Nghiên cứu lên men tạo axit axetic từ củ khoai lang tím.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH VĂN HÒA

NGHIÊU CỨU LÊN MEN TẠO AXIT AXETIC

TỪ CỦ KHOAI LANG TÍM

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số: 60.44.27

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2014

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Thị Kim Cúc

Phản biện 1: GS.TS ĐÀO HÙNG CƯỜNG

Phản biện 2: TS. BÙI XUÂN VỮNG

Luận văn đã được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp Thạc sĩ khoa học tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 29

tháng 06 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Trong các loại thực phẩm lên men thì giấm ăn là loại gia vị,

thực phẩm phổ biến và phần lớn các gia đình Việt Nam đều sử dụng.

Giấm sử dụng trong chế biến thực phẩm hàng ngày, bão quản thực

phẩm, làm gia vị chế biến thực phẩm. Ngoài ra, giấm được dùng như

bài thuốc chữa nấc cục, buồn nôn, tàn nhang, lở loét, các vết cắn của

chó, bò cạp, rết hay côn trùng.

Giấm ăn có khoảng từ 3% - 4,5 % acid acetic, đây là một loại

acid hữu cơ quan trọng trong đời sống và trong công nghiệp. Acid

acetic có nhiều ứng dụng trong công nghiệp hóa chất, công nghiệp

thực phẩm, dược phẩm và đặc biệt hiện nay người ta sử dụng acid

acetic để điều trị bệnh ung thư gan.

Acid acetic được sản xuất bằng các phương pháp như: Chưng

cất gỗ, tổng hợp hóa học hoặc bằng phương pháp lên men. Tuy

nhiên, acid acetic được sản xuất dùng trong thực phẩm và dược

phẩm, chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp lên men, vì acid

acetic tạo thành ít lẫn tạp chất có hại. Nguồn nguyên liệu chủ yếu là

loại nông sản giàu tinh bột.

Ở nước ta, khoai lang tím được trồng khá phổ biến ở các tỉnh

phía Nam, phổ biến ở các tỉnh Kiên Giang, Vĩnh Long, sản lượng

tương đối cao. Ngoài các thành phần hóa học thông thường, khoai

lang tím còn có chứa một thành phần quan trọng là chất màu

anthocyanin, chính điều đó đã tạo nên giá trị vượt trội cho củ khoai

lang tím. Anthocyanin trong khoai lang tím tạo ra sắc màu đẹp hấp

dẫn, do đó sử dụng loại nguyên liệu này để sản xuất loại giấm ăn vừa

có màu đỏ đẹp hấp dẫn, an toàn cho con người lại vừa tạo ra sản

phẩm mới, góp phần mở ra hướng tiếp tục khai thác ứng dụng loại

nông sản phổ biến, rẻ tiền này trong việc tạo ra các sản phẩm mới

2

phục vụ cho tiêu dùng và xuất khẩu.

Với nhiều giá trị tiềm năng của khoai lang tím, nhưng hiện nay

những nghiên cứu khai thác giá trị của khoai lang tím để tạo ra những

sản phẩm mới phục vụ cho con người chưa được quan tâm nhiều, vì

thế tôi lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài là “Nghiên cứu lên

men tạo acid acetic từ củ khoai lang tím” .

2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

2.1. Đối tượng

- Củ khoai lang tím (purple sweet potato) có nguồn từ Cát Sơn –

Phù Cát – Bình Định. Chọn nguyên liệu với những tiêu chuẩn như sau:

+ Màu: vỏ và bên trong có màu tím đậm, đều.

+ Hình dạng bề ngoài: da trơn, củ không bị trầy xước, không

sâu bệnh, chưa mọc mầm.

- Chủng vi khuẩn Acetobacter aceti LT

2.2. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng quy trình lên men acid acetic từ củ khoai

lang tím, quy mô phòng thí nghiệm.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng quy trình lên men giấm từ củ khoai lang tím.

Đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng giấm.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Lấy mẫu và xử lí mẫu.

- Xác định một số chỉ tiêu hóa lí.

+ Xác định độ ẩm bằng máy đo độ ẩm nhanh.

