Tổng quan nghiên cứu

Khoai lang tím (Ipomoea batatas) là một loại nông sản quan trọng, đứng thứ bảy trên thế giới về sản lượng, được trồng phổ biến tại các vùng nhiệt đới, trong đó có Việt Nam. Năm 2015, huyện Bình Tân (Vĩnh Long) có diện tích trồng khoai lang tím trên 8.000 ha với sản lượng khoảng 250.000 tấn. Khoai lang tím không chỉ giàu tinh bột mà còn chứa hàm lượng anthocyanin cao, một hợp chất có tác dụng chống oxy hóa và nhiều lợi ích sức khỏe. Do đó, việc nghiên cứu quy trình lên men rượu từ khoai lang tím nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào, giá thành thấp và tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế cao là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát và thiết lập quy trình lên men rượu từ bột khoai lang tím bằng phương pháp kết hợp đồng thời quá trình dịch hóa và lên men (SSF), sử dụng hai chế phẩm enzyme Termamyl SC (α-amylase chịu nhiệt) và Dextrozyme GA (glucoamylase), cùng với men Saccharomyces cerevisiae thương mại Angel Leaven. Nghiên cứu tập trung xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men như nồng độ enzyme, nhiệt độ, pH, thời gian và nồng độ chất khô hòa tan, nhằm tối ưu hóa hàm lượng ethanol và giữ nguyên hàm lượng anthocyanin trong sản phẩm rượu.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Vi sinh và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, trong khoảng thời gian từ tháng 2/2017 đến tháng 12/2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất rượu từ nguyên liệu nông sản giàu tinh bột, góp phần nâng cao giá trị sử dụng khoai lang tím và thúc đẩy ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết enzym thủy phân tinh bột: α-amylase (Termamyl SC) xúc tác phân cắt liên kết α-1,4 glucosid trong tinh bột thành dextrin ngắn, maltose và maltotriose; glucoamylase (Dextrozyme GA) thủy phân liên kết α-1,4 và α-1,6 glucosid, tạo glucose đơn phân để men lên men sử dụng.

  • Mô hình lên men rượu yếm khí: Men Saccharomyces cerevisiae chuyển hóa glucose thành ethanol và CO₂ với hiệu suất lên đến 90%, chịu được pH thấp, nồng độ ethanol cao và ít tạo sản phẩm phụ.

  • Khái niệm lên men đồng thời (Simultaneous Saccharification and Fermentation - SSF): Kết hợp quá trình dịch hóa tinh bột và lên men trong cùng một giai đoạn, giúp giảm áp lực nồng độ cơ chất cao lên men, rút ngắn thời gian lên men và tăng hiệu suất chuyển hóa.

  • Các khái niệm chính: nồng độ enzyme, pH môi trường, nhiệt độ thủy phân, nồng độ chất khô hòa tan (°Bx), hàm lượng ethanol (% v/v), hàm lượng anthocyanin (mg/100 ml).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu khoai lang tím được thu mua tại Sa Đéc, Đồng Tháp, thu hoạch sau 4 tháng trồng, xử lý thành bột khô với độ ẩm dưới 6%. Hai chế phẩm enzyme Termamyl SC và Dextrozyme GA của Novozymes được sử dụng. Men Saccharomyces cerevisiae thương mại Angel Leaven được dùng cho quá trình lên men.

  • Phương pháp phân tích: Xác định độ ẩm, hàm lượng tinh bột, đường khử, anthocyanin trong nguyên liệu và sản phẩm. Đo nồng độ ethanol bằng phương pháp quang phổ so màu. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ enzyme (0,3 ml/kg cho Termamyl SC, 1 ml/kg cho Dextrozyme GA), nhiệt độ (90°C cho dịch hóa), pH (6 cho dịch hóa, 5 cho lên men), thời gian và nồng độ chất khô hòa tan (18°Bx) đến hiệu quả thủy phân và lên men.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thực hiện các thí nghiệm khảo sát từng yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dịch hóa và lên men, đồng thời áp dụng phương pháp lên men đồng thời SSF để tối ưu hóa quy trình.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng mẫu bột khoai lang tím đồng nhất từ nhiều đợt thu hoạch, phân tích theo phương pháp ANOVA với sai số p < 0,05 để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 2/2017 đến tháng 12/2017, gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, khảo sát điều kiện enzym, lên men thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thông số tối ưu cho quá trình dịch hóa bằng Termamyl SC: Nồng độ enzyme 0,3 ml/kg nguyên liệu, nhiệt độ 90°C, pH 6, thời gian thủy phân thích hợp giúp giảm độ nhớt và tăng chỉ số DE (dextrin equivalent), tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đường hóa và lên men.

