Khóa luận Bước đầu nghiên cứu sản xuất bột ca cao bằng phương pháp lên men có bổ sung vi sinh vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ************* KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT BỘT CACAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN CÓ BỔ SUNG VI SINH VẬT Ngành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Niên khóa: 2001-2005 Sinh viên thực hiện: HOÀNG VĂN TIẾN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 8/2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ************* BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT BỘT CACAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN CÓ BỔ SUNG VI SINH VẬT Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG HOÀNG VĂN TIẾN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 8/2005 LỜI CẢM TẠ Cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Nông Lâm TP.HCM và tất cả các Giảng Viên trong và ngoài Bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt bốn năm học tại trường. Chân thành biết ơn thầy hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ tôi hết mình trong những lúc gặp khó khăn khi làm luận văn. PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG Chân thành nhớ ơn các thầy cô và anh chị tại Bô môn Công Nghệ Sinh Học trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong lúc tôi thực tập tại trường. Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, tôi rất mong nhận được sự góp ý chân thành của quí thầy cô và của các bạn. TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08/2005 HOÀNG VĂN TIẾN iii TÓM TẮT HOÀNG VĂN TIẾN, Đại học Nông lâm TP. Hồ Chí Minh. Tháng 8/2005. “BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT BỘT CA CAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN CÓ BỔ SUNG VI SINH VẬT”. Giáo viên hướng dẫn: PGS. TS NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG. Trong thành phần hạt ca cao tươi, hàm lượng pectin và cellulose chiếm tỷ lệ cao (11% và 16%). Hai thành phần khó phân giải này làm cản trở chiết chất hòa tan của bột ca cao. Do đó, chúng tôi sử dụng phương pháp lên men bổ sung nấm mốc Asp. niger có khả năng sinh pectinase và cellulase cao để phân giải hai thành phần trên giúp làm tăng lượng chất hòa tan của bột ca cao. Những kết quả đạt được: ¾ Tuyển chọn được giống Asp. niger lấy từ phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ sinh học Đại học Bách Khoa TP.HCM có khả năng sinh pectinase (650 đvht/g MT) và cellulase (2.3 UI/g MT) thích hợp sử dụng để lên men. ¾ Chế phẩm sinh học sử dụng lên men tối ưu có tỷ lệ giống Asp. niger : bột mì rang là 1 : 3 ¾ Lượng chế phẩm sử dụng tối ưu là 1% khối lượng hạt lên men, độ ẩm khối lên men là 60 %, thời gian lên men 96 giờ ¾ Độ hòa tan của bột ca cao được lên men có bổ sung Asp. niger (4.3) cao hơn độ hòa tan của bột ca cao được lên men không bổ sung vi sinh vật (2.1). iv v MỤC LỤC TRANG Bìa....................................................................................................................................i Trang tựa........................................................................................................................ ii Lời cảm tạ ..................................................................................................................... iii Tóm tắt...........................................................................................................................iv Mục lục ...........................................................................................................................v Danh sách chữ viết tắt ................................................................................................ viii Danh sách các bảng .......................................................................................................ix Danh sách các hình.........................................................................................................x PHẦN 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................................1 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU.............................................................................3 2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÂY CA CAO........................................................................3 2.1.1 Lịch sử .......................................................................................................3 2.1.2 Các đặc điểm của cây cacao......................................................................5 2.1.2.1 Thực vật học ....................................................................................................5 2.1.2.2 Đặc điểm hình thái...........................................................................................5 2.1.2.3 Đặc điểm sinh thái ...........................................................................................6 2.1.2.4 Thành phần hóa học của trái ca cao.................................................................7 2.1.3 Tình hình trồng và sản xuất ca cao tại Việt Nam......................................7 2.