+ Xác định glucid tổng, đường khử, tinh bột bằng phương pháp

Bertrand.

+ Xác định protit bằng phương pháp Kjeldahl.

+ Xác định hàm lượng kim loại bằng máy quang phổ hấp thụ

nguyên tử (AAS).

+ Xác định hàm lượng anthocyanin bằng máy quang phổ UV-

3

Vis, theo phương pháp pH vi sai.

+ Xác định độ acid bằng máy chuẩn độ acid – base.

+ Xác định hàm lượng acid acetic bằng phương pháp sắc ký

lỏng hiệu năng cao.

- Phương pháp vi sinh vật.

- Phương pháp xử lý số liệu: thống kê, lập bảng, ...

5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

5.1.Ý nghĩa khoa học

- Xác định được thành phần hóa học của củ khoai lang tím.

- Tạo được acid acetic từ củ khoai lang tím bằng phương

pháp lên men acetic.

5.2. Ý nghĩa thực tiễn

- Xây dựng được quy trình lên men tạo acid acetic từ củ

khoai lang tím

- Thử nghiệm lên men tạo acid acetic từ củ khoai lang tím

theo phương pháp nhanh có chất mang thân tre, quy mô phòng thí

nghiệm.

6. Cấu trúc của luận văn: Bố cục luận văn gồm 3 phần

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Luận văn gồm 80 trang trong đó có 18 bảng và 22 hình. Phần

mở đầu 3 trang, kết luận và kiến nghị 2 trang, tài liệu tham khảo 3

trang. Nội dung của luận văn chia làm 3 chương:

Chương 1 – Tổng quan

Chương 2 – Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 – Kết quả và bàn luận

4

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ KHOAI LANG TÍM

1.2. CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ANTHOCYANIN

1.2.1. Cấu trúc của anthocyanin [26]

1.2.2. Tính chất quang phổ của anthocyanin [42], [41]

1.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền màu anthocyanin

1.2.4. Hoạt tính sinh học của anthocyanin

1.2.5. Ứng dụng của anthocyanin [3], [41]

1.3. KHÁI QUÁT QUÁ TRÌNH LÊN MEN ACID ACETIC

1.3.1. Cơ chế quá trình lên men acetic [1],[14]

1.3.2. Những yếu tố ảnh hƣởng đến sự lên men [12]

1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP LÊN MEN[14]

1.4.1. Phƣơng pháp chậm

1.4.2. Phƣơng pháp nhanh

1.4.3. Phƣơng pháp chìm

1.4.4. Phƣơng pháp phối hợp

1.4.5. Chọn phƣơng pháp lên men

1.4.6. Lựa chọn và xử lý vật liệu bám [20]

1.5. NHỮNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

1.5.1 Một số nghiên cứu về lên men acetic trong và ngoài nƣớc

1.5.2. Một số nghiên cứu về khoai lang tím trong và ngoài nƣớc

CHƢƠNG 2

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. NGUYÊN LIỆU

2.2. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ

2.2.1. Hoá chất

2.2.2. Thiết bị

2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

5

2.3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu các tài liệu, tư liệu, sách báo, các công trình

nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài. Xác định các

yêu cầu sau :

- Các yếu ảnh hưởng đến quá trình thủy phân tinh bột khoai

lang tím.

- Các yếu ảnh hưởng đến quá trình lên men ethanol.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men acid acetic.

- Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lên men acid acetic có sử

dụng chất mang.

2.3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm.

a. Chọn và xử lý nguyên liệu

b. Phương pháp chuẩn bị chất mang

c. Mô hình thiết bị lên men acetic có sử dụng chất mang

2.3.3. Phƣơng pháp phân tích

a. Xác định độ ẩm theo phương pháp sấy nhanh bằng hồng

ngoại [17],[18]

b. Xác định đường khử, đường tổng số, tinh bột bằng

phương pháp Bertrand [15]

c. Xác định hàm lượng protein bằng phương pháp Kjeldahl [15]

d. Phương pháp xác định hàm lượng các kim loại nặng [2]

e. Phương pháp xác định hàm lượng anthocyanin [3],[4]

f. Phương pháp xác định nồng độ ethanol [15]

g. Phương pháp xác định nồng độ chất khô (Bx)

h. Phương pháp xác định pH

i. Phương pháp xác định hàm lượng acid tổng số [15]

j. Phương pháp xác định hàm lượng acid acetic theo

phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

6

CHƢƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU

Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu lên men tạo acid acetic từ củ khoai lang tím