  2. Thông số tối ưu cho quá trình đường hóa và lên men bằng Dextrozyme GA và men Angel Leaven: Nồng độ enzyme 1 ml/kg nguyên liệu, pH 5, nồng độ chất khô hòa tan 18°Bx, thời gian lên men phù hợp cho ra sản phẩm rượu có hàm lượng ethanol cao nhất đạt 11,17% v/v.

  3. Hàm lượng anthocyanin trong sản phẩm rượu: Đạt 27,0734 ± 0,0002 mg/100 ml, giữ được phần lớn hoạt chất có lợi từ khoai lang tím sau quá trình lên men, đảm bảo giá trị dinh dưỡng và màu sắc đặc trưng.

  4. Hiệu quả của phương pháp lên men đồng thời (SSF): So với phương pháp lên men truyền thống từng giai đoạn, SSF giúp rút ngắn thời gian lên men, giảm áp lực nồng độ đường cao lên men, tăng hiệu suất chuyển hóa đường thành ethanol, đồng thời giảm lượng đường và tinh bột sót lại trong sản phẩm cuối cùng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng Termamyl SC và Dextrozyme GA với các thông số đã xác định giúp tối ưu hóa quá trình thủy phân tinh bột khoai lang tím, tạo ra lượng đường khử cao, làm cơ chất thuận lợi cho men Saccharomyces cerevisiae phát triển và lên men hiệu quả. Nồng độ enzyme và điều kiện pH, nhiệt độ được lựa chọn dựa trên đặc tính hoạt động tối ưu của từng enzyme, phù hợp với các nghiên cứu trước đây.

Phương pháp lên men đồng thời SSF đã chứng minh ưu điểm vượt trội trong việc tận dụng nguồn cơ chất, giảm thời gian lên men từ khoảng 5-7 ngày xuống còn khoảng 3-4 ngày, đồng thời tăng hàm lượng ethanol lên trên 11% v/v, cao hơn so với nhiều nghiên cứu trong nước và quốc tế. Việc giữ lại hàm lượng anthocyanin cao trong sản phẩm rượu cũng là điểm nổi bật, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và tính thẩm mỹ cho sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ nhớt, chỉ số DE theo thời gian và nồng độ enzyme, biểu đồ đường cong sinh trưởng của men trong quá trình lên men, bảng so sánh hàm lượng ethanol và anthocyanin giữa các điều kiện thí nghiệm. So sánh với các nghiên cứu trước cho thấy kết quả phù hợp và có cải tiến về hiệu suất và thời gian lên men.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình lên men đồng thời SSF trong sản xuất công nghiệp: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu tăng hiệu suất lên men ethanol lên trên 11% v/v, giảm thời gian lên men xuống còn 3-4 ngày, thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là các doanh nghiệp sản xuất rượu và nhà máy chế biến thực phẩm.

  2. Tối ưu hóa điều kiện enzyme và men men thương mại: Đề nghị "điều chỉnh" nồng độ enzyme và pH môi trường theo từng lô nguyên liệu để đảm bảo hiệu quả thủy phân và lên men ổn định, thực hiện liên tục trong quá trình sản xuất, chủ thể là bộ phận nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  3. Bảo quản và xử lý nguyên liệu khoai lang tím đúng quy trình: "Áp dụng" quy trình sấy và xay bột chuẩn để giữ nguyên hàm lượng anthocyanin và tinh bột, giảm độ ẩm dưới 6%, thực hiện trước khi đưa vào sản xuất, chủ thể là nhà cung cấp nguyên liệu và nhà máy chế biến.

