Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng enzyme pectinase và phương pháp siêu âm trong sản xuất bột quả điều hòa tan

• Tác giả: Nguyễn Văn Tu
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn A
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Enzyme Pectinase Và Siêu Âm Trong Sản Xuất Bột Quả Điều Hòa Tan
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP.HCM

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan về quả điều
• 1.2. Tổng quan về enzyme pectinase
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO SẢN PHẨM BỘT QUẢI HÒA TAN VÀ THỬ NGHIỆM THỰC TẾ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về enzyme pectinase

Enzyme pectinase là một loại enzyme quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trong quá trình chế biến trái cây. Enzyme này có khả năng phân giải pectin, một thành phần chính trong màng tế bào của thực vật, giúp tăng hiệu suất thu hồi nước trái cây. Theo nghiên cứu, việc sử dụng enzyme pectinase có thể làm tăng hiệu suất thu hồi nước trái cây lên đến 23.17% khi áp dụng đúng điều kiện về nồng độ enzyme và thời gian xử lý. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các yếu tố như nồng độ enzyme và thời gian xử lý có thể cải thiện đáng kể hiệu suất thu hồi nước trái cây. Điều này cho thấy tầm quan trọng của enzyme pectinase trong quy trình sản xuất nước trái cây và các sản phẩm từ trái cây khác.

1.1. Tác động của enzyme pectinase

Tác động của enzyme pectinase trong quá trình chế biến trái cây không chỉ dừng lại ở việc tăng hiệu suất thu hồi mà còn có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc sử dụng enzyme này có thể làm giảm độ nhớt của nước trái cây, giúp sản phẩm dễ dàng hơn trong quá trình chế biến và bảo quản. Theo nghiên cứu, độ nhớt của nước trái cây giảm xuống 0.1 (mPas) khi áp dụng enzyme pectinase, điều này có thể cải thiện khả năng tiêu thụ của sản phẩm. Hơn nữa, enzyme này còn giúp bảo tồn các chất dinh dưỡng và vitamin có trong trái cây, đặc biệt là vitamin C, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

II. Công nghệ siêu âm trong sản xuất bột quả điều hòa tan

Công nghệ siêu âm đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có ngành công nghiệp thực phẩm. Việc kết hợp siêu âm với enzyme pectinase trong quy trình sản xuất bột quả điều hòa tan đã cho thấy những kết quả khả quan. Nghiên cứu cho thấy, khi áp dụng siêu âm ở tần số 10 kHz trong 20 phút, hiệu suất thu hồi nước trái cây tăng thêm 4.7% so với quy trình không sử dụng siêu âm. Điều này chứng tỏ rằng siêu âm không chỉ hỗ trợ enzyme trong việc phân giải pectin mà còn có khả năng làm tăng tốc độ và hiệu quả của quá trình chiết xuất.

2.1. Lợi ích của công nghệ siêu âm

Công nghệ siêu âm mang lại nhiều lợi ích trong quy trình sản xuất thực phẩm. Đầu tiên, nó giúp tăng cường khả năng chiết xuất các thành phần có giá trị từ nguyên liệu thực phẩm, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Hơn nữa, siêu âm còn có thể làm giảm thời gian chế biến, tiết kiệm năng lượng và chi phí sản xuất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp siêu âm với enzyme có thể tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn, đồng thời giữ lại các chất dinh dưỡng và hương vị tự nhiên của nguyên liệu.

III. Quy trình sản xuất bột quả điều hòa tan

Quy trình sản xuất bột quả điều hòa tan sử dụng sự kết hợp giữa enzyme pectinase và siêu âm đã được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Quy trình này bao gồm các bước chính như chuẩn bị nguyên liệu, xử lý bằng enzyme, áp dụng siêu âm, và cuối cùng là phun sấy để tạo ra sản phẩm bột hòa tan. Theo nghiên cứu, việc sử dụng maltodextrin làm chất phụ gia trong quá trình phun sấy giúp đạt được độ ẩm sản phẩm cuối cùng ở mức 5%, đáp ứng các tiêu chuẩn về bột hòa tan. Điều này không chỉ giúp cải thiện khả năng hòa tan của sản phẩm mà còn tăng cường giá trị dinh dưỡng.

