Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sản xuất thức uống thủy phân từ dừa Cocos Nucifera

• Tác giả: Thạch Thị Chal Thi
• Người hướng dẫn: GS.TS Đống Thị Anh Đào
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TPHCM
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất thức uống thủy phân từ dừa Cocos Nucifera
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về dừa
• 1.1.1. Phân loại khoa học
• 1.1.2. Phân bố và đặc điểm
• 1.1.3. Một số giống dừa thường gặp ở Việt Nam
• 1.1.4. Đặc điểm thực vật học
• 1.1.5. Thành phần hóa học
• 1.1.6. Thành phần hóa học của nước dừa
• 1.2. Tổng quan về enzyme pectinase, cellulase và protease
• 1.2.1. Pectin và Pectinase
• 1.2.2. Cellulose và Cellulase
• 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme
• 1.2.4. Tổng quan chất ổn định
• 1.2.4.1. Phân loại gum
• 1.2.4.2. Cách sử dụng Gum
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên vật liệu
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Chất ổn định
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Quy trình thủy phân cơm dừa bằng enzyme
• 2.6. Bố trí thí nghiệm thủy phân
• 2.7. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.8. Phương pháp phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả khảo sát giống dừa
• 3.2. Kết quả thí nghiệm 2: Xác định nhiệt độ và thời gian chần
• 3.3. Kết quả thí nghiệm 3: Xác định tỉ lệ pha loãng thích hợp
• 3.4. Kết quả thí nghiệm 4: Xác định tỉ lệ enzyme pectinase/ cellulase thích hợp
• 3.5. Kết quả thí nghiệm 5: Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 3.6. Kết quả thí nghiệm 6: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.7. Kết quả thí nghiệm 7: Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng enzyme đến H(%) thủy phân, hàm lượng phenolic và hoạt tính chống oxy hóa
• 3.8. Kết quả thí nghiệm 8: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân
• 3.9. Kết quả thí nghiệm 9: Tối ưu hóa các điều kiện thủy phân
• 3.10. Kết quả thí nghiệm 10: Kết quả kiểm chứng giá trị dự đoán H (%) tối ưu từ mô hình với giá trị thực nghiệm
• 3.11. Kết quả thí nghiệm 11: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân với enzyme protease
• 3.12. Kết quả thí nghiệm 12: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất thủy phân
• 3.13. Kết quả thí nghiệm 13: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng enzyme protease
• 3.14. Kết quả thí nghiệm 14: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân với enzyme protease
• 3.15. Kết quả thí nghiệm 15: Tối ưu hóa các điều kiện thủy phân
• 3.16. Kết quả thí nghiệm 16: Kiểm chứng giá trị dự đoán H (%) tối ưu từ mô hình với giá trị thực nghiệm
• 3.17. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng các chất ổn định đến cấu trúc của sản phẩm
• 3.18. Kết quả đánh giá sản phẩm thức uống thủy phân từ dừa
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO (Theo IEEE)
• Phụ lục A: Các phương pháp phân tích
• Phụ lục C: Các kết quả kiểm nghiệm

I. Tổng quan về dừa

Nghiên cứu về dừa (Cocos Nucifera) cho thấy đây là một loại cây có giá trị kinh tế cao. Dừa được trồng rộng rãi ở nhiều quốc gia, đặc biệt là ở các vùng nhiệt đới. Cây dừa có khả năng phát triển tốt trên đất pha cát và có thể chịu mặn. Các sản phẩm từ dừa như nước dừa, cơm dừa, và dầu dừa đã trở thành những mặt hàng phổ biến. Tuy nhiên, phụ phẩm từ dừa, đặc biệt là cơm dừa, vẫn chưa được khai thác triệt để. Việc nghiên cứu sản xuất thức uống từ dừa thông qua quá trình thủy phân dừa sẽ giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng và tạo ra sản phẩm mới cho thị trường.

1.1 Phân loại và đặc điểm

Dừa thuộc họ cau, có thân cao và lá xẻ thùy. Quả dừa là loại quả khô đơn độc, chứa nhiều thành phần dinh dưỡng. Cơm dừa có hàm lượng protein, lipid và carbohydrate cao, là nguồn nguyên liệu quý giá cho ngành thực phẩm. Việc nghiên cứu các enzyme như pectinase và cellulase trong quá trình thủy phân dừa sẽ giúp tối ưu hóa việc thu hồi chất dinh dưỡng từ cơm dừa.

