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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Công nghệ thực phẩm "Nghiên cứu xác lập điều kiện công nghệ tạo đồ uống lên men từ phụ phẩm công nghiệp chế biến sữa đậu nành" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu xác lập điều kiện tiền xử lý bã đậu nành; Nghiên cứu xác lập điều kiện thủy phân bã đậu bằng các chế phẩm enzyme; Nghiên cứu lựa chọn chủng và khảo sát khả năng lên men dịch thủy phân bã bằng tổ hợp nấm men S. boulardii và S. cerevisiae; Nghiên cứu tạo đồ uống lên men từ dịch lên men bã đậu nành.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: 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
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 i
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 ii
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 iii
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 iv
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 v
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 2,2 – azinobis – 3 ethyl ABTS 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 Chất xơ thực phẩm/ Chất xơ tiêu DF Dietary Fiber hóa/ Chất xơ dinh dưỡng DPPH 2,2-diphenyl-picrylhydrazyl DNS 3,5-Dinitrosalicylic acid Thuốc thử DNS Food and Agriculture Tổ chức Lương thực và FAO Organization Nông nghiệp Liên hợp quốc of the United Nations Đơn vị hoạt độ Beta Glucanase nấm FBU Fungal Beta Glucanase Unit mốc Fourier transform infrared Quang phổ hồng ngoại biến đổi FTIR spectroscopy Fourier GAE Gallic acid equivalent Hàm lượng tương đương acid gallic Gas Chromatography - Mass GC - MS Sắc ký khí khối phổ Spectroscopy 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 Scanning electron SEM Kính hiển vi điện tử quét microscope SSF Solid State Fermentation Lên men rắn S. cerevisiae Saccharomyces cerevisiae vi
Từ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Saccharomyces cerevisiae S. boulardii var. boulardii High-performance liquid HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao chromatography 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 Vietnamese National TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Standards TCA Trichloracetic Acid Acid Trichloacetic Tổng lượng chất xơ dinh dưỡng/ TDF Total Dietary fibre Tổng lượng chất xơ tiêu hóa U Unit Đơn vị Hiệp hội Xuất khẩu Đậu tương Hoa USSEC US Soybean Export Council 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 Relative centrifugal force or ×g Lực ly tâm tương đối g force Yeast Glucose YGC Chloramphenicol YPGal Yeast Peptone Galactose vii
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 viii
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 ix
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]............................................................................................................................ 18 Hình 1.6. Ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học bã đậu được thủy phân bằng cellulase. ................................................................................................................... 19 Hình 1.7. Ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của một tế bào đậu nành từ bã đậu trước và sau khi thủy phân bằng enzyme Pectinex [13]. .......................................... 19 Hình 1.8. Các phản ứng enzyme tạo thành các chất dễ bay hơi mùi lá cây trong đậu nành và các cơ chế được đề xuất cho sự chuyển hóa các chất dễ bay hơi dưới tác dụng của nấm men [93] ............................................................................................ 24 Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ............................................................................. 