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CA CAO .....................................................10 2.2.1 Công nghệ ca cao thô ..............................................................................10 2.2.1.1 Ủ hạt ca cao ...................................................................................................10 2.2.1.2 Các phương pháp ủ hạt ca cao.......................................................................12 2.2.1.3 Phơi và sấy ca cao .........................................................................................13 2.2.2 Qui trình sản xuất bột cacao....................................................................14 2.2.2.1 Loại bỏ tạp chất .............................................................................................14 2.2.2.2 Xử lý nhiệt .....................................................................................................14 2.2.2.3 Rang...............................................................................................................14 2.2.2.4 Nghiền thô và phân ly....................................................................................16 2.2.2.5 Kiềm hoá .......................................................................................................17 2.2.2.6 Sấy bột kiềm ..................................................................................................18 2.2.2.7 Nghiền mảnh nhân.........................................................................................18 2.2.2.8 Ép...................................................................................................................18 2.2.2.9 Xay bánh dầu.................................................................................................18 2.2.2.10 Sàng ..............................................................................................................19 2.3 GIỚI THIỆU VỀ CELLULOSE, PECTIN, CELLULASE, PECTINASE.......19 2.3.1 Giới thiệu cellulose .................................................................................19 2.3.2 Giới thiệu enzyme cellulase ....................................................................20 2.3.3 Giới thiệu về pectin .................................................................................21 2.3.4 Giới thiệu enzyme pectinase ...................................................................22 PHẦN 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................25 3.1 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI........................................25 3.2 NGUYÊN LIỆU ................................................................................................25 3.2.1 Trái cacao ................................................................................................25 vi 3.2.2 Giống vi sinh vật .....................................................................................25 3.2.3 Nguyên liệu làm môi trường ...................................................................26 3.3 MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY VI SINH VẬT ....................................................26 3.3.1 Môi trường thạch malt.............................................................................26 3.3.2 Môi trường nhân giống............................................................................27 3.3.3 Chế phẩm sinh học ..................................................................................28 3.4 DỤNG CỤ, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ ..........................................................29 3.4.1 Dụng cụ và thiết bị ..................................................................................29 3.4.2 Hóa chất cho phân tích ............................................................................30 3.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.....................................................................31 3.5.1 Phương pháp thiết kế thí nghiệm ............................................................31 3.5.1.1 Tuyển chọn giống Asp. niger thích hợp nhất cho quá trình lên men ............31 3.5.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ: giống Asp. niger/bột mì rang của chế phẩm lên men đến độ hòa tan và cường độ màu .....................................................31 3.5.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chế phẩm enzyme sử dụng để lên men đến độ hòa tan và cường độ màu..........................................................................31 3.5.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm của khối lên men đến độ hòa tan và cường độ màu ...........................................................................................................32 3.5.