II. Công nghệ thủy phân dừa

Công nghệ thủy phân dừa sử dụng các enzyme như pectinase và cellulase để phân giải các polysaccharides trong cơm dừa. Nghiên cứu cho thấy việc kết hợp các enzyme này có thể nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ cơm dừa. Các yếu tố như pH, nhiệt độ, và thời gian thủy phân đều ảnh hưởng đến quá trình này. Kết quả cho thấy, ở điều kiện tối ưu, hiệu suất thu hồi có thể đạt tới 86,86%. Việc tối ưu hóa các điều kiện này không chỉ giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng mà còn tạo ra sản phẩm thức uống dinh dưỡng từ dừa.

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng pH và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme trong quá trình thủy phân dừa. Việc điều chỉnh các yếu tố này có thể tối ưu hóa hiệu suất thu hồi chất dinh dưỡng. Kết quả phân tích cho thấy, ở pH 5,1 và nhiệt độ 50°C, hiệu suất thu hồi đạt mức cao nhất. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và điều chỉnh các điều kiện thủy phân để tạo ra sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao.

III. Đánh giá chất lượng sản phẩm

Sản phẩm thức uống thủy phân từ dừa được đánh giá dựa trên các tiêu chí cảm quan, dinh dưỡng và vi sinh. Kết quả cho thấy sản phẩm có mùi vị đặc trưng của sữa dừa, hàm lượng phenolic cao và hoạt tính chống oxy hóa tốt. Việc sử dụng các chất ổn định như Gum Arabic và Xanthan Gum giúp cải thiện cấu trúc và độ ổn định của sản phẩm. Điều này không chỉ nâng cao giá trị dinh dưỡng mà còn tạo ra một sản phẩm hấp dẫn cho người tiêu dùng.

3.1 Phân tích dinh dưỡng và vi sinh

Phân tích dinh dưỡng cho thấy sản phẩm có hàm lượng protein và lipid cao, cùng với các hợp chất chống oxy hóa. Hoạt tính chống oxy hóa được đo bằng phương pháp DPPH cho thấy sản phẩm có khả năng bảo vệ tế bào khỏi sự tổn thương do gốc tự do. Điều này chứng tỏ rằng thức uống từ dừa không chỉ ngon mà còn có lợi cho sức khỏe, mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm thực phẩm chức năng từ dừa.

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của FAO năm 2013, diện tích trồng dừa trên thế giới đạt khoảng 12,28 triệu ha, trong đó Indonesia và Philippines chiếm lần lượt 3,8 triệu ha và 3,2 triệu ha. Tại Việt Nam, diện tích trồng dừa năm 2012 đạt 157.000 ha với sản lượng hơn 1 triệu trái mỗi năm. Cơm dừa, một phụ phẩm giàu dinh dưỡng từ nhà máy chế biến nước dừa tươi, chứa protein, carbohydrate, lipid và khoáng chất nhưng chưa được tận dụng hiệu quả. Nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ cơm dừa thông qua thủy phân enzym, tạo ra thức uống thủy phân từ dừa có giá trị dinh dưỡng cao hơn và đa dạng hóa sản phẩm từ dừa. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên cơm dừa 7-8 tháng tuổi tại Tiểu Cần, Trà Vinh, sử dụng enzyme pectinase, cellulase và protease của hãng Novozymes. Mục tiêu cụ thể là khảo sát và tối ưu hóa các điều kiện thủy phân như pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân nhằm tăng hiệu suất thu hồi chất khô, đồng thời đánh giá chất lượng dinh dưỡng và ổn định cấu trúc sản phẩm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng từ dừa, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường thông qua tận dụng phụ phẩm cơm dừa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về enzyme thủy phân polysaccharide và protein trong cơm dừa. Hai enzyme chính được sử dụng là pectinase và cellulase, có khả năng phân giải pectin và cellulose – thành phần cấu trúc chủ yếu của thành tế bào thực vật. Pectinase gồm các nhóm enzyme như pectinesterase và polygalacturonase, xúc tác thủy phân liên kết glycoside trong pectin, giúp phá vỡ lớp kết dính giữa các tế bào. Cellulase gồm endoglucanase, exoglucanase và β-glucosidase, thủy phân cellulose thành glucose, làm mềm cấu trúc tế bào, tăng hiệu suất trích ly. Enzyme protease tiếp tục thủy phân protein thành peptide và acid amin, nâng cao giá trị dinh dưỡng và khả năng hòa tan của sản phẩm. Ngoài ra, các chất ổn định như Gum Arabic, Xanthan Gum và Guar Gum được sử dụng để duy trì cấu trúc và ổn định sản phẩm thức uống. Các khái niệm chính bao gồm hiệu suất thu hồi chất khô, hoạt tính enzyme, tối ưu hóa bằng mô hình bề mặt đáp ứng (RSM), và các chỉ số dinh dưỡng như hàm lượng phenolic và hoạt tính chống oxy hóa DPPH.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu là cơm dừa tươi 7-8 tháng tuổi lấy từ Tiểu Cần, Trà Vinh, được sơ chế loại bỏ vỏ lụa, chần và xay nhuyễn. Enzyme pectinase (Pectinex Ultra SP-L), cellulase (Viscozyme Cassava C) và protease (Protamex) được mua từ hãng Novozymes, Đan Mạch. Quy trình thủy phân gồm hai giai đoạn: thủy phân kết hợp pectinase và cellulase, sau đó thủy phân tiếp bằng protease. Các yếu tố pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân được khảo sát và tối ưu hóa bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) sử dụng phần mềm Modde 5.0. Cỡ mẫu thí nghiệm được bố trí theo các mức biến đổi của từng yếu tố, với các chỉ tiêu đánh giá gồm hiệu suất thu hồi chất khô, hàm lượng phenolic, hoạt tính chống oxy hóa DPPH, và các chỉ số cảm quan. Sản phẩm cuối cùng được phối trộn với nước dừa tươi và các chất ổn định Gum Arabic, Xanthan Gum, Guar Gum, sau đó thanh trùng ở 73oC trong 15 phút để bảo quản. Phân tích dữ liệu sử dụng phân tích phương sai ANOVA để xác định ảnh hưởng của các yếu tố và kiểm định sự khác biệt ý nghĩa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất thu hồi chất khô tăng đáng kể khi sử dụng enzyme: Thủy phân kết hợp pectinase và cellulase ở điều kiện tối ưu pH 5,1; nồng độ enzyme 4,0% v/w; nhiệt độ 50oC; thời gian 60 phút đạt hiệu suất 86,86 ± 0,60%, tăng 26,22% so với mẫu không sử dụng enzyme. Tiếp tục thủy phân bằng protease ở pH 6,0; nồng độ enzyme 2,0% w/w; nhiệt độ 55oC; thời gian 120 phút nâng hiệu suất lên 91,57 ± 0,20%, tăng thêm 4,77%.