38 Hình 3.1. Ảnh SEM của bã đậu ở các chế độ xử lý khác nhau ................................ 78 Hình 3.2. Lượng CO2 giải phóng sau 48 h lên men trên các dịch thủy phân bã đậu nành .......................................................................................................................... 79 Hình 3.3. Đường cong sinh trưởng (ĐCST) của các chủng nấm men trên dịch thủy phân bã đậu nành ...................................................................................................... 80 Hình 3.4. Hình thái khuẩn lạc của các chủng nấm men sau 3 ngày nuôi cấy trên môi trường YGC .............................................................................................................. 81 Hình 3.5. Hình thái khuẩn lạc của 4 chủng nấm men sau 3 ngày nuôi cấy trên môi trường YPGal ............................................................................................................ 81 Hình 3.6. Lượng CO2 do các chủng nấm men tạo ra sau 48 h lên men ................... 82 Hình 3.7. Điểm cảm quan về mùi của các dịch lên men .......................................... 86 Hình 3.8. Lượng CO2 thoát ra trong 48 h khi nuôi cấy riêng rẽ hoặc kết hợp .... 89 Hình 3.9. Sự sinh trưởng của S. boulardii CNCM I-745 và S. cerevisiae 7012 trong 48 h nuôi cấy............................................................................................................ 90 Hình 3.10. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) của bã đậu nành ........ 92 Hình 3.11. Theo dõi khả năng tồn tại của S. boulardii CNCM I-745 và S. cerevisiae 7012 trong dịch lên men khi bảo quản ở 4oC ........................................................... 93 x
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men đến tốc độ lên men (lượng CO2 giải phóng) ....................................................................................................................... 95 Hình 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ saccharose bổ sung đến tốc độ lên men .......... 97 Hình 3.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ tiếp giống giữa 2 chủng 7012/ I-745 đến lượng CO2 giải phóng theo thời gian khi lên men kết hợp chủng .............................................. 98 Hình 3.15. Sự biến thiên mật độ hai chủng 7012 và I-745 theo thời gian lên men .. 99 Hình 3.16. Động thái quá trình lên men khi kết hợp 2 chủng 7012/ I-745 ............ 100 Hình 3.17. Sự biến thiên hàm lượng một số monosaccharide, acid hữu cơ và glycerol trong dịch lên men theo thời gian ........................................................................... 100 Hình 3.18. Sắc ký đồ HPLC phân tích thành phần monosaccharide và acid hữu cơ trong dịch lên men thành phẩm .............................................................................. 102 Hình 3.19. Sắc ký đồ GC-MS phân tích thành phần một số hợp chất dễ bay hơi trong dịch lên men thành phẩm ........................................................................................ 103 Hình 3.20. Sự thay đổi mật độ S. boulardii CNCM I-745 và S. cerevisiae 7012 trong sản phẩm đồ uống lên men theo thời gian bảo quản ở 4oC .................................... 104 Hình 3.21. Ảnh hưởng của hàm lượng stevia đến điểm cảm quan về vị của các mẫu lên men ................................................................................................................... 106 Hình 3.22. Ảnh hưởng của các chất ổn định đến điểm cảm quan về trạng thái, cấu trúc của sản phẩm đồ uống lên men ....................................................................... 