Luận án Nghiên cứu xác lập điều kiện công nghệ tạo đồ uống lên men từ phụ phẩm công nghiệp chế biến sữa đậu nành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Mai Thị Vân Anh NGHIÊN CỨU XÁC LẬP ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ TẠO ĐỒ UỐNG LÊN MEN TỪ PHỤ PHẨM CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA ĐẬU NÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Hà Nội – 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Mai Thị Vân Anh NGHIÊN CỨU XÁC LẬP ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ TẠO ĐỒ UỐNG LÊN MEN TỪ PHỤ PHẨM CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA ĐẬU NÀNH Ngành: Công nghệ Thực phẩm Mã số: 9540101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Thanh Hằng 2. PGS. TS. Nguyễn Thị Xuân Sâm Hà Nội – 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ trong việc hoàn thành luận án đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Mai Thị Vân Anh Tập thể GVHD 1. PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng 2. PGS.TS Nguyễn Thị Xuân Sâm ii LỜI CẢM ƠN Để có được kết quả nghiên cứu này, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tôi còn nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ, động viên của các cá nhân và tập thể. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Thanh Hằng và PGS.TS. Nguyễn Thị Xuân Sâm, hai cô đã luôn tận tình chỉ bảo, tạo động lực, định hướng và luôn theo sát, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin được gửi lời cảm ơn trân trọng tới Tập thể thầy, cô, giảng viên, cán bộ, các học viên cao học và các em sinh viên thuộc Viện Công nghệ sinh học – Công nghệ thực phẩm nay là trường Hóa và Khoa học sự sống, Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Khoa Kỹ thuật Sinh học đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thí nghiệm để hoàn thành bộ số liệu của luận án, đồng thời đã hỗ trợ, tư vấn rất nhiều cho tôi về mặt chuyên môn. Tôi xin được cảm ơn Ban Đào tạo của Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn ủng hộ tinh thần và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Tập thể lãnh đạo và các thầy, cô, anh, chị, em đồng nghiệp thuộc Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiệp đã tạo nhiều điều kiện cả về vật chất và ủng hộ về tinh thần cho tôi từ lúc tham gia học tập cho đến lúc luận án được hoàn thành. Cuối cùng, tôi xin được dành sự biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành nhất tới những người thân trong gia đình tôi đã luôn yêu thương, khích lệ, động viên và hy sinh rất nhiều cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án để tôi có thể hoàn thành đến ngày hôm nay. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Mai Thị Vân Anh iii MỤC LỤC Lời cảm ơn .................................................................................................................. ii Mục lục ...................................................................................................................... iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ........................................................................ vi Danh mục bảng ........................................................................................................ viii Danh mục hình............................................................................................................ x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 3 1.1. Bã đậu nành, phụ phẩm chính của công nghiệp chế biến sữa đậu nành ....... 3 1.1.1. Sự tạo thành bã đậu trong sản xuất sữa đậu nành ..................................... 3 1.1.2. Thành phần của bã đậu nành ..................................................................... 5 1.1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng phụ phẩm công nghiệp chế biến sữa đậu nành .............................................................................................................. 10 1.2. Ứng dụng enzyme trong chuyển hóa bã đậu nành ...................................... 14 1.2.1. Vai trò của tiền xử lý bã ........................................................................... 14 1.2.2. Thủy phân protein bã đậu nành bằng protease ........................................ 15 1.2.3. Thủy phân chất xơ bã đậu nành bằng carbohydrase ............................... 17 1.3. Sử dụng nấm men để lên men bã đậu nành tạo sản phẩm đồ uống ............ 23 1.3.1. Nấm men giúp cải thiện mùi không mong muốn của bã đậu nành ......... 23 1.3.2. Nấm men giúp tăng chất lượng dinh dưỡng và hoạt tính chống oxy hóa cho bã đậu nành ........................................................................................................ 26 1.3.3. Saccharomyces cerevisiae trong sản xuất đồ uống lên men .................... 27 1.3.4. Nấm men probiotic và việc ứng dụng trong sản phẩm đồ uống .............. 