3.1. Các bước trong quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất bột quả điều hòa tan được thực hiện qua nhiều bước. Đầu tiên, nguyên liệu trái cây được thu hoạch và chế biến ngay để đảm bảo độ tươi ngon. Sau đó, nguyên liệu được xử lý bằng enzyme pectinase để tăng cường khả năng chiết xuất. Tiếp theo, quá trình siêu âm được áp dụng nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi nước trái cây. Cuối cùng, sản phẩm được phun sấy với điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt để tạo ra bột hòa tan có độ ẩm thấp và chất lượng cao. Quy trình này không chỉ đảm bảo hiệu suất cao mà còn giữ lại hương vị và chất dinh dưỡng của nguyên liệu.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về ứng dụng enzyme pectinase và siêu âm trong sản xuất bột quả điều hòa tan đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp này. Việc kết hợp giữa enzyme và siêu âm không chỉ nâng cao hiệu suất chiết xuất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, đặc biệt là trong việc phát triển các sản phẩm bột hòa tan từ trái cây. Các sản phẩm này không chỉ đáp ứng nhu cầu tiêu dùng mà còn có thể góp phần nâng cao giá trị kinh tế cho người sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm

Ứng dụng của enzyme pectinase và siêu âm trong sản xuất bột quả điều hòa tan có thể được mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau trong ngành công nghiệp thực phẩm. Các sản phẩm bột hòa tan từ trái cây có thể được sử dụng trong chế biến đồ uống, thực phẩm chức năng, và các sản phẩm dinh dưỡng khác. Điều này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường về các sản phẩm tự nhiên, giàu dinh dưỡng và dễ sử dụng.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia có diện tích trồng điều lớn với khoảng 308.660 ha, sản lượng công nghiệp đạt từ 220-250 nghìn tấn, đóng góp quan trọng vào kim ngạch xuất khẩu quốc gia. Tuy nhiên, trong quá trình thu hoạch, trung bình cứ 1 tấn điều thu hoạch thì có khoảng 8-10 tấn điều bị hư hỏng, gây thiệt hại lớn cho nông dân và ảnh hưởng đến môi trường do lượng phế phẩm thải ra. Điều này đặt ra nhu cầu cấp thiết về việc tận dụng nguồn nguyên liệu điều thải để tạo ra các sản phẩm giá trị gia tăng, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và tăng thu nhập cho người dân.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng enzyme pectinase kết hợp với phương pháp siêu âm để tạo ra sản phẩm bột quả điều hòa tan, nhằm giải quyết vấn đề nguyên liệu điều thải và nâng cao hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu điều vàng thu thập tại vườn điều ở thành phố Đồng Xoài, tỉnh Bình Phước, trong khoảng thời gian từ năm 2020 đến 2021. Mục tiêu cụ thể là khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme pectinase và thời gian xử lý, cũng như điều kiện siêu âm đến hiệu suất thu hồi dịch quả, đồng thời xây dựng quy trình sản xuất bột điều hòa tan quy mô pilot 50 kg.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ chế biến sản phẩm từ nguyên liệu điều thải, góp phần nâng cao giá trị sản phẩm, giảm thiểu lãng phí và ô nhiễm môi trường, đồng thời mở rộng ứng dụng enzyme và công nghệ siêu âm trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: enzyme pectinase và công nghệ siêu âm trong xử lý nguyên liệu thực phẩm.

• Enzyme pectinase là nhóm enzyme thủy phân pectin – một polysaccharide cấu tạo chính trong thành tế bào thực vật, giúp phá vỡ liên kết pectin giữa các tế bào, làm mềm cấu trúc tế bào và tăng hiệu suất chiết xuất dịch quả. Enzyme này có nguồn gốc từ thực vật và vi sinh vật, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 45-55°C.

• Công nghệ siêu âm sử dụng sóng âm có tần số từ 16 Hz đến 18 kHz, tạo ra hiện tượng cộng hưởng và bọt khí trong dung dịch, giúp phá vỡ cấu trúc tế bào, tăng khả năng khuấy trộn và chiết xuất các thành phần hòa tan. Siêu âm tần số thấp (khoảng 10 kHz) được áp dụng để hỗ trợ quá trình chiết xuất dịch quả.

Các khái niệm chính bao gồm: pectin, enzyme pectinase, siêu âm tần số thấp, hiệu suất thu hồi dịch quả, độ nhớt dịch quả, và bột hòa tan.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu điều vàng tươi được thu thập tại vườn điều của ông Nguyễn Văn Tư, phường Tân Bình, thành phố Đồng Xoài, tỉnh Bình Phước. Dịch quả được ép ngay sau thu hoạch và bảo quản lạnh.

• Phương pháp phân tích: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme pectinase (0,1%; 0,2%; 0,3%) và thời gian xử lý (từ 10 đến 60 phút) đến hiệu suất thu hồi dịch quả và độ nhớt. Tương tự, khảo sát tần số siêu âm (5, 10, 15 kHz) và thời gian siêu âm (5 đến 25 phút). Kết hợp xử lý enzyme và siêu âm theo hai trình tự: enzyme trước siêu âm và ngược lại.