107 Hình 3.23. Ảnh hưởng của hàm lượng CMC đến điểm cảm quan về trạng thái, cấu trúc của của sản phẩm đồ uống lên men ................................................................. 108 Hình 3.24. Kết quả cảm quan thị hiếu đồ uống lên men ........................................ 109 xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Sản xuất thực phẩm ngày càng mở rộng, cùng với đó là việc gia tăng lượng chất thải được tạo ra từ phần nguyên liệu chưa được khai thác hết. Ước tính khoảng 1/3 phần ăn được của thực phẩm sản xuất cho con người trên toàn cầu bị tổn thất hoặc lãng phí tương đương khoảng 1,3 tỷ tấn mỗi năm. Một số chất thải và phụ phẩm từ ngành công nghiệp thực phẩm có thể chứa hàm lượng chất có hoạt tính sinh học tương đối cao [1]. Hiện nay, một lượng lớn phụ phẩm của các giai đoạn sản xuất thực phẩm đã và đang được nghiên cứu để thu hồi các thành phần có giá trị hoặc chuyển hóa thành những nguồn tài nguyên mới nhằm tìm cách hạn chế tác động của sản xuất thực phẩm tới môi trường. Trong những năm gần đây, nhận thức về lợi ích sức khỏe của việc tiêu thụ thực phẩm có nguồn gốc từ đậu nành, hiểu biết về dị ứng sữa bò và xu hướng sản xuất bền vững hơn đã dẫn đến sự gia tăng số lượng và sản lượng các sản phẩm làm từ đậu nành kéo theo một lượng đáng kể các phụ phẩm được hình thành trong suốt quá trình sản xuất, chế biến [2]. Trong ngành công nghiệp chế biến sữa đậu nành, có thể thấy bã đậu nành là nguồn phụ phẩm chính và đặc biệt quan trọng. Để sản xuất sữa đậu nành hoặc đậu phụ, với mỗi kg đậu nành đưa vào sản xuất có thể làm phát sinh khoảng 1,1÷1,2 kg bã đậu [3]. Do vậy, hàng năm, trên thế giới đặc biệt là ở các nước châu Á, một lượng lớn bã đậu được tạo ra. Hiện nay, tại Việt Nam, ngày càng có nhiều doanh nghiệp đầu tư xây dựng nhà máy sữa đậu nành. Trong đó, chỉ riêng Vinasoy, với ba nhà máy đang hoạt động hiệu quả tại Quảng Ngãi, Bắc Ninh và Bình Dương đã cung cấp cho thị trường 390 triệu lít sữa đậu nành/năm, đồng nghĩa với việc tạo ra khoảng hơn 40.000 tấn bã đậu nành mỗi năm chưa kể lượng bã tạo ra do các công ty sản xuất sữa đậu nành khác và các cơ sở nhỏ lẻ sản xuất các sản phẩm khác từ đậu nành [4]. Bã đậu nành còn được gọi là okara (Nhật Bản), biji (Hàn Quốc) hay douzha (Trung Quốc), là phụ phẩm chủ yếu của ngành sản xuất sữa đậu nành và đậu phụ. Đây là một phụ phẩm chứa nhiều chất dinh dưỡng như protein, dầu béo, chất xơ, khoáng, cùng với các monosaccharide và các oligosaccharide. Ngoài ra, trong bã đậu nành vẫn còn một lượng nhỏ các thành phần chức năng có giá trị và một số vitamin. Bã đậu nành rất dễ bị phân hủy và thối rữa một cách tự nhiên khi không ở điều kiện lạnh vì phụ phẩm này có hàm lượng nước cao và hàm lượng protein lớn. Bên cạnh protein, trong phụ phẩm này còn chứa rất nhiều thành phần dinh dưỡng có giá trị có thể khai thác. Do vậy, tận dụng được nguồn phụ phẩm này hứa hẹn sẽ đem lại nhiều lợi ích kinh tế, khả năng đa dạng hóa sản phẩm đồng thời góp phần giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác lập các điều kiện công nghệ thích hợp cho quá trình thủy phân và lên men để tạo đồ uống lên men từ phụ phẩm công nghiệp chế biến sữa đậu nành, góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm, đa dạng hóa sản phẩm đồ uống probiotic có lợi cho sức khỏe 3. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu xác lập điều kiện tiền xử lý bã đậu nành Nội dung 2: Nghiên cứu xác lập điều kiện thủy phân bã đậu bằng các chế phẩm enzyme Nội dung 3: Nghiên cứu lựa chọn chủng và khảo sát khả năng lên men dịch thủy phân bã bằng tổ hợp nấm men S. boulardii và S. cerevisiae Nội dung 4: Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men dịch thủy phân bã bằng tổ hợp nấm men S. boulardii và S. cerevisiae Nội dung 5: Nghiên cứu tạo đồ uống lên men từ dịch lên men bã đậu nành. