Nghiên cứu điều kiện sinh tổng hợp enzyme aspergillius niger và ứng dụng trong xử lý hạt cacao

Nghiên cứu điều kiện sinh tổng hợp enzyme Aspergillus niger và ứng dụng hiệu quả trong xử lý hạt cacao, nâng cao chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Nguyễn Thị Cẩm Nhung
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Duy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Kiện Sinh Tổng Hợp Enzyme Pectinase Từ Nấm Mốc Aspergillus Niger Và Ứng Dụng Trong Xử Lý Hạt Cacao
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
• PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
• PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA THÀNH VIÊN HỘI ĐỒNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN
• 1. CHƯƠNG 1: Lý do chọn đề tài
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2. Tổng quan về cacao
• 1.2.1. Nguồn gốc cây cacao
• 1.2.2. Đặc điểm của cây cacao
• 1.2.3. Cấu tạo của quả cacao
• 1.2.4. Thành phần hóa học của hạt cacao
• 1.2.5. Tình hình ngành cacao tại Việt Nam
• 1.2.6. Phân loại và cơ chế phản ứng
• 1.2.7. Nấm mốc Aspergillus niger
• 1.2.7.1. Đặc điểm sinh thái
• 1.2.7.2. Đặc điểm sinh lý
• 1.2.7.3. Độc tố nấm mốc
• 1.2.8. Quá trình lên men tạo enzyme từ vi sinh vật
• 1.2.8.1. Lựa chọn giống vi sinh vật
• 1.2.8.2. Quá trình giữ giống và lên men
• 1.2.8.3. Quá trình thu enzyme thô
• 1.2.8.4. Xác định hoạt độ enzyme
• 1.2.8.5. Quá trình xử lý hạt cacao
• 1.3. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Giống vi sinh vật
• 1.3.2. Môi trường sử dụng trong nghiên cứu
• 1.3.3. Thiết bị và dụng cụ sử dụng
• 1.3.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3.4.1. Phương pháp vi sinh
• 1.3.4.2. Phương pháp hóa sinh
• 1.3.4.3. Phương pháp hóa lý
• 1.3.4.4. Phương pháp xử lý số liệu
• 1.3.5. Cách bố trí thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Nghiên cứu các điều kiện sinh tổng hợp enzyme pectinase
• 4.1.1. Ảnh hưởng của mật độ tế bào đến sinh tổng hợp enzyme pectinase
• 4.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng cơ chất pectin đến sinh tổng hợp enzyme pectinase
• 4.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hòa tan đến sinh tổng hợp enzyme pectinase
• 4.1.4. Ảnh hưởng của pH đến sinh tổng hợp enzyme pectinase
• 4.1.5. Ảnh hưởng của thời gian lên men đến sinh tổng hợp enzyme pectinase
• 4.2. Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm enzyme pectinase để xử lý hạt cacao trong quá trình lên men
• 4.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme đến khả năng trích ly chất hòa tan
• 4.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên men
• 4.2.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian lên men
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger

Enzyme pectinase là một trong những enzyme quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong quá trình xử lý hạt cacao. Nấm Aspergillus niger được biết đến là nguồn cung cấp enzyme pectinase hiệu quả. Enzyme này có khả năng phân hủy pectin, một polysaccharide có trong thành tế bào thực vật, giúp tăng cường khả năng trích ly chất hòa tan từ hạt cacao. Việc nghiên cứu enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm cacao mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong ngành thực phẩm.

1.1. Đặc điểm của enzyme pectinase và vai trò trong thực phẩm

Enzyme pectinase có khả năng phân hủy pectin thành các phân tử đơn giản hơn, giúp cải thiện độ trong suốt và hương vị của sản phẩm thực phẩm. Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất nước trái cây, rượu vang và chocolate.

1.2. Nấm Aspergillus niger Nguồn gốc và ứng dụng

Nấm Aspergillus niger là một trong những chủng nấm phổ biến nhất được sử dụng trong sản xuất enzyme. Chúng có khả năng sinh trưởng nhanh và sản xuất enzyme pectinase với hoạt tính cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho ngành công nghiệp thực phẩm.