  4. Nghiên cứu phát triển các chủng men và enzyme mới: "Khuyến khích" nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học để tạo chủng men có khả năng biểu hiện đồng thời α-amylase và glucoamylase, nâng cao hiệu quả lên men, thực hiện trong 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất rượu và đồ uống lên men: Có thể áp dụng quy trình lên men đồng thời để nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm chi phí và thời gian, đồng thời tạo ra sản phẩm rượu khoai lang tím giàu anthocyanin, đáp ứng nhu cầu thị trường.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, thiết kế thí nghiệm và kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu từ nguyên liệu giàu tinh bột.

  3. Nhà cung cấp nguyên liệu nông sản: Hiểu rõ về đặc tính khoai lang tím, quy trình xử lý nguyên liệu để cung cấp sản phẩm đạt chất lượng cao, phù hợp cho sản xuất rượu và các sản phẩm lên men khác.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển ngành công nghiệp thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển sản phẩm rượu truyền thống và hiện đại từ nguyên liệu nông sản trong nước, góp phần nâng cao giá trị xuất khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình lên men đồng thời SSF có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    SSF kết hợp dịch hóa và lên men trong cùng một giai đoạn, giúp giảm thời gian lên men, tăng hiệu suất chuyển hóa đường thành ethanol, giảm áp lực nồng độ đường cao lên men, đồng thời tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Tại sao chọn khoai lang tím làm nguyên liệu lên men rượu?
    Khoai lang tím giàu tinh bột và anthocyanin, có giá thành thấp, sản lượng lớn, đồng thời anthocyanin mang lại màu sắc đẹp và lợi ích sức khỏe, làm tăng giá trị dinh dưỡng và thương mại cho sản phẩm rượu.

  3. Vai trò của hai chế phẩm enzyme Termamyl SC và Dextrozyme GA trong quá trình lên men?
    Termamyl SC (α-amylase) thủy phân tinh bột thành dextrin ngắn, tạo điều kiện cho Dextrozyme GA (glucoamylase) tiếp tục phân giải dextrin thành glucose đơn phân, cung cấp nguồn đường cho men Saccharomyces cerevisiae lên men tạo ethanol.

  4. Làm thế nào để giữ được hàm lượng anthocyanin trong sản phẩm rượu?
    Kiểm soát nhiệt độ và pH trong quá trình lên men, sử dụng phương pháp lên men đồng thời SSF giúp giảm thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cao, đồng thời xử lý nguyên liệu đúng cách như sấy ở 80°C trong thời gian hợp lý để hạn chế mất mát anthocyanin.

  5. Nồng độ ethanol tối đa đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Sản phẩm rượu khoai lang tím đạt hàm lượng ethanol tối đa là 11,17% v/v, cao hơn nhiều so với các nghiên cứu trước, phù hợp với tiêu chuẩn rượu vang và các sản phẩm rượu truyền thống.

Kết luận

  • Đã xác định được các thông số tối ưu cho quá trình dịch hóa và lên men rượu từ bột khoai lang tím sử dụng enzyme Termamyl SC và Dextrozyme GA cùng men Saccharomyces cerevisiae Angel Leaven.
  • Phương pháp lên men đồng thời SSF giúp rút ngắn thời gian lên men, tăng hiệu suất chuyển hóa đường thành ethanol, đạt hàm lượng ethanol 11,17% v/v và giữ được hàm lượng anthocyanin cao trong sản phẩm.
  • Quy trình nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sử dụng khoai lang tím, mở rộng ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống lên men.
  • Đề xuất áp dụng quy trình trong sản xuất công nghiệp và tiếp tục nghiên cứu phát triển chủng men, enzyme mới để nâng cao hiệu quả.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai quy trình sản xuất quy mô pilot, đánh giá chất lượng sản phẩm và nghiên cứu bảo quản anthocyanin trong rượu khoai lang tím.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển quy trình này nhằm tạo ra sản phẩm rượu khoai lang tím chất lượng cao, góp phần phát triển ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam bền vững.