2. Ảnh hưởng của các yếu tố thủy phân: Phân tích ANOVA cho thấy pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân đều có ảnh hưởng có ý nghĩa đến hiệu suất thu hồi chất khô (p < 0,05). Ví dụ, hiệu suất tăng khi nhiệt độ thủy phân tăng từ 40oC đến 50oC, nhưng giảm nhẹ khi vượt quá 55oC do enzyme bị biến tính.

3. Tối ưu hóa điều kiện thủy phân bằng RSM: Mô hình bề mặt đáp ứng cho phép xác định điều kiện tối ưu với hiệu suất thu hồi chất khô cao nhất, đồng thời kiểm chứng thực nghiệm cho thấy sai số dưới 1%, khẳng định tính chính xác của mô hình.

4. Chất lượng dinh dưỡng và hoạt tính chống oxy hóa: Sản phẩm thức uống thủy phân có hàm lượng phenolic đạt 51,70 ± 0,17 mg GAE/g và hoạt tính chống oxy hóa DPPH đạt 31,61 ± 0,36 mg TEAC/100g chất khô, cao hơn đáng kể so với mẫu không xử lý enzyme, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và chức năng bảo vệ sức khỏe.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất thu hồi chất khô tăng rõ rệt nhờ sự phối hợp enzyme pectinase và cellulase, phù hợp với cơ chế phá vỡ cấu trúc polysaccharide trong thành tế bào cơm dừa, giúp giải phóng các thành phần hòa tan. Việc bổ sung protease tiếp tục thủy phân protein làm tăng hàm lượng peptide và acid amin, cải thiện độ hòa tan và giá trị dinh dưỡng. Kết quả tương đồng với các nghiên cứu ứng dụng enzyme trong trích ly dịch quả và thực phẩm chức năng, như nghiên cứu trên táo và dâu tằm cho thấy tăng hàm lượng phenolic và hoạt tính chống oxy hóa khi sử dụng enzyme. Sự ổn định của sản phẩm nhờ phối trộn các chất ổn định Gum Arabic, Xanthan Gum và Guar Gum giúp duy trì cấu trúc và cảm quan, đồng thời bảo vệ hoạt tính sinh học trong quá trình thanh trùng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất thu hồi chất khô theo các điều kiện pH, nhiệt độ và thời gian, cũng như bảng so sánh hàm lượng phenolic và DPPH giữa các mẫu xử lý và đối chứng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của quá trình thủy phân enzyme.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình thủy phân enzyme kết hợp pectinase, cellulase và protease trong sản xuất thức uống từ cơm dừa: Đề xuất các nhà sản xuất thực phẩm tận dụng quy trình tối ưu với pH 5,1-6,0, nhiệt độ 50-55oC, nồng độ enzyme 2-4% và thời gian thủy phân 60-120 phút để nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô và giá trị dinh dưỡng trong vòng 6-12 tháng.