29 1.4. Tình hình nghiên cứu sản xuất đồ uống lên men từ bã đậu nành ................. 31 Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................... 35 2.1. Vật liệu ........................................................................................................ 35 2.1.1. Bã đậu nành ............................................................................................. 35 2.1.2. Chế phẩm enzyme ................................................................................... 35 2.1.3. Nấm men ................................................................................................. 36 2.1.4. Môi trường nhân giống ........................................................................... 36 2.1.5. Môi trường định lượng vi sinh vật .......................................................... 36 2.1.6. Phụ gia tạo ngọt và ổn định sử dụng cho đồ uống .................................. 37 2.1.7. Hóa chất, thiết bị ..................................................................................... 37 iv 2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 38 2.2.1. Nghiên cứu xác lập điều kiện tiền xử lý bã đậu nành ............................. 39 2.2.2. Nghiên cứu xác lập điều kiện thủy phân bã đậu nành bằng các chế phẩm enzyme ............................................................................................................... 40 2.2.3. Lựa chọn chủng và khảo sát khả năng lên men dịch thủy phân bã bằng tổ hợp hai chủng ..................................................................................................... 44 2.2.4. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men bằng tổ hợp nấm men S. boulardii và S. cerevisiae ............................................................... 46 2.2.5. Nghiên cứu tạo đồ uống lên men từ dịch lên men bã đậu nành .............. 47 2.3. Phương pháp phân tích ............................................................................... 49 2.3.1. Phương pháp hóa lý................................................................................. 49 2.3.2. Phương pháp vật lý ................................................................................. 54 2.3.3. Phương pháp hóa sinh, vi sinh ................................................................ 54 2.3.4. Phương pháp đánh giá cảm quan ............................................................ 57 2.4. Phương pháp phân tích thống kê ................................................................. 57 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................. 58 3.1. Nghiên cứu xác lập điều kiện tiền xử lý bã đậu nành ................................. 58 3.1.1. Ảnh hưởng của xử lý hấp nguyên liệu tới lượng vi sinh vật tổng số ...... 58 3.1.2. Ảnh hưởng của xử lý hấp nguyên liệu đến khả năng thủy phân của carbohydrase ...................................................................................................... 59 3.1.3. Ảnh hưởng của xử lý hấp nguyên liệu đến khả năng thủy phân của protease 59 3.1.4. Sự thay đổi một số thành phần trong bã nguyên liệu sau khi hấp .......... 60 3.2. Nghiên cứu xác lập điều kiện thủy phân bã đậu nành bằng các chế phẩm enzyme .................................................................................................................. 61 3.2.1. Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm Alcalase® 2.4 L thủy phân protein trong bã đậu nành ........................................................................................................ 62 3.2.2. Nghiên cứu xác định điều kiện thủy phân phần chất xơ của bã đậu nành sử dụng chế phẩm Viscozyme® L ........................................................................... 66 3.2.3. Nghiên cứu xác lập điều kiện thủy phân phần chất xơ của bã đậu nành khi kết hợp Pectinex® Ultra SP-L với Viscozyme® L .............................................. 71 3.2.4. Đánh giá hiệu quả chuyển hóa bã đậu nành khi kết hợp các chế phẩm enzyme ............................................................................................................... 74 3.3. Lựa chọn chủng và khảo sát khả năng lên men dịch thủy phân bã bằng tổ hợp hai chủng............................................................................................................... 80 v 3.3.1. Lựa chọn chủng nấm men thích hợp ....................................................... 80 3.3.2. Khảo sát khả năng kết hợp nấm men S. boulardii và S. cerevisiae để lên men dịch thủy phân bã đậu nành ....................................................................... 89 3.4. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men bằng tổ hợp nấm men S. boulardii và S. cerevisiae .......................................................................... 94 3.