3.2. PHÂN TÍCH MỘT SỐ THÀNH PHẦN HÓA HỌC KHOAI

LANG TÍM

Tùy thuộc vào nguồn gốc và chủng loại khoai lang tím mà

thành phần hóa học có thể dao động khác nhau. Do đó nguyên liệu

mua về làm thí nghiệm được xác định một số chỉ tiêu ban đầu.

3.2.1. Xác định độ ẩm

Độ ẩm của nguyên liệu khoai lang tím được xác định theo

phương pháp sấy bằng đèn hồng ngoại được trình bày ở mục 2.2.3.

Kết quả khảo sát độ ẩm của khoai lang tím tươi được trình bày ở

bảng 3.1.

7

Bảng 3.1. Kết quả số liệu thực nghiêm độ ẩm của khoai lang tím

Số lần thí nghiệm TN1 TN2 TN3 TB

Kết quả đọc trên máy W(%) 67,79 67,74 67,77 67,77

Từ bảng 3.1 cho thấy độ ẩm khoai lang tím là 67,77 % phù hợp

với kết quả tham khảo độ ẩm của khoai lang là 68% ở phần tổng

quan tài liệu.

3.2.2. Xác định hàm lƣợng anthocyanin

a. Xác định bước sóng hấp thụ cực đại của anthocyanin

Tiến hành: Lấy 5 ml dịch chiết pha loãng với dung dịch đệm

pH = 1,0 và pH = 4,5 trong bình định mức 25 ml, quét phổ hấp thụ

trong vùng khả kiến ( = 450 – 720 nm) trên máy quang phổ UV -

ViS DR/4000, kết quả được thể hiện ở hình 3.2.

Hình 3.2. Đồ thị xác định bước sóng cực đại của anthocyanin từ

khoai lang tím

Từ hình 3.2 cho thấy phổ hấp thụ của dịch chiết từ khoai lang

tím nằm trong khoảng bước sóng 510 – 540nm, vì vậy có thể thấy

rằng các dịch chiết của mẫu khoai lang tím rất giàu anthocyanin.

Bước sóng hấp thụ cực đại của anthocyanin trong khoai lang tím xác

định được là 522nm.

Theo kết quả đã công bố bước sóng hấp thụ cực đại của

anthocyanin được chiết từ các nguyên liệu như: trà đỏ là 519,5nm,

quả dâu là 513,5nm, đậu đen là 515nm, bắp cải tím là 523nm thì ta

8

thấy kết quả này phù hợp với độ hấp thụ cực đại của anthocyanin

chiết từ các nguyên liệu nằm trong khoảng bước sóng 510÷540nm

[3], [4],.

b. Xác định hàm lượng anthocyanin trong khoai lang tím

Cách tiến hành:

- Lấy mẫu khoai lang tím →lựa chọn→ rửa sạch→ hấp chín→

nghiền nhỏ, trộn đều → cân 10 gam → Sau đó chiết trong 100ml

dung môi ethanol/nước (75/25), 1% HCl, ở nhiệt độ 800C, thời gian 2

phút → Lọc hút chân không, xác định hàm lượng anthocyanin.

- Thí nghiệm tiến hành lặp lại ba lần. Mỗi lần hút 10 ml dịch

chiết thu được tiến hành pha loãng 5 lần. Tiến hành đo độ hấp thụ của

mẫu tại bước sóng hấp thụ cực đại 522nm và bước sóng 700nm trong

các dung dịch có pH=1,0 và pH=4,5 trên máy quang phổ UV-Vis

DR/4000.

Kết quả đo độ hấp thụ và hàm lượng anthocyanin được trình bày ở

bảng 3.2.