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lên men đến độ hòa tan và cường độ màu ................................................................................................................32 3.5.1.6 So sánh độ hòa tan và cường độ màu của bột ca cao từ phương pháp lên men truyền thống và bột ca cao từ phương pháp lên men có bổ sung vi sinh vật.32 3.5.2 Phương pháp vi sinh vật ..........................................................................32 3.5.2.1 Phương pháp cấy truyền và giữ giống...........................................................32 3.5.2.2 Phương pháp nhân giống ...............................................................................33 3.5.3 Phương pháp hóa lý.................................................................................33 3.5.3.1 Xác định độ ẩm..............................................................................................33 3.5.3.2 Phương pháp xác định độ hòa tan và cường độ màu của dung dịch ca cao ..33 3.5.3.3 Phương pháp xác định bước sóng mà dung dịch ca cao hấp thu mạnh nhất .34 3.5.4 Phương pháp hóa sinh .............................................................................34 3.5.4.1 Các phương pháp xác định các thành phần chủ yếu của hạt cacao ...............34 3.5.4.2 Các phương pháp xác định hoạt tính enzyme của Asp. niger .......................39 3.5.5 Qui trình sản xuất bột ca cao trong phòng thí nghiệm ............................42 PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................43 4.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN CHỦ YẾU CỦA HẠT CA CAO..............43 4.2 TUYỀN CHỌN GIỐNG VI SINH VẬT THÍCH HỢP CHO QUÁ TRÌNH LÊN MEN HẠT CA CAO.........................................................................................44 4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ GIỮA GIỐNG VI SINH VẬT VỚI BỘT MÌ RANG ĐẾN ĐỘ HÒA TAN, CƯỜNG ĐỘ MÀU CỦA BỘT CA CAO.........45 4.3.1 Ảnh hưởng đến độ hòa tan ......................................................................45 4.3.2 Ảnh hưởng đến cường độ màu ................................................................46 4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG CHẾ PHẨM SINH HỌC SỬ DỤNG ĐỂ LÊN MEN ĐẾN ĐỘ HÒA TAN, CƯỜNG ĐỘ MÀU CỦA BỘT CA CAO ...........47 4.4.1 Ảnh hưởng đến độ hòa tan ......................................................................48 4.4.2 Ảnh hưởng đến cường độ màu ................................................................49 4.5 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM KHỐI LÊN MEN ĐẾN ĐỘ HÒA TAN, CƯỜNG ĐỘ MÀU CỦA BỘT CA CAO.........................................................50 4.5.1 Ảnh hưởng đến độ hòa tan ......................................................................50 4.5.2 Ảnh hưởng đến cường độ màu. ...............................................................51 vii 4.6 ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LÊN MEN ĐẾN ĐỘ HÒA TAN, CƯỜNG ĐỘ MÀU CỦA BỘT CA CAO ........................................................................52 4.6.1 Ảnh hưởng đến độ hòa tan ......................................................................52 4.6.2 Ảnh hưởng đến cường độ màu ................................................................53 4.7 SO SÁNH ĐỘ HÒA TAN VÀ CƯỜNG ĐỘ MÀU GIỮA BỘT CA CAO ĐƯỢC LÊN MEN CÓ VÀ KHÔNG BỔ SUNG VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN ............................................................................................54 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÊ NGHỊ.........................................................................56 5.1 KẾT LUẬN .......................................................................................................56 5.2 KIẾN NGHỊ.......................................................................................................56 PHẦN 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................57 Danh sách các chữ viết tắt ACDI: Agricultural Cooperative Development International VOCA: Volunteers in Overseas Cooperative Assistance USDA: United States Department of Agriculture USAID: United States Agency for International Development PSOM: Programme for Co-operation with Emerging Markets FAO: Food and Agriculture Organization viii ix Danh sách các bảng TRANG Bảng 2.1: Sản lượng ca cao trên thế giới trong các năm (đơn vị ngàn tấn) ....................4 Bảng 2.2: Các thành phần của hạt cacao tươi, tính theo % trọng lượng tươi..................7 Bảng 2.3: Các tỉnh trồng ca cao ở Việt Nam...................................................................9 Bảng 4.1: Các thành phần chủ yếu có trong hạt ca cao tươi .........................................43 Bảng 4.2:So sánh hoạt tính enzyme cellulase và pectinase do hai giống Asp. niger lấy từ trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên và Đại Học Bách Khoa tạo ra........44 Bảng 4.