2. Sử dụng phối trộn chất ổn định Gum Arabic, Xanthan Gum và Guar Gum để duy trì cấu trúc và ổn định sản phẩm: Khuyến nghị bổ sung các chất ổn định này với tỷ lệ phù hợp nhằm đảm bảo độ nhớt, độ bền gel và cảm quan sản phẩm trong quá trình bảo quản và phân phối.

3. Đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng enzyme trong các sản phẩm phụ từ dừa: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp mở rộng nghiên cứu về enzyme thủy phân để phát triển các sản phẩm mới từ phụ phẩm cơm dừa, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và giảm lãng phí.

4. Xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng và an toàn thực phẩm: Đề xuất thiết lập các chỉ tiêu kiểm nghiệm về vi sinh, dinh dưỡng và hoạt tính chống oxy hóa cho sản phẩm thức uống thủy phân từ dừa, đảm bảo an toàn và đáp ứng tiêu chuẩn thị trường trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về ứng dụng enzyme trong thủy phân nguyên liệu thực phẩm, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm và đồ uống từ dừa: Thông tin về quy trình thủy phân enzyme và phối trộn chất ổn định giúp doanh nghiệp cải tiến công nghệ, nâng cao chất lượng sản phẩm và đa dạng hóa danh mục sản phẩm.

3. Cơ quan quản lý và phát triển ngành nông nghiệp: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững ngành dừa, tận dụng phụ phẩm hiệu quả, góp phần tăng giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường.

4. Chuyên gia dinh dưỡng và y học thực nghiệm: Thông tin về hàm lượng phenolic và hoạt tính chống oxy hóa trong sản phẩm thức uống thủy phân từ dừa cung cấp dữ liệu tham khảo cho nghiên cứu về thực phẩm chức năng và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần kết hợp enzyme pectinase và cellulase trong thủy phân cơm dừa?
   Việc kết hợp hai enzyme này giúp phá vỡ đồng thời pectin và cellulose trong thành tế bào, tăng hiệu quả giải phóng các thành phần hòa tan như protein, carbohydrate và phenolic, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô và giá trị dinh dưỡng.

2. Điều kiện thủy phân tối ưu là gì?
   Nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu cho thủy phân bằng pectinase và cellulase là pH 5,1, nhiệt độ 50oC, nồng độ enzyme 4,0% v/w và thời gian 60 phút; với protease là pH 6,0, nhiệt độ 55oC, nồng độ enzyme 2,0% w/w và thời gian 120 phút.

3. Chất ổn định nào được sử dụng và vai trò của chúng?
   Gum Arabic, Xanthan Gum và Guar Gum được sử dụng để ổn định cấu trúc sản phẩm, duy trì độ nhớt và ngăn ngừa sự phân tách pha, giúp sản phẩm thức uống thủy phân từ dừa có cảm quan tốt và bảo quản lâu dài.

4. Sản phẩm thức uống thủy phân từ dừa có lợi ích dinh dưỡng gì?
   Sản phẩm chứa hàm lượng phenolic cao (51,70 mg GAE/g) và hoạt tính chống oxy hóa mạnh (31,61 mg TEAC/100g chất khô), giúp bảo vệ cơ thể khỏi stress oxy hóa và tăng cường sức khỏe.

5. Quy trình nghiên cứu có thể áp dụng cho quy mô công nghiệp không?
   Quy trình được nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm với các điều kiện tối ưu hóa rõ ràng, có thể được điều chỉnh và mở rộng quy mô để áp dụng trong sản xuất công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

Kết luận

• Nghiên cứu thành công trong việc nâng cao hiệu suất thu hồi chất khô từ cơm dừa bằng thủy phân enzyme kết hợp pectinase, cellulase và protease, đạt hiệu suất tối ưu trên 91%.
• Các yếu tố pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian thủy phân có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả thủy phân và được tối ưu hóa bằng mô hình bề mặt đáp ứng.
• Sản phẩm thức uống thủy phân từ dừa có hàm lượng phenolic và hoạt tính chống oxy hóa cao, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và chức năng bảo vệ sức khỏe.
• Việc phối trộn các chất ổn định Gum Arabic, Xanthan Gum và Guar Gum giúp duy trì cấu trúc và cảm quan sản phẩm trong quá trình bảo quản.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng quy trình trong sản xuất công nghiệp và phát triển các sản phẩm thực phẩm chức năng từ phụ phẩm cơm dừa.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng để đưa sản phẩm ra thị trường, góp phần phát triển ngành công nghiệp chế biến dừa bền vững.