II. Thách thức trong xử lý hạt cacao và vai trò của enzyme pectinase

Xử lý hạt cacao là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự chú ý đến nhiều yếu tố như thời gian lên men, nhiệt độ và độ pH. Việc sử dụng enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger có thể giúp cải thiện hiệu suất trích ly chất hòa tan, từ đó nâng cao chất lượng hạt cacao. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để tối ưu hóa quy trình này.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men hạt cacao

Thời gian lên men, nhiệt độ và độ pH là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hạt cacao. Việc kiểm soát các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo quá trình lên men diễn ra hiệu quả.

2.2. Tác động của enzyme pectinase đến chất lượng hạt cacao

Enzyme pectinase giúp phân hủy pectin, từ đó làm tăng khả năng trích ly chất hòa tan trong hạt cacao. Điều này không chỉ cải thiện hương vị mà còn nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm cuối cùng.

III. Phương pháp nghiên cứu enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger

Nghiên cứu điều kiện sinh tổng hợp enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger bao gồm việc xác định các yếu tố như mật độ tế bào, nồng độ cơ chất pectin, và thời gian lên men. Các phương pháp vi sinh và hóa sinh được áp dụng để theo dõi hoạt tính enzyme trong quá trình nghiên cứu.

3.1. Thiết lập điều kiện nuôi cấy nấm Aspergillus niger

Điều kiện nuôi cấy nấm bao gồm môi trường malt lỏng với nồng độ pectin thích hợp. Việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp tăng cường hoạt tính của enzyme pectinase.

3.2. Phương pháp xác định hoạt tính enzyme pectinase

Hoạt tính enzyme pectinase được xác định thông qua các phương pháp hóa sinh, cho phép đánh giá hiệu quả của quá trình sinh tổng hợp enzyme từ nấm Aspergillus niger.

IV. Ứng dụng enzyme pectinase trong xử lý hạt cacao

Enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger được ứng dụng trong quá trình lên men hạt cacao nhằm tăng cường khả năng trích ly chất hòa tan. Kết quả nghiên cứu cho thấy enzyme này có thể cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm cuối cùng, từ đó nâng cao giá trị thương phẩm của hạt cacao.

4.1. Kết quả nghiên cứu ứng dụng enzyme trong lên men hạt cacao

Nghiên cứu cho thấy enzyme pectinase có thể tăng hàm lượng chất hòa tan trong hạt cacao lên đến 3,77 ± 0,16oBrix khi sử dụng tỷ lệ enzyme 4% trong quá trình lên men.

4.2. Tác động của enzyme đến chất lượng chocolate

Việc sử dụng enzyme pectinase không chỉ cải thiện chất lượng hạt cacao mà còn ảnh hưởng tích cực đến hương vị và độ mịn của chocolate, từ đó nâng cao trải nghiệm của người tiêu dùng.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu enzyme pectinase

Nghiên cứu về enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger đã mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong sản xuất cacao. Kết quả cho thấy enzyme này có thể cải thiện đáng kể chất lượng hạt cacao và chocolate. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa.

5.1. Tương lai của enzyme pectinase trong ngành thực phẩm

Với những lợi ích mà enzyme pectinase mang lại, nghiên cứu và ứng dụng enzyme này trong ngành thực phẩm sẽ tiếp tục được mở rộng, đặc biệt là trong sản xuất cacao và chocolate.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các điều kiện tối ưu để sản xuất enzyme pectinase từ nấm Aspergillus niger, nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài Cây cacao được du nhập vào Việt Nam từ thế kỷ XIX, bởi những người truyền giáo và doanh nhân nước Pháp. Nhưng loại cây này lúc bấy giờ không được quan tâm nhiều cho đến tận đầu những năm 2000, khi được giới thiệu trở lại với nông dân Việt Nam qua chương trình về cacao do Đại học Nông Lâm phối hợp với Tổ chức Cacao Quốc tế thực hiện. Trải qua nhiều khó khăn trong quá trình phát triển, cacao Việt Nam cũng nhận được sự công nhận của quốc tế sau khi giành được giải thưởng “Cacao Quốc Tế” năm 2013.

