế biến cà phê là rất quan trọng, cần phải bắt đầu ngay khi cà phê đƣợc thu hoạch, nhằm tránh sự lên men không mong muốn, cũng nhƣ giảm nguy cơ nhiễm nấm mốc.
Cà phê đƣợc xử lý bằng hai phƣơng pháp khô hoặc ƣớt: - Phƣơng pháp chế biến khô: Phƣơng pháp này thƣờng áp dụng cho những vùng có khí hậu nhiều nắng, mƣa ít.