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ giữa giống vi sinh vật với bột mì rang đến độ hòa tan45 Bảng 4.4: Ảnh hưởng của tỷ lệ giữa giống vi sinh vật với bột mì rang đến cường độ màu................................................................................................................46 Bảng 4.5: Ảnh hưởng của lượng chế phẩm sinh học đến độ hòa tan............................48 Bảng 4.6: Ảnh hưởng của lượng chế phẩm sinh học đến cường độ màu......................49 Bảng 4.7: Ảnh hưởng của độ ẩm khối lên men đến độ hòa tan ....................................50 Bảng 4.8: Ảnh hưởng của khối lên men đến cường độ màu .........................................51 Bảng 4.9: Ảnh hưởng của thời gian lên men đến độ hòa tan ........................................52 Bảng 4.10: Ảnh hưởng của thời gian lên men đến cường độ màu................................53 Bảng 4.11: So sánh độ hòa tan và cường độ màu của hai mẫu ca cao có và không bổ sung vi sinh vật trong quá trình lên men.......................................................54 x Danh sách các hình TRANG Hình 2.1: Cấu trúc của cellulose....................................................................................19 Hình 2.2: Sơ đồ tác động enzyme cellulase lên cellulose theo Mandels và Reese .......21 Hình 2.3: Cấu trúc của axit polygalacturonic................................................................22 Hình 2.4: Sơ đồ phân cắt của enzym pectinesterase. ....................................................22 Hình 2.5: Sơ đồ phân cắt của enzym transeliminase.....................................................23 Đồ thị 4.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ giống/bột mì rang đến độ hòa tan..............................45 Đồ thị 4.2: Ảnh hưởng của tỷ lệ giống/bột mì rang đến cường độ màu........................47 Đồ thị 4.3: Ảnh hưởng của lượng chế phẩm sinh học đến độ hòa tan ..........................48 Đồ thị 4.4: Ảnh hưởng của lượng chế phẩm đến cường độ màu ..................................49 Đồ thị 4.5: Ảnh hưởng của độ ẩm khối lên men đến độ hòa tan...................................50 Đồ thị 4.6: Ảnh hưởng của độ ẩm khối lên men đến cường độ màu ............................51 Đồ thị 4.7: Ảnh hưởng của thời gian lên men đến độ hòa tan.......................................52 Đồ thị 4.8: Ảnh hưởng của thời gian lên men đến cường độ màu ................................53 1 PHẦN 1. MỞ ĐẦU Trên thế giới, cây ca cao (Theobroma cacao) và những sản phẩm từ nó đã có lịch sử lâu đời. Những sản phẩm từ cây ca cao luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao. Sản phẩm chính của cây ca cao là hạt ca cao được sử dụng làm nguyên liệu trong công nghiệp chế biến và thực phẩm và là sản phẩm hoàn chỉnh hay bán hoàn chỉnh trong các ngành công nghiệp khác. Hiện nay, tại Việt Nam trong chiến lược phát triển cây công nghiệp của Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn, cây ca cao đang rất được chú trọng. Cây ca cao được khuyến khích trồng ở nhiều địa phương nhằm đạt mục tiêu 10000 ha vào năm 2010. Sản lượng ca cao trong tương lai sẽ rất lớn, nhưng hiện nay ở nước ta việc chế biến ca cao vẫn còn bằng phương pháp thủ công, hiệu quả không cao. Đưa đến tình trạng nhà nông nghiệp trồng ca cao và các nhà chế biến rất lo ngại về đầu ra của cây ca cao. Trong công nghệ chế biến ca cao, giai đoạn lên men là giai đoạn bắt buộc và quan trọng nhất. Giai đoạn này quyết định rất lớn chất lượng sau này của sản phẩm từ ca cao. Do đó, đề tài BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT BỘT CA CAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN CÓ BỔ SUNG VI SINH VẬT được tiến hành. Trong phạm vi của đề tài này, chúng tôi bước đầu quan tâm đến ảnh hưởng của việc bổ sung vi sinh vật trong quá trình lên men đến khả năng chiết chất hòa tan của bột ca cao. Mục đích của đề tài: 9 Nghiên cứu xác định những điều kiện tối ưu cho quá trình lên men hạt ca cao trong công nghệ chế biến bột ca cao 9 Nghiên cứu bổ sung vi sinh vật để tăng lượng chất hòa tan của bột ca cao 9 Xây dựng qui trình sản xuất bột ca cao ở qui mô phòng thí nghiệm Những nội dung cần nghiên cứu của đề tài: 9 Xác định thành phần của hạt ca cao 9 Tuyển trọn giống vi sinh vật thích hợp cho quá trình lên men 9 Nghiên cứu tạo chế phẩm sinh học cho quá trình lên men 2 9 Nghiên cứu những điều kiện tối ưu cho quá trình lên men hạt ca cao 9 So sánh lượng chiết chất hòa tan thu được giữa hai phương pháp truyền thống và phương pháp có bổ sung vi sinh vật 3 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÂY CA CAO 2.1.1 Lịch sử Cây ca cao (Theobroma cacao L.) có nguồn gốc từ những khu rừng nhiệt đới Amazon, nhưng những giống hoang dại cũng được tìm thấy từ Mexico đến Peru. Người Mayas ở Yucatan và người Aztec ở Mexico đã trồng cây ca cao từ rất lâu trước khi chúng được đưa tới châu Âu. Những người Nam Mỹ cổ đại rất thích uống ca cao trộn với gia vị và bột ngô. Họ tin rằng ca cao là món ăn của thượng đế và chỉ có hoàng tộc mới được sử dụng. Từ “cacao” xuất phát từ tiếng Maya còn người Aztec gọi chúng là cacauatol nghĩa là nước ca cao. Đầu thế kỉ 16, người Tây Ban Nha xâm lược Mexico và sau đó đổi tên cacauatol thành chocolatol. Sau đó từ chocolatol được đổi thành chocolate vào khoảng cuối thế kỉ 16 và tên gọi đó được giữ đến bây giờ. Do đó từ “chocolate” có nghĩa nguyên thủy là “nước cacao” (Chiyoda, Sakado-shi, Saitama, 2003). Vào năm 1754, nhà sinh vật học người Thụy Điển Carl von Linné dùng tên “Theobroma” – món ăn của thượng đế - để chỉ loài cacao (Iwao Hachiya, 2003). Ngày nay, tất cả các cây cacao trồng đều xếp vào loài Theobroma. Do người Tây Ban Nha