• Thiết bị: Enzyme pectinase Ultra SPL (9500 PGU/mL) của hãng Novozyme; máy siêu âm Sonics công suất 300 W, tần số 20 kHz; thiết bị sấy phun với các thông số maltodextrin 250 g/L, nhiệt độ đầu vào 110°C, lưu lượng phun 6 ml/phút, áp suất phun 2 atm.

• Cỡ mẫu: Thí nghiệm quy mô pilot với 50 kg nguyên liệu mỗi lần, tổng cộng 150 kg nguyên liệu được xử lý tại Công ty TNHH Hoa Đồng Nai.

• Timeline: Nghiên cứu thực hiện từ năm 2020 đến đầu năm 2021, bao gồm khảo sát nguyên liệu, thử nghiệm enzyme và siêu âm, xây dựng quy trình và thí nghiệm quy mô pilot.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học nguyên liệu: Nguyên liệu điều vàng có hàm lượng chất khô hòa tan trung bình 13,5 °Brix, vitamin C đạt 198 mg/100g, cao hơn nhiều so với các loại quả khác như cam, chanh. Hàm lượng đường tổng là 8,65 g/100g, acid tổng 0,24 g/100g, tỷ lệ thịt quả chiếm 85,67%.

2. Ảnh hưởng của enzyme pectinase: Nồng độ enzyme 0,2% và thời gian xử lý 50 phút cho hiệu suất thu hồi dịch quả cao nhất, tăng 23,17% so với không sử dụng enzyme, đồng thời độ nhớt giảm từ 1,25 mPas xuống còn 1,10 mPas, giúp dịch quả dễ dàng xử lý hơn.

3. Ảnh hưởng của siêu âm: Tần số siêu âm 10 kHz trong 20 phút làm tăng hiệu suất thu hồi dịch quả thêm 4,7% so với không sử dụng siêu âm, độ nhớt giảm thêm 0,1 mPas. Siêu âm giúp phá vỡ cấu trúc tế bào, hỗ trợ enzyme hoạt động hiệu quả hơn.

4. Kết hợp enzyme và siêu âm: Hai phương pháp kết hợp không tạo ra sự khác biệt đáng kể về hiệu suất thu hồi dịch quả (khoảng 86%), nhưng làm giảm độ nhớt dịch quả xuống còn 1,05-1,07 mPas, hỗ trợ quá trình chiết xuất và xử lý dịch quả.

5. Điều kiện sấy phun: Maltodextrin với nồng độ 250 g/L, nhiệt độ đầu vào 110°C, lưu lượng phun 6 ml/phút và áp suất 2 atm tạo ra sản phẩm bột hòa tan có độ ẩm khoảng 5%, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN về bột hòa tan. Vitamin C trong sản phẩm đạt 4,67 mg/g, vi sinh vật trong giới hạn cho phép.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng enzyme pectinase giúp phá vỡ liên kết pectin trong thành tế bào điều, làm tăng hiệu suất chiết xuất dịch quả và giảm độ nhớt, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ứng dụng enzyme trong chế biến trái cây. Siêu âm hỗ trợ quá trình này bằng cách tạo ra áp lực và bọt khí, làm mềm cấu trúc tế bào, tăng khả năng thẩm thấu enzyme.

Mặc dù kết hợp enzyme và siêu âm không làm tăng đáng kể hiệu suất thu hồi dịch quả so với từng phương pháp riêng lẻ, nhưng sự giảm độ nhớt dịch quả là lợi ích quan trọng, giúp quá trình xử lý và sấy phun hiệu quả hơn. Các điều kiện sấy phun được lựa chọn dựa trên cân bằng giữa giữ lại vitamin C và độ ẩm sản phẩm, đảm bảo chất lượng bột hòa tan.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất thu hồi dịch quả và độ nhớt theo từng điều kiện xử lý enzyme, siêu âm và kết hợp, cũng như bảng tổng hợp thành phần hóa học nguyên liệu và sản phẩm cuối cùng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công nghệ enzyme pectinase 0,2% trong 50 phút để tăng hiệu suất thu hồi dịch quả điều, giảm độ nhớt, nâng cao chất lượng nguyên liệu đầu vào cho sản xuất bột hòa tan. Thời gian thực hiện: ngay trong quy trình chế biến tại nhà máy.

2. Sử dụng siêu âm tần số 10 kHz trong 20 phút như phương pháp hỗ trợ enzyme, giúp phá vỡ cấu trúc tế bào, tăng hiệu quả chiết xuất. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy chế biến.

3. Kết hợp enzyme và siêu âm trong quy trình xử lý dịch quả để tối ưu hóa độ nhớt và chất lượng dịch, hỗ trợ quá trình sấy phun hiệu quả hơn. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn tiền xử lý dịch quả.