Và chỉ hai năm sau đó cacao Việt Nam được tổ chức Cacao Quốc Tế xếp vào loại “Cacao hảo hạng hoặc có hương vị” nhờ chính hương vị độc đáo của nó. Với những đặc điểm riêng biệt, cacao Việt Nam đã nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà đầu tư trong nước và các tổ chức nước ngoài và được các doanh nghiệp trong ngành đặt niềm tin vào tiềm năng của cacao Việt Nam. Bên cạnh những thuận lợi và tiềm năng phát triển, ngành cacao Việt Nam cũng gặp không ít khó khăn và bất lợi (Tùng Đinh, 2020; ThS. Bùi Thanh Giang, 2020).

Một trong những đặc điểm quan trọng và có ảnh hưởng to lớn đến ngành sản xuất cacao đó chính là lên men hạt cacao sau khi thu hoạch. Quá trình lên men hạt cacao, làm khô và lưu trữ hạt có mức ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng hạt cacao. Quá trình lên men hạt cacao có thể nói là bước làm cực kỳ quan trọng, quyết định đến chất lượng cacao thương phẩm cuối cùng. Thời gian lên men hạt cacao thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc di truyền của hạt cacao, khí hậu, khối lượng và phương pháp được áp dụng.

Thời gian lên men theo phương pháp truyền thống thường sẽ từ 1,5 đến 10 ngày. Đối với Criollo được lên men trong thời gian tương đối ngắn từ 2–3 ngày, trong khi Forastero mất 5–7 ngày (Nair K. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hạt cacao thành phẩm đó là giống cacao; kỹ thuật canh tác và đặc biệt là kỹ thuật sơ chế hạt cacao (quá trình lên men và làm khô hạt) phải đảm bảo đạt yêu cầu. Áp dụng đúng kỹ thuật lên men là việc cực kỳ quan trọng để có được hạt cacao chất lượng cao và mang lại nhiều giá trị dinh dưỡng hơn cho người tiêu dùng.

Sau khi tìm hiểu, chúng tôi nhận được sự cấp thiết của vấn đề này vì vậy mà chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu sản xuất enzyme từ vi sinh vật và ứng dụng trên hạt cacao”. Với mục đích hiện thực hóa quá trình sinh tổng hợp enzyme pectinase từ chủng nấm mốc Aspergillus niger và ứng dụng chế phẩm này vào quá trình lên men hạt cacao để tăng hiệu suất trích ly hàm lượng các chất hòa tan trong hạt cacao, giúp cho thành phẩm cuối cùng sẽ giữ được hàm lượng chất dinh dưỡng cao nhất. Mục tiêu của đề tài Khảo sát quá trình sinh tổng hợp của enzyme pectinase → Tìm ra các điều kiện thích hợp trong quá trình sản xuất enzyme pectinase từ nấm mốc Aspergillus niger. Khảo sát quá trình xử lý chế phẩm enzyme trong quá trình lên men cacao → Tìm ra các điều kiện thích hợp để trích ly hàm lượng chất tan đạt cao nhất.

Tổng quan về cacao 2. Nguồn gốc cây cacao Các nhà thực vật học cho rằng cacao có nguồn gốc từ đầu nguồn sông Amazon, châu Mỹ, chúng được phát triển và lan rộng theo hai hướng chính đó là: Criollo và Forastero (Pires, J. Criollo được phân bố rộng rãi từ phía Bắc đến sông Orinoco, du nhập vào Trung Mỹ và phía Nam Mexico, đặc điểm là quả lớn với bề mặt nhăn nheo, có màu đỏ hoặc xanh lá cây. Ngoài ra, hạt của nó lớn, bên trong có màu trắng hoặc tím nhạt, đó là loại cacao được người da đỏ Aztec và Maya trồng (Pahlevi A.