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên men ......................................... 94 3.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng saccharose bổ sung ................... 96 3.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tiếp giống giữa hai chủng ................... 97 3.4.4. Lựa chọn thời gian lên men thích hợp .................................................... 99 3.4.5. Đánh giá chất lượng dịch lên men thành phẩm .................................... 101 3.5. Nghiên cứu tạo đồ uống lên men từ dịch lên men bã đậu nành ................ 105 3.5.1. Nghiên cứu điều chỉnh vị cho dịch lên men thành phẩm ...................... 105 3.5.2. Nghiên cứu hoàn thiện trạng thái, cấu trúc cho sản phẩm đồ uống ...... 106 3.5.3. Đánh giá cảm quan thị hiếu sản phẩm đồ uống lên men ...................... 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 114 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AAE Ascorbic Acid Equivalent Hàm lượng tương đương vitamin C ABTS 2,2 – azinobis – 3 ethyl benzothiazoline – 6 – sulfonic acid ANOVA Analysis of variance Phân tích phương sai CFU Colony forming unit Đơn vị hình thành khuẩn lạc CK Chất khô cs et al. Cộng sự cP centipoise Đơn vị đo độ nhớt DBNC Dịch bã nghiên cứu Detector PDA Photodiode Array Detector Đầu dò dãy Diode quang DF Dietary Fiber Chất xơ thực phẩm/ Chất xơ tiêu hóa/ Chất xơ dinh dưỡng DPPH 2,2-diphenyl-picrylhydrazyl DNS 3,5-Dinitrosalicylic acid Thuốc thử DNS FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc FBU Fungal Beta Glucanase Unit Đơn vị hoạt độ Beta Glucanase nấm mốc FTIR Fourier transform infrared spectroscopy Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier GAE Gallic acid equivalent Hàm lượng tương đương acid gallic GC - MS Gas Chromatography - Mass Spectroscopy Sắc ký khí khối phổ HHP High hydrostatic pressure Xử lý bằng áp suất thủy tĩnh cao IDF Insoluble Dietary Fiber Chất xơ không tan kDa Kilodalton Kilodalton RS Resistant Starch Tinh bột kháng tiêu hóa SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét SSF Solid State Fermentation Lên men rắn S. cerevisiae Saccharomyces cerevisiae vii Từ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt S. boulardii Saccharomyces cerevisiae var. boulardii HPLC High-performance liquid chromatography Sắc ký lỏng hiệu năng cao PCA Plate count agar Môi trường thạch đếm đĩa PTFE Polytetrafluoroetylen RPA Relative peak area Diện tích đỉnh tương đối RID Refractive Index Detector Detector khúc xạ ánh sáng SDF Soluble Dietary Fiber Chất xơ hòa tan TCVN Vietnamese National Standards Tiêu chuẩn Việt Nam TCA Trichloracetic Acid Acid Trichloacetic TDF Total Dietary fibre Tổng lượng chất xơ dinh dưỡng/ Tổng lượng chất xơ tiêu hóa U Unit Đơn vị USSEC US Soybean Export Council Hiệp hội Xuất khẩu Đậu tương Hoa Kỳ UHT Ultra High Temperature Nhiệt độ siêu cao v/p Vòng/ phút v/v Volume/volume Thể tích/thể tích w/v Weight/volume Khối lượng/thể tích w/w Weight/weight Khối lượng/khối lượng ×g Relative centrifugal force or g force Lực ly tâm tương đối YGC Yeast Glucose Chloramphenicol YPGal Yeast Peptone Galactose viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần của bã đậu tính trên vật liệu ướt (%) [2] ................................ 5 Bảng 1.2. Thành phần của bã đậu tính trên vật liệu khô (%) [2] ............................... 5 Bảng 1.3. Hàm lượng amino acid trong bã đậu nành [17], [19], [20]. ....................... 7 Bảng 1.4. Tỷ lệ giữa các loại đường đơn trong các mẫu sau xử lý (% mol) [13] .... 20 Bảng 1.5. Các dạng đường giải phóng từ chất xơ bã đậu nành qua quá trình thủy phân enzyme [82]. ............................................................................................................. 20 Bảng 1.6. Các monosaccharide của oligosaccharide bã đậu nành [83]. ................... 21 Bảng 2.1. Thông số các chế phẩm enzyme sử dụng trong nghiên cứu .................... 35 Bảng 2.2. Thành phần một số môi trường sử dụng trong nghiên cứu ...................... 36 Bảng 2.3. Danh mục các phụ gia điều vị và ổn định cho đồ uống ........................... 37 Bảng 2.4. Một số hóa chất chính sử dụng trong nghiên cứu .................................... 37 Bảng 2.5. Một số thiết bị chính sử dụng trong nghiên cứu ...................................... 38 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của các chế độ hấp tới lượng vi sinh vật tổng số của bã đậu nành .......................................................................................................................... 58 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của xử lý hấp nguyên liệu đến khả năng thủy phân của Viscozyme® L ........................................................................................................... 