4. Thiết lập quy trình sấy phun với maltodextrin 250 g/L, nhiệt độ 110°C, lưu lượng phun 6 ml/phút, áp suất 2 atm để tạo ra sản phẩm bột hòa tan đạt tiêu chuẩn TCVN, giữ được hàm lượng vitamin C cao và độ ẩm phù hợp. Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất quy mô pilot và công nghiệp.

5. Khuyến khích các doanh nghiệp chế biến điều tận dụng phế phẩm điều thải để sản xuất bột hòa tan, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng giá trị kinh tế. Thời gian triển khai: dài hạn, kết hợp với đào tạo kỹ thuật và chuyển giao công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp chế biến thực phẩm và nông sản: Áp dụng quy trình enzyme và siêu âm để nâng cao hiệu quả chiết xuất, sản xuất bột hòa tan từ nguyên liệu điều thải, tăng giá trị sản phẩm và giảm chi phí xử lý phế phẩm.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, công nghệ thực phẩm: Tham khảo phương pháp ứng dụng enzyme pectinase và siêu âm trong chế biến trái cây, cũng như quy trình sấy phun tạo bột hòa tan.

3. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ chế biến nông sản bền vững, giảm thiểu lãng phí và ô nhiễm môi trường.

4. Nhà đầu tư và khởi nghiệp trong lĩnh vực thực phẩm chức năng và sản phẩm từ nông sản: Khai thác tiềm năng nguyên liệu điều thải để phát triển sản phẩm mới, tận dụng công nghệ enzyme và siêu âm để nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Enzyme pectinase có vai trò gì trong quá trình chế biến quả điều?
   Enzyme pectinase thủy phân pectin trong thành tế bào, làm mềm cấu trúc tế bào, giúp tăng hiệu suất chiết xuất dịch quả và giảm độ nhớt, từ đó nâng cao chất lượng dịch và sản phẩm cuối cùng.

2. Tại sao cần kết hợp siêu âm với enzyme pectinase?
   Siêu âm tạo ra áp lực và bọt khí giúp phá vỡ cấu trúc tế bào, tăng khả năng thẩm thấu enzyme, hỗ trợ enzyme hoạt động hiệu quả hơn, giảm độ nhớt dịch quả và tăng hiệu suất thu hồi.

3. Điều kiện siêu âm nào là tối ưu cho quá trình chiết xuất dịch quả điều?
   Tần số siêu âm 10 kHz trong 20 phút được xác định là điều kiện tối ưu, giúp tăng hiệu suất thu hồi dịch quả thêm 4,7% và giảm độ nhớt 0,1 mPas so với không sử dụng siêu âm.

4. Quy trình sấy phun được thiết lập như thế nào để tạo ra bột hòa tan chất lượng?
   Sử dụng maltodextrin 250 g/L làm chất trợ sấy, nhiệt độ đầu vào 110°C, lưu lượng phun 6 ml/phút và áp suất phun 2 atm, tạo ra bột hòa tan có độ ẩm khoảng 5%, giữ được vitamin C và đáp ứng tiêu chuẩn TCVN.

5. Sản phẩm bột hòa tan từ quả điều có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Sản phẩm có thể dùng làm nguyên liệu cho thực phẩm chức năng, đồ uống dinh dưỡng, hoặc chế biến các sản phẩm thực phẩm tiện lợi, góp phần nâng cao giá trị nông sản và đa dạng hóa sản phẩm.

Kết luận

• Nguyên liệu quả điều vàng có hàm lượng vitamin C cao (198 mg/100g) và chất khô hòa tan phù hợp cho chế biến bột hòa tan.
• Enzyme pectinase 0,2% xử lý trong 50 phút làm tăng hiệu suất thu hồi dịch quả lên 23,17% và giảm độ nhớt dịch.
• Siêu âm 10 kHz trong 20 phút hỗ trợ tăng hiệu suất thu hồi thêm 4,7% và giảm độ nhớt dịch quả.
• Quy trình sấy phun với maltodextrin 250 g/L, nhiệt độ 110°C, lưu lượng 6 ml/phút, áp suất 2 atm tạo ra bột hòa tan đạt tiêu chuẩn TCVN, giữ được vitamin C và độ ẩm phù hợp.
• Nghiên cứu đã xây dựng quy trình sản xuất bột hòa tan từ quả điều thải quy mô pilot 50 kg, mở ra hướng phát triển công nghệ chế biến nông sản bền vững.

Next steps: Triển khai mở rộng quy mô sản xuất, tối ưu hóa quy trình công nghiệp và nghiên cứu ứng dụng sản phẩm trong thực phẩm chức năng.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên hợp tác để phát triển công nghệ và sản phẩm từ nguyên liệu điều thải, góp phần nâng cao giá trị nông sản và bảo vệ môi trường.