MỞ ĐẦU Cồn có tên khoa học là Ethanol hay còn gọi là rượu Ethylic. Đây là chất có nhiều ứng dụng trong các ngành khoa học kỹ thuật quan trọng, đặc biệt là ngành công nghiệp rượu và đồ uống có cồn, đem lại nguồn thu đáng kể cho ngân sách nhà nước nói chung và các doanh nghiệp liên quan nói riêng. Cồn được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men các nguyên liệu có chứa tinh bột (gạo, ngô, khoai, sắn…) hoặc đường (rỉ đường) trong đó, gạo vẫn được đánh giá là một trong những nguyên liệu cho chất lượng cồn thực phẩm tốt nhất. Hiện nay, công nghệ sản xuất cồn được sử dụng phổ biến ở Việt Nam bao gồm 4 công đoạn riêng rẽ: dịch hóa (90 - 1050C), đường hóa (60 – 650C), lên men (28 – 320C) và chưng cất.
Quy trình này có ưu điểm chính là nguyên liệu tinh bột được đường hóa khá triệt để, tạo môi trường thuận lợi ngay từ đầu để nấm men có thể hoạt động hiệu quả, cho hiệu suất thu hồi cao. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tiêu tốn khá nhiều năng lượng, nước làm nguội, chi phí thiết bị và khó có thể thực hiện ở nồng độ chất khô cao vì dịch sau quá trình đường hóa có độ nhớt và hàm lượng đường quá cao, ức chế sự phát triển của nấm men. Do đó, cần phải nghiên cứu tìm ra giải pháp để giảm thiểu các hạn chế này. Quy trình sản xuất cồn theo công nghệ Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao (Simultaneous Liquefaction, Saccharification and Fermentation at Very High Gravity – SLSF-VHG) là quy trình sử dụng một số chế phẩm enzyme thế hệ mới cho phép thực hiện đồng thời và hiệu quả quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men dịch có nồng độ chất khô cao (>300 g/l) ở 300C trong cùng một thiết bị.
Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm được nước, năng lượng, và giảm được chi phí đầu tư thiết bị, nhân công so với công nghệ sản xuất cồn có nấu và quy trình SLSF ở nồng độ chất khô thường (<200 g/l). Tuy nhiên hiện nay quy trình này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi, một trong những nguyên nhân chính là thiếu các công trình nghiên cứu tối ưu hoá chế độ công nghệ để nâng cao hiệu quả quy trình và giảm chi phí sản xuất. Vì vậy, chúng tôi nhận thấy việc triển khai đề tài nghiên cứu: “Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo” là cần thiết và có ý nghĩa. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CỒN/RƯỢU VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN/RƯỢU 1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn – rượu trên thế giới và ở Việt Nam 1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới a) Tình hình sản xuất Sản lượng cồn trên thế giới có biến động tăng trong giai đoạn 2007-2017.
Nếu năm 2007 có khoảng 13 tỉ gallons (tương đương 49,2 tỉ lít) cồn được sản xuất thì đến năm 2017 sản lượng cồn đã là khoảng 27 tỉ Gallons, tăng khoảng 2 lần (Hình 1.1) [1], điều này là hoàn toàn hợp lý vì cồn có vai trò quan trọng trong rất nhiều ngành công nghiệp, khi xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu về tiêu dùng các sản phẩm mới càng tăng. Tuy nhiên, đây là một trong những thách thức đối với ngành công nghệ thực phẩm, cần phải có những bước phát triển mạnh mẽ, nghiên cứu các phương pháp mới để sản xuất cồn nhanh hơn, hiệu quả hơn.1 Sản lượng cồn trên thế giới giai đoạn 2007-2017 1 gallon = 3.7854 lít b) Tình hình tiêu thụ Càng ngày thì lượng rượu tiêu thụ như một loại đồ uống thường nhật lại càng tăng đáng kể. Nhìn vào hình 1.2 có thể thấy, lượng tiêu thụ cồn tính trên đầu người ở một số quốc gia là rất cao. Lấy ví dụ với quốc gia xếp hạng nhất là Belarus, 2 bình quân là gần 18 lít cồn tuyệt đối/ người 15 tuổi trở lên.