de Souza, và cộng sự, 2018). Forastero thì được lan rộng qua lưu vực sông Amazon đến Guianas. Đó là cacao Brazil, hạt có sắc tố đậm, bên trong có màu tím sẫm hoặc hơi đen, khi chưa trưởng thành quả có màu xanh và khi chín quả có màu vàng, hình giống quả trứng, bề mặt nhẵn, ít có vết nhăn (Beckett, J. Cacao có tên khoa học là Theobroma cacao – “Food of the Gods”, có nghĩa là “thức ăn của các vị thần” (Lippi, D., 2015), được biết đến trên toàn thế giới vì đây là nguyên liệu thô để sản xuất chocolate, thuộc lớp Magnoliopsida, bộ Malvales, họ Malvaceae, chi Theobroma và loài Cacao (Argout, X., và cộng sự, 2001; Ceplac, 2001; Alexandre, R.S, và cộng sự, 2015; TS.

Nguyễn Tiến Lực, 2019). Hình ảnh cây cacao 3 Theo Batalha (2009), cây cacao phát triển trong điều kiện khí hậu nóng ẩm. Việc trồng trọt cacao phân bố rộng rãi từ Venezuela, Colombia, Trung Mỹ và Mexico. Khi phân tán dọc theo sông Amazon, nó cũng được du nhập vào Guianas.

Tuy nhiên, khoảng 70% sản lượng cacao trên thế giới đến từ Tây Phi, chủ yếu từ vùng Ivory Coast (bờ biển Ngà) (40%), Ghana (20%), Nigeria (5%) và Cameroon (5%) (Leite, P. Phân loại Hiện nay, có ba giống cây cacao chính được sử dụng để sản xuất chocolate đó là: Criollo, Forastero, và Trinitario. Giống Criollo là loại cacao được người Mayas sử dụng, để sản xuất chocolate được đánh giá rất cao và quý hiếm, ít đắng, hương vị thơm ngon hơn các loại cacao khác (Rusconi, M. Giống Forastero, thường tạo ra hạt cacao kém chất lượng hơn, nhưng trên thực tế khoảng 80% sản lượng chocolate trên thế giới được sản xuất từ loại cacao này.

Trinitario là một giống cây lai giữa hai loài Criollo và Forastero, chúng có hương vị thơm ngon và được đánh giá là một loại cacao chất lượng cao. Criollo: Giống cây này có nguồn từ nền văn minh Maya cổ đại và được Christopher Columbus phát hiện trên đảo Guanaja vào năm 1502. Tuy nhiên, có nhiều người cho rằng chúng bắt nguồn từ Venezuela hoặc Trung Mỹ, nhiều khả năng chúng cũng có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazon giống như các loài cacao khác (Nair K. Khi chín, vỏ quả có màu đỏ hoặc vàng, bề mặt quả hiện các nếp nhăn rõ rệt, thành vỏ mỏng, là giống quả cho nhiều hạt, kích thước to và tròn, các lá mầm có màu trắng hoặc tím nhạt.

Thời gian lên men nhanh hơn so với các loại khác nhưng cho năng suất không cao. Đây là loại cacao được đánh giá là có hương vị tốt nhất. Tuy nhiên, chúng có khả năng chống sâu bệnh thấp nên chúng ít được trồng phổ biến trên khắp thế giới (Nair K. Forastero: Chúng có nguồn gốc từ vùng Bahia của Brazil, hiện nay cũng được trồng ở Châu Phi và Đông Nam Á.

Forastero được trồng rất phổ biến vì khả năng kháng sâu bệnh tốt và cho năng suất cao, chiếm khoảng 80% sản lượng cacao trên thế giới. Khi chưa chín vỏ có màu xanh lá cây, chuyển sang màu vàng khi chín, có rãnh và nếp nhăn trên bề mặt không rõ ràng, đầu tròn hoặc nhọn, thành vỏ dày, hạt dẹt, lá mầm tươi có sắc tố đậm và màu tím sẫm. Mặc dù, đây là giống cacao có sản lượng cao nhưng không được đánh giá cacao như Criollo, vì chúng cho ra loại hạt có ít mùi vị và được cho là kém chất lượng (Nair K. 4 Trinitario: Chúng có nguồn gốc ở Trinidad, là sự kết hợp gen di truyền của Criollos và Forasteros.