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Luận án đã xác lập được điều kiện công nghệ thủy phân bã đậu nành bằng phức hợp protease và carbohydrase nhằm tăng khả năng tiêu hóa, giá trị sinh học và dinh dưỡng; Luận án đã xác lập điều kiện lên men dịch thủy phân bã đậu nành để tạo đồ uống probiotic từ sự kết hợp nấm men probiotic Saccharomyces boulardii và nấm men Saccharomyces cerevisiae. Ý nghĩa thực tiễn Luận án đã xây dựng được phương án nâng cao giá trị phụ phẩm công nghiệp chế biến sữa đậu nành, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và góp phần đa dạng hóa sản phẩm đồ uống probiotic. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên có hệ thống từ xử lý, thủy phân đến lên men và hoàn thiện sản phẩm đồ uống probiotic từ phụ phẩm công nghiệp chế biến sữa đậu nành. Luận án là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về lên men dịch thủy phân bã đậu nành bằng tổ hợp nấm men probiotic Saccharomyces boulardii và nấm men Saccharomyces cerevisiae. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Bã đậu nành, phụ phẩm chính của công nghiệp chế biến sữa đậu nành 1.1.1. Sự tạo thành bã đậu trong sản xuất sữa đậu nành Do nhu cầu sử dụng thực phẩm có nguồn gốc từ đậu nành ngày càng tăng cùng với xu hướng sản xuất thực phẩm bền vững hơn, trong những năm gần đây có sự gia tăng số lượng và sản lượng các sản phẩm làm từ đậu nành, trong đó sữa đậu nành là một trong những thức uống phổ biến. Một lượng lớn phụ phẩm được hình thành trong suốt quá trình sản xuất, chế biến sữa đậu nành mà bã đậu nành là loại phụ phẩm chính và quan trọng nhất. Do đó, giải quyết bã đậu nành là thách thức lớn nhất của ngành công nghiệp này [5]. Sự tạo thành bã đậu nành sau quá trình sản xuất sữa đậu nành được minh họa trong Hình 1.1. Hình 1.1. Sự tạo thành bã đậu sau quá trình sản xuất sữa đậu nành [6] Shurtleff (2000) ước tính rằng với mỗi kg đậu nành sử dụng trong chế biến sữa đậu nành có thể thải ra môi trường khoảng 1,1÷1,2 kg bã [3]. Lượng bã phát sinh chủ 3
yếu ở các quốc gia có mức tiêu thụ đậu nành cao [7]. Hồng Kông và Singapore là hai quốc gia Châu Á đứng đầu trong việc tiêu thụ sữa đậu nành, một số quốc gia khác không thuộc Châu Á có mức tiêu thụ sữa đậu nành đáng kể là Úc và Canada. Lượng bã phát sinh từ chế biến sữa đậu nành khoảng 800.000 tấn ở Nhật Bản, 310.000 tấn ở Hàn Quốc và 2.800.000 tấn ở Trung Quốc. Mỗi năm, Singapore thải ra khoảng 10.000 tấn bã, tương đương với lượng bã ở Canada [7, 8]. Theo báo cáo của USSEC, năm 2021, Châu Á chiếm 72% thị trường thực phẩm từ đậu nành toàn cầu tính theo doanh số bán hàng. Sữa đậu nành thống trị thị trường thực phẩm đậu nành Châu Á với 76% phân khúc tính theo doanh số. Năm 2020, Việt Nam cũng là một trong số mười quốc gia sử dụng đậu nành làm thực phẩm bình quân đầu người hàng đầu thế giới [9]. Theo số liệu của Nielsen, năm 2022 Vinasoy tiếp tục duy trì và giữ vững vị thế dẫn đầu ngành hàng sữa đậu nành tại Việt Nam với thị phần là 87,8%. Tổng công suất tại ba nhà máy của công ty lên đến 390 triệu lít/năm trong đó Bắc Ninh 180 triệu lít/năm, Quảng Ngãi 120 triệu lít/năm và Bình Dương 90 triệu lít/năm. Sản lượng sữa đậu nành tiêu thụ trong năm 2022 đạt 265 triệu lít giảm 2% so với năm 2021 [4]. Theo quy trình sản xuất sữa đậu nành truyền thống bắt nguồn từ Trung Quốc (Hình 1.1), đậu nành được ngâm nở trong nước, sau đó được rửa sạch, xay, tiếp theo là lọc để tách sữa đậu nành và bã. Người Nhật đã tạo ra một cải tiến nhỏ từ phương pháp truyền thống của Trung Quốc, việc này giúp tăng năng suất trích ly sữa đậu nành và tốc độ lọc nhưng đổi lại phải mất thêm chi phí gia nhiệt cho khối dịch xay đậu, đồng thời quy trình này lại cần thiết phải sử dụng các phương tiện cơ học để lọc hỗn hợp nóng, cũng như tăng chi phí năng lượng [6]. Quy trình sản xuất sữa đậu nành tại công ty Sữa đậu nành Việt Nam Vinasoy được mô tả trong Hình 1.2. Hình 1.2. Quy trình sản xuất sữa đậu nành tại công ty Sữa đậu nành Việt Nam Vinasoy [10]. 4