Con số này nếu tính toán trên lượng đồ uống chứa cồn là rất lớn [2].2 Các nước tiêu thụ cồn nhiều nhất thế giới năm 2019 Với tất cả những thông tin được đưa ra ở trên, chúng ta có thể khẳng định rằng, lượng cồn được tiêu thụ dưới dạng thực phẩm là rất lớn, điều đó càng đòi hỏi cần phải nghiên cứu ứng dụng các quy trình sản xuất rượu/cồn có năng suất cao và đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm cho người sử dụng.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn ở Việt Nam a) Tình hình sản xuất Ở Việt Nam có khá nhi ều nhà máy sản xuất cồn với quy mô tương đối lớn. Hiện nay, hầu hết các nhà máy đều cải tiến để nâng cao năng suất và công suất. Bên cạnh đó, cũng có rất nhiều cơ sở nhỏ lẻ khác tham gia sản xuất để đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường. Theo nghiên cứu của VIRAC, 3 tháng đầu năm 2019, sản xuất rượu tăng 8,6% so với cùng kỳ năm trước [3], điều này cho thấy, sản xuất rượu trong nước cũng vẫn đang trong đà phát triển.
b) Tình hình tiêu thụ Lượng tiêu thụ rượu bình quân đầu người ở Việt Nam là cao trên thế giới, năm 2016, bình quân mỗi người trên 15 tuổi tiêu thụ hết 9 lít cồn, cao hơn cả lượng tiêu thụ bình quân đầu người của thế giới (Hình 1. Theo nghiên cứu của VIRAC, 3 tháng đầu năm 2019, tiêu thụ rượu tăng 8,95% so với cùng kỳ năm trước [3], điều này một lần nữa khẳng định, cần quan tâm đẩy mạnh nghiên cứu các quy trình sản xuất rượu an toàn khi mà lượng tiêu thụ rượu/cồn như là một loại thực phẩm, đồ uống liên tục tăng cao.3 Tiêu thụ rượu bình quân đầu người ở Việt Nam và thế giới (Người trên 15 tuổi, tính theo lít cồn tuyệt đối) *Ghi chú: Tỉ lệ trên thế giới, tỉ lệ ở Việt Nam 1.2 Công nghệ sản xuất cồn 1.1 Nguyên liệu chính trong sản xuất cồn Cồn có thể được sản xuất bằng con đường tổng hợp hóa học hoặc bằng lên men. Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất cồn bằng phương pháp lên men là các nguyên liệu chứa đường (rỉ đường, củ cải đường.), tinh bột (gạo, lúa, ngô, sắn.), hoặc cenlulose (rơm, rạ. Luận văn này sử dụng vật liệu nghiên cứu là gạo, vì vậy tác giả sẽ chỉ tập trung trình bày về nguyên liệu này.
Bên cạnh đó, nấm men và các loại enzym phù hợp cũng là những nguyên liệu không thể thiếu. a) Gạo Gạo không chỉ được sử dụng như một thức ăn thiết yếu mà từ lâu đã được sử dụng như một nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu. Cồn sản xuất từ gạo được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất những đồ uống có cồn có chất lượng cao, ngoài ra cũng được sử dụng để sản xuất dấm.4 Gạo tẻ Hình 1.5 Cấu trúc tinh bột gạo Kích thước của hạt tinh bột trong gạo từ 2-10 µm, hàm lượng tinh bột (65-85%), protein (5-10%), lipid (0,4-0,6%), cellulose (0,6-0,8%). Tinh bột gạo gồm có hai loại: amylose (13-35%) và amylopectin chiếm trên 65% tùy thuộc vào từng loại gạo [5].
b) Nấm men Nấm men được sử dụng trong lên men rượu thường là giống Saccharomyces cerevisiae (hình 1. Nó có dạng hình cầu hay hình trứng, có kích thước từ 5- 14 µm, sinh sản bằng cách tạo chồi và tạo bào tử. Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của chúng là sử dụng đường glucose, galactose, saccharose, maltose như nguồn cacbon và sử dụng axit amin và muối amon như nguồn nitơ. Điều kiện môi trường ảnh hưởng khá lớn tới tốc độ tăng sinh khối của nấm men.