59 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của xử lý hấp nguyên liệu đến khả năng thủy phân của Alcalase®2.4L ........................................................................................................... 60 Bảng 3.4. Đánh giá một số thành phần trong bã sau hấp ........................................ 60 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự thủy phân của Alcalase® 2.4 L ............... 62 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của pH tới sự thủy phân của Alcalase® 2.4 L ....................... 63 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng bã đậu tới sự thủy phân của Alcalase® 2.4 L 64 Bảng 3.8. Biến đổi một số thành phần của dịch thủy phân bã đậu bởi Alcalase® 2.4 L theo thời gian ............................................................................................................ 65 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng bã đậu đến sự thủy phân của Viscozyme® L 66 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của pH đến sự thủy phân của Viscozyme® L ...................... 67 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ Viscozyme® L đến sự chuyển hóa bã đậu ....... 69 Bảng 3.12. Biến đổi một số thành phần của dịch thủy phân bã đậu bởi Viscozyme®L theo thời gian thủy phân ........................................................................................... 70 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ Pectinex® Ultra SP-L bổ sung tới sự thủy phân dịch bã đậu ................................................................................................................ 72 Bảng 3.14. Biến đổi một số thành phần của dịch thủy phân bã đậu khi bổ sung Pectinex®Ultra SP-L theo thời gian .......................................................................... 73 ix Bảng 3.15. Thành phần của dịch sau thủy phân ở các chế độ sử dụng enzyme khác nhau .......................................................................................................................... 74 Bảng 3.16. Thành phần một số monosaccharide tự do của dịch thủy phân bã đậu nành ở các chế độ sử dụng enzyme khác nhau .................................................................. 75 Bảng 3.17. Thành phần một số amino acid tự do trong dịch thủy phân bã đậu nành ở các chế độ sử dụng enzyme khác nhau ..................................................................... 75 Bảng 3.18. Thành phần các isoflavone trong dịch thủy phân bã đậu nành ở các chế độ sử dụng enzyme khác nhau ....................................................................................... 77 Bảng 3.19. Thành phần dịch sau lên men của các chủng khảo sát ........................... 83 Bảng 3.20. Thành phần một số chất có hoạt tính chống oxy hóa trong dịch sau lên men của các chủng khảo sát ..................................................................................... 84 Bảng 3.21. Thành phần một số hợp chất dễ bay hơi của dịch sau 48 h lên men bởi các chủng khảo sát .......................................................................................................... 87 Bảng 3.22. Thành phần của dịch sau lên men khi lên men kết hợp 2 chủng ........... 91 Bảng 3.23. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men đến chất lượng dịch thu được sau 48 h lên men ..................................................................................................................... 95 Bảng 3.24. Ảnh hưởng của hàm lượng saccharose bổ sung đến chất lượng dịch thu được sau 48 h lên men .............................................................................................. 96 Bảng 3.25. Ảnh hưởng của tỷ lệ tiếp giống giữa 2 chủng tới chất lượng dịch lên men sau 48 h ..................................................................................................................... 98 Bảng 3.26. Thành phần chất lượng của dịch lên men thành phẩm ......................... 101 Bảng 3.27. Một số chỉ tiêu vi sinh của sản phẩm sau 1 tuần ở 4oC........................ 104 Bảng 3.28. Điểm trung bình các tiêu chí đánh giá thị hiếu các mẫu thử cảm quan 109 x DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sự tạo thành bã đậu sau quá trình sản xuất sữa đậu nành [6] ..................... 3 Hình 1.2. Quy trình sản xuất sữa đậu nành tại công ty Sữa đậu nành Việt Nam Vinasoy [10]. ............................................................................................................................. 4 Hình 1.3. Cấu trúc của flavonoid với khung flavone C6-C3-C6 [21] ........................ 8 Hình 1.4. Hướng phát triển hiện tại và các triển vọng tương lai cho quá trình lên men bã đậu nành [12] ....................................................................................................... 10 Hình 1.5. Cấu trúc và thành phần vách tế bào sơ cấp (a) và vách tế bào thứ cấp (b) [80] .................