Chúng không có đặc điểm đồng nhất mà thể hiện một loạt các đặc điểm hình thái và sinh lý, rất khó để xác định các điểm đặc trưng của loài Trinitarios. Chúng có sức chống chịu sâu bệnh khá tốt, năng suất trung bình và hạt có hương vị thơm ngon. Đây là giống cây được đánh giá cho ra loại hạt có chất lượng cao, khởi đầu cho việc sản xuất chocolate chất lượng cao (Nair K. Phân loại quả cacao (1) Criollo; (2) Forastero; (3) Trinitario 2.

Đặc điểm của cây cacao Theo số liệu của Ceplac (2001), cây cacao có thể được mô tả như sau: Chiều cao: Chúng có thể đạt đến chiều cao từ 5–8 m. Trong điều kiện rừng chúng có thể cao tới 20 m, do cạnh tranh ánh sáng với các loài khác. Thân cây: Mọc thẳng, đến 2 tuổi thì noãn hoàng ngừng sinh trưởng với chiều cao từ 1,0–1,5 m. Sau đó, những ngọn đầu tiên xuất hiện, bao gồm 3–5 nhánh chính, nhân lên ở các nhánh bên và nhánh phụ khác.

Trong những năm đầu tiên, cây cacao có vỏ thân nhẵn, càng về sau thì trở nên gồ ghề hơn do sự phát triển của đệm hoa. Lá cây: Thuôn dài, đầu nhọn, có gân chính giữa nổi rõ. Khi mới, tùy thuộc vào dòng vô tính hoặc giống cây trồng, chúng có màu sắc từ xanh lá cây đến tím, tùy thuộc vào lượng anthocyanin có trong lá. Hoa: Xuất hiện ở các đệm hoa trên thân hoặc cành gỗ, từ các chồi phát triển ở nách các lá già.

Hoa lưỡng tính và có cấu tạo gồm: năm lá đài, năm cánh hoa, năm nhị và một nhụy. Hoa cacao có đặc điểm cấu tạo hạn chế về sự thụ phấn nên chúng thụ phấn nhờ côn trùng. Tác nhân thụ phấn chính của cacao là một nhóm nhỏ côn trùng thuộc họ Ceratopogonidae, chi Forcipomya. Hàng năm, một cây cacao trưởng thành có thể cho hơn 5 100.000 bông hoa nhưng chỉ có khoảng 0,1% biến thành quả.

Những bông hoa chưa thụ phấn sẽ rụng trong 48 giờ. Những bông hoa được thụ phấn và thụ tinh vẫn được cố định trên cuống và phát triển thành quả. Quả: Khi chưa trưởng thành quả có màu xanh, khi chín có màu vàng. Một số loại khác có màu tím (đỏ rượu) trong giai đoạn phát triển và chuyển sang màu cam trong giai đoạn chín.

Thời gian từ khi thụ phấn đến khi quả chín dao động từ 140 đến 205 ngày, trung bình là 167 ngày. Hạt cacao: Hình dạng thay đổi từ hình elip đến hình trứng với chiều dài 2–3 cm. Hạt được bao phủ bởi lớp cơm nhầy màu trắng có vị ngọt ngọt chua chua. Mỗi quả dao động từ 30–60 hạt.

Phôi có hai lá mầm màu trắng hoặc tím. Hạt cacao rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và chúng sẽ chết trong thời gian ngắn khi bị mất nước (Pahlevi A. de Souza, và cộng sự, 2018). Cấu tạo của quả cacao Hình 2.

Cấu tạo của quả cacao Exocarp Lớp vỏ ngoài cacao là lớp vỏ dày bên ngoài của quả, có bề mặt gồ ghề để bảo vệ toàn bộ quả. Mesocarp Lớp cứng và dày này nằm bên dưới exocarp. Endocarp Lớp bên trong nằm sau mesocarp và là lớp cuối cùng của “lớp vỏ” bao quanh hạt cacao và cùi. 6 Pulp Một lớp cùi trắng hay gọi là lớp cơm nhầy bao bọc xung quanh hạt được loại bỏ trong quá trình lên men.