Chúng phát triển tốt ở nhiệt độ 28- 30 °C, độ pH tối ưu của môi trường là 4,5 - 5,5. Ngoài ra ảnh hưởng của các hợp chất hóa học như đường, ammonium sunphat, DAP, MgSO 4, H2SO4 là rất lớn và nồng độ đường có tác động đến sự hấp thụ các chất dinh dưỡng. Ảnh hưởng của cường độ không khí và khuấy trộn cũng tác động lớn lên tốc độ tăng trưởng của nấm men [6].6 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 5 c) Chế phẩm enzyme Enzyme quan trọng trong sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột là amylase. Nó xúc tác sự thủy phân của tinh bột thành đường.
Amylase được chia là 3 loại: α-amylase, β- amylase, γ-amylase [7].7 Cấu trúc không gian của Hình 1.8 Sự thủy phân tinh bột của enzyme Amylase enzyme Amylase α-Amylase Các α - amylase (1,4-α- D -glucan glucanohydrolase; glycogenase) là canxi metalloenzymes. Bằng cách hoạt động tại các vị trí ngẫu nhiên dọc theo chuỗi tinh bột, α-amylase phá vỡ các saccharit chuỗi dài, cuối cùng thu được maltotriose và maltose từ amylose hoặc maltose, glucose từ amylopectin. Dạng α-amylase cũng được tìm thấy trong thực vật, vi khuẩn (Bacillus) và nấm (Ascomycetes và Basidiomycetes). β-Amylase Một dạng khác của amylase, β -amylase (1,4-α- D -glucan maltohydrolase; glycogenase; saccharogen amylase) cũng được tổng hợp bởi vi khuẩn, nấm và thực vật.
Hoạt động từ đầu không khử, β -amylase xúc tác quá trình thủy phân liên kết glycosid thứ hai, tách ra hai đơn vị glucose (maltose) tại một thời điểm. Độ pH tối ưu cho β -amylase là 4,0-5,0 [8]. γ-Amylase γ-Amylase (glucan 1,4-α-glucosidase; amyloglucosidase; exo -1,4-α- glucosidase; glucoamylase; lysosomal α-glucosidase; 1,4-α- D -glucan glucohydrolase) sẽ cắt các liên kết glycosid, cũng như liên kết glycosidic cuối cùng ở đầu không khử amylose và amylopectin, thu được glucose. γ -Amylase có độ pH tối ưu axit nhất trong tất cả các amylase vì nó hoạt động mạnh nhất xung quanh pH 3.
6 Ngoài ra, enzyme protease cũng là enzyme có vai trò trong quy trình SLSF-VHG. Đây là nhóm enzyme có khả năng cắt mối liên kết peptide (-CO~NH-) trong các phân tử polypeptide, protein và một số cơ chất tương tự thành các amino axit tự do hoặc các peptide phân tử thấp [9]. Nhờ đó, nó giúp phá vỡ các lớp protein bao quanh hạt tinh bột, giúp enzyme amylase dễ dàng tiếp xúc để phân cắt tinh bột thành đường, đồng thời tạo ra các Nitơ amin tự do (FAN) – là nguồn Nitơ mà nấm men có thể sử dụng [10],[11]. d) Các nguồn dinh dưỡng Tùy thuộc thành phần dinh dưỡng của dịch hèm trước khi lên men mà người ta có thể bổ sung thêm các nguồn dinh dưỡng Nitơ, Phốt pho… cho nấm men hoạt động hiệu quả [12].2 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống Công nghệ sản xuất cồn truyền thống được mô tả trong hình 1.9 và được chia thành các công đoạn chính sau: - Dịch hóa: trong các dạng nguyên liệu như gạo, ngô, khoai, sắn… hạt tinh bột luôn nằm trong các màng tế bào.
Khi nghiền, chỉ một phần các màng đó bị phá vỡ, phần lớn màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của các enzyme amylase với tinh bột.