Trong quy trình này, nguyên liệu đậu nành trước khi chế biến phải qua hệ thống làm sạch và phân loại để tách tạp chất nhẹ như vỏ, rác, hạt vỡ… bằng quạt thổi và cyclone, tách kim loại nhiễm từ bằng nam châm, tách đá, sạn bằng sàng tách theo trọng lượng, lựa chọn phân loại hạt bằng sàng chọn cỡ hạt. Tiếp đó, đậu nành được rửa và nghiền thô, nghiền tinh với nước nóng 68 ÷ 72oC. Đậu nành hạt chuyển thành dạng dịch, các chất dinh dưỡng được hòa tan. Các thành phần dinh dưỡng hòa tan này sẽ được ly tâm 2 lần để thu dịch đậu nành. Dịch đậu nành được tiếp tục xử lý nhiệt ở 120oC để khử hoạt tính các enzyme không có lợi cho sản phẩm như enzyme lipoxygenase và chất ức chế trypsin sau đó qua hệ thống làm lạnh nhanh tấm bản 3 cấp để hạ tới nhiệt độ trữ lạnh 10oC. Từ đây dịch đậu nành sẽ được phối trộn theo các công thức khác nhau và tiêu chuẩn hóa sau đó được đồng hóa và tiệt trùng UHT ở 140oC trong 6 giây rồi đem trữ lạnh trong điều kiện vô trùng trước khi đóng gói trong bao bì hộp giấy và phân phối ra thị trường [10]. Như vậy, theo quy trình này, bã đậu nành vẫn còn các thành phần trong vỏ và chưa được khử hoạt tính enzyme lipoxygenase nên có nhiều khả năng bị biến đổi trong thời gian bảo quản, chưa kể vẫn còn một lượng nhất định lectin và các chất ức chế trypsin. 1.1.2. Thành phần của bã đậu nành Thành phần của bã đậu nành có thể thay đổi phụ thuộc vào giống đậu tương, phương pháp chế biến sữa đậu nành và lượng các cấu tử hòa tan chiết xuất từ đậu nành trong quá trình xay đậu. Quy trình chế biến sữa đậu nành (như minh họa trong Hình 1.1) cũng ảnh hưởng đến thành phần của bã đậu. Việc tạo ra bã đậu nành từ quy trình ngâm nước, xay, gia nhiệt rồi mới lọc sẽ tạo ra bã đậu nành có thành phần khác so với quy trình ngâm, xay trước rồi mới trích ly, lọc và đun sôi [6]. Phương pháp sản xuất sữa đậu nành của công ty Sữa đậu nành Việt Nam Vinasoy trong Hình 1.2 về cơ bản cũng tương tự như phương pháp sản xuất của Trung Quốc. Thành phần bã đậu nành được biểu thị trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2. Bảng 1.1. Thành phần của bã đậu tính trên vật liệu ướt (%) [2] Độ ẩm Protein Chất béo Chất xơ thô Tro 81,0 ÷ 85,0 3,6 ÷ 4,8 1,4 ÷ 3,6 1,5 ÷ 9,2 0,4 ÷ 0,8 Bảng 1.2. Thành phần của bã đậu tính trên vật liệu khô (%) [2] Protein Chất béo Chất xơ thô Carbohydrate Tro 25,4 ÷ 33,4 8,5 ÷ 19,8 49 ÷ 58,1 2,6 ÷ 5,3 3,0 ÷ 3,7 5
Với độ ẩm > 80% cùng với thành phần dinh dưỡng phong phú, bã đậu nành rất dễ bị phân hủy trong quá trình bảo quản [11]. Hầu hết nước trong bã đậu đều bị khóa trong phần xơ, nên bã biểu hiện thành dạng cấu trúc vón cục giống mùn cưa ướt [12]. Bã đậu nành rất giàu chất xơ, thành phần này chiếm khoảng 40 ÷ 60% chất khô trong đậu nành, chủ yếu là xơ không tan (ở dạng cellulose và hemicellulose). Đây là một nguồn chất xơ có lợi, mặc dù không tiêu hóa được ở ruột non nhưng có thể được lên men bởi các vi khuẩn trong ruột già. Các nhà nghiên cứu cho rằng chất xơ trong bã đậu có thể làm giảm mỡ máu và huyết áp, giảm mức độ cholesterol trong máu, bảo vệ cơ thể chống lại bệnh mạch vành, ngăn ngừa táo bón và ung thư ruột kết. Chất xơ này cũng giúp điều hòa lượng đường trong máu của các bệnh nhân tiểu đường [2]. Theo O'Toole (2016), thành phần tương đối của bã đậu nành tươi phụ thuộc vào hiệu suất chiết từ giai đoạn xay