Bảng 3.2. Kết quả độ hấp thụ và hàm lượng anthocyanin Mẫu

VDịch chiết (ml)

pH = 1,0 pH = 4,5

A

Hàm lượng

Anthocyanin

(mg/100g

nguyên liệu)

A522

A 700

A522

A 700

1 96 0,812 0,007 0,035 0,006 0,776 62.23

2 95 0,815 0,006 0,030 0,006 0,785 62,25

3 96 0,827 0,006 0,049 0,005 0,777 62.27

TB 62,25

Qua bảng 3.2 có thể nhận thấy rằng hàm lượng anthocyanin thu

được khi chiết từ khoai lang tím là 62,25 mg/100g chất khô của nguyên

liệu. Kết quả này, phù với nghiên cứu của Teow et., al (2007) là 51.5 đến

174.7 mg/100 g nguyên liệu khoai lang tím, Truong et., al (2010) là 33,7

– 96,8 mg/100g fw củ khoai lang tím. So sánh với hàm lượng

9

anthocyanin chiết từ một số nguyên liệu rau quả thuộc miền Trung Việt

Nam đã công bố như bắp cải tím là 94,46 mg/100g nguyên liệu, quả dâu

tằm là 126,4 mg/100g nguyên liệu, lá tía tô 80,48 mg/100g nguyên liệu

[3] thì hàm lượng anthocyanin có trong khoai lang tím cũng tương đối

cao. Ngoài ra anthocyanin trong khoai lang tím ổn định hơn trong dâu

tây, bắp cải đỏ và các loại cây khác.

3.2.3. Xác định hàm lƣợng glucid, đƣờng khử, tinh bột và protein

Khoai lang tím tươi được đem đi phân tích hàm lượng và

protein được thể hiện ở bảng 3.3.

Bảng 3.3. Hàm lượng glucid, đường khử, tinh bột và protein của

khoai lang tím (*)

Tên chỉ tiêu Đơn vị

tính Phương pháp thử Kết quả

Glucid (tính theo Glucose) % TCVN 4594:1988 29,2

Đường khử (tính theo Glucose) % TCVN 4594:1988 2,24

Tinh bột % TCVN 4594:1988 24,3

protein % TCVN 4593: 1988 1,44

(*): Kết quả được đo tại trung tâm đo lường chất lượng kỹ

thuật, số - Ngô quyền – Quận Sơn Trà – Đà Nẵng.

Kết quả này phù hợp với các kết quả trong các công trình nghiên

cứu trước đây về khoai lang, cụ thể: Theo phân tích của viện Dinh

dưỡng – Bộ Y Tế ( NXB Y học Hà Nội, 2000) ở bảng 1.1 mục 1.1, trong

100 g nguyên liệu khoai lang tươi có hàm lượng glucid là 28,5g, tinh bột

là 24,5g và protein là 0,8 g.

Hàm lượng protein trong khoai lang tím không cao, kết quả phân

tích 100g nguyên liệu khoai lang tím tươi ở bảng 3.2 là 1.44%, cao hơn

hàm lượng protit trong tài liệu tham khảo ở mục 1.2 (bảng 1.2) khoảng

0,8%. Điều này chứng tỏ, hàm lượng protein cao hơn mức trung bình

protein các loại khoai lang khác. Với hàm lượng protit cao là nguồn dinh

dưỡng dồi dào cung cấp nguyên tố nitơ, cho vi vi khuẩn Acetobacter

10

aceti (LT) phát triển trong quá trình lên men acetic. Đồng thời hàm

lượng tinh bột trong khoai lang tím tương đối cao. Vì vậy nó là nguyên

liệu lý tưởng cho quá trình lên men tạo acid acetic.

3.2.4. Xác định hàm lƣợng các kim loại nặng

Khoai lang tím được xác định hàm lượng kim loại: Hg, Pb, Cd,

Cu, Zn, Sb… bằng các phương pháp AOAC. Kết quả phân tích hàm

lượng kim loại được trình bày ở bảng 3.4.