đậu nành và giống đậu nành đưa vào sản xuất cùng các yếu tố khác; thành phần chính của bã đậu nành là các tế bào lá mầm và vỏ đậu nành bị nghiền nhỏ [6]. Theo Kasai và cs. (2004), bã đậu nành không chỉ chứa các chất xơ dễ tiêu hóa mà còn là một phức hợp các tổ chức, tế bào thực vật gồm nhiều cấu trúc bậc cao và rất phức tạp. Các vách tế bào thực vật trong bã đậu nành chứa chủ yếu cellulose, hemicellulose và pectin [13]. Bã đậu nành được đánh giá là một nguồn chất xơ tiêu hóa rất tốt. Chất xơ là thành phần chủ yếu chiếm tỷ lệ cao trong phụ phẩm này [2]. Đáng chú ý, bã đậu nành chứa khoảng 1,4% stachyose và raffinose, có thể gây ra sự đầy hơi và chướng bụng ở một số người [12]. Liên kết α-(1,6) galactose có trong stachyose và raffinose có thể bị phá vỡ bởi α-galactosidase, tuy nhiên enzyme này không được tiết ra từ niêm mạc ruột của con người. Kết quả là các oligosaccharide này trở thành chất nền lên men cho hệ vi sinh đại tràng [14, 15]. Bã đậu nành chứa khoảng 25,4 ÷ 33,4% protein (tính theo chất khô) [2] với hai protein chính là globulin 7S và globulin 11S [16]. Protein của bã đậu nành có độ hòa tan thấp và các tính chất chức năng cùng giá trị dinh dưỡng tương đương protein thu nhận từ đậu nành [17]. Protein trong bã đậu nành có chất lượng tốt hơn so với các sản phẩm đậu nành khác, mặc dù có tỷ lệ amino acid thiết yếu trên tổng lượng amino acid tương tự như đậu phụ và sữa đậu nành [6]. Các protein thu nhận từ bã đậu chứa tất cả các amino acid thiết yếu (Bảng 1.3), điều này chứng tỏ phụ phẩm này là một nguồn protein thực vật đầy tiềm năng cho con người. Bã đậu nành cũng chứa một lượng lipid đáng kể khoảng 8,5 ÷ 19,8% (tính theo chất khô) [2]. Hầu hết các acid béo là không bão hòa như: linoleic acid (C18:2) 54,1%, oleic acid (C18:1) 20,4%, palmitic acid (C16:0) 12,3%, linolenic acid (C18:3) 8,8% và stearic acid (C18:0) 4,7% [18]. 6
Bảng 1.3. Hàm lượng amino acid trong bã đậu nành [17], [19], [20]. Amino acid Hàm lượng Hàm lượng Hàm lượng (mg/g protein) (mg/g protein) (mg/g protein) [17] [19] [20] Aspartic acid 117 108,6 100,77 Threonine 41 53,1 37,0 Serine 50 33,5 50,86 Glutamic acid 195 164,3 160,01 Glycine 46 42,3 39,27 Alanine 46 45,6 43,14 Cysteine + methionine 26 - Cysteine - 12,5 16,5 Methionine - 10,6 - Valine 51 55,8 46,6 Isoleucine 51 53,7 69,8 Leucine 81 82,5 108,5 Tyrosine + Phenylalanine 95 Tyrosine - 34,3 34,44 Phenylalanine - 48,4 97,5 Lysine 65 80,9 54,0 Histidine 28 35,1 27,0 Arginine 75 75,0 59,88 Proline 36 52,4 40,56 Tryptophan - 11,4 - “-”: không xác định Các nghiên cứu trước đây đã báo cáo rằng đậu nành rất giàu isoflavone và các hợp chất polyphenol. Các hợp chất polyphenol được biết đến trong tự nhiên có thể phân loại thành 3 nhóm lớn. Nhóm thứ nhất là các dẫn xuất hydroxybenzoic acid (HBA) có cấu trúc chung C6 - C1 (ví dụ salicylic acid và gallic acid). Nhóm thứ hai là các hợp chất phenol có công thức chung C6 - C3 (dẫn xuất hydroxy-cinnamic acid), đại diện cho một loạt các trans-phenyl-3-propenoic acid khác nhau trong sự thay thế vòng của chúng, phổ biến nhất là caffeic acid (3,4-dihydroxy-cinnamic acid); ferulic acid (3-methoxy, 4-hydroxy), sinapic acid (3,5-di-methoxy, 4-hydroxy) và p- coumaric acid (4-hydroxy). Nhóm thứ ba và lớn nhất được đại diện bởi flavonoid, với hơn 4000 hợp chất đặc trưng. Nhóm này cũng phổ biến và đa dạng nhất, được xây dựng dựa trên bộ khung flavone C6 - C3 - C6 trong đó cầu ba cacbon giữa các nhóm phenyl thường được luân chuyển bằng oxy. Một số phân nhóm flavonoid được phân biệt về mức độ không bão hòa và mức độ oxy hóa của phân khúc ba carbon như trên Hình 1.3 (ví dụ: flavone, isoflavone, flavonol, flavanone, catechin, anthocyanin, 7