Bảng 3.4. Kết quả xác định kim loại nặng (*)

Tên chỉ

tiêu Đơn vị Phương pháp thử Kết quả

Pb AOAC 999.11 (2010), AAG-GF Không phát hiện (<0,05)

Fe mg/kg AOAC 999.11 (2010), AAS 6,23

Sn mg/kg AOAC 985.16 (2010), AAS-GF Không phát hiện (<0,05)

Cu mg/kg AOAC 999.11 (2010), AAS 1,22

Zn mg/kg AOAC 999.11 (2010), AAS 2,50

(*) Kết quả được đo tại trung tâm đo lường chất lượng kỹ

thuật, số 2-Ngô Quyền-Quận Sơn Trà-Đà Nẵng.

Theo kết quả phân tích hàm lượng kim loại ở bảng 3.4, có thể

nhận thấy rằng hàm lượng của Pb, Zn không phát hiện có trong mẫu

khoai lang tím, hàm lượng của Cu là 1,22 mg/kg, của Zn là 2,50

mg/kg, của Fe là 6,23 mg/kg.

Căn cứ “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với giới hạn ô nhiễm

kim loại nặng trong thực phẩm, QCVN 8 – 02 : 2011 BYT ngày 13

tháng 11 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Y Tế” [2]. Từ đó, đối chiếu với

hàm lượng kim loại cho phép trong thực phẩm (giới hạn mức tối đa

đối với Cu là 30mg/kg, đối với Zn là 40 mg/kg), và bảng kết quả đo

được trong khoai lang tím. Ta thấy hàm lượng kim loại nặng trong

khoai lang tím ở mức giới hạn cho phép sử dụng an toàn, không ảnh

hưởng đến sức khỏe của con người.

3.3. NGHIÊN CỨU CHUẨN BỊ DỊCH LÊN MEN ACETIC TỪ

CỦ KHOAI LANG TÍM

11

3.3.1. Nghiên cứu thuỷ phân tinh bột khoai lang tím

a. Xác định thời gian dịch hoá tinh bột khoai lang tím.

Để dịch hóa tinh bột khoai lang tím sử dụng enzyme alpha￾amylase (Spritase HiTaA 17105L) được cung cấp bởi Công ty

Novozyme. Theo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất, chọn điều

kiện dịch hoá như sau: nồng độ enzyme 0,2 ml/ 1kg khoai lang tím,

nhiệt độ 850C, pH = 5.8. Tiến hành dịch hoá tinh bột khoai lang tím

được thực hiện như sau:

Nguyên liệu khoai lang tím sau xử lý, nghiền nhỏ, cân, pha

loãng theo tỉ lệ bột khoai lang tím : nước = 1: 3. Sau đó nấu chín, để

sôi trong thời gian 60 phút, hiểu chỉnh pH = 5,8 (bằng dung dịch

H3PO4 0,1N). Tiếp đến bổ sung enzyme có nồng độ 0,2 ml/1kg , và

giữ nhiệt độ ở 850C. Trong quá trình dịch hóa định kỳ 10 phút, lấy

dịch khoai lang tím thử tinh bột bằng thuốc thử iot, cho đến khi

không thấy xuất hiện màu xanh. Chứng tỏ tinh bột khoai lang tím đã

bị dịch hóa hoàn toàn, khi đó kết thúc thời gian dịch hóa. Tổng thời

gian dịch hóa tinh bột khoai lang tím là 40 phút. Nồng độ chất hòa

tan (Bx) dịch khoai lang tím sau khi dịch hóa là 14,4.

b. Nghiên cứu xác định thời gian đường hoá

Nghiên cứu xác định thời gian đường hóa tối thiểu đạt hàm

lượng đường khử phù hợp cho quá trình lên men ethanol sau này là

quá trình cần thiết. Vì nếu kéo dài thời gian đường hoá sẽ gây lãng

phí năng lượng, đồng thời thời gian đường hóa lâu có thể làm giảm

hàm lượng anthocyanin.

Để đường hóa dịch khoai lang tím sử dụng enzyme

glucoamylase (Spritase GA 14400 L) được cung cấp bởi Công ty

Novozyme. Theo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất điều kiện

đường hoá được chọn như sau: nồng độ enzyme 0,25ml/1kg khoai

lang tím, nhiệt độ 650C, pH = 4,8.

Cách tiến hành đường hóa như sau: Khoai lang tím sau khi